1、山東交通學院畢業設計（論文）山東交通學院海運學院激光淬火對氣缸套壽命的影響專 業輪機工程屆 別2014學號101612320姓 名孟小偉指導教師丁業立山東交通學院海運學院二一四年六月孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響原創聲明本人孟小偉鄭重聲明：所呈交的論文“激光淬火對氣缸套壽命的影響” ，是本人在 導師丁業立的指導下開展研究工作所取得的成果。除文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的研究成果，對本文的研究做 出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明， 本人完全意識到本聲明的法律后 果，尊重知識產權，并愿為此承擔一切法律責任。論文作者 （ 簽字）日

2、 期： 2014 年 6 月 29 日山東交通學院畢業設計（論文）摘要本文在綜合分析了國內外激光加工技術的基礎上， 提出了柴油機缸套的激光淬火處 理。其原理是利用高能量密度的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬以極快的速度升 到高于相變點而低于熔化溫度，當激光束離開被照射的部位時，由于熱傳導的作用，處 于冷態的基體使其迅速冷卻而進行自冷淬火，進而實現工件表面的相變硬化。本文從理論上分析了柴油機缸套激光淬火的工藝參數， 提出了幾種形式的激光淬火 硬化網紋圖案和 16V240ZJ 柴油機氣缸套淬硬帶螺距的計算方法。探討了激光淬火提高 柴油機缸套使用壽命的機理，分析了激光淬火工藝溫度。實驗研究了16V

3、240ZJ 柴油機氣缸套（硼合金鑄鐵 ）表面激光淬火中的激光參數對淬火強化結果的影響， 測量了缸套激 光淬火處理后的硬度，觀察和分析了硬化層的組織、形態，并通過磨損試驗，得出了激 光淬火硬化的微觀解釋，驗證了激光淬火可顯著提高柴油機缸套的使用壽命。關鍵詞：激光淬火，柴油機缸套，使用壽命，硼合金鑄鐵，耐磨性孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響AbstractBased on the comprehensive analysis of d omestic and international laser processing technology, the laser quenching machin

4、e cylind er of diesel engine .The principle is the use of a laser beam scanning the work piece with high energy density, so that the irradiated metal in order to speed up above the transition point and lower than the melting temperature, when the laser beam from the irradiated area, due to the role

5、of heat conduction in the substrate, cold the rapid cooling and self quenching then, the phase transformation hardening work piece table.This paper analyses the technical parameters of laser quenching cylinder diesel engine in theory, puts forward the calculation method of reticulate pattern hardeni

6、ng laser quenching several forms of 16V240ZJ diesel engine cylinder liner hardened with pitch. To investigate the mechanism of laser hardening can improve the service life of diesel engine cylinder liner, analyzed the temperature of laser quenching technique. Experimental study of 16V240ZJ diesel en

7、gine cylinder sleeve (boron alloy cast iron) effect of laser parameters of laser hardening of the surface of the cylinder liner of hardening, laser quenching after measuring the hardness, the observation and analysis of the hardening layer of the microstructure, morphology, and the wear test, the mi

8、croscopic interpretation of laser hardening, verification the laser quenching can significantly increase the service life of the diesel engine cylinder liner.Keywords: laser quenching, the service life of cylinder liner, diesel, boron alloy cast iron, wear resistance山東交通學院畢業設計（論文）目錄 TOC o 1-5 h z 前

9、言. 1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1機缸套表面激光淬火處理的工藝研究. 2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 11 淬火系統組成 . 2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 12 柴油機缸套的表面預處理 . 3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 13 激光淬火網紋 . 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2光淬火溫度場及提高柴油機缸套使用

10、壽命的機理分析 . 5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 21 激光淬火硬化工藝溫度分析. 5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 22 激光淬火提高柴油機缸套使用壽命的機理 . 6結 論. 12致 謝. 13參考文獻 . 14山東交通學院畢業設計（論文）前言隨著人民生活水平的提高，人們對于汽車、火車、船舶等內燃機交通工具的性能和 使用周期提出了更高的要求，這就要求內燃機的質量不斷提高。隨著火車速度的提升， 機車的大修周期從 1 年半縮短到 1 年，相對來說就要投入更多的人力、物力、財力，這 從一

