球墨铸铁表面激光重熔工艺精.docx
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球墨铸铁表面激光重熔工艺精
上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验
目录
摘要...............................................................1
ABSTRACT...............................................................21绪论................................................错误！
未定义书签。
1.1球墨铸铁...........................................................1
1.1.1球墨铸铁的发展...................................................2
1.1.2球墨铸铁的分类...................................................4
1.1.3球墨铸铁的基体组织...............................................6
1.1.4球墨铸铁的机械性能...............................................8
1.1.5球墨铸铁表面改性................................................10
1.2激光重熔技术......................................................11
1.2.1激光重熔的特点..................................................12
1.2.2激光重熔工艺参数的选择..........................................14
1.2.4激光重熔技术工业应用实例........................................15
1.3实验的目的和意义..................................................15
2实验材料及方法......................................................17
2.1实验材料..........................................................17
2.2实验仪器..........................................................17
2.3实验过程..........................................................17
2.3.1线切割..........................................................17
2.3.2激光重熔........................................................17
2.3.3镶嵌............................................................19
2.3.4预磨与抛光......................................................19
2.3.5腐蚀............................................................20
2.4宏观形貌与显微组织分析............................................20
2.5显微硬度测试......................................................20
3结果与分析..........................................................21
上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验
3.1激光重熔显微组织金相分析..........................................21
3.2硬度分析...........................................................28
参考文献..............................................................32
致谢..............................................................35
上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验
摘要
球墨铸铁是一种高强度的铸铁材料，由于其应用广泛的机械性能、成本低廉、工艺简单等优点，球墨铸铁已迅速发展为产量仅次于灰铸铁的铸铁材料。
虽然球墨铸铁铸件已经在所有主要的工业领域中得到广泛的应用，但是由于球墨铸铁的硬度较低，耐腐蚀性能亦较差等缺点，在很大程度上都限制了球墨铸铁的应用，而对球墨铸铁表面进行激光重熔工艺处理，可以有效提高球墨铸铁表面的硬度、耐腐蚀性和耐高温性等，将大大扩展球墨铸铁铸件的应用范围，是一种有着广大前景的工艺。
本文用功率为1500W、2000W和2500W的光纤激光束（光斑直径为5mm×5mm），以6mm/s的扫描速度辐照珠光体球墨铸铁表面，然后用VHX-600K型超景深三维数码显微分析仪观察了激光辐照后珠光体球墨铸铁表面重熔层及热影响区的微观组织，用HXD-1000TM/LCD自动转塔数显显微硬度计测量了珠光体球墨铸铁表面激光重熔层横截面的显微硬度。
经过讨论分析，得到如下结论：
涂层中有大量的树枝晶存在，不同激光功率下涂层组织的细化程度不同，功率越大，组织越细小，越均匀。
热影响区是一个渐变的区域，形成机理与易淬火钢中的热影响区类似，可分为淬火区，部分淬火区和回火区。
通过对显微硬度的分析，得知在经过激光重熔后，涂层的显微硬度远远高于母材，而且在不同功率下，随着功率的升高，涂层的硬度越高。
涂层中石墨的存在是由于凝固速度过快，少量石墨未能逸出。
关键词：
表面改性，球墨铸铁，激光重熔，热影响区
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上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验
ProcessingexperimentoflaserremeltingonDuctilecastiron
ABSTRACT
Ductilecastironisakindofcastironmaterialwithhighstrength,itsapplicationinawiderangesupportedbyitsmechanicalproperties,lowcost,simpleprocess,thesemeritsprompteditoutnumberedothercastironmaterialsexpectedthegraycastiron.Althoughductileironcastingshavebeenappliedwidelyinallthemajorindustrialareas,duetothebadperformanceofcorrosionresistanceandlowhardnessofnodularcastiron,itisconfiningitsuseinmanyareas.Processingoflaserremeltingonnodularcastironcanimproveitssurfacehardnessandcorrosionresistanceandenduringhightemperatureandconsequentlywidentherangeofapplication.Theprocessionispromising.
