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年第期光学机械总第期铁基粉末冶金材料的激光热处理刘要武卜宪章路长琴。摘共本文就铁基粉末冶金材料的激光热处理进行了某些系统的研究结果表明,,,采用此种处理可在保持原粉末冶金材料特性的基础大大改善其某些性能硬度提,一。,高了约倍而耐磨性则提高近倍此外此种材料的激光硬化处理工艺要比通常的钢材更为简便。前言、粉末冶金材料作为一门新学科新工艺应川到工业生产中以来正以惊人的速度向前发。、、、、。,展在航天航空交通机械日用工业方而都在发挥重要作川特别作为机械零件应川,,、、、是很广泛的川谈也越来越大对产品在强度硬度耐磨性抗腐蚀能力土都提出了更。高的要求。·,经成塑和烧结而制成的般多川在汾动摩铁摧粉末冶金材料是以铁粉作为主要原料。,。,擦部位月其受力较小又可利用多沮和游离态石果进行润滑山卜强度和密度较低使应用受到很大限制。在目前的生产工艺中,般不进行热处理。主要是粉末冶金材料密度较低二。,。日不均匀,而月淬火介质或盐炉加热极易腐蚀又易变形’。难以得到均匀的红织为了扩,,大粉末冶金材料的应川范围和提高其使川寿命都了以戈图寻找改善其组织提佰其性能的新。途径,根据激光热处理具仃加热及冷却速度极快等特点在不改变粉末冶金材料的多孔性和,,,存在游离态石墨等优点的前提下进行激光表而处理增强表而强度提高硬度和耐磨性,,。,能减少变形是完全可以达到的文中重点对铁基粉末冶金材料的激光表而硬化处理的,。工艺特点进行论述对其组织与性能的影响做初步的探讨二、试验方法及内容样品的制备。。试验川材料的基本组成及生产工艺如表所示制成三种规格的样品如图所示马云程、吴洪志、关振中同志参加此项工作。 一名一图试验用的样品尺寸月口邓火“小衰试脸材料的‘本组成,门一八密度烧结温度℃保温时间激光热处理设备及工艺试验设备采用封离式户连续激光器如,。图连续输出功率约为光束质量,林。,为多模波长为光斑直径为,分采用三种扫描速度别为厂也厂二也犷二并对样品做了加涂层、不加涂层、浸油。等不同方式的预处理图试验用设备直管式激光器、三试验结果及讨论金相组织及分析。试验所采用材料的成份含有的碳由于碳含量直接控制着渗碳体的体积百分,从数而在很大程度上控制着珠光体的数。,量而碳经烧结后以石墨形式存在的约占,。以化合态存在的约为,因此得到的基体显微组织除石墨与硫化物,均起固体润滑作用外主要为片状珠光,体加少量的铁素体图有少量的渗碳体图烧结后的组织。,珠光体加少的铁素体和渗碳体,由于渗碳体硬而脆如果数量过以及游,。离态石虽与硫化物多如超过以上将使材料脆性增大尤 一一,,,,,其是做为摩擦材料过多的渗碳体容易划伤表面产生犁沟甚至剥落增加磨料磨损对。摩擦副不利,硬铁慕粉末冶金材料经激光热处理后。化层形貌为球冠形图这主要与激光光斑。的能谈分布和导热方式有关硬化红织除石。果与硫化物外均为隐晶马氏体图过渡区,。到织为细珠光体如图所示激光相变硬化原理和普通热处理基本相‘,图激光硬化带横断面形貌同金属的淬硬仍然是一个奥氏体转变成马图激光相变硬化组织图过渡区组织。,。氏体的过程奥氏体的形成是受扩散支配的过程即存在着平衡只有当奥氏体内部达到均,。,,衡浓度并以超过临界冷却速度冷却后才可能获得均匀马氏体然而已经发现在快速硬,,,,化中不管所经历的过程如何适当提高奥氏体化淬火温度都可加速扩散不管如何,〔‘’。。缩短奥氏体化时间仍可能获得均匀硬化这种分析与图中的硬度分布是相符的样品,,,。表面经激光束扫过后山于是局部硬化加热及冷却过程迅速可允许金属表面瞬时过热,。因此所得到的硬化组织极为细密表面硬度比常规淬火要高一些无疑对提高耐磨性是有利。的性能、硬度硬化层深及带宽,。。表面硬度是在苏联一型显微硬度计上测定加载为结果如图所示军沟次陌口柳科认、‘又口以百口不币闷用口飞卜一燕下孺欢化带充度距未声距妈图硬化带硬度分布曲线到幽‘ 一一,,。从测试结果可以看出激光热处理后表面硬度得到显著的提高同时因光束能量近似,,。高斯曲线分布故硬化带两边加热温度不足硬度约厂左右从曲线很陡下降可清楚,。看出热影响区很小硬化带宽度和深度与材料的密度及工艺参数密切相关下面将重点讨。,,。论在此部分的试验中均把硬化带控制在范围内深度可达到左右耐磨性能、、,,试验采川摩擦磨损试验机样品尺寸为图中的在其卜分别处理成,,。