激光淬火对于汽缸套寿命的影响论文初稿分解.docx
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激光淬火对于汽缸套寿命的影响论文初稿分解
山东交通学院
本科毕业论文
激光淬火对气缸套寿命的影响
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摘要
本文在综合分析了国内外激光加工技术的基础上，提出了柴油机缸套的激光淬火处理。
其原理是利用高能量密度的激光束快速扫描工件，使被照射的金属以极快的速度升到高于相变点而低于熔化温度，当激光束离开被照射的部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件表?
的相变硬化。
本文从理论上分析了柴油机缸套激光淬火的工艺参数，提出了几种形式的激光淬火硬化网纹图案和16V240ZJ柴油机气缸套淬硬带螺距的计算方法。
探讨了激光淬火提高柴油机缸套使用寿命的机理，分析了激光淬火工艺温度。
实验研究了16V240ZJ柴油机气缸套（硼合金铸铁）表面激光淬火中的激光参数对淬火强化结果的影响，测量了缸套激光淬火处理后的硬度，观察和分析了硬化层的组织、形态，并通过磨损试验，得出了激光淬火硬化的微观解释，验证了激光淬火可显著提高柴油机缸套的使用寿命。
关键词：
激光淬火，柴油机缸套，使用寿命，硼合金铸铁，耐磨性
ABSTRACT
Basedonthecomprehensiveanalysisofdomesticandinternationallaserprocessingtechnology,thelaserquenchingmachinecylinderofdieselengine.Theprincipleistheuseofalaserbeamscanningtheworkpiecewithhighenergydensity,sothattheirradiatedmetalinordertospeedupabovethetransitionpointandlowerthanthemeltingtemperature,whenthelaserbeamfromtheirradiatedarea,duetotheroleofheatconductioninthesubstrate,coldtherapidcoolingandselfquenchingthen,thephasetransformationhardeningworkpiecetable.
Thispaperanalysesthetechnicalparametersoflaserquenchingcylinderdieselengineintheory,putsforwardthecalculationmethodofreticulatepatternhardeninglaserquenchingseveralformsof16V240ZJdieselenginecylinderlinerhardenedwithpitch.Toinvestigatethemechanismoflaserhardeningcanimprovetheservicelifeofdieselenginecylinderliner,analyzedthetemperatureoflaserquenchingtechnique.Experimentalstudyof16V240ZJdieselenginecylindersleeve（boronalloycastiron）effectoflaserparametersoflaserhardeningofthesurfaceofthecylinderlinerofhardening,laserquenchingaftermeasuringthehardness,theobservationandanalysisofthehardeninglayerofthemicrostructure,morphology,andtheweartest,themicroscopicinterpretationoflaserhardening,verificationthelaserquenchingcansignificantlyincreasetheservicelifeofthedieselenginecylinderliner.