Thepowersofthelaserbeamusedinthispaperare1500、2000and3000wat,withthescanningspeed6mm/scastedonthepearlductilecastiron.ThenusingtheVHX-600Kwithsupperdepthoffocusthree-dimensionallyinvestigatedtheprocessedmaterialsremeltinglayerandtheheataffectedzone.AndHXD-1000TM/LCDtomeasuredthehardnessofremeltinglayer’ssectionofpearlnodularcastiron.Afterdiscussionandanalysis,conclusionsaredrawnbelow:
Therearealotofdendriticcrystalsinthecoating,thesizeofthecoatingmicrostructureisdifferent,thepowerhigher,themicrostructureissmallerandinuniform.theheataffectedzoneisagradientregion,theformationmechanismandtheheataffectedzoneintheeasyquenchingsteelaresimilar,itcanbedividedintothequenchingzone,thepartlyquenchingzoneandthetemperingzone.Aftertheanalysisofhardnessofthephase,therecomestheconclusionthatinafterlaserremelting,hardnessofthecoatingismuchhigherthanthatofthematrixandunderdifferentpower,withtheincreaseofpower,coatinghardnessbecomeshigher.Theexistofthegraphiteinthecoatingiscausedbythehighspeedofcondensationresultingthefewgraphiteprecipitation.
Kyewords:
surface,modification,ductilecastiron,laserremelting,heataffectedzone
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上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验
球墨铸铁表面激光重熔工艺试验
1绪论
20世纪中叶，人们成功开发了球墨铸铁，由于球墨铸铁的强度和塑性与常规钢材相当，具有良好的综合力学性能，而且生产工艺简便、耐磨性能优良、成本低廉，因此作为工程材料在车辆、交通、桥梁、机械等行业中得到了广泛的应用。
相对于几乎没有塑韧性的灰铸铁，球墨铸铁与钢相当的塑韧性，使其具有强烈的市场竞争力和巨大的应用潜力。
人们所谓的“以铁代钢”就是指用球墨铸铁代替碳素钢（铁就是球墨铸铁，钢主要指碳素钢）。
人们常常通过表面工程技术对工件表面进行强化，以达到改善工件的表面性能，节约成本，延长使用寿命的目的。
目前，常用的表面改性技术有化学热处理、堆焊、电镀、化学镀、热喷涂和等离子喷涂、激光表面加工等。
激光表面加工技术有激光相变硬化、激光熔覆、激光冲击硬化、激光合金化、激光重熔等。
其中激光重熔也称激光熔凝，是利用激光束辐射工件表面形成激光熔池，激光束离开后熔池区高速冷却凝固，可以获得较为细小均匀的组织[1]。
球墨铸铁表面激光重熔工艺就是利用激光熔池体积小，熔凝速度快和非接触非真空加工的特点，在球墨铸铁表面通过激光辐射制备冶金结合的强化层，提高球墨铸铁表面的硬度和耐磨性，从而改善材料的表面使用性能[2]。
1.1球墨铸铁
球墨铸铁与灰铸铁之间的区别在于两者金相组织中石墨的形态不同。
球墨铸铁中石墨主要以球状存在，而灰铸铁中石墨的形态主要为层片状[3]。
往铁水中添加适量的球化剂（Mg、稀土、稀土镁等常被用作球化剂）和孕育剂（硅-铁、硅-钙合金为常用的孕育剂），配合恰当的球化孕育技术，改变碳元素的生长方式，使碳形核长大，变为球状石墨，通过这样的方式会得到含有球状石墨的铸铁，这样的铸铁被成为现代球墨铸铁。
现代球墨铸铁中的石墨变为了球状石墨，与原来相比，其机械性能如硬度、韧性、耐磨性等都显著提高[4]。
表1.1为球墨铸铁的化学成分。
球墨铸铁中的石墨呈球状，使其避免了灰铸铁中1
上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验片状石墨的存在，消除了片状石墨尖锐端部的应力集中效应，石墨对金属基体的切口作用显著降低[5]。
