钢线刀的激光表面淬火及其性能研究文献综述

 2022-11-13 11:03:06

文 献 综 述

背景:自从20世纪60年代激光光源问世以来,激光技术作为一门举世瞩目的高新技术,在各行各业都获得了广泛的应用。作为激光加工技术的一种,激光淬火又称激光相变硬化,是以高能密度的激光束照射工件表面,使其需要硬化部位温度瞬间急剧上升形成奥氏体,随后经快速冷却,获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理加工技术[1]。基于加工原理,激光淬火相对于传统的淬火工艺具有的主要优势为:①被加工零件形变较小②可以对零件的局部表面进行淬火③淬火过程无须冷却液④容易进行柔性较高的自动化集成⑤容易实现在线监测和控制。

在过去的几年里,模切刀的涂布和淬火处理方式已经有了显著的变化。最近出现的最大的变化是开始用激光对刀尖进行淬火。不能将整个模具都淬火,否则当它包覆在滚筒上时会破裂。需要通过涂布涂层来延长模具的使用寿命,才能应用于非常耐磨的模切应用方式。

  1. 激光淬火技术的研究进展

国内外对激光淬火技术的研究大多集中在应用激光淬火对材料性能的改进上。20世纪60年代,德国科学家首次利用激光光束对材料进行热处理加工研究[2]。1971年,美国通用公司首次成功用一台250W的CO激光器进行了激光淬火试验[3]。自1974年起通用公司就开始对齿轮箱内表面进行激光淬火处理,并将15台千瓦级CO激光发生器用于相应的激光淬火生产线。原苏联利哈乔夫汽车厂也在很早就建立起了包括发动机缸盖、花键轴、冲头、活塞、摇臂、拨叉、羊角及缸套的激光热处理生产线。我国在“七五”期间就在全国范围内建立了四条激光淬火中试线,并取得了良好的经济效益[4]。

激光淬火技术的重要性得到了世界各国的重视。一些国家制定了发展激光技术的规划,如美国的“战略防御倡议”、英国的“阿维尔计划”、日本的“激光研究五年计划”、西欧的lsquo;优里卡计划”、德国的“激光技术及其研究中心”等,这些为激光淬火技术的发展研究注入了新活力。

我国对此也很重视,经国家计划委员会批准,在华中科技大学成立了激光加工国家工程研究中心,承接了国家“863”计划的多个研究项目,获得了很多研究成果和专利等。其所研究的“汽车发动机缸体(缸套)在线式激光淬火生产线成套技术”等技术已经用于生产实践[5]。关于激光淬火的研究正在不断的深入和扩大,很多科研人员尝试用激光淬火方法来改善部分材料的性能以解决实际应用中存在的一些问题。研究发现,用于球轴承制作的高氮钢经过激光热处理后,可以大大地提高材料的摩擦性能、抗腐蚀性能以及抗疲劳性能。同时,在几乎不影响材料内应力的情况下,可使淬火区域的硬度得到极大的增强[6]。

美国田纳西大学材料科学与工程学院的McDaniels等人[7]研究了AISI4340表面进行热处理后钢材的疲劳强度,并用电子显微镜观察了疲劳测试后材料的微观组织。他们得出热影响区对高循环工作材料的疲劳强度没有负面影响的结论。 Devgun等[8]通过实验发现利用CO气体激光发生器对钢进行热处理可以大大地提高工具钢的耐磨性,而且相对于传统热处理工艺激光淬火后的52100轴承钢的表面硬度和耐磨性能都有大幅度的提高。印度布尔勒理工高等学院的Rana等[9]用5kW的CO激光系统对各种不同碳含量的碳钢试样进行了激光淬火实验,观察其淬火硬度的变化;通过改变激光淬火工艺参数一一激光束功率和扫描速度,实验分析淬火结果,找出了最佳的激光淬火工艺参数。同时为了保证材料表面硬度的均匀性,利用实验分析研究了相邻两激光淬火光道间最佳的相隔距离。韩小溪等[10]在实验中发现活塞环槽经过激光淬火后,不但活塞环槽的上、下面的耐磨性能得到了增强,而且由于石墨周边组织的差异而容易产生的淬火裂纹也得到了防止。

齿轮轮齿表面激光淬火的研究也受到了人们的重视,将宽带激光淬火应用于齿轮齿面处理,可以大大提高齿轮轮齿表面的抗疲劳性[11-13]。

文献[14]中对激光淬火后的材料金相组织进行了分析研究。通过激光淬火可以使淬火表面得到板状和针状马氏体,从而使材料表面硬度得到较大的提高。

研究证明材料经激光淬火后很多方面的性能都得到了改善[15-17],这也显示出激光淬火相对于传统淬火工艺的优越性。在加工技术快速发展的今天,先进的激光淬火技术将越来越多地应用于实践。

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