激光表面热处理技术
先进制造技术
——激光表面热处理技术摘要：激光表面处理技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，甚至可能导致设计和制造工艺的某些根本性变革。
关键字：激光表面热处理
正文：激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波,激光束由一系列反射镜和透镜来控制,可以聚焦成直径很小的光(直径只有0.1mm),从而可以获得极高的功率密度(104~109W/cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段:吸收光束、能量传递、金属组织的改变、激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器出现,以及激光束调制、瞄准等技术的发展,激光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域,并在近年得到迅速发展。激光表面处理采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却,来实现其表面改性的工艺方法。
激光表面热处理是以激光作为热源的表面处理技术，其研究的是金属材料及其制品在激光的作用下组织和性能的变化规律，以及它在
工业行业中所必须解决的工艺和装备因此激光热处理是涉及化学、材料科学与工程、机械和自动控制工程等多学科的高新技术，是传统热处理的发展与补充。采用激光热处理可以做到其它热处理方式难以实现的技术目标，所以国内外对于激光热处理的研究、开发和应用都正处于上升阶段。
激光表面热处理特点主要有：
1.在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。其应用的潜力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。
2.强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。
3.依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质而冷却特性优异。
4.与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。
5.可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局部强化。
6.一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。
7.配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。
8.生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。
激光表面热处理按照处理过程中因为采用的工艺方式不同或者采用相同的工艺方式中因参数的大小不同而产生不同的组织性能，可分为多种处理工艺，包括激光相变硬化，激光表面熔凝激光表面合金化，激光表面熔覆，激光表面冲击等，这些表面处理方法都利用了激光的高亮度、高方向性、高单色性和高相干性综合优异性能。
1.激光表面淬火
激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。
激光表面淬火的特点，激光表面淬火是一种利用高能量激光束扫描工件使被扫描的区域表面硬化的技术。
（1）激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。
（2）由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小。
（3）由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确的局部淬火。
（4）激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～1.5mm。
对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，本司配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。
现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果
显著，取得了很大的经济效益与社会效益。近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。
2.激光表面熔覆
激光表面熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。
激光熔覆的特点
（1）由于激光的快速加热和冷却过程，激光熔覆层组织细小，结构致密。
（2）由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，激光熔覆对基材的热影响小，引起的变形小。激光熔覆可以有效地修补裂痕、崩角以及磨损的密封边。
（3）激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆修复。
（4）熔覆层的稀释率小，可精确控制，熔覆层成分具有可设计性。
（5）无接触型处理，能实现自动化和柔性加工。
目前激光熔覆技术进一步面临主要问题①对激光熔覆过程裂纹的形成和行为缺乏深入的研究；②尚缺乏特别针对激光熔覆过程特别的容辅材料；③激光熔覆过程的检测和实施的自动化控制不够完善。其中，裂纹的问题尤为严重。
3.激光表面合金化
激光表面合金化是采用激光加热，使金属表面合金化，以改变其化学成分、组织和性能的方法，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。
⑴合金层硬度
以WC/Co为添加粉末合金化后，主要获得M6C型碳化物，硬度约为1300HV，由于碳化物量很流，呈细网格分布，基体又为马氏体组织，所以表面硬度达1000HV以上。