11、定程度上提高了營運成本，制約了鐵路客 （貨）運事業的發展。另外，隨著我國汽車 工業的發展，車輛國產化程度的不斷提高，對國產化汽車的性能也提出了更高的要求， 這也要求國內廠家不斷改進制造材料和處理工藝，提高機車零部件的性能。氣缸套是船舶柴油機關鍵零件之一，因其內壁工作條件惡劣：變化劇烈的周期性載 荷、溫度場、以及活塞變化的運動速度等，所以缸套和活塞環之間的潤滑狀態可能包括 全膜潤滑、混合潤滑和邊界潤滑等多種形式， 相應的磨損可能包括磨粒磨損、 粘著磨損、 化學磨損等多種形式。 船舶柴油機氣缸套磨損后， 活塞與汽缸配合間隙大， 氣密性下降， 發動機的動力性和經濟性下降，造成啟動困難，機油溫度和油耗

12、增加，噪聲振動加大， 使用壽命縮短， 排氣帶黑煙等后果。 隨著船舶柴油機向高速、 高負荷（大功率）I 作條件發 展，磨損造成的失效將更為突出。由此可見，如此復雜的情況對缸套活塞環之間的潤滑性能的要求很高，為提高缸套 的耐腐蝕性和耐磨性，多年來人們一直在不斷尋求各種解決途徑，世界各國都對氣缸套 內壁以不同角度如改進材質、表面強化、提高加工精度、降低表面粗糙度進行了各種各 樣的處理。孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響1. 船舶柴油機氣缸套表面激光淬火處理的工藝研究1.1 淬火系統組成激光淬火時，激光束在物體表面掃描，可以是光束運動，也可以是工件運動，或激 光束和工件同時運動。工作時，要求光斑尺寸可

13、調、功率或能量可調、相對運動速度可 調，以達到各種加工目的。要完成以上功能，必須有完整的激光淬火系統。激光淬火系 統包括激光器、 光路系統、激光電源系統、 冷卻系統、 工作臺及其控制系統等部分組成。1、激光器CO?激光器CO?激光器是激光加工中最常見的一種，和 YAG 加工一樣同為紅外不可見光，它 的輸出波長為 106um，由于 CO?激光器在電光轉換效率和輸出功率等方面所具有的明 顯優勢，使得這種激光得到迅猛發展。此外 CO?激光在高功率時光束質量的穩定性比 YAG 激光好， 這使得它在材料的強化處理中受熱部位比較均勻， CO?激光的缺點是結構 復雜，體積大，維修要求比 YAG 高。YAG

14、激光器YAG 激光器具有許多不同于 CO?激光器的良好性能。它的輸出波長為 106urn， 與金屬的耦合效率高，加工性能良好 (800WYAG 激光的有效功率相當于 3KWCO ?激光 功率 )。YAG 激光能以脈沖和連續兩種方式工作，其脈沖輸出的性能指示范圍大，并可 通過調 Q 和鎖模技術獲得巨脈沖和超脈沖， 使其范圍比 CO?激光更大。 它的缺點：一是 運轉效率低； 二是 YAG 激光棒在工作中存在內溫度梯度， 會引起熱應力和熱透鏡效應， 限制了 YAG 激光的平均功率和光束質量的進一步提高。準分子激光器準分子激光器是繼 YAG 激光器和 CO?激光器之后的第三類激光器，其工業應用尚 在不

15、斷開發和研究中。準分子激光器為紫外短脈沖激光，波長范圍193351nm，約是YAG 激光波長的五分之一和 CO?激光的五十分之一， 其單光子能量高達 79 電子伏特， 比大部分分子的化學鍵能都高，直接能深入材料分子內進行加工，其加工機理不同于 YAG 和 CO?激光，后兩者的紅外能量是以熱傳遞的方式耦合進材料的。準分子短波長 易于聚焦， 有良好的分辨率， 可進行精密加工， 且多數材料對紫外波段的吸收率特別高， 能有效地利用激光能量。2、光路系統件山東交通學院畢業設計（論文）圖 1 激光淬火光路系統簡圖 光路系統是激光器和工件的連接部分，是激光加工設備的主要組成部分之一，它的 特性直接影響激光加

