河北工业大学
硕士学位论文
1Cr18Ni9Ti不锈钢激光表面合金化涂层性能研究
姓名：李贵江
申请学位级别：硕士
专业：材料学
指导教师：许长庆
20090301
河北工业大学硕士学位论文
- I -
1Cr18Ni9Ti 不锈钢激光表面合金化涂层性能研究
摘 要
以1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢为基体材料，选择TiC 颗粒为主要的增强相，采用激光表面合金化技术成功制备了TiC 颗粒增强复合材料涂层。利用X`Pert MPD X-射线衍射仪、MBS 金相显微镜和PhlipsXL30扫描电子显微镜对激光表面合金化涂层物相组成、显微组织和磨损形貌进行了检测和分析，采用HXD-1000数字显微硬度计和MM-200滑动磨损实验机对激光表面合金化试样进行显微硬度和耐磨性测试。同时对激光表面合金化试样进行稳定化处理，并分析稳定化处理对涂层显微组织和耐磨性能的影响。
分析和检测显示，激光表面合金化涂层主要由奥氏体A、TiC和Cr 23C 6三种物相组成；激光表面合金化涂层组织致密，无裂纹、气孔、夹杂等缺陷，与1Cr18Ni9Ti奥氏体基体形成了良好的冶金结合，结合强度高；TiC颗粒细小均匀，呈花瓣状或不规则块状弥散分布于奥氏体基体，稳定化处理后，TiC颗粒变的圆滑，有稍微增大的趋势。
显微硬度测试显示，激光表面合金化涂层显微硬度高达427.6HV，约为基体的2倍，且沿合金化涂层深度方向呈阶梯分布。稳定化处理后激光表面合金化涂层和基体显微硬度均略有下降，但激光表面合金化涂层和基体间的强韧性结合得到了显著提高。
室温油润滑条件下的滑动磨损实验表明，激光表面合金化涂层的平均摩擦系数最大为0.01219，远小于相应1Cr18Ni9Ti 奥氏体基体的平均摩擦系数；激光表面合金化涂层最大失重0.1436g，低于相应基体磨损失重的0.3205g；激光表面合金化涂层磨损表面划痕较浅且平滑，无明显的犁沟、粘着和剥落现象，表现出了优异的耐磨性。稳定化处理后激光表面合金化涂层和基体的摩擦系数和失重均较未稳定化前有所降低，耐磨性得到了一定提高；相同条件下激光合金化涂层的摩擦形貌也较稳定化处理前光滑平整，磨损过程更为稳定，波动幅度小，表现出了更为优异的耐磨性能，这说明稳定化处理能显著提高激光表面合金化涂层的耐磨性能。
关键词：激光表面合金化，TiC 颗粒，显微硬度，磨损，稳定化处理
1Cr18Ni9Ti不锈钢激光表面合金化涂层性能研究
- II - STUDY ON THE PERFORMANCE OF COATING PREPARED BY LASER SURFACE ALLOYING ON 1Cr18Ni9Ti STAINLESS STEEL
ABSTRACT
The TiC reinforced composite coating was produced on 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel by laser surface alloying. The phase, microstructure, microhardness and wear resistance of the laser surface alloying coatings were investigated by X’pert MPD X-ray diffraction meter, MBS optical microscopy, Philips XL30 scanning electron microscopy, HXD-1000 microhardness tester and MM-200 sliding wear tester. The effects of stabilizing treatment on the microstructure and character of the laser surface alloying coatings have been discussed in this paper.
Analysis and tests indicate that the main phases of the laser surface alloying coating consist of Austenitic, TiC and Cr23C6.Th e microstructure of laser surface alloying coating is fine, without pores, cracks or other defects. The laser surface alloying coating is metallurgically bonded to the 1Cr18Ni9Ti stainless steel substrate. TiC particles distribute in alloying coating uniformly in the form of irregular block and petal. TiC particles grow a bit bigger and look roundish after stabilizing treatment.
The microhardness of the laser surface alloying coating is up to 427.6 HV, which is about twice of that of the substrate, and the numbers of microhardness is a gradient distribution along the depth of the laser surface alloying. The microhardness of laser surface alloying coating and the substrate is slightly lower than that before stabilizing treatment, but the bonding strength between laser surface alloying coating and substrate is highly improved.
At room temperature and in oil lubrication condition, the sliding wear test results reveal that the maximum average friction coefficient of laser surface alloying is 0.01219, which is much less
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than that of corresponding substrate. And the maximum weight loss of the laser surface alloying coating is 0.1436g, less than that of corresponding substrate which is 0.3205g.There are no grooves or crater on the worn surface of the laser surface alloying coating. After stabilizing treatment the friction coefficient and weight loss of the laser surface alloying coating and the substrate are smaller than those before, and the worn surfaces of the laser surface alloying coating are much smoother than those before in the same condition, demonstrating excellent wear resistance. The stabilizing treatment can improve the comprehensive performance of the laser surface alloying coating effectively.
KEY WORDS：laser surface alloying, TiC, microhardness, sliding wear, stabilizing treatment
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第一章 绪论
§1-1 引言
随着科技的进步和现代工业的不断发展，对于材料的要求日益提高，尤其是在矿山开采、重型冶金、油气钻探等工作领域，许多零件要求能够承受剧烈冲击及具有抗腐蚀、抗磨损能性能[1]。由于其工作条件十分恶劣，对材料的性能提出了很高的要求，迫切要求科技工作者应用现代的技术改善材料的性能，使其能够符合实际的需求。
工程材料的失效多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损等失效，显然单一的材料往往难以满足上述恶劣服役条件下的性能要求，这给科技工作者提出了严峻的课题。
材料表面改性技术近年来得到迅速发展,尤其是在廉价金属材料表面制备一层耐磨损和耐腐蚀涂层的研究得到了长足的发展，它不仅可以充分利用现有有限资源，提高材料表面的性能，使之适合一定工况的需要，还可以极大的缓解能源、资源日益紧张的矛盾，同时满足人们对环境的保护要求，符合当前可持续发展和循环经济发展的要求。利用表面改性技术，合理选择工艺,能够成功制备高硬度、高耐磨性和高抗蚀性的表面涂层[2-6]。随着现代科学技术的发展，对关键零部件的表面性能要求越来越高，在既要求光、磁、热、电性能，又要求足够的抗磨损、腐蚀、摩擦性能的特殊情况下，表面处理成为最有效的解决途径[7]。在实际的工程中，表面改性技术已被广泛的应用，同时表面改性技术发展,促进了对材料科学问题更深入的了解,如材料的表面与界面,材料的摩擦与磨损，失效与破损机制,材料的表面催化以及生物相容等等，充分的了解这些机理,可以促进新材料的产生与发展,赋予材料新的功能。
很多时候应用表面技术是为了提高材料的耐磨损性能，材料在使用中，由于高速的运转或者是超长时间的负荷，都会使材料受到损坏或者是局部变得非常的薄弱，致使材料失效，在耐磨损部件表面形成具有特殊性能的金属基复合材料涂层成为这些领域修复部件、强化零件使用寿命的重要途径[8-9]。
§1-2激光加工技术
1-2-1激光
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而
生的，其原理早在1916年由著名的物理学家爱因斯坦提出，但直到1958年激光才被首次成功制造，它一
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问世就获得了飞速发展。激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且促生了一门新兴产业。近20 年来,激光技术在各工程领域得到了广泛的应用[10]。