Cr3C2合金化以后，组织特征为基体上分布分布着网状碳化物，析出的碳化物为M7C3型，这种碳化物硬度高达2100HV，由于合金碳化物在基体中分布较稀。故表层硬度也只有1000HV 左右。在WC/Co中加入Ni粉以后，合金层中碳化物类型并不发生变化，但基体中出现奥氏体。Ni的加入量越多，奥氏体量越高。
硬度也随着下降。激光表面合金化，可以根据合金化成分构控制，得到高硬度的合金层。
⑵激光表商合金化的磨损性能
静载滑动磨损时，在单束斑扫描条件下，以WC/Co合金化时的耐磨性比45钢（淬火态），提高17倍以上，比Cr3C2/Ni-Cr 提高12倍。宽带扫描时，用WC/Co合金化后，耐磨性提高28倍。
激光表面合金化的强化机制，是相变硬化、固溶强化和碳化物强化的综合强化结果。WC/Co合金化后基体为马氏体，M6C型碳化物的硬度为1300HV左右，在磨损时，将首先选择性磨损马氏体基体，碳化物渐渐露出磨面，由于碳化物网的支撑作用，所以合金化展表现出极高的耐磨性。
激光热处理现有水平及发展趋势，激光热处理具有加热和冷却速度快、工件变形小、可进行局部热处理、工艺灵活性大、污染小和易实现自动化等优点。目前,国外应用较多的激光热处理主要有激光表面相变硬化、激光冲击处理、激光表面合金化和激光表面熔凝等。激光表面相变硬化处理现已用于铸铁、碳钢、合金钢、钛合金、铝合金等材料。美国海军面射武器中心及陆军导弹分部对用于导弹上的凸轮、轴承、齿轮等零件进行激光表面相变硬化代替渗碳或渗氮工艺而取得了成功。该阶段的主要特点:1.激光热处理设备已商业化,正朝小型化、自动化和柔性化方向发展;2.激光表面相变硬化处理工艺日趋成熟,广泛用于汽车、航空航天、武器等工业部门;3.激光表面合金化工艺因具有极大的经济效益,倍受各国的重视,研究工作进展较大,但仍处于基础工艺试验、组织分析和性能试验的实验室研究阶段,尚未进入工业应用;4.开展了激光涂覆处理、激光表面熔凝、激光脉冲冲击强
化处理和激光渗氮处理等工艺的研究。随着激光技术的发展,激光器功率的提高,激光热处理的优点日趋明显,从而推动激光热处理的迅速发展。激光热处理作为一种很好的节能型热处理工艺也是其迅速发展的动力之一。
参考文献：[1]刘勇，田保红，刘素芹著. 先进材料表面处理和测试技术. 北京：科学出版社，2008
[2] 陈江,刘玉兰. 激光再制造技术工程化应用[J]. 中国表面工程. 2006(S1)
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中厚板表面热处理技术
中厚板表面热处理技术 金属表面处理的方法 1 前言 中厚板的控轧控冷工艺发展很快，目前很大一部分通过控轧控冷工艺生产的钢板可以取代热处理钢板，即可节省能源，降低生产成本，而且从质量和性能上说也不次于热处理钢板。 然而，从当今的中厚板控轧控冷技术水平来说，中厚板的表面热处理工艺仍然还不能取消。这是因为：1）从工艺上说，退火、回火、调质、缓冷等表面处理用控轧控冷工艺还实现不了；2）从钢种上说，耐压、耐候、抗压板、海上平台板、模具工具板、高中压锅炉容器板、合金结结板、桥梁板、不锈钢板及高牌号管线与船用板等，目前采用控轧控冷工艺尚有困难；3）从板厚上说，控轧控冷工艺多用于板厚在30mm以下。而且线外热处理钢板的性能比较均匀稳定，偏差也小。特别是热轧钢板性能不合要求时，通过线外热处理尚有补救的可能，一些控轧后钢板还可作为热处理的基板，使热处理钢板性能达到更高更完美。 当前，宽厚板性能的重要性越来越被人们所共识，一个现代化宽厚板厂的热处理工序，应该说是确保生产出高性能钢板所不可缺少的。 2 中厚板热处理的特点 2.1 处理种类齐全 随着用户对中厚板品种和质量的要求越来越严格，与其他钢材相比，中厚板热处理种类要求更加齐全，有正火（常化）、调质（淬火+回火、正火+回火）、高温回火、退火、淬火（水淬、油淬）及缓冷等方法，通常以正火处理最为普遍。 2.2 热处理量大 在热轧钢材中以中厚板热处理量较大，一个现代化中厚板厂热处理量约占总产量的20％以上。 2.3 处理钢板尺寸与面积大 热处理中厚板最宽可达5400mm，最长达到27m，一般要求长达18m，因此，炉子尺寸很大，有的热处理炉内宽达5800mm，长达102m。 2.4 钢板单重大 一块钢板通常重达20t～30t，最重可达到1250t，因此，需要为之配套装出炉机械与吊车安置大吨位的设备。 2.5 淬火和快冷用水量大 由于钢板单重大，淬火与快冷瞬间用水量高达10000m3～14000m3，供水系统很庞大，多数都需设有储水池或水塔来满足。 2.6 钢板易瓢曲变形与划伤 钢板高温急冷、喷水不均匀，容易引起不均匀变形，造成钢板瓢出，需有强力矫平设备。钢板高温转运时，下表面容易划伤和粘铁皮，因此，现代化炉多采用抛丸法除铁皮和保护气氛辐射管加热方式。 2.7 在线热处理 利用轧后高温进行在线直接淬火与快速冷却处理，可以减少热处理设备和节省燃耗。现在国内外都普遍在轧机后安设快冷装置，已成为一项非常实用的新技术。 3 热处理方法种类 中厚板热处理种类较多，通常有正火（常火）、回火、淬火、退火及缓冷等六种金属表面处理方法。现代中厚板生产以正火居多，近年来调质处理也增多。
激光热处理的应用
本设备是集光、机、电以及制冷和材料加工技术一体的大型集成设备，能对轴类、平面类、缸齿轮类、以及空间工模具类等产品进行激光淬火、激光熔覆、激光表面合金化加工，从而达到改善表面性能、提高工件的使用寿命、恢复工件的外型尺寸以重复使用等目的。 主要特点： 模块化设计，高度集成，具有良好的系统性能及很高的使用寿命；功能齐全，使用方便；激光加工精度高，效率稳定可靠；抗干扰能力强，动态响应速度快；造型美观，操作及维护简便。 激光热处理是一种表面热处理技术。即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。 激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。由 于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅 速升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大 体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实 现淬火等热处理效果。