16、工的性能。 通過光路系統將激光束從激光器輸出端口引導至加工表 面（如圖 1 所示）加工部位獲得所需光斑形狀、尺寸及功率密度。3、冷卻系統 固體激光器工作時，絕大部分輸入能量都轉換為泵燈、工作物質和聚光器溫度升高 的熱能。工作物質溫度過高時，會嚴重損害激光器的正常工作，對于連續工作方式的激 光器，必須采取適當的冷卻措施。通常采用蒸餾水或去離子水作冷卻液。冷卻系統一般 包括水泵、熱交換器及蓄水箱，熱交換器的作用是將冷卻裝置中循環冷卻液的熱能傳遞 給其它傳熱介質。4、工作臺及控制系統 工作臺是承載加工件的部分。加工件與激光束作相對運動而進行加工，因此加工的 精度在很大程度上決定于工作臺的精度和激光束

17、運動時可調節的精度。與工作臺相配 合，有相應的控制系統，光束運動和工作臺運動的調節都是靠控制系統來控制的。控制 系統控制激光束與工作臺的相對位置，按加工要求形成一定的軌跡。同時，可對加工機 中有關部位進行控制，如光閘等。12 柴油機缸套的表面預處理1、磷化通過磷化處理在工件表面形成一層磷酸鹽： 磷酸錳、磷酸鋅等， 其中以磷酸錳最多。 早期曾廣泛使用， 其吸收率可達 80。后來磷酸鹽膜經激光處理后在工件表面晶間出現 微裂紋。所以近年來磷化預處理已為其它方法所代替。另外磷化表面經激光處理后使表 面粗糙度增加 0.972.55urn，也是其缺點之一。孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響2、黑漆近年來美

18、國多用一種牌號 Krylonl602 的黑漆，其主要成分為石墨粉和硅酸鈉或硅酸 鉀，采用噴涂法，厚度 10-20urn。國內上海光機所研制了 861 型黑漆，已供應國內市 場。3、SiO2 型涂料一種以為 SiO2骨料的可噴涂涂料。 選用 200-300目的精制石英粉， 除對激光有很高 的吸收率以外，在激光照射下能形成液態均勻覆蓋于金屬表面，冷卻時結成固態薄膜。 由于與金屬的熱膨脹系數的差異而能自行脫落， 有利于使金屬淬火前后金屬表面粗糙度 變化最小。在鑄鐵上曾測得粗糙度僅從 0.18um 增至 0.26urn。并選定醇基酚醛樹脂為粘 結劑。乙醇為溶劑，并選用少量稀土金屬氧化物為活性添加劑。混

19、合稀土氧化物價格低 廉，效果比氧化鈰、氧化鑭還要好。以上涂料混合后可用壓縮空氣噴涂或手工刷涂。在 激光淬火時，涂層愈薄愈勻愈好，噴涂時層厚可在 50-75um 范圍內。13 激光淬火網紋缸套進行淬火時，工作臺與激光束相對運動，使激光束在缸體內表面快速掃描，形目前，國內外缸體的激光淬火硬化網紋圖案有多種形式，包括螺旋紋、正弦波以及 菱形網紋等。l 、螺旋線型硬化帶用連續 CO?激光束在內壁上下移動， 缸套作回轉運動。 根據不同的材料及表面處理，山東交通學院畢業設計（論文）選擇不同的激光參數及運動速度， 以獲得最佳的效果。 用配有數控系統的激光處理裝置， 不僅能得到螺旋線形淬火軌跡，還可以得到等螺

20、距、變螺距的激光淬火軌跡，本課題研 究的柴油機氣缸套采用變螺距的淬火軌跡。淬火軌跡對初期磨合性能、機油消耗率及耐 磨性能都有影響。軌跡與氣缸套縱軸方向的夾角對氣缸套一活塞環摩擦副有影響，必須 進行優化以獲得磨損量最小的最佳夾角。激光處理長度一般為活塞環行程，這既降低了 激光器運行成本，又減少了操作輔助時間，提高了生產率。2光淬火溫度場及提高柴油機缸套使用壽命的機理分析21 激光淬火硬化工藝溫度分析211 激光淬火熱傳導數學模型 激光與材料的相互作用是一個較復雜的物理過程， 其溫度場分布不僅與材料的本身 性質 （熱容、熱導系數、比重 ）有關，而且與激光加熱參數 （功率密度、能量分布、作用時 間）

