球铁曲轴的激光冲击处理技术及其性能研究

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球铁曲轴是发动机的一个关键零件,其传统强化工艺采用正火、中频淬火、等温淬火、气体软氮化以及圆角滚压等多种表面处理等方法。针对现有工艺存在的不足,本文探讨采用激光冲击处理技术强化球铁曲轴的工艺方法。 激光冲击处理技术(laser shock processing,LSP)是利用高功率脉冲激光对金属材料进行冲击,在零件表层形成数百兆帕的残余压应力,从而改善零件性能的一项技术,具有高效、灵活、非接触等特点。 论文分析了激光诱导冲击波的形成机理以及激光冲击波的力学效应;从激光功率密度、激光脉宽、约束层和涂层等方面,分析了影响激光冲击处理效果的主要工艺参数;对激光冲击处理后材料机械性能进行了较为系统的理论研究,得出改善零件机械性能的主要因素为塑性应变、残余压应力和冲击硬化。 采用具有五轴联动数控工作台的高功率钕玻璃激光冲击强化系统,对球铁曲轴主轴颈和连杆轴颈的圆角部位实施冲击强化实验,系统研究了激光冲击处理对QT700-2球铁益轴材料表面显微硬度、显微组织、耐磨性及表层残余应力等的影响。结果表明,QT700-2试件的表面显微硬度提高了约57.1%左右,在光斑作用区内,中心区的硬度较高;显微组织中存在大量的孪晶,在石墨颗粒处出现了高碳片状马氏体,这种微观结构对提高材料的强度、硬度等力学性能有益:试件经激光冲击处理后耐磨性比未冲击处理提高1.4倍;曲轴拐角处激光冲击后残余压应力分布较为均匀,氮化后进行激光冲击处理,效果更明显,如果实施两次冲击强化,残余压应力提高幅度为79%。研究表明激光冲击处理能有效地提高和改善曲轴的使用寿命,对曲轴圆角处理新工艺的研究具有实际的工程应用价值。
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