激光淬火效果：激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度 分布激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩 擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢，铸铁。激光淬火的应 用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿 命提高2~3倍。 ] 概念定义：利用激光进行加热的热处理工艺称作激光热处理,它是一种高能量密度表面热处理,具有超高 加热速度,其淬火硬化层的性质和状态与普通淬火有着显著的区别。 研究范围：激光热处理的研究分为不熔化表面热处理和熔化表面热处理两大类。不熔化表面热处理主 要包括激光表面相变硬化、激光冲击热处理和激光表面退火等;熔化表面热处理主要包括激光表面熔凝、激 光表面合金化和激光非晶态等。 (一) 发展过程 70年代初～80年代初 需求动力：70年代大功率CO2激光器的出现,推动了激光热处理的发展。 主要特点：该阶段的主要特点是:1.广泛开展激光表面相变硬化(即激光淬火)的研究和应用;2.开展激 光表面合金化的探索研究;3.受激光器功率的影响,激光热处理工艺的应用受到一定局限,未能迅速发展。 典型成果和产品：典型成果：激光热处理设备、激光表面相变硬化工艺的应用 80年代初～至今 需求动力：随着激光技术的发展,激光器功率的提高,激光热处理的优点日趋明显,从而推动激光热处 理的迅速发展。激光热处理作为一种很好的节能型热处理工艺也是其迅速发展的动力之一。 主要特点：该阶段的主要特点:1.激光热处理设备已商业化,正朝小型化、自动化和柔性化方向发展; 2.激光表面相变硬化处理工艺日趋成熟,广泛用于汽车、航空航天、武器等工业部门; 3.激光表面合金化工 艺因具有极大的经济效益,倍受各国的重视,研究工作进展较大,但仍处于基础工艺试验、组织分析和性能试 验的实验室研究阶段,尚未进入工业应用;4.开展了激光涂覆处理、激光表面熔凝、激光脉冲冲击强化处理 和激光渗氮处理等工艺的研究。 典型成果和产品：典型成果：激光表面相变硬化处理广泛用于军用部门和民用部门。 (二) 现有水平及发展趋势 激光热处理是70年代初首先在美国发展起来的金属表面强化新工艺。激光热处理具有加热和冷却速 度快、工件变形小、可进行局部热处理、工艺灵活性大、污染小和易实现自动化等优点。目前,国外应用较
表面热处理方法
表面热处理方法、特点和应用 表面热处理是通过改变零件表层组织，以获得硬度很高的马氏体，而保留心部韧性和塑性(即表面淬火)， 或同时改变表层的化学成分，以获得耐蚀、耐酸、耐碱性,及表面硬度比前者更高(即化学热处理)的方法。 火焰表面淬火 用乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰，喷射到零件表面上，快速加热，当达到淬火温度后，立即喷水或用乳化液进行冷却 淬透层深度一般为2-6mm，过深往往引起零件表面严重过热，易产生淬火裂纹。 表面硬度：钢可达HRC65，灰铸铁为HRC40-48，合金铸铁为HRC43-52 这种方法简便，无需特殊设备，但易过热，淬火效果不稳定，因而限制了它的应用 适用于单件或小批生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型轴类、大模数齿轮等 常用钢材为中碳钢，如35、45及中碳合金结构钢(合金元素<3%)，如40Cr，65Mn等，还可用于灰铸铁、合金铸铁件。 碳含量过低，淬火后硬度低，而碳和合金元素过高，则易碎裂，因此，以含碳量右0.35-0.5%之间的碳素钢最适宜。 感应加热表面淬火;将工件放入感应器中,使工件表层产生感应电流,在极短的时间内加热到淬火温度后,立即喷水冷却,使工件表层淬火,从而获得非常细小的针状马氏体组织。 根据电流频率,感应加热表面淬火,可以分为: 高频淬火;100-1000kHz. 中频淬火;1-10kHz. 工频淬火;50Hz 1表层硬度比普通淬火高2-3HRC，并具有较低的脆性： 2疲劳强度，冲击韧性都有所提高，一般工件可提高20-30%： 3变形小： 4淬火层深度易于控制： 5淬火时不易氧化和脱碳： 6可采用较便宜的低淬透性钢： 7操作易于实现机械化和自动化,生产率高
中厚板热处理
1.1我国热处理技术发展 热处理是温度与时间相互配合的一项工艺,因此,热处理是通过不同的加热温度、保温时间及冷却速度,使钢的成分与组织发生扩散、再结晶的变化,也可促进或阻止其组织与成分的转变、析出,以期达到所要求的各种性能。 我国现代热处理技术的发展历程大体上可分3个时期，即1949——1965年，70年代中后期，改革开放(1978年)以后的时期。第一个时期是恢复经济，实行第一、第二个五年计划时期，在此期间我国建设了一批大型现代化的骨干企业，其中的汽车、拖拉机、柴油机、机床和工具、轴承等机械厂大都设置了热处理车间或工段；购买了大批原苏联制造的箱式炉、井式渗碳炉和回火炉及盐浴炉、高频淬火加热设如备等，并建立了自己的电炉厂, 各厂应用的热处理技术基本上是常规技术 企业技改的强劲势头给设备制造业带来更多机会。在热处理加热炉中，箱式、井式和盐浴炉等常规设备的需求会进一步减少。需要更多的是工艺先进、可靠性和自动化程度高、节能和无污染的设备。这就要求制造厂能清楚、准确地把握国内外新设备发展动向和用户的市场需求，提出自己的产品发展规划和实现目标的措施。 热处理工艺材料（淬火剂、渗剂、防渗剂、气氛和盐浴）和辅助材料（清洗剂、防锈剂、干燥剂、催化剂等）是热处理技术的重要组成部分。缺乏优质工艺材料，就不能保证热处理零件和各种制品的优异质量。在热处理工艺材料中用量最大的是淬火剂。 1.2国内中厚板热处理工艺与设备发展现状 目前在中厚钢板的生产中控轧控冷(TMCP)工艺已普遍应用，并在管线钢、高强度结构钢、海洋平台用钢、造船板等的生产中发挥了积极作用，大大提高了钢板的综合性能，节约了宝贵的合金元素。但是，TMCP处理的钢板性能离散度较大，而且一些钢种要求很苛刻的临界轧制。因此，对于生产厚规格、高性能钢板，尤其是要求性能均匀性比较高的锅炉压力容器钢板、桥梁钢板、高层建筑钢板、Z向钢板等，传统的离线热处理方式仍然是难以替代的。 因为对于需要热处理的钢板来说，一般40mm以上的厚规格钢板受剪切能力限制，需要火焰切割，而且热处理的钢种很多要求逐张探伤。因此，在厂房设计时要留有足够的场地，否则将严重制约生产能力的发挥。 探伤一般可安排在热处理之前，这样探伤不合可直接改判以节省热处理费用，但正火通过再结晶细化均匀组织，对于某些微小的探伤缺陷有改善作用，尤其是合金含量较高的钢种。因此，有些品种可安排在热处理之后探伤。但是，热处理对于大的分层和夹杂造成的探伤缺陷基本无能为力。 1.3中厚板热处理的主要方式 中厚钢板热处理的主要方式有正火、调质(淬火+高温回火)、正火+控冷、正火+回火、回火、退火、直接淬火(DQ)、直接淬火+回火等。其中，处理量最大的是正火板，包括正火+回火，大约占所有热处理产品的70%左右；其次是调质板，占15%左右；其它如回火等占15%。中厚板热处理工艺流程见图1。