21、有直接的關系，加上激光與材料相互作用會因光吸收、反射、輻射、熱輻射、熱傳 導以及等離子體效應與濺射效應等，使表面與光輻射交換變得極為復雜。假設被加熱的 材料為導熱性不變的半無窮大均勻平板，激光束掃描淬火是一個移動熱源三維導熱問 題，但由于加熱冷卻速度極快，激光束光斑相對于被掃描工件很小，因而常可以簡化為孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響22 激光淬火提高柴油機缸套使用壽命的機理以發動機 16V240ZJB、C 型中速柴油機為例，由于運輸任務日益繁重，要求柴油機 發動機有高的耐久可靠性。氣缸套是機車柴油機主要零部件之一，在使用過程中，它與 活塞環組成一對摩擦副，處在高溫高壓及化學腐蝕的惡劣條件下

22、，要求氣缸套具有較高 的強度和良好的耐磨性及抗擦傷性。16V240ZJC 型柴油機氣缸套 （材料為硼合金鑄鐵 ）重量約 89kg（帶水套 ），當活塞在缸 套內工作時，第一道氣環最高行程位置為上止點， 此點在距缸套頂端 48rnm 處，溫度高， 燃氣爆發壓力大，所以最大磨損部位在上止點下約 10mm 處，按檢修規范，當內徑超差 0.20 0.30mm，缸套即應報廢 （習慣上稱段磨 ）。發動機大修里程標志著它的使用壽命， 所以使用更先進的激光強化技術來提高氣缸套的耐磨性和抗擦傷性， 從而大大延長其使 用壽命，具有必要性和迫切性。221 激光淬火提高柴油機缸套的硬度16V240ZJC型柴油機氣缸套材

23、料為硼合金鑄鐵，利用激光淬火處理，其表層顯 微硬度可平均提高三倍以上 （ 與基體硬度相比 ） 。經激光硬化、軟氮化、氣體滲氮處理后 的缸套硬度梯度測量數據示于下表 4。離表面距離， mm表面0.020.040.090.140.190.240.290.340.390.440.49軟氮化762511419392363289-氣體滲氮853778687510412378351287-激光硬化946916891878874751698570462465395268表 4 不同熱處理工藝的缸套硬度梯度測量數據比較國產缸套經激光處理后，其硬化帶的表面硬度 HV946、 硬化帶深度 0.48ram 、硬化帶

24、寬 度 2.95mm。缸套經激光硬化、 軟氮化、 氣體滲氮三種不同工藝處理后的硬度硬度下降是山東交通學院畢業設計（論文）很緩慢的。1、影響硬度的因素硬度是固體材料抗拒永久形變的特性 , 抗力越大，硬度越高，所以硬度是材料的一 種重要的機械性能。硬度值既取決于材料的本性，也與測試方法有直接關系。硬度測試 方法不同 （壓頭形狀及尺寸、載荷大小及加載方式的不同 ） ，其反應的硬度值也不同。常 用的硬度試驗方法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度等，在激光硬化工藝的 硬度試驗中，常用顯微硬度法來檢測激光硬化后材料的硬度。激光硬化的層深較淺，因 而用顯微硬度法測定硬度是較為合適的。所以，顯微硬度是研

25、究激光硬化工藝及激光硬 化后材料性能的一個有力工具。據有關研究，對材料為兩種成分的Cr-Mo-Cu 合金，用 CO?激光器對其進行激光表面處理，主要處理參數為：功率密度為1000W cm2，掃描速度分別為 240和 800mmmin。圖 4 所示出兩種合金鑄鐵區硬度變化曲線。可見，經激光處理后，兩種材料的表層 都能獲得極高的硬度 （1號合金尤為顯著）。雖然2號合金的含 C量比l 號合金的高，但 由于 1 號合金的合金元素特別是 Cr 的含量比 2 號合金的高，所以它的熔化區硬度、相 變區硬度和基體硬度均比 2 號合金的高。合金元素 Cu能促使珠光體細化和強化； Mo、 Cr 能穩定碳化物， 阻