Keywords:
laserquenching,theservicelifeofcylinderliner,diesel,boronalloycastiron,wearresistance
目录
摘要Ⅰ
目录1
1引言2
2油机缸套表面激光淬火处理的工艺研究2
2．1激光淬火系统组成2
2．2柴油机缸套的表面预处理5
2．3激光淬火网纹6
3激光淬火温度场及提高柴油机缸套使用寿命的机理分析7
3．1激光淬火硬化工艺温度分析7
3．1．1激光淬火热传导数学模型7
3．2激光淬火提高柴油机缸套使用寿命的机理8
3．2．1激光淬火提高柴油机缸套的硬度8
3．2．2激光淬火提高柴油机缸套的疲劳强度13
3．2．3激光淬火提高柴油机缸套的耐磨性14
3．2．4激光淬火改变柴油机缸套的组织结构15
4结论及展望17
参考文献18
致谢19
1引言
随着人民生活水平的提高，人们对于汽车、火车等内燃机交通工具的性能和使用周期提出了更高的要求，这就要求内燃机的质量不断提高。
比如，我国先后在1997年4月1日、1998年lO月1日、2000年10月21日、2001年10月21日四次客运列车和货运列车进行提速，其中客车速度从70曲Okrn／h提高到140-160knVh，提速后机车的大修周期从1年半缩短到1年【ll，相对来说就要投入更多的人力、物力、财力，这从一定程度上提高了营运成本，制约了铁路客（货）运事业的发展。
另外，随着我国汽车工业的发展，车辆国产化程度的不断提高，对国产化汽车的性能也提出了更高的要求，这也要求国内厂家不断改进制造材料和处理工艺，提高机车零部件的性能。
气缸套是内燃机车柴油机关键零件之一，因其内壁工作条件恶劣：
变化剧烈的周期性载荷、温度场、以及活塞变化的运动速度等，所以缸套和活塞环之间的润滑状态可能包括全膜润滑、混合润滑和边界润滑等多种形式，相应的磨损可能包括磨粒磨损、粘着磨损、化学磨损等多种形式。
发动机气缸套磨损后，活塞与汽缸配合间隙大，气密性下降，发动机的动力性和经济性下降，造成启动困难，机油温度和油耗增加，噪声振动加大，使用寿命缩短，排气带黑烟等后果。
随着内燃机向高速、高负荷（大功率）I作条件发展，磨损造成的失效将更为突出。
由此可见，如此复杂的情况对缸套活塞环之间的润滑性能的要求很高，为提高缸套的耐腐蚀性和耐磨性，多年来人们一直在不断寻求各种解决途径，世界各国都对气缸套内壁以不同角度如改进材质、表面强化、提高加工精度、降低表面粗糙度进行了各种各样的处理。
1机缸套表面激光淬火处理的工艺研究
2．1激光淬火系统组成
激光淬火时，激光束在物体表面扫描，可以是光束运动，也可以是工件运动，或激光束和工件同时运动。
工作时，要求光斑尺寸可调、功率或能量可调、相对运动速度可调，以达到各种加工目的。
要完成以上功能，必须有完整的激光淬火系统。
激光淬火系统包括激光器、光路系统、激光电源系统、冷却系统、工作台及其控制系统等部分组成。
1、激光器
（1）qo：
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激光器
C02激光器是激光加工中最常见的一种，和YAG加工一样同为红外不可见光，
它的输出波长为10．6um，由于C02激光器在电光转换效率和输出功率等方面所具有的明显优势，使得这种激光得到迅猛发展。
此外CO：
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激光在高功率时光束质量的稳定性比YAG激光好，这使得它在材料的强化处理中受热部位比较均匀，C02激光的缺点是结构复杂，体积大，维修要求比YAG高。