激光是强相干光源，它所辐射的光是一种受激辐射相干光，是在一定条件下光电磁场和激光工作物质相互作用以及光学谐振腔的选模作用的结果[11]。在激光与材料的相互作用过程中，常用的激光光源有三大类，它们分别是二氧化碳激光器、准分子激光器和钇铝石榴石激光，前两者为气体激光，后者为固体激光，各种激光的特征如表1.1所示[12]。
表1.1 用于材料加工的各种激光光束的基本特征
Table 1.1 Basic characteristics of laser beam for material processing
波长 光子能量 能量范围 激活介质 工作方式 CO 2
10.6μm 0.117eV 1～105W CO 2
连续/脉冲 YAG 1.06μm 1.17eV 1～103W YAG ：Nd 3+
脉冲/连续 XeCl 308nm 40.3 eV 1～102W XeCl 脉冲 XeF 351nm 3.53 eV 1～102W XeF 脉冲 ArF 193nm 6.42 eV 1～102W ArF 脉冲 KrF 248nm 5.00 eV 1～102W KrF 脉冲 KrF 248nm 5.00 eV 1～102W KrF 脉冲
注：后四种为准分子激光。
激光作为一种光，除具有普通光的一般特征外，作为一种相干光，与普通光学激光束相比最突出的特性在于高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。实际上，这四个特性本质上可归结为一个特性，即激光具有很高的光子简并度，也就是说激光可以在很大的相干体积内有很高的相干光强。
（一）单色性
光源的单色性是指光源谱线的宽窄程度，如果谱线较窄，则说明光源单色性好，反之则单色性差。激光单色性好，体现了激光能量在频域上的高度集中。
（二）方向性
激光束的方向性通常用光束发散角来衡量。激光的方向性比普通光源发出的光好得多。激光束之所以具有方向性强的特点是由于激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对光束的方向限制所决定的。
不同类型激光器的方向性差别很大，它与工作物质类型和均匀性、光腔类型、腔长、激励方式以及激光器的工作状态等都有关。
（三）相干性
光的相干性是指在不同的时刻、不同空间点上两个光波场的相关程度。相干性又可分为空间（横向）
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相干性和时间（纵向）相干性。空间相干性用来描述垂直于光束传播方向上各点之间的相位关系，光束的空间相干性和它的方向性是密切联系的；而时间相干性则用来描述沿光束传播方向上各点的相位关系，光束的时间相干性和它的单色性亦是紧密联系的。
（四）高亮度
光源的单色亮度是表征光源定向发光能力强弱的一个重要参量。
1-2-2 激光加工技术的特点及应用
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、表面处理、焊接、打孔、微加工以及作为光源识别物体等的一门新兴技术。
由于激光具有单色性好、方向性好、相干性好和高亮度等特征，所以激光加工技术具有其独特的优点[11～13]。
1、激光加工是非接触加工，且激光的能量和移动速度均可调，可以实现多种加工；
2、可以对多种金属、非金属特别是高硬度、高脆性和高熔点的材料进行加工；
3、加工过程中无刀具“磨损”，无“切削力”作用于工件；
4、激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或者影响极小。因此激光加工热影响区小，工件热变形小，后续加工量小；
另外激光加工技术灵活，可以对各种工件进行加工，其生产效率高，加工质量稳定可靠，环保无污染，经济效益和社会效益好，因此受到普遍关注。
激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：
1、激光加工系统：包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。
2、激光加工工艺：包括焊接、切割、打标、打孔、表面热处理、激光快速成型、激光表面强化等各种加工工艺。
激光焊接主要应用于汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件的连接；汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割多采用激光切割；激光打标在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用。激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业，当前激光打孔的迅速发展主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率大幅度提高。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。激光热处理在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多；激光快速成型技术是
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将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成，多用于模具和模型行业；激光表面强化技术在航空航天、模具及机电行业广泛应用。利用激光表面强化技术可以在多种金属工件表面制备出高硬度，耐磨性、耐腐蚀性强的复合材料涂层，能够显著的提高材料的性能。激光表面强化是一种绿色的表面处理技术，在目前获得了广泛的应用，并显示了很好的发展前景。
§1-3激光表面强化
激光作为一种精密可控的高能量密度的热源，可对金属材料进行多种强化处理，其分类如图1.1[14]所示。
图1.1激光表面处理方法分类
Fig.1.1 Classification of laser surface treatment methods
采用激光强化技术可以显著提高材料的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性及高温性能等，提高工件的质量，成倍的延长产品的使用寿命和降低成本，因此经济效益显著。表1.2[13]是各种激光强化技术的特点，可以看出激光强化技术具有能量密度的高、冷却速度快、作用区深等特点。
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表1.2 各种激光表面处理方法的特点
Table.1.2 Characteristics of laser surface treatment methods
工艺方法功率密度(W/cm2) 冷却速度(℃/s) 作用区深度(mm)
激光熔化淬火 104～105104～1060.2～3
激光合金化 104～106104～1060.2～2
激光熔覆 104～106104～1060.2～1
激光非晶化 106～1010106～10100.01～0.10
激光冲击硬化 109～1012104～1060.02～0.2
1-3-1激光熔化淬火
激光表面熔凝的特点是材料表面有一层达到融化状态，根据处理条件的不同，又可以分为激光熔化淬火、激光合金化、激光熔覆和激光非晶化。
激光熔化淬火是单纯的将材料表面用激光光束加热至熔化而不添加任何合金元素，然后通过自身冷却得到淬火组织，从而达到改善表面组织和提高材料表面性能的目的。
1-3-2激光熔覆
激光熔覆技术是一项新兴的表面改型技术，它具有稀释率较低、热影响区小、与基体形成良好冶金结合、工件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。采用激光熔覆技术可以极大提高工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀等机械性能,延长材料的使用寿命，同时激光熔覆技术还可以用于废品件的修复处理,大量节约加工成本。
激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,工艺参数对熔覆工件的质量有很大的影响。激光熔覆技术的主要参数有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等,它们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆工件的致密性都有着很大影响，同时各参数之间也相互影响,因此是一个非常复杂的过程，必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在熔覆技术工艺所允许的范围内。
由于激光熔覆层自行构成特殊合金，一般以合金粉末为原料，对合金粉末的性能和物性系数都有一定的要求。首先要具有所需要的实际使用性能，例如：耐磨性、耐腐蚀性、耐高温和抗氧化性等特殊的使用性能。同时要求合金粉末要有良好的固态流动性；合金粉末的热膨胀系数、导热性应尽可能与工件材料相接近，以减少熔覆层的中的残余应力；合金粉末还应具有良好的润湿性和良好的造渣、除气、隔气性能。当前可用于激光熔覆的合金粉末有自熔性合金粉末和复合粉末两类。自熔性合金粉末是自身能起溶剂作用的合金，分为镍基、钴基和铁基三类，还有WC型自熔性合金粉末（在以上三种合金中添加一定量高硬度的WC制成的）。复合粉末可以是金属与金属、金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属与塑料、金属与石墨等非金属，范围广泛，包括所有的固态工程材料。对于合金粉末的加入方法，目前主要有三
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类：（1）手涂法和涂料喷涂法，这种方法是用粘结剂与合金粉末调成膏状用手刷涂。（2）热喷涂法，即用火焰喷涂和等离子喷涂将粉末预先喷涂在工件上，可以得到一层厚度均匀、表面平整的预涂层。（3）送粉法，用专门的送粉器将粉末送入熔池。
1-3-3 激光非晶化
将熔融液体以大于某一临界冷却速度极冷到低于一定特征温度，以抑制晶体形核和生长，是获得非晶态固体的基本准则。激光非晶化是用激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，同时在固、液两相间保持极高的温度梯度，从而满足形成非晶态固体的极冷条件。
与传统形成非晶的方法相比，激光非晶化具有突出的优点，它能高效地、灵活地在形状复杂的工件表面形成非晶层，对提高材料的耐腐蚀性能和耐磨性有重大的意义，扩大非晶材料的实际应用范围，同时激光非晶化对非晶理论研究方面也做出了贡献。
1-3-4 激光冲击硬化
由激光冲击波作用产生的材料表面硬化和强度的提高统称为激光冲击硬化。强的激光冲击波使金属产生强烈的塑性变形，使激光冲击区的显微组织呈现位错的缠结网络，显著提高材料表面硬度、屈服强度以及疲劳强度。另外激光冲击处理可以在空气中进行操作，因此获得了广泛应用。
§1-4激光表面合金化技术