工程材料与热处理第2章作业题参考答案
1.常见的金属晶格类型有哪些？试绘图说明其特征。 i 4 I 体心立方: 单位晶胞原子数为2 配位数为8 <3 原子半径=—a （设晶格常数为a） 4 致密度0.68
面心立方： 单位晶胞原子数为4 配位数为12 原子半径=_2a（设晶格常数为 4 a）致密度0.74
密排六方： 晶体致密度为0.74，晶胞内含有原子数目为6。配位数为12,原子半径为1/2a。 2实际金属中有哪些晶体缺陷？晶体缺陷对金属的性能有何影响点缺陷、线缺陷、面缺陷 一般晶体缺陷密度增大，强度和硬度提高。 3什么叫过冷现象、过冷度？过冷度与冷却速度有何关系？它对结晶后的晶粒大小有何影响？ 金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。金属结晶时的过冷度与冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度愈大，金属的实际结晶温度就愈低。结晶后的晶粒大小愈小。 4金属的晶粒大小对力学性能有何影响？控制金属晶粒大小的方法有哪些 一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度和硬度愈高，塑性和韧性也愈好。
控制金属晶粒大小的方法有：增大过冷度、进行变质处理、采用振动、搅拌处理。 5?如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小： (1) 金属型浇注与砂型浇注： (2) 浇注温度高与浇注温度低； (3) 铸成薄壁件与铸成厚壁件； (4) 厚大铸件的表面部分与中心部分 (5) 浇注时采用振动与不采用振动。 (6) 浇注时加变质剂与不加变质剂。 (1) 金属型浇注的冷却速度快，晶粒细化，所以金属型浇注的晶粒小; (2) 浇注温度低的铸件晶粒较小； (3) 铸成薄壁件的晶粒较小； (4) 厚大铸件的表面部分晶粒较小； (5) 浇注时采用振动的晶粒较小。 (6) 浇注时加变质剂晶粒较小。。 6 ?金属铸锭通常由哪几个晶区组成 ？它们的组织和性能有何特点 ？ (1) 表层细等轴晶粒区 金属铸锭中的细等轴晶粒区，显微组织比较致密，室温下 力学性能最 高； (2) 柱状晶粒区 在铸锭的柱状晶区，平行分布的柱状晶粒间的接触面较为脆弱， 并常常聚集有易熔杂质和非金属夹杂物等，使金属铸锭在冷、热压力加工时容 易沿这些脆弱面产生开裂现象，降低力学性能。 (3) 中心粗等轴晶粒区 由于铸锭的中心粗等轴晶粒区在结晶时没有择优取向，不 存在脆弱的交界面，不同方向上的晶粒彼此交错，其力学性能比较均匀，虽然 其强度和硬度 低，但塑性和韧性良好。 7?为什么单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示各向异性 ？ 因为单晶体中的不同晶面和晶向上的原子密度不同， 导致了晶体在不同方向上的性能不 同的现象，因此其性能呈现各向异性的。 而多晶体是由许多位向不同的晶粒组成， 虽然每个晶粒具有各向异性， 但不同位向的各晶粒 的综合作用结果，使多晶体的各方向上性能一样，故显示出各向同性。 &试计算面心立方晶格的致密度。 4 3 4 一 r 3 3 a 9?什么是位错？位错密度的大小对金属强度有何影响 ？ 所谓位错是指晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。 随着位错密度的增加金属的强度会明显提高。 0.74 74% nv V
常用热处理与表面处理
热处理和表面处理工艺流程说明 拟稿： 审核： 批准： 目录 1. 淬火------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 2. 淬火（内部生产流程）------------------------------------------------------------------------------------------------4 3. 感应加热淬火------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 4. 淬火加人工时效---------------------------------------------------------------------------------------------------------7 5. 调质------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 6. 渗碳淬火------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 7. 气体氮化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 8. 离子氮化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 9. 去应力退火---------------------------------------------------------------------------------------------------------------13 10. 固溶热处理---------------------------------------------------------------------------------------------------------------14 11. 