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钢铁表面引入超细陶瓷颗粒的激光合金化技术

作　者: 熊钊颋
导　师: 王爱华
学　校: 华中科技大学
专　业: 纳米科学与技术
关键词: 激光表面合金化组织结构硬度摩擦磨损性能裂纹
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 78次
引　用: 1次
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内容摘要

金属材料的表面在外界环境的作用下亦易发生各类磨损、腐蚀、氧化和疲劳等破坏,这方面造成的损失是十分巨大的。此外,许多零部件要求的表面性能与心部性能之间存在着一定的矛盾,整体处理时往往两者不能兼顾。因此,金属材料的表面强化技术受到了人们的高度重视。而激光表面合金化技术作为表面强化的重要手段之一,具有极大的研究价值和应用前景。本课题采用Nd:YAG和CW CO₂两种激光器,以球墨铸铁、9CrSi和45#钢作为基材,制备溶胶涂料进行合金化实验。研究激光合金化合适的工艺参数和影响因素,并自主研制开发激光合金化涂料,以期达到理想的强化效果。对激光合金化试样进行SEM、EDX、XRD、TEM、硬度和摩擦磨损性能检测,对强化的原理和机制作以讨论。扫描电镜分析表明,激光合金化层可分为合金化区和热影响区两部分。合金化区因为温度梯度的原因由胞状晶、树枝胞状晶和树枝晶组成,跟据基材的不同三者的含量各不一样,主要包含残余奥氏体、莱氏体和马氏体。热影响区主要由残余奥氏体和马氏体组成。激光种类和工艺参数都会对组织结构产生影响。由于金属对Nd:YAG激光高的吸收率,其合金化过程中熔池温度高,冷却速度大,晶粒细小且莱氏体产生较少。扫描速度的提高也会导致相同效果,但由于功率低的原因得到的合金化层较薄。涂料中陶瓷硬质相的提高会导致合金化层中陶瓷硬质相的增多,当其含量为30%接近饱和状态,提升幅度降低。涂料中的Si元素可以起到阻碍残余奥氏体转变的作用。通过对合金化试样进行硬度检测,发现合金化层硬度得到显著提高,表层可以达到1000HV以上。在一定范围内降低激光功率或者提高激光扫描速度可以获得较高的表层硬度,但会降低硬化层深。涂料中新型碳化物和Si元素的添加有利于硬度的提高。合金化层硬度强化的原因有陶瓷硬质相的引入、一些硬质碳化物的析出、马氏体相变和组织结构的细化。激光合金化后基体的耐磨性提高了十倍以上。工艺参数对合金化层摩擦磨损性能的影响同其对硬度分布的影响类似。新型碳化物的加入对摩擦磨损性能强化也有作用,随着新型碳化物含量的增加,合金化层摩擦系数减小。但新型碳化物含量变化对耐磨性影响不大。摩擦磨损性能的强化原因主要有陶瓷硬质相的高硬度和润滑作用、固溶强化和马氏体相变。由于低的导热系数,球墨铸铁表面合金化层极易出现裂纹。通过增大激光功率可以减少裂纹的数量,而激光扫描速度的增加则会导致更大的温度梯度从而增大开裂趋势。由于Si元素净化熔池的作用,17.5%的Si含量可以将裂纹数量减少2/3。通过对基体进行预先热处理可以达到减少裂纹的目的。9CrSi和45#钢合金化表面几乎无裂纹出现。HG系列涂料和TH2A涂料合金化层具有较好的表面平整度,这和两种涂料中的Si元素和稀土元素的存在有关。新型涂料在水钢和唐山加工站进行实际应用检验。水钢螺纹钢轧辊使用HG02型合金化涂料进行加工后,中轧的寿命提高了80%。使用HG03型合金化涂料进行加工后,初轧和中轧的寿命提高了120%。采用HG03涂料在唐山加工站对H型钢进行激光表面合金化加工,精轧寿命提高了110%。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-24
  1.1 课题背景  10
  1.2 国内外研究动态  10-20
  1.3 本课题研究的目的和意义  20-21
  1.4 研究内容、技术路线及方案  21-24
2 试验材料与方法  24-28
  2.1 试验材料  24-25
  2.2 试验设备与方法  25-27
  2.3 材料分析表征与检测方法  27-28
3 激光合金化工艺研究  28-37
  3.1 涂层厚度  28
  3.2 激光功率和扫描速度  28-31
  3.3 表面形貌  31-35
  3.4 本章小结  35-37
4 激光合金化层组织结构分析  37-51
  4.1 引言  37
  4.2 不同基材上的合金化层组织结构  37-43
  4.3 工艺参数对合金化层组织结构的影响  43-46
  4.4 涂料成分对合金化层组织结构的影响  46-50
  4.5 本章小结  50-51
5 激光合金化层性能测定及分析  51-73
  5.1 合金化层的硬度分布  51-60
  5.2 合金化层摩擦磨损性能  60-72
  5.3 本章小结  72-73
6 激光合金化轧辊应用试验研究  73-75
结论  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-81

钢铁表面引入超细陶瓷颗粒的激光合金化技术

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