激光表面合金化是金属材料表面局部改性处理的一种新技术，属于材料表面改性处理的范畴。它是指在高能量激光束的照射下，使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为10～1000 μm的表面熔化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105～108℃/s,相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象，可使材料表面在很短的时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层，快速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的饱和度，从而形成普通合金化方法不容易得到的化合物、介稳相和新相，还能在合金化元素消耗量很低的情况下获得具有特殊性能的表面合金涂层。这种合金化涂层由于具有高于基材的某些性能，所以达到了表面改性处理的目的。
1-4-1 激光表面合金化技术的工艺特点
激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加热熔化特性，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。激光表面合金化工艺的最大特点[11]是只在熔化区和很小的热影响区内发生了成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，所引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层内，- 6 -
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因此所获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也不敏感。激光表面合金化的另一显著特点是所用的激光功率密度很高（104～108 W/cm2）。熔化深度是激光功率和照射时间来控制，在基体金属表面可形成深度为0.01～2mm的合金层。同时由于冷却速度高，偏析极小，并且细化晶粒效果显著。
利用激光合金化技术可使廉价的普通材料表面获得优异的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能，从而可以取代昂贵的整体合金；并可改善不锈钢，铝合金，表面金属玻璃等。激光表面合金化作为一种新型的表面改性技术，它可以显著提高金属材料表面的抗腐蚀和耐磨损性能，与传统表面改性技术相比，激光表面合金化具有突出的优点[15-18]。。
（1）激光辐射能量高度集中，通过空气可以进行远距离传播。
（2）是一种快速处理方法，能有效利用能量。
（3）能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小，而电弧硬化与等离子喷涂采用的是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热冲击，造成变形和开裂，往往需要校直和打磨加工。
（4）能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。
基于上述特点，激光表面合金化在金属加工工业中逐渐开始获得各种应用。迄今适合于激光合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、钛合金和铝合金，合金化元素包括Cr、Ni、W、Ti、Mn、B、V、Co、Mo等。
1-4-2激光表面合金化选材原则
在选择合金化材料时，首先应考虑合金化涂层的性能要求，其次要考虑合金化元素与母材金属熔体间相互作用的特性，还要考虑表面合金涂层与母材冶金结合的牢固性，以及合金化涂层的脆性、抗压、抗弯曲等性能。在合金化组元的选择上，既有Cr、Ni、W、Ti、Co、Mo 等金属元素，也有C、N、B、Si 等非金属元素，以及碳化物、氧化物、氮化物等难熔颗粒[13]。
1-4-3激光表面合金化涂层质量控制
激光表面合金化涂层质量的控制主要包括合金化程度的控制，合金化涂层成分的控制，合金化涂层的裂纹与孔洞的防止，以及合金化涂层表面不平整度的控制等。调整工艺参数、预热合金化后处理可以得到理想的合金化涂层。
1-4-4激光表面合金化送粉方式
激光表面合金化过程中，合金化粉末的加入方式有如下几种[13,19-20]：
（1）预置材料法 预置材料法即在激光合金化处理前将合金化粉末涂敷在基材表面的方法，可把任意配方的合金元素涂于基体材料表面，是当前激光合金化技术中较常用的一种方法。
（2）送粉法 送粉法在激光熔化基体的同时将合金化粉末直接送入熔池，粉末和熔化的基体反应生成合金化层。此方法的优点是易于实现自动化，能够充分利用能量、气孔率低、生产效率高，可以得到良好
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的表面合金层质量。
（3）激光气体合金化 激光气体合金化是指在适当的气氛中（如氮气、渗碳气氛等），利用激光熔化基体材料表面，通过气氛中的气体与基材的反应生成具有特殊性能的表面合金化层。其特点是基体材料不需要预涂合金化粉末就能直接形成合金化涂层。它主要应用在Al、Ti及其合金等软金属基体表面，形成具有一定硬度的表面化合物。Liu Jianglong[21]和S.S.Babu[22]在氮气气氛中分别对Ti-6Al-4V和431不锈钢合金进行激光气体合金化实验，取得了不错的效果，典型送粉装置如图1.2[23]所示：
a
b
图1.2 激光合金化典型送粉方式（a）预置粉末法（b）送粉法[23]
Fig.1.2Typical addition powder technique of laser alloying
1-4-5 激光表面合金化涂层的组织与性能
激光合表面金化时，其最终组织特征与激光表面合金化工艺条件有关，即与激光功率密度、扫描速度、合金粉末层的组分及其厚度等因素有关[11,24-25]。它们决定了激光熔池之中的温度梯度、冷却梯度；而激光合金化的基材、合金元素类型以及合金浓度则决定了激光合金熔池的凝固速度。一般说来，冷却速度越大，凝固组织越细小。激光表面合金化时，其冷却速度为105～108 ℃/s。因此，与常规凝固组织相比，激光表面合金化组织总是细小的。
根据成分过冷理论，熔体过冷程度的不同会使激光合金化后的凝固组织出现不同特征。已有大量的实验结果表明，激光合金化后的凝固组织有以下五种形态：（1）平面晶；（2）胞状晶；（3）胞状树枝晶；（4）树枝晶；（5）等轴枝晶。以上五种不同的结晶形态主要取决于激光合金熔池中的溶质浓度、晶体- 8 -
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长大速度和凝固前沿的温度梯度的综合作用结果。
当前，激光表面合金化主要用于提高廉价基体材料的耐磨性、耐蚀性和耐腐蚀磨损性等性能，应用较为广泛。
（1）激光表面合金涂层的耐磨性
目前，激光表面合金化提高基体材料的耐磨性研究多是通过添加硬质合金化粉末（如SiC，WC，TiC等），或者激光合金化过程中原位如碳化物、氮化物、硼化物或金属间化合物来增强合金化涂层的耐磨性。
蒋平[26]利用预涂SiC粉的方法对Ti-6Al-4V合金进行激光合金化实验，制得以TiC和金属间化合物Ti5Si3为增强相的复合材料表面改性层，合金硬度及在二体磨料磨损和滑动磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。
原位生成硬质合金相或者是金属间化合物也是提高合金化涂层硬度的一种好方法，H．C．Man[27]预涂NiTi粉末对AA6061合金进行激光合金化，优化工艺条件得到无裂纹和气孔的合金化层，其主要组成相为TiAl3和Ni3Al。合金化涂层硬度大于350HV，明显高于基体硬度（小于100HV），合金化层耐磨性性能是基体的 5.5倍。A．Almeida等[28]添加Mo对铝进行激光合金化研究，合金化层中Mo的含量为14.8%~19.1%，合金层微观组织为弥散分布于α-Al固溶体上的针状或花瓣状的Al5Mo(r)金属间化合物。摩擦学实验表明，由于表面合金化层的保护作用，Al-Mo合金的摩擦系数降低，耐磨性能提高，摩擦机理主要是粘着磨损、磨削和氧化，磨损对此贡献较少。于利根等[29]分别采用氮气及预涂TiN、碳粉、TiC 等方法对Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物进行激光表面合金化，制得了分别以TiN、TiC等硬质相为增强相的快速凝固“原位”金属基耐磨复合材料表面改性层。干滑动及磨料磨损条件实验证明Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物激光合金化后显微硬度和耐磨性大幅度提高，且耐磨性的提高和合金化层“原位”硬质相有关，硬质相体积分数越大，材料的耐磨性越高，同时激光合金化还可明显改善Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物对SiC纤维刷高速滑动二体磨料磨损的耐磨性。YING Li-xia等[30]预涂TiB 和石墨对9Cr18进行激光合金化，选择合适的工艺参数可以得到无气孔和裂纹的合金化层，合金化涂层均匀分布着大量的FeC、SiC、TiC、Cr23C6等碳化物硬质相，合金化涂层显微硬度显著提高，耐磨性明显增强。
激光表面合金化过程中通过相变形成高硬度相也可以提高合金化涂层的硬度和耐磨性，A．Hussain[31]首次采用850W CW CO2激光器对AISI 1010 低碳钢电镀10μm镍进行激光合金化，合金化层微观组织均匀且无裂纹，合金化层含镍5%（位于Fe-Ni相图α→α+β线上）时，硬度为基体的三倍，主要原因是由于快速冷却合金化层中出现马氏体组织。
（2）激光表面合金化层的耐蚀性
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通过激光表面合金化提高基体材料的耐蚀性是激光合金化在实际中的一个重要的应用分支，对不锈钢和钛合金进行激光表面合金化研究均取得不错的进展，但由于其耐蚀性机理较为复杂，目前仍处于探索阶段。K．H．Lo等[32]预涂WC粉末对AISI316L不锈钢进行激光表面合金化研究，采取合理的工艺参数可得到硬度高且脆性小的合金化涂层，在3.5%的NaCl溶液中的其抗空蚀性能可提高30倍。K.Y.Chiu[33]也对AISI316L进行激光表面合金化处理，所不同的是其所预涂的合金化粉末为NiTi （Ni55wt%-Ti44wt%），在温度为23℃的3.5%NaCl溶液中进行腐蚀实验，合金化涂层耐蚀性稍低于基体，研究认为这可能是由于激光表面合金化处理过程中的熔化、凝固和搭接使合金化层组织不均匀引起的。Muthukanann Duraiselvam等[34]则对Ti-6Al-4V添加Ni/Ti-TiC开展激光表面合金化研究，所制备的合金涂层致密，几乎无裂纹。腐蚀实验显示，合金化涂层耐蚀性相对基体增加1.2～1.8倍，研究认为耐蚀性的增加主要是由于合金化层中金属间化合物所贡献的。
（3）激光表面合金化层的耐腐蚀磨损性能
