4Cr13不锈钢阀芯激光相变强化技术研究
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摘要
本文在综合分析了激光相变强化处理技术的发展、特点、激光与材料之间的相互作用和工艺过程的基础上，提出了激光相变强化技术的应用存在着工艺的重复性和可移植性较差的问题，特别是4Cr13不锈钢无法利用常规方法进行预处理。为此，本文重点研究了4Cr13不锈钢预处理的工艺方法和配方、添加剂的作用和影响、氧化膜的性能，以及单道激光相变强化技术和整体强化技术，并通过组织结构的分析探讨了强化的机理。还在产品模拟件上进行了工艺验证。得到了以下研究成果：
(1)采用铬酐—硫酸体系或者重铬酸盐并用熔融氧化工艺法，都能够成功地对4Cr13不锈钢进行激光相变强化前的预处理。在铬酐—硫酸体系的配方中，GW—1复合添加剂可显著提高预处理的速度，改善氧化膜的致密性、结合强度和外观均匀性，同时还对黑化液具有稳定作用。
(2)获得的黑色氧化膜致密、均匀，耐腐蚀性能、与基体的结合力和耐磨性能都达到了吸光表层的要求，完全满足激光表面强化工艺的需要，使材料对激光吸收率大大提高。
(3)当采用获得的最佳工艺参数时，可使阀芯φ10mm×8mm摩擦部分表面获得均匀的强化层，强化层深度约0.62mm—0.86mm，硬度为41.3HRC—44HRC，满足阀芯的设计使用要求。
(4)激光表面强化组织共分三层，强化层晶粒细小，组织为隐针高碳马氏体，亚结构有较高密度的位错，对阀芯的耐磨性和使用寿命的提高有极大的促进作用。
代毅：4Q13 37sc＄N阀芯剜优相变强化技术研究
（5）激光相变强化工艺参数的硬化层特性影响较大，在产品应用
之前必须进行工艺验证。组织的显著细化、高碳马氏体的形成、内部位
错的大量增殖是获得强化区高硬度的主要原因。
Having analysed synthetically the history, characteristics, interaction between the laser and material and technological procedure, it is put forward that poor technological repetition and transplantation exist when laser transition hardening technique (LTHT) is applied, especially that 4Cr13 stainless steel can not be pretreated with regular method. Therefore, it has been study on pretreatment method, prescription, effect of additive and properties of oxide film for 4Cr13 stainless steel, then the techniques of LTHT on single lane and whole surface, while strengthening mechanism is explored through analyzing the microstructure. Technological verification has also been conducted on the product simulation. Results have been achieved as follow:
4Cr13 stainless steel manages to be pretreated before laser transition hardening with chromate-vitriol or dichromate. Within chromate-vitriol prescription, GW-1 additive can raise pretreatment velocity obviously and improve density, combining strength and uniform appearance, as well as stabilize the blacking chemical composition.
The dense uniform black oxide film on the surface of material improves the attractive ratio to the laser energy greatly with better corrupt resistance, combining strength and wear resistance, which can totally meet the requirements of LTHT.
When appropriate parameters are adopted, a uniform hardened case on ? 10mmx8mm rub part of valve core can be acquired with depth about
0.62mm-0.86mm and hardness about 41.3 HRC-44HRC,which meets the perform requirements.
The microstructures can be divided into three layers, with the hardening case having finer grains, high carbon martensite with dense dislocation, which can promote wear resistance and perform span.
The technological parameters of LTHT can affect the characteristics of hardening case, so verification must be conducted before applying the product. Refining microstructures remarkably, yielding martensites with high carbon, proliferating dislocations greatly are the main causes of surface hardening.