（2）YAG激光器
YAG激光器具有许多不同于C02激光器的良好性能。
它的输出波长为1．06urn，与金属的耦合效率高，加工性能良好（800WYAG激光的有效功率相当于3KWC02激光功率）。
YAG激光能以脉冲和连续两种方式工作，其脉冲输出的性能指示范围大，并可通过调Q和锁模技术获得巨脉冲和超脉冲，使其范围比c02激光更大。
它的缺点：
一是运转效率低：
二是YAG激光棒在工作中存在内温度梯度，会引起热应力和热透镜效应，限制了YAG激光的平均功率和光束质量的进一步提高，YAG激光器每瓦输出功率的成本费比C02激光器贵。
（3）准分子激光器
准分子激光器是继YAG激光器和C02激光器之后的第三类激光器，其工业应用尚在不断开发和研究中。
准分子激光器为紫外短脉冲激光，波长范围193～351nm，约是YAG激光波长的五分之一和C02激光的五十分之一，其单光子能量高达7．9电子伏特，比大部分分子的化学键能都高，直接能深入材料分子内进行加工，其加工机理不同于YAG和C02激光，后两者的红外能量是以热传递的方式耦合进材料的。
准分子短波长易于聚焦，有良好的分辨率，可进行精密加工，且多数材料对紫外波段的吸收率特别高，能有效地利用激光能量。
2、光路系统件
图2．1激光淬火光路系统简图
光路系统是激光器和工件的连接部分，是激光加工设备的主要组成部分之一，它的特性直接影响激光加工的性能。
通过光路系统将激光束从激光器输出端口引导至加工表面（如图2．1所示），并在加工部位获得所需光斑形状、尺寸及功率密度。
3、冷却系统
固体激光器工作时，绝大部分输入能量都转换为泵灯、工作物质和聚光器温度升高的热能。
工作物质温度过高时，会严重损害激光器的正常工作，对于连续工作方式的激光器，必须采取适当的冷却措施。
通常采用蒸馏水或去离子水作冷却液。
冷却系统一般包括水泵、热交换器及蓄水箱，热交换器的作用是将冷却装置中循环冷却液的热能传递给其它传热介质。
4、工作台及控制系统
工作台是承载加工件的部分。
加工件与激光束作相对运动而进行加工，因此加工的精度在很大程度上决定于工作台的精度和激光束运动时可调节的精度。
与工作台相配合，有相应的控制系统，光束运动和工作台运动的调节都是靠控制系统来控制的。
控制系统控制激光束与工作台的相对位置，按加工要求形成一定的轨迹。
同时，可对加工机中有关部位进行控制，如光闸等。
2．2柴油机缸套的表面预处理
1、磷化
通过磷化处理在工件表面形成～层磷酸盐：
磷酸锰、磷酸锌等，其中以磷酸锰最多。
早期曾广泛使用，其吸收率可达80％。
后来参现磷酸盐膜经激光处理后在工件表面晶间出现微裂纹。
D．S．Gnanamuthu？
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也认为磷酸锰膜经激光处理后生成低熔点化合物会沿铁基合金晶界钻入几个晶粒深度。
所以近年来磷化预处理已为其它方法所代替。
另外磷化表面经激光处理后使表面粗糙度增加，Ih?
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增加0．97-2．55urn，也是其缺点之一。
2、黑漆
近年来美国多用一种牌号Krylonl602的黑漆，其主要成分为石墨粉和硅酸钠或硅酸钾，采用喷涂法，厚度10-20urn。
国内上海光机所研制了86．1型黑漆，已供应国内市场。
3、石墨加氧化物
1982年苏宝榕等曾做过涂氧化物的试验。
认为氧化锆涂层的吸收率可达
84．3％-．-90．1％，而碳黑涂层的吸收率则为68．8％。
1983年日本日立公司的MasanisaInagaki掣301试验了几种氧化物，结果是云母粉加石墨粉最好。
石墨粒度O．5um，氧化物粒度1．0um，二者重量比l：
1，粉末混合后再与丙烯酸树脂混合，混合比（P／B）为2：
l，再用丁酮作溶剂，然后用刷子涂于试件上，试件用SK3高碳工具钢（1．1％C）。