在某些恶劣的工况条件下，要求工件能够具有一定的耐腐蚀磨损性能，以满足实际工况需要。大量的实验表明，采用合适的工艺对基体材料进行激光表面合金化处理，材料的耐磨损、耐腐蚀性能够同时得到改善。田永生[35]对Ti-6Al-4V采用碳、氮、硼或TiC、TiN等粉末进行表面合金化后，合金化涂层的硬度为可达1600～1700HV，耐磨性能高于基体5倍以上。经稀土化处理后，其耐蚀性得到进一步提高。陈长军[36]采用二氧化碳激光器在ZM5镁合金上预置Al粉进行激光合金化研究，获得富Al的Mg-Al合金化层，使ZM5合金基材表面硬度由HV75～80提高到HV275～325，同时耐蚀性得到提高。
1-4-6激光合金化的应用
陈智君等[37]通过激光表面合金化技术对65Mn材料割草机刀片进行处理，割草机刀片硬度提高一倍左右，耐蚀性提高2倍左右，寿命提高一倍左右。装机实验表明，与整体淬火比较，合金化刀片不易崩刃和断裂，具有更好的安全性，明显优异于常规热处理。叶宏[38]对玻璃模具的合缝线进行激光表面合金化处理后，在重庆红岩玻璃厂QD6型行列式制瓶机上进行装机实验，模具总使用时间为1900～2200h，比未经激光合金化处理的模具提高1000多倍，使用寿命显著提高。不仅提高了产品质量，降低了生产成本，而且减少了操作工人在较恶劣的条件下更换模具的次数，提高了劳动生产率。骆芳[39]采用激光表面合金化技术对注塑机螺杆进行处理，表面平整，合金化层厚度达0.3mm。装机实验测试显示，激光合金化处理的螺杆硬度和耐磨性比渗氮成倍提高，使用寿命近60小时，是渗氮处理的3倍。经济效益较为显著，是一种理想的螺杆制造工艺方法。C.H.Tang[40]等对船用螺旋桨青铜进行激光合金化处理，合金化层腐蚀性能相对基体显著提高，使用寿命明显增长。实际应用表明激光表面合金化是一种表面局部处理的好方法。
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§1-5奥氏体不锈钢与TiC颗粒
一般地，材料的硬度和耐磨性能有密切的关系，表面硬度高的材料其耐磨性也优异。因此提高合金涂层的表面硬度对提高材料的耐磨性能有重要的意义[41]。
用于金属基复合材料合金化涂层的增强相，通常选择具有高强度、高熔点、高抗磨损、耐高温、耐腐蚀性能的增强颗粒，并在物理性能上能与基体金属相匹配，能够与之形成良好的冶金结合，获得优异的综合力学性能。颗粒增强金属基复合材料具有高的比强度、比刚度，优良的高温力学性能和耐磨性，以及低的热膨胀系数，是近年来倍受关注的新型材料[42_43]，理想的增强相应该具有以下性能[44_45]：(1)刚性、强度、硬度等物理力学性能优良；(2)工作条件下增强相不溶入基体材料内，不发生增强相的溶解或溃散，组织形态不发生变化；(3)与基体金属的热膨胀系数差别小，不会由于工作温度或苛刻的工作条件而产生裂纹或形成较大的应力集中。
根据这个原则，目前可应用的增强相主要有碳化物、硼化物、氧化物、氮化物等，也可以是金属间化合物。表1.3[46]给出了常用的各种增强相的物理性能和力学性能参数。
在常见的各种颗粒增强相中，TiC具有较高的硬度(3200 HV)和良好的热稳定[47-48]性。低温时TiC的最强键即Ti-C键上的共价电子数为0.46876，键能值为80.19 kJ/mol，而高温时相应键上的共价电子数为0.48587，键能值为85.31 kJ/mol。共价电子数增多，表明原子之间的结合力强，这表明温度升高时，TiC 热稳定性增强，所以高温停留时间对原位反应生成TiC有较大影响，高温停留时间长将更有利于TiC的反应合成。另外，从TiC的价电子结构可以看出，其共价电子数较多，键能值较大，由于晶体结构的显微硬度主要与这两个关键参数的乘积即“键加强因子”有关，所以，TiC晶体的硬度很高。尤为可贵的是高温下TiC能被Fe溶液润湿[46]，1550 ℃时其润湿角为40°；另外，TiC还具有形成自由能低，易于合成等诸多优点，在基体组织中多为微细颗粒析出，呈弥散分布，对基体金属硬度改变较大的复合材料的韧性有较大帮助。因此，经常选择以TiC作为增强相，以工业生产中应用较多的铁基复合材料进行研究。
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1Cr18Ni9Ti不锈钢激光表面合金化涂层性能研究
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表1.3各种增强相的物理性能和力学性能
Table.1.3 Physical and mechanical properties of the reforeince phase
增强相
密度
/g.cm3
熔点/K
热传导率
/.J.cm-2.s-1.K-1
热膨胀系数
/.106.℃-1
晶体结构弹性模量/GPa 莫氏硬度
SiC 3.19 2970 0.168 4.63 六角 430 9.2 Mohs TiC 4.99 3433 0.17-0.31 6.25-7.15 面心立方440 9 Mohs TiB2 4.52 3253 0.24-0.26 4.6-8.1 简单六方500 >9 Mohs VC 5.36 2830 0.39 7.25 面心立方430 9 Mohs
Al2O3 3.9 2050 9.0 9 Mohs WC 15.6 2870 1.21 5.2 六角 713 9 Mohs
目前工业生产TiC的金属基复合材料的制备两种主要途径是[46]：增强相的外加法和原位合成法，增强方式多采用颗粒弥散增强。
(1)TiC原位自生法：原位自生增强颗粒复合法是一种新型的金属基复合材料制备方法。它利用热源熔融预涂于基体表面的能够发生冶金反应的合金粉末原位生成颗粒增强相，达到增强目的。
(2)TiC颗粒外加法：颗粒外加方法一般是将增强体颗粒直接预涂于基体金属表面，利用热加工方法，如氧乙炔火焰、激光等热源加热熔化预置涂层及基体金属表层，使合金化涂层与基体金属结合形成含颗粒增强相的复合材料涂层。与TiC原位自生法工艺相比，TiC颗粒外加法工艺简单，操作易行，成本低廉，实际生产中依然获得广泛的应用。
由于奥氏体不锈钢具有良好的性能，经常采用这种材料作为激光表面合金化的基体材料。在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，钢中含Cr约18%、Ni 8%～10%、C约0.1%时具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。此类钢除耐氧化性、酸性介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀，若低于0.03%或含Ti、Ni时，还具有优异的耐晶间腐蚀性能。虽然奥氏体不锈钢无磁性，韧性和塑性好，具有优良的耐蚀性，广泛地应用于不同的工业领域。但其强度较低，耐摩擦磨损性能较差，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，无法满足既耐磨又耐蚀的复合性能要求。
为了提高奥氏体不锈钢的综合性能，需要对其进行热处理，奥氏体不锈钢的热处理一般包括三种形式：除应力处理、固溶处理、稳定化处理[49]。
除应力处理：这种处理通常在两种情况下使用。一是为了消除钢经冷加工后的残余应力，除应力以后钢的延伸率无显著改变，屈服强度与疲劳强度则得到提高。另一种情况是为了消除冷加工及焊接以后
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的残余应力，消除钢对应力腐蚀的敏感性。
固溶处理：固溶处理是要把钢加热到ES线以上，使强化相溶解。奥氏体钢固溶处理后的组织是均匀的奥氏体。它的强度因碳含量的不同有很大的变化，总的说来，这类钢的强度都不高。固溶处理较之其它处理具有最低的强度和硬度，所以固溶处理是奥氏体不锈钢最大程度的软化处理，可以被切削加工。同时，固溶处理的钢具有最高的耐腐蚀性能，对于不含钛或铌的奥氏体不锈钢，固溶处理是防止晶间腐蚀的重要手段。
稳定化处理：这种处理只是对以钛或铌稳定化的钢而言。奥氏体不锈钢中加钛或铌是为了消除晶间腐蚀，但它们的效果必须经过稳定化处理以后才能保证。虽然钛或铌加入奥氏体钢后可形成碳化钛或碳化铌，但固溶处理时，在碳化铬溶解的同时，大部分的碳化钛或碳化铌也溶解了。随后如再经400～800℃加热，那么由于钛或铌在钢中的含量相对于铬小，扩散能力低于铬，所以形成的仍是碳化铬而不是碳化钛，只有在850℃以上时效才能保证碳化钛形成，防止晶间腐蚀的效果。生产实际中曾多次发现未经稳定化处理的1Cr18Ni9Ti钢，虽然化学成分合格，但按标准检验时，仍发现有晶间腐蚀，可见稳定化处理的重要性。
§1-6本课题的意义与研究内容
在矿山开采、石油探测等实际工程领域,工作环境恶劣，要求关键部位工件具有一定的抗冲击、耐腐蚀及耐磨损性能，因此在关键工件表面制备具有特殊性能的金属基复合材料涂层成为这些领域修复工件、强化零件使用寿命的有效途径。
采用激光表面合金化技术制备TiC颗粒增强的复合材料涂层，能够显著提高材料表面层的硬度和耐磨性能，其操作工艺简易，具有在实际工业生产中批量生产、大量的使用的可行性。激光表面合金化仅需在零件关键强化部位进行局部处理，不仅可以提高产品零件的使用寿命，还可以节约能源，因此具有重大的现实意义。
1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢具有良好的耐晶间腐蚀性能，当前应用较为广泛；但耐磨性较差，限制了其进一步的应用。采用激光表面合金化技术对1Cr18Ni9Ti进行处理以期提高表面硬度和耐磨性，推动奥氏体不锈钢获得更近一步的开发应用。
基于此，本课题拟开展一下研究：
1、以1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢作为基体材料，TiC颗粒作为主要的增强相，采用激光表面合金化
技术在1Cr18Ni9Ti基体材料的表面制备颗粒增强金属基复合材料涂层；
2、对激光表面合金化涂层微观组织和物相组成进行了分析；测试激光表面合金化涂层显微硬度
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1Cr18Ni9Ti不锈钢激光表面合金化涂层性能研究
的分布；进行摩擦磨损实验，比较不同载荷下1Cr18Ni9Ti基体与激光表面合金化涂层的失重和摩擦系数的变化，并结合所观测到的相应的磨损形貌分析材料的耐磨性能提高的原因；
3、最后对激光表面合金化试样和1Cr18Ni9Ti奥氏体基体进行稳定化处理，比较稳定化前后激光
表面合金化涂层与基体的物相组成、微观组织、显微硬度分布和耐磨性等的变化，并分析其变化原因。
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第二章实验方法
§2-1 实验材料
基体材料选用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，材料的尺寸为100 mm×100 mm×12 mm，基体材料表面用角磨机和砂纸打磨，精加工后用无水酒精及丙酮清洗，然后待用。1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢成分如表2.1所示。
表2.1 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢成分