条硬化带以获得不同的硬化面积与摩擦副做切人法磨损试验图试验条件为室温,,,,,下的干滑动摩擦载荷转速印时间分钟摩擦副材料为经调质处理。。。硬一度为材料的耐磨性能评定采用称重法即磨损重量磨前重鼠磨后重量样。品的处理状态及试验结果如表及图所示日试才导称甲怪‘很人硬‘也面,尸图图激光硬化面积与磨损量的关系衰硬化带形式及砚化面积热处理方式原始组织激光表面硬化硬化带形式硬化面积硬度值对犷,,。从试验结果看出样品经激光硬化后耐磨性能得到显著的改善观察样品表而的磨损,,,一。状态图未经激光处理的样品山于硬度较低磨损为条条犁切的沟槽经激光处理的,,硬,样品在磨损部位化带高出未硬化部位说明在磨损过程中硬化带起耐磨骨架的作,,。用因而大大减轻了整个磨损部位的磨损包括未硬化部分的磨损程度同时软的基体又可。,,充分发挥游离态石墨的减摩作用从能量角度考虑磨损中硬化带吸收的塑变能很少相当一,,,防正或减少部分能量只能以热的形式放出引起磨损表面温度升高促使表面产生氧化膜,。了在压力足够高时接触面凸凹不平部分间的粘合磨损从而也提高了耐磨性,。图为不同硬化面积试样的相对磨损值也反映了不同硬化面积对耐磨性的影响随着,。。,硬化面积的增大耐磨性也增加但增加的幅度随之降低大量试验证实硬化面积为 、一缸一,,,。,时具有相对高的耐磨性若硬化面积继续提高耐磨性的增加则微乎其微因此选。择硬其游离态石墨的减摩作用正面侧面左激光处理右未处理图样品在同一条件下磨损后的痕迹,。激光硬化带具有较高的耐磨性按磨损机理可从以下方面来解释磨损主要是机械过,。、、程是断裂的一种形式材料的显微结构硬度变形率等与耐磨性能之间存在着密切的联〔,“。,,系铁基粉末冶金材料激光硬化后的组织具有极高的硬度且组织极为细化亦高的硬度,。。和相对好的韧性相结合因而具有很高的耐磨性从能量化面积为。、四铁基粉末冶金材料激光热处理的工艺特点、。铁基粉末冶金材料组织结构性能等与普通的钢铁材料有很大的区别其中多孔性是主,。,要特点之一根据不同的用途能够制成不同密度的零件做为减摩初料需要浸油来增加耐,。、、磨性这些都给激光热处理工艺带来新的问题就材料的不同密度加工状态含油率三个。方面的试验结果进行分析讨论不同密度对激光热处理的影响”,对一范围内近卜种密度的材料进行了三种条件的激光热处理试验,犷。,样品未加涂层和浸油扫描速度为,厂。样品加涂层未浸油扫描速度为,样品加涂层和浸油扫描速度为。,。同时对密度连续变化的样品用犷还丫‘,。侧,甲写城度处理结果如图!所示试验的整个。,趋势是相同的随着密度的降低硬化带宽,。度和深度增加而硬度稍有下降密度越低。越易烧伤图因材料密度不同反映孔隙大全‘月在‘产寸口。小与分布的不同孔隙所起的作用一是表面度卿,,,脚光洁度孔隙越多光洁度越低在一定范。,围内对光的吸收就越强二是内表面积孔密度连续变化的样品,在激光处理,,。隙多内表面积大浮热性差在相同工艺工艺参数相同,的条件下密度与傲,,硬下密度低的样品吸光能力强化带宽而光硬化带宽度的关系 一肠一。,,,。且深由于冷速相对变低即高温停留时间较长得到的组织较粗大如图所示在残余。,,奥氏体基体上分布着一些较粗大的马氏体针密度高的样品导热性好冷却速度快得到的。。硬化组织主要为细小的隐晶马氏体因此其硬度较高由于铁基粉末冶金材料表面存在着孔,。,隙可以把这些孔隙看成是一个个对光具有吸收作用的黑洞因此表面不加涂层就可达到。,硬化效果这也是与其它材料不同乍特气之、卜,目曰叹口‘沙成级卜口喇户甲口,,口户‘,才盛尹,图未加涂层和浸油的样品峨东以净不协东成之翻价一,毛洲尹经激光处理后密度与洲产二、、,硬化层深带宽硬度‘二,。的关系一硬化带硬度一硬化层深度、一硬化带宽度一一、一二二卜犷一表面烧伤深度及加丁沙之,牙,伪脚卿、幻“刁图表面加涂层但未浸油的中万褪心妞睡滚髻娜自,山宵由心仲助,、,产一,二样品经激光处理后密尸,’卜一、、⋯⋯‘度与硬化层深带宽⋯’硬度的关系。,、一硬化带硬度一、一硬化层深度、气币、、、卜一一一一硬化带宽度货东之东沙一表面烧伤深度盛度,“如,图浸油并加涂层的样品经激光处,理后密度与硬、、化层深带宽硬度的。关系一硬化带硬度一硬化层深度一硬化带宽度一表面烧伤深度图不同密度的样品用相同。工艺参数处理的结果,,“左起 一一。