球墨铸铁材料内燃机车柴油机凸轮轴激光固态相变的研究

【论文摘要】首次提出了在内燃机车中，以铸造的球墨铸铁材料经激光固态相变改性后，替代锻造合金钢材料的工艺方法；使球墨铸铁材料凸轮轴，与原来锻造的合金钢材料凸轮轴相比，不但材料和制造成本降低，而且物理和机械性能有所提高，并论述了获得这良好效果的机理及有关注意事项。
 

分类号：TH16　文献标识码：A
文章编号：1001-3997(2000)01-0039-02

Abstract：This paper first proposes a technology which successfully solves the problem of substituting the cast nodular-iron for the forged alloy-steel of the camshaft in a large diesel locomotive. After the nodular-iron camshaft is treated by laser surface hardening, its cost of material and manufacture will be decreased; at the same time its many physical and mechanical properties will be increased.▲

图1　50X凸轮轴材质磨损情况

　　经分析证明，造成凸轮轴上述早期磨损的根本原因是由于凸轮轴在渗碳炉中渗碳时在不同的部位不可避免地出现碳势(即渗碳浓度)不均匀、加之后来的感应淬火时，感应圈对凸轮外形的仿形精度不可能十分精确、以及喷水冷却时，不同部位冷却不均等因素，造成凸轮表面硬度不均，甚至出现微裂纹等缺陷所致。
　　为了降低凸轮轴的材料和制造成本，也为了克服采用上述热处理时的缺陷，经研究，决定采用铸造球墨铸铁——机械粗加工——激光固态相变——机械精加工的工艺。现就其激光固态相变的有关研究阐述如下。

1　数控导光装置的设计

　　为了克服感应淬火时，感应圈制作中的仿形精度不可能很高，存在渗碳、加热、冷却不均匀等各方面的困难，在激光固态相变中，我们设计了如图2所示的数控导光装置。

图2　数控导光装置

　　在该装置中，由激光功率控制装置调节所需要输出激光功率的大小，导光镜调节激光的方位角，使激光束始终垂直照射到工件所需的表面位置上。该装置的机械部分由支撑激光头的水平支架和垂直支架，以及装夹凸轮轴工件的支架三部分组成。水平支架和垂直支架装有滚动丝杆，分别由步进电机1、2带动，实现激光头的水平和垂直移动。支承凸轮轴工件的支架装有步进电机3，可以实现工件凸轮的旋转。根据不同的凸轮的形状，在不同的旋转角度下的升程，编制出数控程序，输入数控程序，输入数控装置，控制三个步进电机的协调运动，步进电机1和2分别使激光束在水平和垂直方向按需要移动，从而实现激光对凸轮轴表面固态相变改性时的均匀加热和冷却，保证凸轮轴表面硬度和硬化层深度的均匀一致。

2　硬化层深度与激光工艺参数的确定

　　激光固态相变的硬化层深度H与激光输出功率P、光斑下径D、扫描进给速度F的关系如下：
　　HP.(D.F)^-1
　　本研究在光斑直径一定时，不同的输出功率P及不同扫描速度F与硬化层深度H的关系如图3所示。产生图示情况的原因，是因为当光斑直径及扫描速度一定时，随着激光输出功率的增大，光斑内平均功率密度增大，同一时间内金属表面吸收的能量增加；经过金属基体的热传递，金属表面下介于相变温度AC₁以上的区域也增大，从而导致硬化层深度增加。当功率有光斑直径一定时，随着扫描速度的增加，加热时间减少，金属表面吸收能量减少，导致硬化层深度减少。