Table2.1 Chemical components of 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel 元素 C Cr Ni Ti P Mn S Si Fe 含量≤0.12 18 9 0.8 ≤0.035≤2.00 ≤0.03 ≤1.00 其余
合金化粉末材料选用以TiC为主，粒度200目，TiC的纯度均为99.8%，添加少量的石墨粉、CaF2、稀土元素，研磨混合均匀作为合金化材料，用酒精和粘结剂调匀，预置于试样表面，在空气中自然干燥，预置层厚度为0.2～0.5 mm。其中石墨的作用是防止基体材料被烧损，CaF2是造渣作用，稀土元素是防止氧化作用。合金化粉末成分见表2.2。
表2.2 合金粉末成分
Table 2.2 Chemical components of alloy powder
粉末名称TiC 石墨CaF2稀土元素
含量（％）90 5～6 2～3 1～2
§2-2实验设备
（1）使用X`Pert MPD型X-射线衍射仪（Cu靶，Ni滤光）对激光表面合金层进行物相分析；
（2）使用MDS金相显微镜和PhilipsXL30型扫描电子显微镜观察合金层微观组织；
（3）使用HXD—1000数字电子显微硬度仪进行合金层表面硬度的测定；
（4）磨损实验利用MM—200型滑动磨损实验机，转速为200 r/min，采用20#机油进行润滑；
（5）精度为0.1mg的BS210S电子天平测量材料的失重；
（5）激光表面合金化使用激光器为JL6—2500G快速横流激光器。
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金属材料的基本知识综合测试 一、判断题（正确的填√，错误的填×） 1、导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器等零件。（） 2、一般，金属材料导热性比非金属材料差。（） 3、精密测量工具要选用膨胀系数较大的金属材料来制造。（） 4、易熔金属广泛用于火箭、导弹、飞机等。（） 5、铁磁性材料可用于变压器、测量仪表等。（） 6、δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。（） 7、维氏硬度测试手续较繁，不宜用于成批生产的常规检验。（） 8、布氏硬度不能测试很硬的工件。（） 9、布氏硬度与洛氏硬度实验条件不同，两种硬度没有换算关系。（） 10、布氏硬度试验常用于成品件和较薄工件的硬度。 11、在F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径的大小有关，直径愈小，硬度值愈大。（） 12、材料硬度越高，耐磨性越好，抵抗局部变形的能力也越强。（） 13、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 14、20钢比T12钢的含碳量高。（） 15、金属材料的工艺性能有铸造性、锻压性，焊接性、热处理性能、切削加工性能、硬度、强度等。（） 16、金属材料愈硬愈好切削加工。（） 17、含碳量大于%的钢为高碳钢，合金元素总含量大于10%的钢为高合金钢。（） 18、T10钢的平均含碳量比60Si2Mn的高。（） 19、一般来说低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢最差。（） 20、布氏硬度的代号为HV，而洛氏硬度的代号为HR。（） 21、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 22、某工人加工时，测量金属工件合格，交检验员后发现尺寸变动，其原因可能是金属材料有弹性变形。（） 二、选择题 1、下列性能不属于金属材料物理性能的是（）。 A、熔点 B、热膨胀性 C、耐腐蚀性 D、磁性 2、下列材料导电性最好的是（）。 A、铜 B、铝 C、铁烙合金 D、银 3、下列材料导热性最好的是（）。 A、银 B、塑料 C、铜 D、铝 4、铸造性能最好的是（）。
材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理
摘要 综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变
Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition
激光表面合金化 在切割、焊接、表面热处理等各种材料加工过程中，像激光这类定向能源的因公比过去使用能源要广泛得多。激光表面处理的目的是改变表面层的成分和纤维结构，从而提高表面性能，以适应基体材料的需要。用激光获取表面合金化曾是一种新颖的方法。控制激光参数可以获得所需的并具有独特显微结构的表面合金，为了改变表面成分的激光改性技术可分激光表面合金化和激光熔敷两类。 激光表面合金化就是利用激光照射使基体表层熔化并把供给表面（预敷或喷射）的合金元素的物质熔化，混合均匀，以便在基体表面形成一个理想的合金层，从而改善表面性质的工艺．这一工艺具有巨大应用前景．人们已对不同的基体和合金元素的组合做了大量研究．激光表面合金化的主要目的是提高材料的物理性能、化学性能及耐磨性．阻碍激光表面合金化广泛应用的障碍，除设备投资大、成本高外，就是在材料处理过程中表面易产生气孔、裂纹以及表面平整度的下降．针对后者，研究者根据具体情况加强研究，已经摸索出一些可行的办法．实验证明，激光表面合金化是提高低碳钢耐腐蚀性能的一种可行的办法。 向激光熔池内添加合金元素的方法有预沉积和共沉积法。预沉积法包括在基体表面上电镀、热喷涂、真空蒸镀、渗氮、渗硼、渗碳、粘涂疏松的粉末以及安放薄的金属片或丝材等，所有这些都是在激光熔化前完成的。共沉积法是在基体上激光熔化的同时，往熔池内喷注合金粉末、或送入合金线材或棒料。 近些年来，铝及铝合金激光表面合金化研究比较活跃，而对于碳钢的激光表面合金化的研究并不很多。然而，实验发现，加人铜合金时，抗腐蚀性能有较大改善。 ○1激光表面合金化的优点 合金化时，试样表层和涂层都溶化，被熔的基体材料45钢与表面涂敷合金元素均匀扩散或化合，形成成分与原基体材料不同的新合金层。通常采用的渗碳、渗氮、渗铬等合金化方法，需要将工件整体放入扩散炉中经长时间加热，通过碳、铬、氮等元素的扩散和气相沉积，来改变金属表面的化学成分，这种方
金属材料学 (Science of Metal Materials) 课程编号：07171390 学分：3 学时： 48 （其中：讲课学时：38 课堂讨论学时：10 ） 先修课程：金属学、热处理原理、热处理工艺、工程材料力学性能 适用专业：金属材料工程、材料成型加工、冶金专业。 教材：戴起勋主编.金属材料学.北京：化学工业出版社，2005.9 开课学院：材料科学与工程学院 一、课程的性质与任务： 《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业必修课。在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。 二、课程的基本内容及要求 绪论（金属材料的过去、现在和将来）： 1．教学内容 （1）金属材料发展简史 （2）现代金属材料 （3）金属材料的可持续发展与趋势 2．基本要求 了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。 第一章钢的合金化概论 1．教学内容 （1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布； （2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变； （3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化； （4）合金元素对钢工艺性能的影响； （5）微量元素在钢中的作用 （6）金属材料的环境协调性设计基本概念； （7）钢的分类、编号方法。 2．基本要求 （1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法 （3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响 （4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律 （5）理解微量元素在钢中的作用 （6）了解材料的环境协调性设计基本概念
题目激光合金化 Laser Alloying 任课老师任振安 学生姓名苏雷学号2013432099 学院材料科学与工程学院 专业材料加工工程
前言 自70年代以来,我国开展了激光处理的研究,开发和应用。四十多年以来，我国的激光处理已取得了可喜的成绩,有些研究成果已达到了国际领先水平。激光处理技术已在工业上取得了广泛的应用。例如,西安内燃机配件厂1990年10月建成全国第一条缸套激光热处理生产线,至1998年底已建成24条激光热处理生产线,生产能力达到年产120万只激光缸套;青岛中发激光技术有限公司已开发生产了5种型号的激光强化机,据统计,该公司产品已在国内80家汽车大修厂、镗缸磨轴厂、缸套厂、大专院校和科研院所使用,取得了明显的经济效益。激光热处理主要包括激光硬化、激光合金化和激光熔覆。其中激光合金化和激光熔覆是在激光硬化的基础上发展起来的新工艺,这二种方法均具有改变基材表面的组织能力,同时还具有改变基材表面成分的能力。这二种方法为在各类材料生成与母材结合良好的高性能(或特殊性能)的表层提供了有效途径。目前,对激光合金化和激光熔覆两种处理还没有严格的定义和区别,一般认为母材表面成分改变相对较少的方法称激光合金化,而对母材表面成分改变较大或熔覆一层与母材成分完全不同的表面层的方法称激光熔覆。目前激光熔覆的主要应用是提高材料的耐磨性,在零部件的局部表面制备高耐磨的熔覆层;提高材料的耐腐蚀性,即在材料表面熔覆一层具有高耐腐蚀性的合金层;改变母材表面性能,形成一层具有特殊性能的表面层。如重庆大学在完成了奥氏体不锈钢表面同步实现合成与涂覆工艺制备生物陶瓷基础上,在比强度高,耐蚀性好、医疗用途更广泛的钛合金表面成功地实现激光束一步合成和涂覆Ca5(PO4)3#(OH)羟基磷灰石(HA)的生物陶瓷涂层。该熔覆层具有优良的力学性能,也改善了植入材料弹性模量与生物模量及生物硬组织的匹配性[1]。 本文主要介绍激光合金化。激光表面合金化是金属材料表面改性的一种新方法,它是利用高能激光束将基体金属表面熔化,同时加入合金化元素,在以基体为溶剂,合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层,从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。激光表面合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层,用于取代昂贵的整体合金,节约贵重金属材料和战略材料,使廉价基体材料得到广泛应用,从而使生产成本大幅下降。与常规热处理相比,激光表面合金化能够进行局部处理,而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点,具有很好的发展前景。目前,激光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁,而且还涉及到了钛合金、铝合金等有色金属[2]。