渗碳淬火-去应力--------------------------------------------------------------------------------------------------------15 12. 白色/黑色ARC-20 UNI 4522 阳极氧化----------------------------------------------------------------------------17 13. 特殊白色阳极氧化------------------------------------------------------------------------------------------------------19 14. 硬质阳极氧化（有硬度要求）---------------------------------------------------------------------------------------20 15. 硬质氧化加涂特氟龙层------------------------------------------------------------------------------------------------22 16. 发黑------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------24 17. 磷化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------25 18. 镀铬------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------28 19. 镀镍------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------29 20. 化学镀镍------------------------------------------------------------------------------------------------------------------30 21. 镀锌------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------32 22. 电抛光（亮光/亚光）--------------------------------------------------------------------------------------------------33 23. 电抛光---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------34 24. 电抛光（控制抛去的厚度）------------------------------------------------------------------------------------------35 25. 电抛光（亚光）---------------------------------------------------------------------------------------------------------36 26. 磨料抛光------------------------------------------------------------------------------------------------------------------37 27酸洗-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------38 28不锈钢零件的酸洗和钝化----------------------------------------------------------------------------------------------39 29不锈钢零件的酸洗和钝化流程----------------------------------------------------------------------------------------40 30未浸入溶液的不锈钢零件的酸洗和钝化----------------------------------------------------------------------------41 31喷漆的普通材料一览表------------------------------------------------------------------------------------------------ 42 32喷漆流程-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------43 33电镀流程-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------46 34碱性镀锌处理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------47 35发黑处理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------49 36锰系磷化处理、黑色磷化----------------------------------------------------------------------------------------------50
关于激光淬火
嘉兴市科技计划项目 激光表面淬火关键技术与装备研发 项目可行性报告 嘉兴学院机电工程学院 嘉兴市浙江数控焊机有限公司 2009年3月