由于球墨铸铁中球状石墨的应力集中效应远远低于灰铸铁中片状石墨的应力集中效应，因此可以充分发挥基体金属材料的塑形和韧性,也使得球墨铸铁可以像钢材一样，应用各种热处理工艺调整微观组织，改善使用性能[6]。
表1.1球墨铸铁的化学成分
成分
CSi
Mn
P
S含量（wt.%）3.5-3.82-30.5-0.70.080.02
1.1.1球墨铸铁的发展
（1）国外发展概况[7-8]
上世纪二十年代末，英国的Morrgoh先是发现了铸铁中的球状石墨，并于一年之后顺利研制出获得球墨铸铁的方法，他的方法是通过在灰铸铁（该灰铸铁中硫、磷含量较低，碳含量较高）中加入Ce，并保证Ce的含量必须维持在0.02%以上。
上世纪三十年代中期，位于德国的阿汉铸造研究所成功研制出了如何在低碳高硅的铸铁中获得球状石墨的方法。
在石墨片细化研究这一领域，获得专利权的米汉认为，若想得到符合性能要求的铸铁，活性元素必须添加，且添加量一定要充足。
1941年，Meehanite公司发表了研究成果：
在铁水中添加硅-钙合金用作石墨化元素，之后再使用碲元素等作为反石墨化元素，通过这种方式，最终得到的石墨就是球状石墨。
1943年4月12日，美国国际镍公司（简称INCO）的科研员K.D.Millis成功获得了现代球磨铸铁的制备方法。
K.D.Millis研究出的工艺是：
先将镍硬铸铁（镍硬铸铁的化学成分如表1.2所示）熔化，变为铁水，再分别向铁水中加入Zr、Ce、Bi、Cu+Pb、0.5%Mg，最后浇注成激冷试块。
实验结果表明，添加了Mg的试块不仅促进了碳化物的形成，更增加了镍硬铸铁的韧性。
数月之后，K.D.Millis对实验进行了改进，先在试块中添Mg，再将硅-铁合金作为孕育剂，最后对试样进行力学性能实验和金相实验，在试样中发现了球状石墨，而且试样具有优异的力学性能。
Gangnebin等人于1948年5月7日发表了一篇论文。
该论文指出，可以通过先在铁水中加入镁，之后用硅-
2
上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验铁作为孕育剂，对铁水进行孕育处理，最后在保证镁的百分比含量不低于0.04时就能得到球状石墨。
他们将镍镁合金加入到铁液中的这一研究成果，在那时是一项技术上的重大突破，也正是由于这一重大进展，使大规模生产球墨铸铁成为了可能[9]。
此后，球墨铸铁无论是在制造、应用或是在研究方面，都进入了快速发展的阶段。
表1.2镍硬铸铁化学成分含量表
成分
CSi
Mn
Ni
Cr含量（%）3.350.500.504.51.5
（2）国内发展概况[10]
相比于其他国家，我国在球墨铸铁领域的研究历史基本与世界发达国家同步，研究成果也处于世界较高水平，为球墨铸铁的研究、发展和应用做出了巨大贡献。
当前，我国也是球墨铸铁生产大国，从2004年起我国球墨铸铁的年产量就已超过500万吨，位居世界第一。
在1948年初，王遵明教授就进行了球墨铸铁的研究，并在1950成功开发了现代球墨铸铁生产工艺之一的铜镁合金冲入法[11]。
在上世纪50年代后期，陈希圣教授在球墨铸铁研究方面进行了具有国际水平的研究工作，并提出了“稀土镁球墨铸铁的基本理论，基本技术研究项目”。
之后以陈希圣教授为代表的一批学者分别开展了石墨形貌、球化理论和球墨铸铁性能这一系列的深入研究。
上世纪六十年代，我国的众多科研人员在经过了大量的试验研究后，最终在1964年宣布成功研制了稀土镁球墨铸铁，这一发明大大改善了我国的球墨铸铁质量问题，也带动了我国球墨铸铁的发展。
经过数十年的不断研究，我国通过对球墨铸铁的铸造、热处理工艺、基础冶金学、动静态力学性能及其影响因素、使用性能及应用范围等做了大量工作，并取得卓越的成绩，使我国球墨铸铁在生产应用领域飞速发展。
当前，随着能源工业、汽车行业、机床工业、航空航天、石化工业、海洋工程和核能工业等行业的继续发展，对于球墨铸铁铸件的性能要求将不断提高，同时为了满
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上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验足这些各领域的要求，我国球墨铸铁在的研究也将会进入一个崭新的发展阶段。
1.1.2球墨铸铁的分类
根据球墨铸铁的基体组织，可将其分为四大类[12]：
铁素体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁、混合基球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁。
图1.1是铁素体球墨铸铁的显微组织，图1.2是珠光体球墨铸铁的显微组织，图1.3是混合基体球墨铸铁的显微组织。
图1.1铁素体球墨铸铁金相组织图
图1.2珠光体球墨铸铁金相组织
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图1.3混合基体球墨铸铁的金相组织
图1.4为我国2006年的球墨铸铁年产率。