常用合金钢（知识扩展）一.合金钢分类与编号二.低合金结构钢Q345、Q420 三. 机器零件用钢40Cr、65Mn、60Mn2Si、20Cr、20CrMnTi、GCr15 四.合金工具钢9SiCr、CrWMn、W18Cr4V、Cr124Cr5MoSiV 五.特殊性能钢1Cr13、9Cr18、1Cr17、1Cr18Ni9Ti、ZGMn13 合金钢分类 1.按合金元素含量多少分类：按合金元素含量多少分类：按合金元素含量多少分类低合金钢（合金总量低于5 %）中合金钢（合金总量为5 %～10 %）高合金钢（合金总量高于10 %）2.按用途分类：按用途分类：按用途分类合金结构钢低合金结构钢(也称普通低合金钢) 合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢滚珠轴承钢合金工具钢合金刃具钢(含低合金刃具钢、高速钢) 合金模具钢(含冷模具钢、热模具钢) 量具用钢特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢合金钢编号首部用数字标明碳质量分数: 结构钢以万分之一为单位的数字（两位数), 工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数,而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明:平均质量分数少于 1.5%时不标数, 平均质量分数为 1.5%～2.49%、 2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明. 如GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约 1.5%(特例)的滚珠轴承钢. Y40Mn,表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于 1.5%的易切削钢. 普通低合金钢Q345 用途主要用于制造桥梁,船舶,车辆,锅炉,压力容器,输油输气管道,大型钢结构等.在热轧空冷状态下使用,组织为细晶粒的F+P,不再热处理. 化学成分wt% C Mn Si V Nb Ti 0.015 0.18 ～ 1.0 ～0.55 0.02 0.20 1.6 ～0.15 ～0.06 厚度mm <16 16～35 35～50 σs MPa ≥345 ≥325 ≥295 σb MPa 470～630 0.02 ～0.2 机械性能δ5 % Akv(20℃) J 34 21～22 GB/T1591-1994 Q345包括旧钢号12MnV ,14MnNb ,16Mn ,18Nb ,16MnCu Q420 普通低合金钢在正火状态下使用,组织为F+S 化学成分wt% V Nb Ti 0.02 ～0.2 0.015 ～0.06 0.02 ～0.2 δ5 % C ≤0.20 厚度mm <16 Mn Si Cr ≤0.40 Ni ≤0.70 1.0 ～0.55 1.7 34 18～19 16～35 GB/T1591-1994 ≥380 35～50 Q345包括旧钢号15MnVN ,14MnVTiRE 机械性能σs MPa σb MPa ≥420 520～680 ≥400 Akv(20℃) J 合金调质钢(低淬透性) 40Cr 热处理毛坯尺寸＜25mm 用途：用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓、进气阀主要化学成分wt% C Mn Si Cr Mo 机械性能（≥）退火态H B 淬火℃回火℃σb σs δ5 ψ Akv % % J MP MP a a 0.37 0.5 0.17 0.8 0.07 850 520 980 785 9 45 47 2 0 油水～～～～～0.44 0.8 0.37 1.1 0.12 7 油（GB/T3077－1999）合金弹簧钢钢号C 65Mn 60Mn2Si 主要成分w % Mn Si Cr 热处理淬火℃回火℃机械性能σs MPa σb MPa δ10 ψ % % 65Mn 0.62 ～0.70 60Si2 0.56 Mn ～0.64 0.90 ～1.20 0.60 ～0.90 0.17 ～0.37 1.50 ～2.00 ≤ 830 540 0.25 油800 1000 8 30 ≤ 870 480 1200 1300 5 0.35 油GB/T1222-1985 25 65Mn 60Mn2Si钢应用举例：截面≤25mm的弹簧，例如车箱缓冲卷簧合金渗碳钢(低淬透性合金渗碳钢低淬透性) 20Cr 低淬透性用途：可制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件.能同时承受强烈的摩擦磨损,较大的交变载荷,特别是冲击载荷机械性能（≥）主要化学成分wt% 热处理℃C Mn Si Cr 渗预淬回σb σs δ ψ Akv 5 碳备火火MP M J % % a P 处 a 理0.17 0.5 0.20 0.7 9 ～～～～3 0.24 0.8 0.40 1.0 0 8 8 0 水油780 2 0 ～820 0 水, 油8 3 5 5 4 0 毛坯尺寸m m 10 4 47 ＜0 1 5 GB/T3077-1999 合金渗碳钢(中淬透性合金渗碳钢中淬透性) 中淬透性20CrMnTi 主要化学成分wt% C Mn Si Cr Ti 毛渗预淬回σb σs δ ψ Ak 坯尺v 碳备火火MP MP % % 2 0 寸处℃m a a 理J m 9 3 0 8 8 0 油7 2 7 0 0 0 油1 85 1 4 55 < 0 0 0 5 15 8 GB/T3077-1999 0 热处理℃机械性能（≥）0.17 0.80 0.1 1.0 7～～～～0.23 1.10 0.3 1.3 7 0.04 ～0.10 滚珠轴承钢GCr15 用途：制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、滚针),内外套圈等. 或制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件. 淬回
机械加工中常用材料与表面处理 本人虽是机械专业本科毕业，但是对于机械原理和机械设计的基本知识仅仅是知道点，而机械加工的很多基本知识连知道点都不敢说。其主要原因还是自己上课时没有好好学习，加之在学校的时候用得少，就造成一无所知了。直到工作后，才陆陆续续的画了一些的图纸，但是碰到加工方面的问题总是使自己很窘迫，因为没搞清楚或不知道而做出来废品给企业和社会造成的损失和浪费就更加惭愧了。因此查找了一些互联网上的资料，结合自己少许的经验，归纳了一些常用的机械加工中常用材料和表面处理的基本知识。一是更进一步了解这些知识点的同时加深印象；二是今后方便查看（书本早已卖掉换钱了）；三来如有需要者看到了，或者帮到了他们，就甚是欣慰了。 1.材料 材料大类上可以分为金属材料和非金属材料，金属材料一般都是合金，分类和命名也是根据合金中某种成分的含量进行划分的；非金属材料多为塑料，做结构时相对金属用得少，但是某些特殊的地方用起来优点很多。 1.1 钢和铸铁 钢和铸铁可以说都是铁碳合金，以含碳量2.11%为分界。钢又分为碳素钢和合金钢（为了获得某些特殊性能而加入一些合金元素），下面的表是一个关于钢的大概分类 表格1 钢 钢（含碳量 <2.11%） 名称与牌号用途说明 碳素钢（碳钢）：含碳量小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷杂质的铁碳合金含碳量越高，钢的硬度越大，韧性越小碳素结构钢：Q195， Q215，Q235，Q255， Q275，Q345。这些牌号 表示屈服强度 Q235、Q255可用于螺栓、螺 母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结 构件； Q275用于强度较高转轴、心轴、 齿轮等； Q345用于船舶、桥梁、车辆、大 型钢结构。 Q235（以前叫A3钢） 属工程用钢，主要用作结 构件，如角钢，槽钢、工 字钢和钢板等，高压输电 线路的杆塔很多都是 Q235镀锌的，而埃菲尔 铁塔是锻铁组成的。 优质碳素结构钢：08、 10、20、35、40、45、 50。这些牌号的表示含碳 量（万分之几） 08钢，含碳量低，塑性好，主要 用于制造冷冲压零件； 10、20钢，常用于制造冲压件和 焊接件； 35、40、45、50钢属中碳钢，经 热处理后可获得良好的综合力学 性能，主要用制造齿轮、套筒、 轴类零件等。 45钢属机械用钢，塑性 较高，强度低，易加工， 一般都是表面处理提高强 度硬度后用作机械零件
激光合金化技术的应用 周金科 光信0801班 20081182015 球墨铸铁热轧辊表面激光点状合金化技术 针对提高球墨铸铁热轧辊使用寿命的迫切需要,以及传统大面积激光合金化容易在轧辊表面形成贯穿性裂纹的缺点,采用离散强化的概念,在三种不同材质的球墨铸铁表面,进行了激光点状合金化处理方案优选的系统实验研究。与未经激光处理的球墨铸铁试块进行热疲劳对比试验,对热疲劳试验前后试块的热疲劳裂纹和组织进行分析检测。设计了应用于输出脉冲激光的斩波器。实验表明,激光点状合金化处理时,激冷态球墨铸铁表面的合金化层成形差,产生贯穿合金化层的裂纹;而在适当的工艺参数下,珠光体基体球墨铸铁和调质态球墨铸铁上均得到了成形较好无裂纹的合金化点。激光点状合金化获得的合金化区内是共晶介稳组织或者接近共晶的亚共晶介稳组织,热影响区内组织发生了转变,依奥氏体化温度和冷却速度不同依次形成过热区、完全淬火区和非完全淬火区,非完全淬火区内珠光体显著细化。合金化层硬度最高可达HV0.2900左右,热影响区硬度也比基体硬度得到较大提高。热疲劳试验结果表明,调质态球墨铸铁抗热疲劳性能最好,热疲劳试验后表面基本没有发现热疲劳裂纹,经过激光点状合金化处理后,热疲劳裂纹主要产生在合金化区域内,但裂纹被热影响区阻滞不能扩展到基体。 AZ91D镁合金表面激光Al合金化改性研究 镁合金具有低的密度和高的阻尼减震性能以及良好的可成型性和切削加工性能,因此近年来其在工业应用中受到越来越多的重视,但是镁合金的室温强度低、耐磨性差和耐蚀性差大大限制了作为工程结构材料的应用范围。因此,采用表面改性技术以增强镁合金表面化学和力学性能具有重要的现实意义。为此本文以AZ91D镁合金为研究对象,采用激光表面合金化技术提高镁合金表面性能。利用现代微观分析技术和性能检测手段,对改性层微观组织结构、性能特征随激光工艺参数的变化规律进行了系统分析。在试验中找到显著提高镁合金耐蚀性、耐磨性最佳的激光合金化工艺参数。实验结果表明,激光合金化改性层分为合金化区、结合区和热影响区。合金化区鱼骨状组织为α-Mg和梅花状组织为α-Mg+β-Mg17Al12的组织,灰色基体为少量的α-Mg和较多β-Mg17Al12的组织。改性层同样是由α-Mg和金属间化合物β-Mg17Al12构成,并且β-Mg17Al12相的含量较基体镁合金均有明显增加。不同激光工艺参数下改性层的腐蚀速率远远低于基体。激光功率一定时,扫描速度为3mm/s为最佳。扫描速度一定时功率为1.5kW时,耐蚀性最佳。