用1．8kW激光，可以达到1．8mm的淬硬深度。
4、Si02型涂料
1991年刘文今等研制了一种以sio：
为骨料的可喷涂涂料。
选用200-300目的精制石英粉，认为除对激光有很高的吸收率以外，在激光照射下能形成液态均匀覆盖于金属表面，冷却时结成固态薄膜。
由于与金属的热膨胀系数的差异而能自行脱落，有利于使金属淬火前后金属表面粗糙度变化最小。
在铸铁上曾测得粗糙度仅从O．1Sum增至0．26urn。
并选定醇基酚醛树脂为粘结剂。
乙醇为溶剂，并选用少量稀土金属氧化物为活性添加剂。
在钢铁表面，稀土氧化物有活性石墨，增加C在Fe．C合金中溶解度的作用。
混合稀土氧化物价格低廉，效果比氧化铈、氧化镧还要好。
以上涂料混合后可用压缩空气喷涂或手工刷涂。
在激光淬火时，涂层愈薄愈匀愈好，喷涂时层厚可在50-75um范围内。
2．3激光淬火网纹
对柴油机缸套进行淬火时，工作台与激光束相对运动，使激光束在缸体内表面快速扫描，形成特定的硬化带图案。
如图2．10所示
．图2．10缸套激光淬火
目前，国内外汽车缸体的激光淬火硬化网纹图案有多种形式，包括螺旋纹、正弦波以及菱形网纹等。
l、螺旋线型硬化带
用连续C02激光束在内壁上下移动，缸套作回转运动。
根据不同的材料及表面处理，选择不同的激光参数及运动速度，以获得最佳的效果。
如原苏联交通部中央科学研究所对且100型机车柴油机由207mm铬镍铜气缸套进行激光处理，选用900WC02激光束，与缸套轴线成450角配置宽2．2～3．3mm、间距10mm、硬化层深度0．5ram的硬化带。
其中表面熔化层厚度0．08--0．10mm。
硬度HVll00，激光处理后缸套变形小于0．05mm，仅需珩磨和磷化。
用配有数控系统的激光处理装置，不仅能得到螺旋线形淬火轨迹，还可以得到等螺距、变螺距的激光淬火轨迹，本课题研究的柴油机气缸套采用变螺距的淬火轨迹。
淬火轨迹对初期磨合性能、机油消耗率及耐磨性能都有影响。
轨迹与气缸套纵轴方向的夹角对气缸套一活塞环摩擦副有影响，必须进行优化以获得磨损量最小的最佳夹角。
激光处理长度一般为活塞环行程，这既降低了激光器运行成本，又减少了操作辅助时间，提高了生产率。
3激光淬火温度场及提高柴油机缸套使用寿命的机理分析
3．1激光淬火硬化工艺温度分析
3．1．1激光淬火热传导数学模型
激光与材料的相互作用是一个较复杂的物理过程，其温度场分布不仅与材料的本身性质（热容、热导系数、比重）有关，而且与激光加热参数（功率密度、能量分布、作用时间）有直接的关系，加上激光与材料相互作用会因光吸收、反射、辐射、热辐射、热传导以及等离子体效应与溅射效应等，使表面与光辐射交换变得极为复杂。
假设被加热的材料为导热性不变的半无穷大均匀平板，激光束扫描淬火是一个移动热源三维导热问题，但由于加热冷却速度极快，激光束光斑相对于被扫描工件很小，因而常可以简化为半无限固体一维非稳态热传导进行分析（如图3．1）。
3．2激光淬火提高柴油机缸套使用寿命的机理
以发动机16V240ZJB、C型中速柴油机为例，由于运输任务日益繁重，要求柴油机发动机有高的耐久可靠性。
气缸套是机车柴油机主要零部件之一，在使用过程中，它与活塞环组成一对摩擦副，处在高温高压及化学腐蚀的恶劣条件下，要求气缸套具有较高的强度和良好的耐磨性及抗擦伤性。
16V240ZJC型柴油机气缸套（材料为硼合金铸铁）重量约89kg（带水套），当活塞在缸套内工作时，第一道气环最高行程位置为上止点，此点在距缸套顶端48rnm处，温度高，燃气爆发压力大，所以最大磨损部位在上止点下约10mm处，按检修规范，当内径超差O．20__o．30mm，缸套即应报废（习惯上称段磨）。
由于段磨超限而报废，不能连续使用到一个厂修期（60---80kin）。
发动机大修里程标志着它的使用寿命，所以使用更先进的激光强化技术来提高气缸套的耐磨性和抗擦伤性，从而大大延长其使用寿命，具有必要性和迫切性。
3．2．1激光淬火提高柴油机缸套的硬度