26、止石墨化， 因此加入合金元素不僅能提高鑄鐵的硬度， 也能提高淬 硬區的硬度。有文獻認為，對鋼來說，激光淬火的硬度主要取決于碳含量，其他合金元 素幾乎沒有影響。但對鑄鐵而言，碳的影響顯得較小，而合金元素的作用較明顯。作者 認為，這與碳在材料中的存在形式有關。在鋼中，碳主要以碳化物形式存在，而在鑄鐵 中，碳除少量形成碳化物 （滲碳體） 外，主要以石墨形式存在，而石墨對淬硬效果幾乎沒圖 5 兩種合金鑄鐵區硬度變化曲線孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響激光相變硬化的工藝參數的選擇對硬度也有一定影響， 功率對硬度的影響有隨功率 的增大而下降但不十分明顯。而硬度卻隨掃描速度的加快而提高，但有一定的限度，這

27、 主要是馬氏體過飽和度增加，冷卻速度較快所至。因此，工藝參的選擇得是合理的，才 能使表面硬化層的硬很高。2、激光淬火獲得超高硬度的機理圖 5 顯示了合金鑄鐵經激光相交硬化后不同層深的硬度變化曲線，可見。表面溫度 較高，而且硬化層的硬度大體上由表及里是下降的。表層的高硬度和硬化層至基體的急 劇過度是激光熱處理的一個顯著特點。在表層，由于加熱快，奧氏體晶粒超細化，所以 導致變成馬氏體的晶粒也細化，因而表層的硬度和強度高，又由于高能量密度的激光束 局部加熱及光束與表面的瞬間相互作用所造成的極高的加熱速度和光束移過后極快的 冷卻速度造成了硬化層與基體之間硬度的突降，硬度落差極高。從圖 5 可以看出，合

28、金 鑄鐵經激光處理后的硬度遠遠超出了常規淬火的硬度。那么激光相變硬化所得超高硬度的機理是：激光相變硬化處理后，由于激光淬火是 急熱急冷過程，碳在奧氏體中來不及均勻化，因而馬氏體中碳含量較高，硬度也較高。 最明顯的例子是低碳鋼 10 號鋼，經激光淬火后硬度可高達 700HV，而常規淬火的低碳馬 氏體硬度只有 380HV441。由于碳擴散不均勻，所得的馬氏體更細。朱捷在研究Crl2鋼的激光相變硬化機理時測得原始組織的晶粒度為 12 級，激光處理后為 15級，明顯細 化。原 Crl2 中馬氏體針長度約 6um，激光淬火后小于 2um，馬氏體明顯細化。正由于硬 化層組織晶粒明顯細化，形成隱晶馬氏體組織

29、，而且在板條馬氏體中彌散地分布著自回 火的滲碳體及特殊碳化物粒子，組織中還存在著高密度的纏結位錯和孿晶亞結構。這樣 由于細晶強化馬氏體相變硬化， 碳化物彌散強化以及高密度纏結位錯和孿晶亞結構的共 同作用，使相變硬化具有很高的硬度。因此可以認為，馬氏體中碳含量很高，馬氏體細 化和很高的位錯密度是激光相交硬化能得到超高硬度的原因。3、激光冷卻速度對硬化層硬度分布的影響從零件的淬火機理可知，要獲得淬火馬氏體，必須將被淬火零件加熱到相變溫度以 上，然后以大于臨界冷卻速度冷卻。不同的冷卻速度將獲得不同的硬度值，冷卻速度愈 快，獲得的硬度值愈高。就這一點而言，激光淬火與常規淬火機理是一樣的。但激光淬 火的

30、冷卻過程與常規淬火有很大不同，常規淬火冷卻速度的獲得是通過冷卻介質，在淬 火時，零件表面接觸溫度相對很低的冷卻介質，因而獲得的冷卻速度最快，由表至零件 的中心“導冷”，其冷卻方向是由表至里 （見圖 6） 。因而冷卻速度由表至里存在由快至慢 的下降梯度，因此，表面的硬度值最高，而芯部冷卻速度慢。所以，通常在淬硬層內， 從表至里，硬度值由高到低由一個下降變化梯度。山東交通學院畢業設計（論文）圖 6 常規淬火的加熱、冷卻方向、溫度、冷卻速度、硬度分布示意圖 激光淬火“冷卻過程”無須冷卻介質， 它是依靠零件本身的基體快速導熱而完成的。 激光淬火是將“局部表層”快速加熱到相變溫度以上 （氣 1） ，這一