改性层最终凝固组织呈明显的梯度分布特征,最高强度出现在亚表层中。在功率为2kW时,不同扫描速度下亚表层平均硬度约在150-330HK范围内,较基体(70HK)约提高100-370%。其中扫描速度为10mm/s时为最佳,较基体约提高250-370%。在扫描速度为7mm/s时,功率为2.5kW为最佳,较基体提高约250-470%。在磨粒磨损机制下,改性层耐磨性的高低与硬度试验结果基本相吻合,即硬度越高耐磨性越好。在功率为2kW时,扫描速度为9mm/s时耐磨性最好;扫描速度为7mm/s时,功率2.5kW为最佳。 钛表面机械强化及其激光合金化研究 钛及钛合金具有密度低、强度高、耐蚀、化学稳定性好等特征,在生物医疗、航空工业和机械工业等领域有广泛的应用。但是,钛及钛合金存在着摩擦系数高、硬度低等缺点,限制了其应用领域。为提高钛及钛合金的疲劳性能和表面硬度,本文采用表面机械强化和激光表面合金化技术对工业纯钛TA2进行了表面改性处理。对a-Ti和a′-Ti分别进行喷丸和滚压表面机械强化。在Amsler-5100疲劳试验机上,测定应力比为0.1、循环周次为106的室温三点弯曲条件疲劳强度。利用透射电子显微技术、X射线衍射技术研究了表面机械强化层的组织亚结构和残余应力分布,测定了试样表面粗糙度。a-Ti经喷丸、滚压后的组织、残余应力粗糙度对比研究结果表明:1)强化层组织中均可观察到位错和变形孪晶。滚压形成了单个分散的孪晶,喷丸表层中形成大量相互交叠的孪晶和变形带;疲劳后,喷丸组织中产生孪晶-孪晶的交互作用,而滚压组织中是孪晶-晶界的交互作用。2)喷丸较滚压强化表层残余应力松弛显著,疲劳后两者的表层残余应力相当。3)喷丸较滚压粗糙度高一个数量级。a’-Ti喷丸强化表面层具有较高的表面粗糙度。
《金属材料及热处理》教学大纲 Metallic Materials and Heat Treatment 总学时：48理论课学时：42实验课学时：6 一、课程的性质 本课程是材料成型及控制工程专业（金属）的一门主干课，也是该专业方向一门重要的专业领域课。本课程的内容包括：金属材料合金化的基本理论，合金元素对材料性能的影响，工业生产中典型零件热处理工艺分析，碳钢和合金钢、铸铁以及有色金属材料的成分、组织结构、性能及应用，金属材料的设计与选材方法等。目的是使学生掌握提高材料性能的基础理论、方法和工艺，能够根据零件的服役条件和性能要求正确地选择材料，合理制定工艺，为以后从事材料的研究和使用奠定理论基础，并了解当前金属材料及其热处理领域的新技术、新工艺、新进展。 二、课程的目的与教学基本要求 本课程的目的是使学生掌握金属材料的合金化基础理论；熟悉碳钢、合金钢、铸铁及有色金属等金属材料的成分、性能和应用；了解金属材料设计理论和合理选材的思路。教学基本要求使学生掌握金属材料的基本理论知识，了解该方面发展的最新动态，熟悉常用金属材料成分－热处理工艺－组织－性能－应用之间关系的一般规律，对常用金属材料及其应用有全面认识，具有合理选用工程材料的基本能力。 三、课程适用专业 材料成型及控制工程（金属） 四、先修课程 材料科学基础 五、课程的教学内容、要求与学时分配 1．理论教学部分： 教学的重点是金属材料合金化的基本理论，热处理工艺对材料性能的影响，碳钢和合金钢、铸铁以及有色金属材料的成分、组织结构、性能及其应用，金属材料的设计与选材方法等。教学的难点是如何使学生将熟悉和掌握金属材料的成分－热处理工艺－组织－性能－应用之间关系的一般规律，对常用金属材料及其应用有全面认识。要求学生掌握提高材料性能的基础理论、方法和工艺，能够根据零件的服役条件和性能要求正确地选择材料，合理制定工艺，为以后从事材料的研究和使用奠定理论基础。 具体课程教学内容如下：
1.钢中的杂质元素：O H S P 2.合金元素小于或等于5%为低合金钢，在5%-10%之间为中合金钢，大于10%为高合金 钢 3.奥氏体形成元素：Mn Ni Co（开启γ相区）C N Cu（扩展γ相区） 4.铁素体形成元素：Cr V Ti Mo W 5.间隙原子：C N B O H R溶质/R溶剂<0.59 6.碳化物类型：简单间隙碳化物MC M2C 复杂间隙碳化物M6C M23C M2C3 7.合金钢中常见的金属间化合物有σ相、AB2相和B2A相 8.二次硬化：淬火钢在回火时在一定温度下，由于特殊碳化物的析出的初期阶段，形成 [M-C]偏聚团，硬度不降低，反而升高的现象。 9.二次淬火：淬火钢在回火时，冷却过程残余奥氏体转变为马氏体的现象。 10.合金元素对铁碳相图的影响 1.改变奥氏体相区位置 2.改变共析转变温度 3.改变S和E等零界点的含碳量 11.合金元素对退火钢加热转变的影响 1.对奥氏体形成速度的影响中强碳化物形成元素与碳形成难溶于奥氏体的合金碳化 物，减慢奥氏体的形成速度 2.对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用，影响 程度不同。V Ti强碳化物和适量的AL强烈阻碍晶粒长大，他们的碳化物或氮化物熔点高，高温下稳定，不易聚集长大，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大。Wu Mo Cr中强碳化物也有阻碍作用，但是影响程度中等。Si Ni非碳化物形成元素影响不大。
Mn P等元素含量在一定限度下促进奥氏体晶粒长大 12.合金元素对淬火钢回火转变的影响 1.提高耐回火性合金元素在回火过程中推迟马氏体分解和残留奥氏体的转变；提高铁 素体在结晶温度，使碳化物难以聚集长大，从而提高钢的耐回火性。 2.淬火钢在回火时产生二次硬化和二次淬火，提高钢的性能。 3.对回火脆性的影响产生第一类回火脆性和第二类回火脆性，降低晶界强度，从而使 钢的脆性增加 13.钢的强化机制：固溶强化、细晶强化、形变强化和第二相强化 14.合金元素对钢在淬火回火状态下力学性能的影响 1.合金元素一般均能减缓钢的回火转变过程，特别是阻碍碳化物的聚集长大，相对的 提高钢中组成相的弥散度 2.合金元素溶解于铁素体，是铁素体强化，并提高了铁素体的再结晶温度。 3.强碳化物形成元素提高了钢的耐回火性，并产生沉淀强化的作用 4.钼、钨等有利于防止或消除第二类回火脆性 15.合金元素对钢高温力学性能的影响 1.可以净化晶界，使易熔杂质元素从晶界转移到晶界内，强化晶界 2.可以提高合金原子间的结合力，增大原子自扩散激活能 3.强碳化物形成元素的加入，可以对位错运动有阻碍作用，可提高合金的高温性能16.合金元素对钢热处理性能的影响 淬透性、淬硬性、变形开裂性、过热敏感性、氧化脱碳倾向和回火脆化倾向 17.合金元素对钢的焊接性能影响 1.钢的焊接性能主要由焊后开裂敏感性和焊接区的硬度来评价
《金属材料基础知识》 第一部分金属材料及热处理基本知识 一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面： 1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。 2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。 工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。 二，材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。 承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。 1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加安全系数。2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。 伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度L1---试件拉断后的长度 断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100% A0----试件原来的截面积A1---试件拉断后颈缩处的截面积 断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。 对必须承受 强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。 3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。 工程中常用的硬度测试方法有以下四种 （1）布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4）里氏硬度HL 4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。 材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。 在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。 三金属学与热处理的基本知识 1，金属的晶体结构--物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。 晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：
金属材料学复习思考题 （2016.05） 第一章钢的合金化原理 1-1名词解释 （1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性 1-2 合金元素中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？ C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 1-3简述合金元素对Fe-Fe 3 1-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业） 1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业） 1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。 1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业） 1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。 1-9合金元素对马氏体转变有何影响？ 1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？ 1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？ 1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业） 1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业） 1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业） 1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。（作业） 1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）