16V240ZJC型柴油机气缸套材料为硼合金铸铁，利用激光淬火处理，其表层显
微硬度可平均提高三倍以上（与基体硬度相比）。
经激光硬化、软氮化、气体渗氮处理后的缸套硬度梯度测量数据示于下表3．1。
国产缸套经激光处理后，其硬化带的表面硬度HV946、硬化带深度0．48ram、硬化带宽度2．95mm。
缸套经激光硬化、软氮化、气体渗氮三种不同工艺处理后的硬度硬度下降是很缓慢的。
1、影响硬度的因素
硬度是材料抵抗坚硬物体的压入所表现的变形和破裂的抗力，抗力越大，硬度越高，所以硬度是材料的一种重要的机械性能。
硬度值既取决于材料的本性，也与测试方法有直接关系。
硬度测试方法不同（压头形状及尺寸、载荷大小及加载方式的不同），其反应的硬度值也不同。
常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等，在激光硬化工艺的硬度试验中，常用显微硬度法来检测激光硬化后材料的硬度。
激光硬化的层深较浅，因而用显微硬度法测定硬度是较为合适的。
所以，显微硬度是研究激光硬化工艺及激光硬化后材料性能的一个有力工具。
据有关研究，对材料为两种成分的Cr-~fo-—Cu合金，用C02激光器对其进行激光表面处理，主要处理参数为：
功率密度为1000W／cm2，扫描速度分别为240和800mm／min。
图3．3示出两种合金铸铁区硬度变化曲线。
可见，经激光处理后，两种材料的表层都能获得极高的硬度（1号合金尤为显著）。
虽然2号合金的含C量比l号合金的高，但由于1号合金的合金元素特别是Cr的含量比2号合金的高，所以它的熔化区硬度、相变区硬度和基体硬度均比2号合金的高。
合金元素Cu能促使珠光体细化和强化；Mo、Cr能稳定碳化物，阻止石墨化【42J，因此加入合金元素不仅能提高铸铁的硬度，也能提高淬硬区的硬度。
文献【43l认为，对钢来说，激光淬火的硬度主要取决于碳含量，其他合金元素几乎没有影响。
但对铸铁而言，碳的影响显得较小，而合金元素的作用较明显。
作者认为，这与碳在材料中的存在形式有关。
在钢中，碳主要以碳化物形式存在，而在铸铁中，碳除少量形成碳化物（渗碳体）外，主要以石墨形式存在，而石墨对淬硬效果几乎没有贡献。
图3．3两种合金铸铁区硬度变化曲线
激光相变硬化的工艺参数的选择对硬度也有一定影响，功率对硬度的影响有随功率的增大而下降但不十分明显。
而硬度却随扫描速度的加快而提高，但有一定的限度，这主要是马氏体过饱和度增加，冷却速度较快所至。
因此，工艺参的选择得是合理的，才能使表面硬化层的硬很高。
2、激光淬火获得超高硬度的机理
图3．3显示了合金铸铁经激光相交硬化后不同层深的硬度变化曲线，可见。
表面温度较高，而且硬化层的硬度大体上由表及里是下降的。
表层的高硬度和硬化层至基体的急剧过度是激光热处理的一个显著特点。
在表层，由于加热快，奥氏体晶粒超细化，所以导致变成马氏体的晶粒也细化，因而表层的硬度和强度高，又由于高能量密度的激光束局部加热及光束与表面的瞬间相互作用所造成的极高的加热速度和光束移过后极快的冷却速度造成了硬化层与基体之间硬度的突降，硬度落差极高。
从图可以看出，合金铸铁经激光处理后的硬度远远超出了常规淬火的硬度。
那么激光相变硬化所得超高硬度的机理是：
激光相变硬化处理后，由于激光淬火是急热急冷过程，碳在奥氏体中来不及均匀化，因而马氏体中碳含量较高，硬度也较高。
最明显的例子是低碳钢10号钢，经激光淬火后硬度可高达700HV，而常规淬火的低碳马氏体硬度只有380HV／441。
由于碳扩散不均匀，所得的马氏体更细。
朱捷在研究Crl2钢的激光相变硬化机理时测得原始组织的晶粒度为12级，激光处理后为15级，明显细化。
原Crl2中马氏体针长度约6um，激光淬火后小于2um，马氏体明显细化。
正由于硬化层组织晶粒明显细化，形成隐晶马氏体组织，而且在板条马氏体中弥散地分布着自回火的渗碳体及特殊碳化物粒子，组织中还存在着高密度的缠结位错和孪晶亚结构。
这样由于细晶强化马氏体相变硬化，碳化物弥散强化以及高密度缠结位错和孪晶亚结构的共同作用，使相变硬化具有很高的硬度。