31、“局部表層”的溫度 分布是不一樣的，表面溫度最高，而里面溫度最低，即從表面至里面存在一個由高至低 的溫度下降梯度，而冷卻過程 （ 導冷） 可理解為將很高溫度的“局部表層“置于溫度相 對很低的基體內 （ 這個“基體”可理解為導熱系數很大的固體“冷卻介質” ） 。因此，“局 部表層”的里面與“冷卻介質”的基體接觸，可獲得最快的冷卻速度，而“局部表層” 的表面冷卻速度最慢 （ 忽略表面與空氣接觸的冷卻影響 ） 。所以從表面到里面，冷卻速 度由低到高存在一個上升變化梯度。激光淬火的“冷卻方向” （ 導冷）是零件的內部向表 面進行，它正好與常規淬火的冷卻速度方向相反 （ 見圖 7）圖 7 激光淬火的加熱

32、、冷卻方向、溫度、冷卻速度、硬度分布示意圖 激光淬火硬化層硬度分布狀態對提高零件的耐磨性具有十分重要的價值， 激光處理 的金屬材料，其金相組織可獲得非常細化的馬氏體，它對于提高零件的耐磨性具有重要 意義，這已被大量的試驗和實踐所證實。 除此之外， 硬化層的硬度分布幾乎無變化梯度， 這對于提高零件的耐磨損壽命的貢獻更為突出。因為硬度值愈高，耐磨性愈好，零件工 作壽命愈長。常規熱處理硬化層的硬度從表面到內部由明顯的下降梯度， 表面硬度最高， 耐磨性最好，但隨著零件正常工作時的相對運動，表面將逐漸被磨去，其相對運動接觸 面的硬度值逐漸隨之而降低，磨損隨之而加劇，最終導致零件因磨損量過大而失效。而 激

33、光淬火的硬化層硬度值一樣，隨著零件正常相對接觸摩擦運動，表面雖然被磨去，但 新的相對運動接觸面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不會發生磨損隨之逐漸 加劇的現象，大大提高了零件的耐磨損壽命。這就是激光淬火零件的壽命能提高幾倍甚 至幾十倍的重要原因之一。孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響221 激光淬火提高柴油機缸套的疲勞強度 疲勞是金屬材料在高壓或重復應力作用下，經多次循環而破壞的現象。疲勞和磨損 是金屬材料或機械零件失效的重要原因。在某些應用條件下，金屬材料的疲勞性能顯得 更為重要。根據金屬材料或零件所受應力狀態和失效形式， 可分為拉壓疲勞、 彎曲疲勞、 旋轉疲勞、沖擊疲勞、接觸疲勞、熱

34、疲勞和腐蝕疲勞等。提高材料的疲勞性能的有效方 法是進行表面強化處理。激光硬化是眾多方法中的新方法，激光硬化處理可使金屬材料 的顯微組織明顯細化，表面硬度提高并具有殘余壓應力，因而可有效地提高金屬材料的 疲勞性能。柴油機工作時，缸套上端在一個做功過程中，由于燃燒、膨脹過程瞬間產生 很高的壓力 （從 O1Mpa升至 10Mpa）和溫度 （從 5007000。C升至 170020000。C），使 缸套受到交變的氣體應力沖擊和溫度陡變，因而受到較大的交變機械應力和熱應力。這 種機械應力和熱應力是不可避免的，是柴油機正常工作的必然結果，不可能消除，只能 想方設法使其降低或均布。激光淬火是利用激光輻照到具

35、有固態相變的金屬表面， 使金屬表面溫度在百分之幾 秒到十分之幾秒內上升到淬火溫度。 當激光離去后，利用金屬本身熱傳導而發生 “自淬”， 使金屬表面發生馬氏體轉變。激光淬火的熱影響區一般可分為熔化區、相變硬化區、過渡區、高溫回火軟化區與 基體五個區，當金屬表面發生熔化時，就會使表面粗糙度增大，并可能產生晶粒粗大和 表面拉應力、涂層材料也會滲入金屬表層，從而影響材料的機械性能。由于激光淬火過 程是在高度受扼的狀態下形成，這種馬氏體實質上是一種形變馬氏體，其表現為片狀和 板條狀馬氏體組織的混合結構。 馬氏體晶粒十分細化， 具有比常規淬火更高的缺陷密度。 由于冷卻速度達 104 109Cs，碳原子來不