目录 第一章绪论 (1) 1.1课题背景及意义 (1) 1.2激光合金化技术概述 (2) 1.2.1激光合金化的原理 (2) 1.2.2激光合金化的特点 (3) 1.2.3激光合金化的工艺 (3) 1.2.4激光合金化的设备 (5) 1.2.5激光合金化的数值模拟 (6) 1.3激光合金化的研究现状 (7) 1.3.1激光合金化工艺研究现状 (7) 1.3.2金属基涂层合金化的研究现状 (11) 1.3.3非金属基涂层合金化的研究现状 (13) 1.4激光合金化的应用研究 (13) 1.4.1激光合金化在汽车零配件中的应用 (13) 1.4.2激光合金化在轧辊中的应用 (14) 1.4.3激光合金化在模具中的应用 (15) 1.4.4激光合金化在齿轮中的应用 (16) 1.5激光合金化存在的问题和发展趋势 (17) 1.5.1激光合金化存在的问题 (17) 1.5.2激光合金化的发展趋势 (17) 1.6本论文研究的主要内容 (18) 1.6.1本文主要内容 (18) 1.6.2试验方案及技术路线 (19)
第二章试验条件及方法 (20) 2.1试验条件 (20) 2.1.1试验材料 (20) 2.1.2试验设备 (20) 2.2试验方法 (21) 2.2.1激光合金化 (21) 2.2.2 金相组织观察 (21) 2.2.3合金化层物相分析 (22) 2.2.4显微硬度的检测 (22) 第三章45钢激光铬合金化的工艺研究 (23) 3.1前言 (23) 3.2激光铬合金化的工艺优化 (23) 3.2.1激光功率对铬合金化层硬度及厚度的影响 (23) 3.2.2激光扫描速度对铬合金化层硬度及厚度的影响 (25) 3.2.3预涂层厚度对铬合金化层硬度及厚度的影响 (26) 3.3激光铬合金化的组织及物相分析 (28) 3.4铬合金化的显微硬度分析 (29) 3.5本章小结 (30) 第四章45钢激光钼合金化的工艺研究 (31) 4.1前言 (31) 4.2 激光钼合金化的工艺优化 (31) 4.2.1激光功率对钼合金化层硬度及厚度的影响 (31) 4.2.2激光扫描速度对钼合金化层硬度及厚度的影响 (32) 4.2.3 预涂层厚度对钼合金化层硬度及厚度的影响 (34) 4.3激光钼合金化的组织及物相分析 (35) 4.4钼合金化的显微硬度分析 (37)
工程材料中合金钢汇总 精美排版
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工程材料中合金钢部分总结 机13 白生文2011010462 钢种牌号性能含碳量合金元素及作用热处理工艺最终组织用途 低合金高强度结构钢Q345, Q420 高强度，高韧 性，良好的冷成 型性能和焊接 性能，低的冷脆 性转变温度，良 好的耐蚀性 <0.20% Mn:固溶强化；降低 奥氏体分解温度，细 化F和P；使S点左 移，使P相对增多。 提高强度和韧度。 Nb,Ti,V：形成细的碳 氮化合物，防止奥氏 体长大，细化铁素体； 冷却时弥散析出，弥 散强化。 热轧空冷铁素体和索氏体大型结构，桥梁，船舶，车辆， 锅炉等 合金渗碳钢20CrMnTi 表面渗碳层硬 度较高，心部强 韧性较好，良好 的热处理工艺 性能 0.10%~ 0.25% Cr，Ni，Mn：Cr提 高淬透性，提高表面 渗碳层耐磨性；Ni提 高心部韧性。 Ti，V，W，Mo：形 成稳定碳化物，防止 A长大；提高渗碳层 硬度和耐磨性 渗碳+淬火+ 低温回火 表层：回火马氏体+合金 渗碳体+残余奥氏体 心部：回火马氏体+屈氏 体+少量铁素体 受冲击载荷、交变载荷。如变 速齿轮、内燃机凸轮轴、活塞 销等 合金调45CrNiMo 强韧塑综合性0.25%~ Cr,Ni,Mn,Si,B：提高淬火+高温回回火索氏体汽车、拖拉机、机床上的受力 3
质钢能较好0.50% 淬透性 W，Mo：防止二类回 火脆性（油冷回火） 火较复杂的齿轮、轴、连杆等 非调制机械结构钢F45MnVS 替代调质钢，减 少工艺难度 0.32~0.5 2,0.09~0 .16 V细化晶粒，弥散强 化；Mn细化P，使P 增加；B得粒状T 热轧空冷（正 火） 索氏体+铁素体注：微合金化，控制轧制，控 制冷却 钢种牌号性能含碳量合金元素及作用热处理工艺最终组织用途 合金弹簧钢60Si2Mn 高的弹性极限， 高的屈强比； 高的疲劳强度； 足够的塑韧性。 中高碳 0.50%~ 0.70% Si，Mn：提高淬透性 和屈强比 Cr，W，V：不宜过 热，不易脱碳，冲击 强度和高温强度提 高。 1、热成形： 淬火+中温回 火（喷丸强 化） 2、冷成性 （具体见书） 回火屈氏体弹簧，弹性元件 滚珠轴承钢GCr15 高接触疲劳强 度；高硬度和耐 磨性；足够的韧 性和淬透性 高碳 0.95%~ 1.10% Cr：提高淬透性和耐 磨性，提高接触疲劳 强度 Si，Mn：提高淬透性 V：形成碳化物，防止 过热（A长大） 球化退火+淬 火+低温回火 冷处理： -60~-80度。 时效处理： 120~130度 回火马氏体+粒状碳化 物+残余奥氏体 注：严格控制夹杂物， 解除疲劳起源于夹杂物 滚珠、轴承、滚针、内外套圆、 精密量具、丝杠、冷冲模 低合金刃具钢9SiCr CrWMn 高硬度和耐磨 性； 足够的韧性和 塑性； 高碳 0.9%~ 1.1% Cr，Mn，Si提高淬 透性；Si提高回火稳 定性；W，V提高硬 度和耐磨性，细化晶 粒，防止过热 球化退火+淬 火+低温回火 回火马氏体+碳化物+少 量残余奥氏体 低速刃具，丝锥、板牙、量块 等 高速钢W18Cr4V 高热硬性； 高硬度和耐磨高碳 0.7%~ Cr提高淬透性，提高 抗氧化抗脱碳能力； 球化退火： 870~880 回火马氏体+碳化物+少 量残余奥氏体 各种刀具，高速切割的刀具 4
1 合金化原理 (1) 主要内容： (1) 1.1 碳钢概论 (1) 一、碳钢中的常存杂质 (1) 二、碳钢的分类 (2) 三、碳钢的用途 (2) 1.2 钢的合金化原理 (3) 一、合金元素的存在形式※ (3) 二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响 (4) 三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (5) 四、合金元素对钢的热处理的影响 (6) 五、合金元素对钢性能的影响 (7) 1.3 合金钢的分类 (7) 1 合金化原理 主要内容： 概念： ⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。 ⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。 ⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。 ⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。 ①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。 ②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。 ③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。 ④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。 1.1 碳钢概论 一、碳钢中的常存杂质 1.锰（Mn ）和硅（Si ） ⑴Mn：W ％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减Mn 少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑） ％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物， ⑵Si：W Si ⑶Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。2．硫（S）和磷（P） ⑴S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。
45钢镀铜后激光合金化 （吕禹） 摘要 英文摘要 关键词 一绪论 1 T45钢的性能 45号钢是优质碳素结构钢.它的强度是61.HRC是48-55，有良好的强度和韧性，即有良好的总和力学性能，同时又有良好的机械加工性能。.机械上用的比较多.用以制造蒸汽透平机.压缩机.泵的运动零件,还可代替渗碳钢制造齿轮.轴 .活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火),并可用作铸件.。但45钢有一很大的缺点就是易腐蚀，几乎每年钢铁产量的，三分之一由于腐蚀而报废。因此如何减轻腐蚀而又不影响它的机械性能便成为一项重要的工作。 2 电镀技术 1）概述 电镀是金属的化学和电化学防护方法的发展。它是一种电化学过程，也是一种氧化还原过程。通过这种电化学过程，使金属或非金属工件的表面上再沉积一层金属的方法就叫做电镀。采用适当的工艺可以在金属或非金属工件的表面上获得所需要的不同种类的镀层， 在国民经济的各个生产和科学发展领域里，如机械、无线电、仪表、交通、航
空及船舶工业中，在日用品的生产和医疗器械等设备的制造中，金属镀层都有极为广泛而应用。 世界各国由于钢铁所造成的损失数据是相当惊人的，几乎每年钢铁产量的，三分之一由于腐蚀而报废，当然电镀层不可能完全解决这个问题，但是良好的金属镀层还是能在这方面做出较大贡献的。电镀则是获得金属防护层的有效方法。电镀方法所得到的金属镀层，结晶细致紧密，结合力良好，它不但具有良好的防腐性能，而且满足工业某些特殊用途。 2）电镀铜技术的国内外进展 电镀铜层因其具有良好的导电性、导热性和机械延展性等优点而被广泛应用于电子信息产品领域，电镀铜技术也因此渗透到了整个电子材料制造领域，从印制电路板（PCB）制造到IC 封装，再到大规模集成线路（芯片）的铜互连技术等电子领域都离不开它，因此电镀铜技术已成为现代微电子制造中必不可少的关键电镀技术之一。电子行业的电镀铜技术含量很高，电镀铜层的功能、质量和精度以及电镀方法等方面与传统的装饰性防护性电镀铜技术有所不同。中国的电 子信息产业正在迅速崛起，有资料表明，中国的印制电路产值2003 年已经超过美国居世界第二位，成为名副其实的PCB 生产大国，并且有望在2008 年超过日本居世界第一，而以上海为中心的长三角地区的集成电路产业也在飞速发展，逐渐成为该地区的支柱性产业[1-3]。这些产业的发展必将推动电镀铜技术的应用领域进一步扩大。为了满足具有高科技含量电子产品制造的要求，出现了许多新的电镀铜技术，如脉冲电镀铜技术、水平直接电镀铜技术、超声波电镀铜技术、激光诱导选择电镀铜技术等。 3激光表面合金化 1）激光技术 激光英文全名为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。科学家在电管中以