因此可以认为，马氏体中碳含量很高，马氏体细化和很高的位错密度是激光相交硬化能得到超高硬度的原因。
3、激光冷却速度对硬化层硬度分布的影响
从零件的淬火机理可知，要获得淬火马氏体，必须将被淬火零件加热到相变温度以上，然后以大于临界冷却速度冷却。
不同的冷却速度将获得不同的硬度值，冷却速度愈快，获得的硬度值愈高。
就这一点而言，激光淬火与常规淬火机理是一样的。
但激光淬火的冷却过程与常规淬火有很大不同，常规淬火冷却速度的获得是通过冷却介质，在淬火时，零件表面接触温度相对很低的冷却介质，因而获得的冷却速度最快，由表至零件的中心“导冷”，其冷却方向是由表至里（见图3．4）。
因而冷却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，而芯部冷却速度慢。
所以，通常在淬硬层内，从表至里，硬度值由高到低由一个下降变化梯度。
图3．4常规淬火的加热、冷却方向、温度、冷却速度、硬度分布示意图
激光淬火“冷却过程”无须冷却介质，它是依靠零件本身的基体快速导热而完成的。
激光淬火是将“局部表层”快速加热到相变温度以上（气1），这一“局部表层”的温度分布是不一样的，表面温度最高，而里面温度最低，即从表面至里面存在一个由高至低的温度下降梯度，而冷却过程（导冷）可理解为将～很高温度的“局部表层“置于温度相对很低的基体内（这个“基体”可理解为导热系数很大的固体“冷却介质”）。
因此，“局部表层”的里面与“冷却介质”的基体接触，可获得最快的冷却速度，而“局部表层”的表面冷却速度最慢（忽略表面与空气接触的冷却影响）。
所以．从表面到里面，冷却速度由低到高存在一个上升变化梯度。
激光淬火的“冷却方向”（导冷）是零件的内部向表面进行，它正好与常规淬火的冷却速度方向相反（见图3．5）
图3．5激光淬火的加热、冷却方向、温度、冷却速度、硬度分布示意图
激光淬火硬化层硬度分布状态对提高零件的耐磨性具有十分重要的价值，激光处理的金属材料，其金相组织可获得非常细化的马氏体，它对于提高零件的耐磨性具有重要意义，这已被大量的试验和实践所证实。
除此之外，硬化层的硬度分布几乎无变化梯度，这对于提高零件的耐磨损寿命的贡献更为突出。
因为硬度值愈高，耐磨性愈好，零件工作寿命愈长。
常规热处理硬化层的硬度从表面到内部由明显的下降梯度，表面硬度最高，耐磨性最好，但随着零件正常工作时的相对运动，表面将逐渐被磨去，其相对运动接触面的硬度值逐渐随之而降低，磨损随之而加剧，最终导致零件因磨损量过大而失效。
而激光淬火的硬化层硬度值一样，随着零件正常相对接触摩擦运动，表面虽然被磨去，但新的相对运动接触面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而不会发生磨损随之逐渐加剧的现象，大大提高了零件的耐磨损寿命。
这就是激光淬火零件的寿命能提高几倍甚至几十倍的重要原因之一。
3．2．2激光淬火提高柴油机缸套的疲劳强度
疲劳是金属材料在高压或重复应力作用下，经多次循环而破坏的现象。
疲劳和磨损是金属材料或机械零件失效的重要原因。
在某些应用条件下，金属材料的疲劳性能显得更为重要。
根据金属材料或零件所受应力状态和失效形式，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、旋转疲劳、冲击疲劳、接触疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳等。
提高材料的疲劳性能的有效方法是进行表面强化处理。
激光硬化是众多方法中的新方法，激光硬化处理可使金属材料的显微组织明显细化，表面硬度提高并具有残余压应力，因而可有效地提高金属材料的疲劳性能。
柴油机工作时，缸套上端在一个做功过程中，由于燃烧、膨胀过程瞬间产生很高的压力（从O．1Mp
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