第六章_表面改性技术

6.1.2 激光表面处理工艺
为了提高灰铸铁及球墨铸铁的耐磨性，采 用激光加热表面熔化－结晶处理使其表面白 口化，可显著提高耐磨性，这种处理方法在 生产上使用较多。如采用二氧化碳激光器对 铬钼合金铸铁活塞环进行熔化一结晶处理， 可获得由细小碳化物与隐晶马氏体所组成的 极细莱氏体。莱氏体的硬化层深度为0.10～ 0.20mm，硬度为1000～2000HV。
轨
刀具耐用度提高2.5～3.5倍，切削速度提高 7～8倍
比硼缸套寿命高25％，与活塞环配制寿命提 高30％
较原来渗碳工艺减少工序，变形极小，成品 率高
6.1.2 激光表面处理工艺
2. 激光表面熔凝处理：利用能量密度很高的激光束在金 属表面连续扫描，使之迅速形成一层非常薄的熔化层， 并且利用基体的吸热作用使熔池中的金属液以极高的速 度冷却、凝固，从而使金属表面产生特殊的微观组织结 构的一种表面改性技术。
螺杆压缩机转子是制冷机的关键部件，现 多采用球墨铸铁制备而成，其主要失效形式 是轴颈发生严重磨损。为此，采用激光相变 硬化技术对轴颈进行强化处理。
6.1.2 激光表面处理工艺
螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化 工艺：激光输出功率1.1kw，扫描速度
17mm/s，光斑直径4mm。 效果：激光硬化区主要是由针状马氏体、
铸铁大致可分为三层：表层是熔化－凝固所 得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减 小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及 磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏 体。
6.1.2 激光表面处理工艺
美国正在研究用激光淬火处理飞机的重载 齿轮，以取代渗碳淬火的化学热处理工艺。
----直升飞机辅助动力装置的行星齿轮 ----飞机主传动装置的传动齿轮 用激光硬化的飞机重载齿轮，不需要最后 研磨，大大降低了生产成本，提高生产率。 ----采用激光硬化飞机发动机气缸内壁，比 氮化处理快14倍，且所得到的硬化层比经过 10～20h氮化处理的硬化层还厚，质量优 良，几乎无变形。
激光表面冲击
激光物理气相沉积 激光化学气相沉积 激光电镀：阴极加热
6.1.2 激光表面处理工艺
1. 激光相变硬化：在固态下经受激光辐照，其表层被迅 速加热到奥氏体温度以上，并在激光停止辐射后快速淬 火得到马氏体组织的一种工艺。
加热和冷却速度高： 105～109℃/S
高硬度：比常规淬火提高15%～20%
6.1 激光束表面处理技术
▪激光束表面处理：采用激光对材料表面进行改性的一
种表面处理技术。
激光照射到材料表面 表层材料受热升温 激光作用后冷却
激光被吸收变为热能 固态相变/熔化/蒸发
6.1 激光束表面处理技术
加热速度快：105-109℃/S 自冷速度高： ＞104 ℃/S 输入功率小，工件变形小
效果：激光硬化区主要是由细长板条马氏 体和其间不连续分布的奥氏体所组成；除位 错亚结构外，在局部区域还出现了平行排列 的微细孪晶组织；硬化区最大硬度为 713HV0.1；硬化层深为0.5mm；激光硬化表 面光洁度基本保持不变，变形量满足形位公 差要求。
6.1.2 激光表面处理工艺
应用实例 螺杆压缩机转子轴颈激光相变硬化
奥氏体及团絮状组织所组成；硬化区平均硬 度达HRC60以上；硬化区层深为1mm；使 用寿命提高3倍。
6.1.2 激光表面处理工艺
编号 零件名称 材 料
优点或效果
1 锭杆
GCr15
硬化区深0.94mm，峰值硬度980HV0.1,相对耐 磨性提高10倍
2 成形刀 高速钢
3 气缸套 铸铁
精密仪 4 器V型导 45钢
细化铸造晶粒
减少偏析
过饱和固溶体
非晶体
改变表层结构
6.1.2 激光表面处理工艺
激光熔化淬火处理后的ZL101及的晶粒尺寸仅为原来的 1/10，硬度可提高30%左右。
AA390铝合金，处理前合金组织中镶有60μm大的Si颗 粒，处理后硅的颗粒变为1～4μm。
铸造合金一般都存在着氧化物、硫化物等夹杂和疏松， 用激光把表面重熔就可以把杂质、气孔、化合物释放出 来，同时把表面层细化。
表面改性技术
教师：强颖怀 学院：材料学院
6.1 激光束表面处理技术
最引人注目的技术之一 成功地走向工业化生产应用 传统的表面处理技术相竞争 提高制品的性能和寿命 获得极大的社会效益和经济效益
6.1 激光束表面处理技术
相位一致 方向性好 波长单一 优越的聚光性 可以获得很高的能量密度 高能束表面改性技术中的一种主要手段
可局部加热
精确控制：线加工 自动化
但反射率高、转换率低、设备昂贵、不能大面积
6.1 激光束表面处理技术
▪激光与材料：反射与吸收；吸收通过大量传导电子的
带间跃迁实现。
波长越短，吸收率高
杂质影响吸收
越粗糙，越易吸收
黑化处理：碳素/磷化/油漆
温度升高、吸收越多：熔点40-50%，沸点90%
6.1 激光束表面处理技术 激光相变 激光熔融
6.1.2 激光表面处理工艺
应用实例 内燃机活塞环激光相变硬化
活塞环是内燃机易损基础件之一。为提高 活塞环耐磨性延长其使用寿命，对由 42CrMo钢制备的活塞环沟内侧进行了激光 相变硬化处理。
工艺：激光输出功率1.65kw，扫描速度 22mm/s，光斑直径3mm。
6.1.2 激光表面处理工艺
应用实例 内燃机活塞环沟侧面激光相变硬化
中碳钢可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬 度HV达800，比一般淬火硬度高出100以上；第 二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第 三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素 体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。
6.1.2 激光表面处理工艺
高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体； 内层是隐针马氏体加未溶碳化物。
百度文库变形小：加热层薄
疲劳强度高
6.1.2 激光表面处理工艺
由于激光加热速率极快，相变在很大的过 热度下进行，形核率很大。
因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大 受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小。
冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易 得到隐针或细针马氏体组织。
6.1.2 激光表面处理工艺
低碳钢可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐 针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体 。
6.1.2 激光表面处理工艺
通过快磨试验、汽车台架试验与装车 考核试验证明，活塞环的磨损量减少， 使用寿命提高。