“图密度为的激光硬图密度为的激光硬化区的组织化区的组织表面加工状态对激光热处理的影响、、用同一工艺参数对密度为吕三种表面状态一自由面复压面磨削面一的材料,。,,,进行处理结果如图所示可以看出表面光洁度越好越不易烧伤但程度低于上。。述不同密度材料的试验结果因为复压后材料表面的孔隙有一部分遭到闭塞磨削后的材料,。一表层有很大部分的孔隙闭塞仅仅是表层很薄的一部分密度改变图、相同密度不同表面状态,的样品在同一工艺参数下处理的结果、、从左至右自由面复压面磨削面图加涂层、未浸油的样品,侧口卜礴佗硬·‘经激光处理后不同的公今哟咬‘,刁‘呀表面状态的硬化效果一硬化带层深度一硬化带宽度一面表烧伤深度、图未加涂层未浸油的样,,土,‘分手,曰品经激光处理后不椒‘双争幼健、同的表面状态的硬化效果。一硬化层深度一硬化带宽度‘。,人二一表面烧伤深度自面右荡一节亩百 一叔一可以认为铁基粉末冶金材料的孔隙度对激光热处理的影响是其内表面积和导热性起主要。作用含油率对激光热处理的影响。铁基粉末冶金材料做为减摩材料应用时需要浸油孔隙内充的油借毛细竹力保持在摩擦。,。面上起到润滑作用相同条件下在一定范围内浸油的多少直接影响到材料的耐磨性能,我们进行了激光热处理对铁基粉末冶金材料含油率影响的试验样品及处理部位如图,。结果如表所示犷扫描速度一硬化带宽#硬化层深!∀∃图21样品C的激光扫描花样衰4橄光处班对汽一导,t油率的形晌激光重处新理含油后浸率油%后g。‘样品号傲光处理前含油率%}激光处理后含油率%一密度/m一。。。口21546783261254632。。。629028619。。。264257629。。。205623633。。。724824627。。。252662434。。。252465583。。。265629662。。。692732624。。。平均263258629,,从试验结果可看出激光热处理对铁基粉末冶金材料的含油率影响甚微实际应用没有。。:,影响这一结果与激光硬化后的孔隙状态有关分两种情况讨论(l)激光淬火处理孔隙。,,,明显增大图2由于样品本身含有一定的游离态碳又经过浸油当激光束扫过时这些可图2徽光淬火处理的孔隙20x图23激光熔化一凝固处理的孔隙ZO0x 岛一挥发性物质发生挥发的作用引起孔隙尺寸变。,,,大(2)激光熔化一凝固处理孔隙增大但。其程度稍低于激光淬火处理的见图23因为,组织重熔后在凝固的过程中可以添补部分在加热过程中由可挥发性物质挥发时增大的。,孔隙但这个过程是极快的一般在十分之。,几秒内就可完成因此孔隙仍大于原始组。,,织所以激光硬化的样品经过重新浸油.‘。,含油率略高于处理前的同时我们对同一密20x,度浸油与未浸油的样品进行激光处理发现图24原始状态的孔隙浸油的样品(犷扫为10坦m/sec)与未浸油的样品(扫se,。犷为15mm/c)的硬化效果基本相同说明浸油样品表面的吸光能力明显降低这,。,可能是由于孔隙内的油在激光束作用下急剧的碳化挥发损失掉部分能量油挥发散热对,。样品表面又起到一定的保护作用不易被烧伤、五结论,:根据上述试验结果和分析可以得出.、,1铁基粉末冶金材料的激光硬化组织是由极为细小均匀的隐晶马氏体未溶碳化物。。以及基本保持原始形态的硫化物所组成这种组织具有优异的性能其硬度平均可达H犷70。,,。左右比原始基体硬度(H犷100左右)提高近6倍材料于摩擦磨损的耐磨性提高近10倍.,。.2铁基粉末冶金材料是多孔性的材料其表面存在大量的孔洞它对106卜m波长的:。,。,CO激光具有良好的吸光性能因此激光处理前不需进行其它的表面预处理而且材料表。。面状态和本身所固有特点对激光处理工艺参数的敏感性很强起主导作用的是其内表面积·.,,3由于激光硬化部分的密度对总的密度影响甚微因此对总的含油率无明显影响故。可保持材料润滑好这一特点.,,4铁基粉末冶金材料经激光热处理后可保证粉末冶金材料自身具有的优点同时又,。使某些性能特别是耐磨性能得到显著的改善和提高从而为激光热处理在这方面的扩大应。用提供了科学依据,寿文傲,.,〔1〕中南矿冶学院编粉末冶金基本原理冶金工业出版社,,.,〔2〕粉末冶金金相图谱编写组粉末冶金金相图谱机械工业出版社198。年·.,〔3〕〔英〕J霍林摩擦学原理机械工业出版社..,,〔4〕中国科学院长春光机所激光热处理文集19851〔5〕·,,.〔苏〕HH雷卡林等著材料的激光加工科学出版执1982年