(1)采用铬酐—硫酸体系或者重铬酸盐并用熔融氧化工艺法，都能够成功地对4Cr13不锈钢进行激光相变强化前的预处理。在铬酐—硫酸体系的配方中，GW—1复合添加剂可显著提高预处理的速度，改善氧化膜的致密性、结合强度和外观均匀性，同时还对黑化液具有稳定作用。
(2)获得的黑色氧化膜致密、均匀，耐腐蚀性能、与基体的结合力和耐磨性能都达到了吸光表层的要求，完全满足激光表面强化工艺的需要，使材料对激光吸收率大大提高。
(3)当采用获得的最佳工艺参数时，可使阀芯φ10mm×8mm摩擦部分表面获得均匀的强化层，强化层深度约0.62mm—0.86mm，硬度为41.3HRC—44HRC，满足阀芯的设计使用要求。
(4)激光表面强化组织共分三层，强化层晶粒细小，组织为隐针高碳马氏体，亚结构有较高密度的位错，对阀芯的耐磨性和使用寿命的提高有极大的促进作用。
代毅：4Q13 37sc＄N阀芯剜优相变强化技术研究
（5）激光相变强化工艺参数的硬化层特性影响较大，在产品应用
之前必须进行工艺验证。组织的显著细化、高碳马氏体的形成、内部位
错的大量增殖是获得强化区高硬度的主要原因。
Having analysed synthetically the history, characteristics, interaction between the laser and material and technological procedure, it is put forward that poor technological repetition and transplantation exist when laser transition hardening technique (LTHT) is applied, especially that 4Cr13 stainless steel can not be pretreated with regular method. Therefore, it has been study on pretreatment method, prescription, effect of additive and properties of oxide film for 4Cr13 stainless steel, then the techniques of LTHT on single lane and whole surface, while strengthening mechanism is explored through analyzing the microstructure. Technological verification has also been conducted on the product simulation. Results have been achieved as follow:
4Cr13 stainless steel manages to be pretreated before laser transition hardening with chromate-vitriol or dichromate. Within chromate-vitriol prescription, GW-1 additive can raise pretreatment velocity obviously and improve density, combining strength and uniform appearance, as well as stabilize the blacking chemical composition.
The dense uniform black oxide film on the surface of material improves the attractive ratio to the laser energy greatly with better corrupt resistance, combining strength and wear resistance, which can totally meet the requirements of LTHT.
When appropriate parameters are adopted, a uniform hardened case on ? 10mmx8mm rub part of valve core can be acquired with depth about
0.62mm-0.86mm and hardness about 41.3 HRC-44HRC,which meets the perform requirements.
The microstructures can be divided into three layers, with the hardening case having finer grains, high carbon martensite with dense dislocation, which can promote wear resistance and perform span.
The technological parameters of LTHT can affect the characteristics of hardening case, so verification must be conducted before applying the product. Refining microstructures remarkably, yielding martensites with high carbon, proliferating dislocations greatly are the main causes of surface hardening.
引文
1．安立宝．激光表面处理技术及其进展．航空工艺技术，1995(4)：P19—21
2. D.S.Gnanamuthu.Laser surface treatment.Optical Engineering.1980(5)
3．王家金．激光加工技术．中国计量出版社，1992
4．D.比姆贝格等．激光在工业与技术中的应用．科学出版社，1980
5．陈树林．激光表面强化技术．电加工，1992(3)：35—36
6．关振中．激光加工工艺手册．中国计量出版社，1998
7．叶玉堂．激光微细加工．电子科技大学出版社，1995
8．张冬云，陆博良．汽缸套内表面激光处理的通用程序设计．长春光学精密机械学院学报，1999(1)：24—28
9. Woo HG et al..Surface technology,1998,102:205
10．久田秀夫，淺野省二．表面烷入．自动化技术，第16卷，第3号。