36、及擴散，因此，馬氏體含碳量較高。與此同 時，殘余奧氏體獲得極高的位錯密度，可達 1012 條 cm2數量級。這形成的極高位錯密 度和晶格缺陷會阻礙疲勞源的萌生與裂紋的擴展，從而改善了材料的抗疲勞性能。223 激光淬火提高柴油機缸套的耐磨性1、影響內燃機缸套耐磨性的因素 內燃機工作時，由于活塞的側壓力及高速相對運動，使氣缸壁產生強烈的摩擦，從 而引起磨損，缸套與活塞組件的摩擦系統的要素包含有缸套、活塞環、空氣濾清器、機 油、氣流等，而這些要素的性質包含有氣缸套和活塞組件的宏觀幾何特性、材料特性、 機油性質等。 氣缸的異常磨損主要有磨料磨損、 粘著磨損及腐蝕磨損， 以磨料磨損為主。 影響內燃機氣缸

37、套磨損的因素很多，且錯綜復雜。2、合金鑄鐵缸套激光處理后耐磨性提高的機理 缸套材料不同，提高耐磨性的機理也有所不同，硼合金鑄鐵經激光淬火后，硬化帶 之間形成良好的儲油區，并將分散在硼合金鑄鐵微凹部的潤滑油集中在該區。從而使得 活塞環經充分潤滑后通過硬化帶時，更能經受硬微粒的磨損，即提高了耐磨性。10山東交通學院畢業設計（論文）硼合金鑄鐵中 Fe2B屬極穩定的金屬間化合物， 硬而脆，硬度達 1290 1680HV，Fe3（CB） 和 Fe3（PB） 的硬度及穩定性較相應的不含硼的化合物都有提高。磨損過程中，較軟的基 體先受到磨損而下凹，硬質點相硼化物作為第一滑動面起支撐和骨架作用，從而減輕了 基

38、體的磨損。另外硼作用于鐵水的結晶過程可使初生晶粒大大細化，且降 低了枝晶偏 析和區域偏析。硼還是強烈阻止石墨化的元素，故硼合金鑄鐵中的石墨較 灰鑄鐵中 的石墨尺寸小，分布更加均勻。當硼偏聚于晶界時，傾向于在位錯胞中形成原子集團或 微細沉淀物，對位錯強烈釘扎，限制其運動，故可強化晶界，阻止裂紋形成與擴展。可 見，硼還可使鑄鐵基體組織更加細小均勻，改善了組織的強度的硼化物與石墨片，二者 尺寸的減小，可削弱它們對耐磨性的不利影響，使其對耐磨性有利的方面得到充分的發 揮。前者避免了大塊硼化物從基體上脫落而成為硬磨粒的傾向，后者則削弱了石墨對基 體的割裂作用，減小了石墨尖端的應力集中。另外，摩擦過程中部

39、分殘留奧氏體誘發轉變為馬氏體，將會發生較大的塑性變形， 且多發生于裂紋前沿的塑性區，從而使裂紋前沿的應力得到松弛，提高了裂紋的擴展抗 力。我們還知道奧氏體向馬氏體轉變的過程中體積會膨脹，這樣轉變區中相鄰的馬氏體 間會產生壓應力，將使磨損表面由于激光淬火形成的熱應力 （ 常呈拉應力狀態 ） 減小，改 善了表面應力狀態，對裂紋的萌生與擴展均有抑制作用。熔凝層與固態相變層交界處， 殘留奧氏體及轉變的馬氏體含量最多，耐磨性也出現峰值，這是殘留奧氏體轉變對耐磨 性的貢獻。另外，磨面的顯微組織進一步細化也說明磨損過程中，組織具有硬化行為。 因此，硼合金鑄鐵激光淬火后耐磨性顯著提高。 224 激光淬火改變柴