图3　不同的功率下扫描速度F和显微硬度(HV)的关系

　　试验表明，除了激光工艺参数对工件硬化层深度的影响外，材料的含碳量对硬化层深度也有重要的影响。这是由于激光表面改性硬化与材料的相变温度和材料内部的温度分布有关。就铸铁类材料而言，共晶反应对生成的奥氏体的含碳量是相同的，材料含碳量不同只反映在石墨数量上的不同。所以，此时影响硬化层深度的因素是材料内部的温度分布。材料内部的温度分布与材料热学性能有关。热扩散系数α=k/ρ.Cp是反映热学性能的综合指标。热扩散系数α=k/ρ.Cp是反映热学性能的综合指标。式中，k为导热系数，ρ为密度，Cp为热容量。石墨的k=0.2cal/cm.s⁰C,ρ=2.215g/cm，Cp=0.201k.cal/kg.℃，则石墨的热扩散系数α=0.45cm²／s，而钢的α=0.077cm²／s，石墨的热扩散系数比钢的大得多。可以推断，铸铁中石墨数量越多，石墨连续性越好，则材料的导热性越好，硬化深度随之增加。同时，材料在激光扫描下的表面温度Ts由式：
　　T_s=0.848P₀/(ρCpD^1.5Vα)
决定。(其中P₀为材料的吸收功率，v扫描速度，D为光斑直径，ρ为密度，Cp为热容)。
　　由上式可知，α增加，使得Ts下降。即在一定的条件下，高的热扩散系数又可使离表面较远的区域达到所需要的相变温度，使得硬化层深度增加。这也是我们通过实践证明球墨铸铁能够比钢获得更深硬化层的原因。本研究获得最佳硬化层深度为1.05mm；而在相同的激光参数条件下，碳钢的硬化深度不超过0.7mm。

3　固态相变的显微硬度分布及其显微组织

　　图4为扫描速度及输出功率均不同的情况下经激光固态相变后，硬化层显微硬度的变化曲线。

图4　不同的扫描速度下和硬化层深度的关系

　　图5、图6则分别为一定工艺参数条件下，激光强化后的工件表面显微组织。

图5　50X工件表面显微组织

图6　400X工件表面显微组织

　　从上三图中可以看出，表层具有很高的硬度(达HV1064)的非晶态组织，从表面开始沿深度方向的显微组织依次是硬度较低(HV950以上)的隐针马氏体、马氏体、马氏体+残余奥氏体及至基体组织。要获得如此高的硬度和细小晶粒，用表面感应淬火的方法是无法达到的。
　　比较硬化区和基体的硬度和组织形貌，可以发现：一方面是从表层到基体有较大的硬度梯度；另一方面是表层硬化区晶粒细化，马氏体极其细小，而基体组织则较粗大。这是由于激光加热使其温度上升速度达10⁵～10⁶℃/s。奥氏体的相变是在过热度极大的高温区在很短时间内完成的，这意味着相变形核的临界半径极小，因而在原晶界和亚晶界形核，也可在相界面和其它晶体缺陷处形核，快速加热所形成的奥氏体晶粒来不及长大，接着又是快速冷却。因此，造成奥氏体晶粒明显细化，细化的奥氏体晶粒在向马氏体转变时，必然转成为细小的马氏体组织。

4　提高工件表面对激光吸收能力的方法

　　研究表明，被强化工件表面对激光能量的吸收能力取决于激光的波长、被强化工件表面的状况、以及表面涂层性质等。为了让凸轮表面更好地吸收激光，减少反射，可用砂纸打毛工件表面和采用表面涂层等方法，本研究不用砂纸打毛工件表面的方法。因打毛法需要增加凸轮轴强化处理后的磨削工序，并且由此破坏已强化的表层组织。
　　本研究是在激光波长为一定的条件下，选择表面涂层的方法。在选用涂层时，除要考虑激光的波长外，还要求涂层应具有很高的吸收激光能量的能力，它们有和被加工材料的很好的粘合力。最重要的指标是涂层应具有承受高温和大的射线功率密度的能力，也就是涂层应该耐高温，并具有很高的导热性，与被加工材料具有很好的热动接触，否则涂层受热气化会大大降低被加工材料对激光能量的吸收。涂层厚度应均匀涂敷于工件表面约20～50μm为最佳。过薄会很快被气化；过厚则会引起强化结果不均匀的现象。最好的涂层应具有一定的贮油功能，或者在表层微熔下能渗入一些硬的耐磨微粒，以提高表面的耐磨性。应当说明的是，对球墨铸铁中的石墨辅以少量合金元素，可使球墨铸铁凸轮轴进行激光处理时，有效地防止裂纹的产生、并获得优质的表面强化层。综合上述因素，试验选择稀土元素和磷酸盐作为涂层。表1为不同涂层在均匀涂敷于凸轮轴表面约20～50μm厚度时对激光的吸收率。

表1　厚度对激光的吸收率

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