如图1.1所示，铁素体球墨铸铁的产量约占国内球墨铸铁总产量的59%，混合基体球墨铸铁约占总产量的19%，珠光体球墨铸铁产量约占总量的16%，等温淬火球墨铸铁占约6%。
图1.42006年国内球墨铸铁年产率
（1）珠光体球墨铸铁：
珠光体的含量不低于90%的一种球墨铸铁。
可通过正火
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上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验处理获得，拥有较高的硬度，抗拉强度和屈服强度在铸铁中球墨铸铁中首屈一指，缺点是伸长率较低。
多应用在柴油机曲轴、连杆等部件的制造中[13]。
（2）铁素体球墨铸铁：
基体组织中以铁素体为主，珠光体含量一般在10%以内，的球墨铸铁被称为铁素体球墨铸铁。
可通过退货处理获得，拥有较高的塑性和冲击韧性，不过强度较低。
一些受力较大而又要求耐冲击的零件上应用较多，比如汽车底盘、农机部件。
（3）混合基体型球墨铸铁：
以珠光体和铁素体的混合组织作为基体的球墨铸铁。
虽然在强度上低于珠光体球墨铸铁，延伸率上低于铁素体球墨铸铁，但混合基体球墨铸铁有较好的强度和初性的配和，能克服铁素体球墨铸铁硬度不足，珠光体球墨铸铁延伸率太低的缺点。
（4）等温淬火球墨铸铁：
以下贝氏体为主的球墨铸铁，将铸件加热到840-900℃，使基体转变为均匀的奥氏体，再将奥氏体淬入250-350℃的盐浴中进行等温，最后取出空冷。
拥有不错的强度和伸长率，吸震性好。
1.1.3球墨铸铁的基体组织[14]
球墨铸铁的性能与其组织紧密相关。
这些组织因素可以分为三方面：
⑴石墨球的数量、大小、形态和分布；
⑵基体组织如铁素体、珠光体、马氏体和贝氏体等的数量、大小、形态和分布；⑶渗碳体与磷共晶的数量、大小、形态和分布。
表1.3列出了常用球墨铸铁的牌号及其主要基体组织和常见机械性能。
球墨铸铁的组织为金属基体和分布其中的球状石墨，其中石墨球的体积一般约占全部体积的10%左右。
因为石墨的强度、塑形和韧性基本为零，对于铸铁的力学性能来说，石墨相当于基体组织中的孔隙，因而石墨对基体具有一定的割裂作用。
显然，当石墨为球形时，应力集中效应最弱，对基体的割裂作用也最不明显，因此球墨铸铁的机械性能与灰铸铁相比有很大的优势。
石墨的外廓接近球形，借助扫描电子显微镜、深腐烛、热氧腐烛、离子侵蚀等技术手段，对球状石墨的内部结构进行观察分析，如图1.5所示，可以发现，石墨球体并非光洁的表面，在表面上可以看到一些凸起和凹槽。
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表1.3常用球墨铸铁的牌号其主要基体组织和机械性能
屈服强度
牌号
主要基体组织
（MPa）≧
QT350-22LQT350-22RQT350-22QT400-18LQT400-18RQT400-18QT400-15QT450-10QT500-7QT500-5QT600-3QT700-2
铁素体铁素体铁素体铁素体铁素体铁素体铁素体铁素体铁素体+珠光体铁素体+珠光体珠光体+铁素体
珠光体
220220220240250250250300320350370420
抗拉强度
布氏硬度
（MPa）
（HBW）
≧350350350400400400400450500550600700
≦160≦160≦160120-175120-175120-175120-180160-210170-230180-250190-270225-305
22222218181815107532
≧伸长率（%）
图1.5球状石墨形貌
一般情况下，球墨铸铁的常规基体组织为铁素体+珠光体的混合组织，很少为单
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上海工程技术大学毕业设计（论文）球墨铸铁表面激光重熔工艺试验一的基体组织形态。
若想获得单一的球墨铸铁铸态组织，并获得组织单一的铸件，可以通过控制工艺条件，比如加入某些合金组织、热处理等方式，以达到改变各组织间含量比的目[15]。
球墨铸铁中的铁素体可分为不同的两种形态，环状铁素体和块或网状铁素体。
如图1.6所示，其中环状铁素体是由于在凝固过程中，球状石墨周围由于扩散作用，碳元素吸附在石墨球表面形成低碳区，从而形成环绕石墨球的铁素体，也就是俗称的“牛眼”，而块或网状的铁素体分布在珠光团中间。
图1.6铁素体组织金相照片
在实际生产条件下，由于极低的碳当量、孕育不充分或其他影响因素，基体组织中会有共晶渗碳体出现。
在不同的过冷度下，铁水连续地分别进行亚稳定和稳定共晶反应形成渗碳体与石墨和珠光体共存的组织。
这些组织以条块状、鱼骨状等各种形态存在。
球墨铸铁中微量合金元素的存在，使得铸件中的铁素体、珠光体等组织发生改变。
1.1.4球墨铸铁的机械性能
球墨铸铁的抗拉强度最高可达1500MPa以上，伸长率从1%到20%不等，屈服强度最高为600MPa、抗
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