40、油機缸套的組織結構光硬化是利用激光來對鋼、鑄鐵和有色金屬等金屬材料進行輻照，使金屬材料表面 發生熔化凝固，相變和受沖擊產生塑性變形而達到硬化目的表面改性過程。激光對鋼和 鑄鐵的硬化機制除熔化凝固和相變硬化外，還有晶粒細化和位錯密度增加等。激光硬化 后在金屬材料的硬化區組織中具有和常規處理相同的組織結構和組成相， 如在鋼和鑄鐵 中同樣具有萊氏體、 馬氏體、滲碳體（碳化物） 、鐵素體和殘余奧氏體系。 但激光硬化后， 由于快速加熱，快速冷卻的作用，致使鋼和鑄鐵的激光硬化組織非常不均勻，它包含奧 氏體的不均勻性、珠光體、滲碳體以及奧氏體中碳含量的不均勻性。亞共析鋼和過共析 鋼中的不均勻性導致保留鋼中的

41、先共析相， 即亞共析鋼中的鐵素體和過共析鋼中的滲碳 體，在同樣冷卻速度條件下，奧氏體中碳含量的不均勻性將導致其低碳部分形成鐵素體 一滲碳體組織，其高碳部分都可生成馬氏體組織。同時，激光硬化過程中韻極大冷卻速 度使金屬材料的組織中具有大量缺陷，因而加強了加工硬化，緩慢了再結晶過程，并且 繼承了奧氏體相中的缺陷，從而細化了亞結構，提高了位錯密度，晶格中的應力也增加 了。這樣獲得了馬氏體和奧氏體晶粒度比常規處理的要細得多。同時，晶格中發生的這 些變化不僅在鐵合金中發生， 由于有較大的溫度梯度， 在有色金屬和純金屬中也會發生。由于激光加熱受溫度梯度的影響，使金屬材料從表面至內部的溫度由高至低各不相11

42、孟小偉：激光淬火對氣缸套壽命的影響同，合金鑄鐵經激光處理后，其顯微組織發生了極大的變化。激光處理前其顯微組織為 細片狀珠光體基體上分布著中、細片狀石墨，此外，還有少量的磷共晶和碳化物，激光 處理后，硬化層由熔化區和相變區組成 （ 硬化層為平頂月牙形的白亮區 ） ，硬化層下部為 基體組織。熔化區：當激光照射材料表面時，此層金屬迅速加熱被熔化，原始組織中的石墨和 磷共晶全部溶解。由于液態下原子擴散很快，碳濃度比較均勻。迅速凝固后為極細小萊 氏體組織，結晶方向大致與溫度梯度方向相同。 ，對于合金鑄鐵材料這種萊氏體是滲碳 體和片狀馬氏體的混合物，而不是一般白口鐵中的滲碳體和珠光體的混合物。相變區：由于

43、該區受熔化區的熱影響，加熱速度極快，因此存在極大的過熱度，導 致奧氏體形核率極高，由于加熱速度快，在相變點以上溫度停留的時間極短，使奧氏體 來不及長大與均勻化，最終形成不均勻的細晶組織，在隨后的快速冷卻過程中，形成了 細針狀馬氏體 +石墨懈共晶。但在接近熔化區部位，由于溫度接近鑄鐵的熔點，原始組 織中的石墨大部分溶入周圍基體中，使碳含量急劇上升，出現明顯的高磷針狀馬氏體和 大量殘余奧氏體，該區的這種高碳馬氏體對提高材料表面硬度和耐磨性是有重要作用 的。同時在快速加熱、高速冷卻過程中，激光淬火還造成金屬材料位錯密度急劇增加的 現象，從而進一步提高硬度和耐磨性。結論氣缸套是船舶柴油機的核心部件之一，在節約能源和提倡環保的今天，發達國家 都氣缸套內壁以不同角度如改進材質、表面強化、提高加工精度、降低表面粗糙度等方 面進行了各種各樣的處理。本文從產品 16V240ZJ 柴油機氣缸套的技術要求出發，重點研究了柴油機缸套的激 光強化技術，探討了工藝參數對強化層硬度和深度的影響，并對強化層的組織和強化機12山東交通學院畢業設計（論文）理進行了分析。通過以上系統的研究，得到如下結論：1建立了合金鑄鐵缸套激光淬火溫度場的數學模型，通過數值模擬分析確定出激 光