一、立项的背景和意义 自20世纪60 年代激光问世以来，激光技术作为一门举世瞩目的高新技术，几乎在各行业都获得了重要的应用。近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方面迅速发展，而且在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面工程一个十分活跃的新兴领域。激光表面处理既可以通过激光淬火、表面熔凝改变基体表层材料的微观结构，也可以通过激光熔覆、气相沉淀和合金化等处理方法同时改变基体表层的化学成份和微观结构。激光表面淬火比其它激光加工所需的功率密度小的多, 因此在利用激光技术进行材料加工中，激光表面淬火应用最多，它能显著提高金属表面的硬度及耐腐性。然而目前激光表面淬火技术的应用还不如传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视。已经在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到应用和发展。 激光表面淬火是利用激光在要热处理的部分扫描，使被扫描区域快速升温，而未被扫描区域保持常温。激光表面淬火的原理和普通热处理是相同的，只不过激光作为热源加热金属的时间很短，处理区域也很小。激光对金属进行热处理时，金属表面温度和热穿透深度都和激光照射时间的平方成比例。所以适当地调节激光光斑尺寸、扫描速度和激光功率，就可以对金属表面温度和热穿透深度进行控制。采用激光表面淬火的工件的变形量极小（变形量为高频淬火的1/3～1/10），表面光洁度好，无氧化皮产生。因此，可以减少后道工序（矫正或磨制）的工作量，降低工件的制造成本。激光表面淬火后可获得极细的马氏体晶粒，硬度要比常规淬火后的硬度提高15%-20%，硬化层深度可达2mm，而工件心部仍保持原始组织。所以经激光表面淬火处理的工件表面层硬度高，耐磨性好，心部硬度低，韧性好，疲劳强度一般可提高30%～50%。由于金属散热快，激光束扫描后，扫描区域可自行迅速冷却淬火，无需淬火液，是一种清洁卫生的热处理方法而且便于用同一激光加工系统实现同时加工。因此可直接将激光表面淬火工序安排在生产线上，以实现自动化生产。又由于激光表面淬火处理是不接触加热, 所以工件表面不会发生表面沾污。此外, 因为采用特制的透镜聚焦, 激光的焦深很长, 所以工件在激光焦点上下各50～75mm范围内所吸 收的光能是基本相同的, 这对于处理表面凸凹不平的工件是非常有利的。 虽然，目前激光热处理在热处理行业的总产值中所占份额还不大，但是应用前景光明。许多研究成果和应用实例[1-3]，都说明采用激光表面热处理技术可以解决某些其它热处理方法难以实现的技术目标。例如细长钢管内壁表面硬化，成型精密刃具刃部超高硬化，模具合缝线强化，缸体和缸套内壁表而硬化等等。采用激光表面热处理的经济效益显著优于传统热处理，例如汽车转向器壳体的激光相变硬化和锯齿激光相变硬化等。因此，激光表面热处理的研究、开发和应用都处于上升阶段。 激光加工技术一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光加工技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时，又
中外热处理工艺现状与趋势
中外热处理工艺现状和趋势 热处理工艺现状 中国热处理工艺现状简介 热处理是机械工业中的一项十分重要的基础工艺，对提高机械零件内在质量和使用寿命，加强产品在国内外市场竞争能力具有举足轻重的作用。但是人们认识到这一点却花了相当长的时间和很大的代价。由于热处理影响的是产品的内在质量，它一般不会改变制品的形状，不会使人直观地感到它的必要性，弄不好还会严重畸变和开裂；破坏制品的表面质量和尺寸精度，致使制造过程前功尽弃。所以在我国的制造业中长期存在着“重冷（冷加工）轻热（热加工）”现象，以致这个行业很长时间处于落后状态。而机械工业发达国家特别注重热处理工艺技术的研究和发展。 建国以来特别是20世纪80年代以来，我国的热处理技术有了很大的发展，现有热处理生产企业、从业人数、设备数量和能力都有大大增长。目前来说，我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。 目前在我国工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，今后仍将占有重要的地位和相当大的比重，但正在日益改进和不断完善。要以少无氧化加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变我国热处理技术的落后面貌，赶上工业发达国家的先进水平，将起到积极的促进作用中国热处理工艺技术应用还不十分广泛，对热处理工艺的重视程度还需要提高，特别从事热处理工艺的人才的培养需要加大，现今热处理专业比较冷淡，这些都需要做出大大的改善。另一方面，热处理环境给人感觉脏乱差，热处理工艺控制不够严格，这些都阻碍了热处理工艺的发展，同时阻碍了中国机械制造工艺的发展。 中国热处理工艺行业、学术团体 中国全国性的热处理行业、学术团体是中国机械工程学会热处理学会和中国热处理行业协会。 1.中国机械工程学会热处理学会 英文名称是CHINESE HEAT TREATMENT SOCIETY ，简称CHTS。 中国机械工程学会成立于1936年，下设29个专业学会和30个地方省市学
中厚板生产现状与工艺变化研究
中厚板生产现状与工艺变化研究 摘要:我国的中厚板生产技术将伴随钢铁工业的迅猛发展及下游产业的需求变化而快速发展。中厚板生产产品的发展趋势是以高强、专用特殊板为主,生产技术的发展趋势是以TMCP和微合金化为主,辅之以满足下游用户特殊需要的探伤、喷丸和热处理等工艺。在供求关系上,目前的中低档产品供大于求,通过3~5年时间将达到供求的动态平衡,逐步实现高档次、高质量产品100%国产化。 关键词:中厚板；轧机工艺；装备发展 近几年，我国的中厚板轧机发展较快,产品和工艺装备的升级也如雨后春笋。但要真正生产高档次的钢板,仍有一些差距。目前,国内外石油、天然气系统需求的高强、高压、耐候、耐蚀和抗裂等特殊要求的管线、石油储罐和石油平台用钢等,仍不能满足需求。所以我国的中厚板生产也同我国的钢铁工业一样,需要有一个从量到质、从大到强的转变。 1、我国中厚板轧机生产线现状 1.1中厚板轧机现状 就中厚板轧机而言,目前可以分为三类:即4300mm和5000mm的主轧机为A 类。近两年建成投产的生产线具有轧制压力大(80MN~100MN)、板幅宽、前后工序配套能力强等优势,瞄准的是中厚板的高端产品。