11．安立宝．激光表面处理技术及其进展．航空工艺技术，1995(4)：19—21
12．刘东华，刘宇峰，林达良．汽车发动机缸体激光热处理研究．广西工学院学报，1995(4)：20—24
13．林子光．激光淬火提高发动机汽缸抗磨性能的研究．润滑与密封，2000(6)：15—16
14．浜崎正信．实用激光加工．机械工业出版社，1992
15. Mordike B L. CO_2 Lasers and Applications. SPIE,1992, 1276:332
16. Sekhar JA. In Plasma and Laser Processing of Materials. New York:the Minerals,Metals & Materials Society, 1991
17. Schubert E,Bergmann H W. In Rapidly Solidified Alloys. New York:Marcel Dekker Inc,1993)
18．刘顺洪，胡乾午等．汽缸在线激光淬火涂料喷涂机的设计与实现．华中理工大学学报，1998(12)：46—48
19．周建忠，袁国定，杜生亚．应用激光强化技术提高覆盖件模具寿命．模具工业，2000(4)：52—54
20．林子光．发动机汽缸YAG激光网状淬火．金属热处理，1999(3)：26—28
21．林子光，蔡军，王鸿恩．高温线接触条件下表面抗磨损性能的实验研究．润滑与密封，2000(1)：43—44
22．林子光，王鸿恩．YAG激光热处理．金属热处理，1998(3)：3—4
23．潘邻，陶锡麒等．密封面激光表面淬火工艺的应用研究，金属热处理，2002(1)：18—20
24．张立文，裴继斌等．激光相变硬化过程数值分析与工艺优化系统．兵器材料科学与工程，2001(3)：42—44
25．史晓强，王大承，刘劲松．激光相变硬化处理的模型．应用激光，2001(6)：171—174
26．陈瑞芳，花银群．基于二维温度场理论的激光淬火工艺参数研究．江苏理工大学学报(自然科学版)，2001(9)：38—41
27．薛重德．激光相变热处理工艺参数计算．航空精密制造技术，1994(3)：27—29
28．赵志国，张力文等．MoCu球铁激光淬火程的温度场的数值计算．大连理工大学学报，1995(2)：164—169
29．石娟，吴钢，戴忠森．激光热处理硬化带简易实用模型．金属热处理，2000(2)：33—36
30．孙加林，陈君才等．碳钢球化体激光相变硬化模型的实验验证．昆明工学院学报，1995(2)：42—47
31．胡涛，花银群等．激光淬火球墨铸铁零件硬化层深度及淬火带宽度分布计算．国外金属热处理，2001(3)：47—49
32．黄建龙，龚俊，郎福元．切口试件的激光处理对其疲劳寿命的影响．甘肃工业大学学报，1998(4)：30—32
33．曲敬信，汪泓宏．表面工程手册．化学工业出版社，1998，524—531
34．王存山，关振中等．40Cr钢宽带激光淬火组织和性能．金属热处理学报，1999(1)24—27
35．赵玲叶，吴润等．激光淬火大圆弧剪刃的失效分析．金属热处理，2002(2)：44—46
36．李良福．石墨化钢和铸铁表面激光淬火的特点．国外金属热处理，2001(1)：43—45
37. Dai Z D, Yang S R, Pan S C et al.Improvement fretting wear resistance of titanium alloy through laser beam quenching.Wear,1997(3):135—139
38．胡建东，栾景飞等．钢铁材料激光淬硬层中的残余奥氏体．金属热处理，1999(5)：14—15
39．王存山，张宏等．18Cr2Ni4W钢渗碳激光强化复合处理组织的研究．金属热处理，1999(2)：14—16
40．陈永安．CVD涂覆的工具钢激光淬火．国外金属热处理，2001(10)：33—35
41. Ion J C.Process diagrams for laser transformation hardening. Laser ProCessing:Surface Treatment and Film Deposition. Kluwer Academic Publisher,1996:587—612
42．陶少华，陈培锋，丘军林．长加工距离的激光淬火光束的设计．激光杂志，1998(4)：39—40
43．冯树强，肖定安，温宗胤．零件激光淬火存在的问题及分析．广西工学院学报，1999(1)：64—68
44．手册编写组．合金钢钢种手册，第五册，不锈耐酸钢．冶金工业出版社，1983：33—35
45．手册编写委员会．中国航空材料手册，第一册，不锈钢．中国标准出版社，1988：619—623
46. Dvid Havrilla. Laser Welding Design and Process Fundamentals and Troubleshooting Guideline. Product Support Group,Rofin-Sinar Laser Company
47．吴洪志．激光热处理涂层的机理及其应用．中科院长春光机所鉴定资料，1983
48．张三川，刘怀喜．激光淬火提高合金铸铁显微硬度的研究．电加工，1999(2)：22—24
49．姚杰．不锈钢着色．电镀与精饰，1992(6)
50．张允诚等．钢铁的氧化处理．电镀手册(上册)，1997
51. Steen,W.M.,Courtney,C.,Metals Technology,1989 (12):456—462
52．谭继福，冯志刚等．上下离焦对锭尖激光热处理的影响．纺织器材，1994(3)：14—16
53．曾建谋．汽车发动机汽缸套壁的激光处理．新工艺应用，2001(3)：45—47
54．刘宁，卞承艺，施家山．W6Mo5Cr4V2钢激光相变硬化及强化效应的估算．金属热处理学报，1988(2)：22—28
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46. Dvid Havrilla. Laser Welding Design and Process Fundamentals and Troubleshooting Guideline. Product Support Group,Rofin-Sinar Laser Company
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48．张三川，刘怀喜．激光淬火提高合金铸铁显微硬度的研究．电加工，1999(2)：22—24
49．姚杰．不锈钢着色．电镀与精饰，1992(6)
50．张允诚等．钢铁的氧化处理．电镀手册(上册)，1997
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