厂家主要以大型国有企业和技术实力较雄厚的企业为主,如宝钢、鞍钢和沙钢等;B类主要是以3.5m轧机为代表的中档水平轧机,其轧制压力居中偏高(50MN~70MN),前后工序的配套正在逐步完善,主要被技术实力雄厚、目前还不能生产高端产品的企业拥有,如首钢和济钢等;C 类轧机以生产传统的中低档产品为主,主要由一些老企业和部分新兴的民营企业所拥有,如营口和文丰等。目前各大钢铁企业和具备一定实力的企业在扩张规模的同时,也在工装水平上和配套工序上对中厚板工艺进行新一轮的升级和技术改造,甚至是异地建设全新的中厚板厂,这些升级改造后和新建的装备将全面提升我国中厚板产品的品质和档次。可以预计,在2008年之前,对于我国国民经济需要的高档中厚板产品国内即可具备一定的生产能力。就像欧洲一位钢铁专家断言,目前中国已具有世界上最先进的钢铁装备,不出3年,中国就会成为世界钢铁强国。根据钢协的统计,近几年我国中厚板轧机的规格、数量。 1.2中厚板轧钢生产线工艺装备的现状 中厚板轧钢生产线的工艺装备是在钢坯质量一定的前提下保证最终产品质量的重要环节。以往的轧钢厂是以轧机为中心,其余的装备往往是因陋就简,尤其是在以普材为主的生产厂更是如此。轧制中厚板时尽管在加热和精整工序上采取了一些保护措施,如不产生划伤、提高剪切质量等,但是随着产品质量、品种规格、产品档次和用途等市场因素的变化,各生产厂已开始逐步重视并对整个工艺线进行分析、升级和改造。由于历史原因,我国中厚板轧机生产线的总体装备水平与国外先进厂家还存在一定的差距。主要体现在: (1)规模小,装备水平低; (2)加热炉大部分为推钢式,加热能力和质量保证能力差; (3)轧机能力差距大,一是3m以下的轧机占总量的80%左右;二是轧制压力大部分为30MN~50MN; (4)后部精整能力不足,因陋就简。如矫直机能力不足,几乎没有冷矫;纵剪能力
激光热处理原理
激光热处理原理 “热处理”是指通过加热于金属材料，以多种方式改变金属材料的组织或性质的方法。尽管激光热处理技术在诱导表面组织的变化方面类似于现有的高频热处理（感应淬火，Induction Hardening）方法，但激光热处理方法有更多优点，例如，经激光热处理后，母材的尺寸变化几乎为零，且因构成更致密的组织而使表面硬度变得更高，无需另行冷却工程。激光热处理技术还能针对所需的部分进行选择性热处理，如三维形状的机械配件及模具产品、模切刀的刀刃末端部分等。同时，通过采用高温计（Pyrometer）实时测量和控制母材的表面温度，可在大批/小批生产工程中获得稳定的热处理质量。 经激光热处理后，表面硬度会根据母材含碳量的不同而有所不同，通常保持在 >53~65Hrc的水平，有效硬化深度约为0.8~1.5mm，硬化幅度按激光功率调整为几毫米至几十毫米。到2000年初为止，主要用于激光热处理工程的激光器为二氧化碳（CO2）激光器，但目前随着多种高功率激光器的开发，对金属材料的吸收率更高的高功率激光器更受青睐，包括半导体激光器、碟片激光器、光纤激光器等。 激光热处理技术作为一种替代高频热处理（Induction Hardening)的技术，不仅适用于汽车产业领域，如冲压模具、注塑模具、汽车配件等，还适用于造船、钢铁、机械、电子产业等广泛领域，
且其适用范围逐渐扩展至需经局部性热处理而提升产品硬度及强度的多个领域。 就激光金属热处理技术的基本原理而言，通过将高能量密度的激光束照射到金属材料的表面上，将母材温度急剧上升至母材快要达到熔融温度时为止，并重新急剧冷却之，由此诱导其表面的组织变化。照射到母材表面上的激光束会转换为热能，使母材表面加热，并通过利用母材的热传导特性重新使其降温（自猝灭，Self-Quenching)，最终提升材料的硬度及强度。 优点 ·仅对所需的部分进行局部性热处理 ·实时监测和控制母材的温度，提升热处理质量 ·采用适合不同热处理对象的多种激光束，提升工作灵活性及生产效率 ·以自猝火（Self-quenching）效果尽量减少产品变形，获得非常稳定、均匀的 热处理效果 ·无论产品的生产量、大小、重量，都能获得稳定的热处理效果
中厚板轧制过程中温度的检测
薄板轧制过程中的检测与质量控制技术 中厚板生产各个工序要求检测出板坯与成品重量、轧件的尺寸、温度、平面板形、平直度、浪形、镰刀弯、头尾形状、内部质量（如分层、夹杂物聚集情况）及表面质量（如结疤、划伤）等。另外，尚需检测出轧制力、速度、位置、计数，以及炉子上用检测仪表等。 目前，中厚板检测技术由于检测元件、传感器、通讯及计算机等技术的迅速发展，已走向专业化、智能化及自动化阶段，使检测功能、精度及管理水平大大提高。中厚板生产环境比较恶劣，如灰尘、烟雾、水蒸汽、钢板表面的氧化铁皮、积水、光洁度、平直度以及钢板跳动等外界因素都会不同程度影响检测的效果。因此，除了检测装置提高适应能力以外，尚需采取一些排除这些干扰的措施。 目前，检测装置测量精度高、误差小、速度快、效率高、且能在线校正，减少了操作与维护人员，且大多数均实现自动化、计算机跟踪与实际监控反馈。 中厚板检测技术 中厚板检测技术一般分为板形、工艺、标记及检验4部分。 板形检测有平面板形、平面轮廓、测宽、测长、测厚、凸度、镰刀弯、平直度、头尾形状及浪形等仪器。 工艺检测有温度、测压、测速、称重、计数、位置、板面缺陷及超声波探伤等装置。其中还包括有冷金属检测器或光电开关、热金属检测器、激光检测器、增量型编码器、速度检测器、位置检测器及接近开关等元件。 标记有喷字、打印及贴标等仪器，也可将3种仪器组合在一台仪器上，具有3种标记的功能。 检验有力学性能、内部质量、化学成分、焊接性能及磁性等项目。力学性能包括有拉伸、弯曲、冲击、硬度及蠕变等；内部质量除工艺检测中超声波探伤以外，还需做晶粒度与硫印等；化学成分需做C、Mn、Si、P、Nb、Cr及Ni等主要成分分析；焊接方面除做交流与直流以外，尚需各种温度下大热量输入试验；磁性试验要测定高斯值，以满足低温用板的焊接要求。 检测影响因素 外来环境条件对检测有很大的影响，特别是中厚板厂为热态生产、钢板表面铁皮、积水、水蒸汽、粉尘、板面粗糙不平，且给光线与空气造成不良的影响，轧
激光在化学中的应用
激光在化学中的应用 激光(LASER)是上纪60年代发明的一种光源，是一种崭新的光源，是由激光器产生的“种光”，激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的，有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的；其次，激光是相干光的特征，其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”；再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象，它的亮度最高，具有相当大的能量。近年来激光在化学中的应用也越来越广泛，随着各类激光器的研制与发展，激光化学的基础与应用研究正在向实用化纵深发展。接下来就从以下几个方面介绍激光在化学中的一些应用。 一、激光化学气相沉积法 激光化学气相沉积法(Laser Chemical V apour Deposition)(LCVD)是在真空室内放置基体，通入反应原料气体，在激光束作用下与基体表面及其附近的气体发生化学反应，在基体表面形成沉积薄膜。他具有以下几个优点：1、沉积温度低对于大多数材料可在500℃以下，甚至室温即可沉积成膜。对温度敏感的基体材料，如聚合物、陶瓷、化合物半导体等，若用常规CVD可能发生熔化、开裂或分解。激光化学气相沉积由于基体温度低，减少了因温升引起的变形、应力、开裂、扩散和夹杂等弊病，在不高的沉积温度下，就可得到高质量的薄膜和较高的沉积速度；2、局部选区精细定域沉积聚焦激光束在计算机控制下能准确选区定域沉积，获得直径在微米级的点和宽度在微米
级的线沉积，适宜于在微电子和微机械制造中应用；3、不需掩膜沉积此种沉积方式提高了激光能量利用率，可以采用直写方式沉积出设计的图案，凡激光光斑扫描过的轨迹上都形成沉积薄膜。该工艺适应性强，方便样机快速改型，制造形状不规则的零件，以及微电子器件的维修等；4、膜层纯度高，夹杂少，质量高。5、可用作成膜的材料范围广，几乎任何材料都可进行沉积。 二、激光热处理 激光热处理是20世纪7O年代以后迅速发展起来的一种高新技术，它是利用激光高能量密度的特点，把激光束作为热源对材料表面进行局部快速加热，实现相变硬化、表面改性处理等的理想工具。已有报道将激光用于高温陶瓷等的制备。由于激光与坯体无接触，没有外来污染，能瞬间达到高温，适合对高熔点的材料进行合成。同时，在烧结合成过程中，激光束能量密度高，合成速度快，有可能产生与一般加热处理不同的效果。然而激光热处理在催化剂的制备方面的应用却是一个新的研究方向。在催化剂制备中激光热处理方法可以代替高温焙烧处理催化剂前驱体，制备时间大大缩短，且干扰因素很少，是一种有一定优势的处理方法。但激光处理过大的功率、过慢的扫描速度会使催化剂晶粒增大、晶型过于完整，对催化剂活性不利。如果条件掌握适宜，与高温焙烧催化剂相比，激光处理得到的催化剂晶粒更小，晶相中易保留出现夹杂相，产生更多晶格缺陷，有利于活性的提高。 三、激光诱导腐蚀
金属热处理及表面处理工艺规范
北京奇朔科贸有限公司 部分金属材料热处理及表面处理工艺规范 第一版 编写：赵贵波 审核： 批准： 北京奇朔科贸有限公司 二零一二年六月
目录 1.0 热处理的工艺分类及代号---------------------------------------------------------------------3 1.1 基础分类-----------------------------------------------------------------------------------------------3 1.2 附加分类-----------------------------------------------------------------------------------------------3 1.3 热处理工艺代号--------------------------------------------------------------------------------------4 1.4 图样中标注热处理技术条件用符号--------------------------------------------------------------7 2.0 金属材料的热处理方法和应用目的-------------------------------------------------------8 2.1 钢的淬火-----------------------------------------------------------------------------------------------8 2.2 热处理的过程方法和应用目的--------------------------------------------------------------------9 3.0 部分金属材料的热处理规范-----------------------------------------------------------------17 3.1 渗碳钢的热处理工艺--------------------------------------------------------------------17 3.2 渗氮钢的热处理工艺--------------------------------------------------------------------------------20 3.3 调质钢的热处理工艺-------------------------------------------------------------------------------21 3.4 -弹簧钢的热处理工艺------------------------------------------------------------------------------23 3.5 轴承钢的热处理工艺-------------------------------------------------------------------------------25 3.6 合金工具钢的热处理工艺------------------------------------------------------------------------- 26 3.7 碳素工具钢的热处理工艺--------------------------------------------------------------------------29