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激光制备仿生重熔单元对70Mn钢拉伸性能与摩擦磨损性能的影响

张有为  
【摘要】:70Mn钢是弹簧钢的一种,性能与70号钢相近,其弹性与强度均优于70号钢,热处理后具有良好机械性能。常用于制作弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧等。由于这些零部件在工作过程中,会受到循环应力、冲击等载荷,因此极易发生磨损而导致破坏。所以利用提高70Mn钢的强度与耐磨性来延长零件的使用寿命具重要的实际意义。近些年来为了增强表面的耐磨性,激光表面重熔技术被越来越多地应用到工业生产中。通过众多仿生学的研究发现,“软-硬”相间单元体是生物进化的最终结构之一,因此本文探究了三种激光仿生重熔单元对原硬度(退火)和回火处理70Mn钢的拉伸性能与摩擦磨损性能的影响。首先使用ANSYS软件模拟了激光功率400w、扫描速度10mm/s的激光重熔过程中温度场与应力场分布,然后根据温度场预测了重熔区的大小与热应力的分布,从而改进了激光重熔工艺。试样经过重熔处理后,通过观察原硬度试样与回火后试样的金相发现,原硬度重熔区由球状珠光体转变为以针状马氏体为主的较为坚硬的组织,而回火后试样重熔区表层金属变为条形马氏体,次表层变为针状马氏体。并使用显微硬度计测量了重熔区的硬度分布,试验结果表明:原硬度试样硬度约从150HV提高到了760HV,提高了约400%;回火后试样重熔区表层硬度与基体硬度约为325HV,而其重熔区下半部分也达到了745HV左右,提高了约为129%。对激光仿生重熔后的试样进行拉伸与摩擦磨损试验。拉伸试验表明:激光仿生重熔降低了试样的抗拉强度与伸长率,增强了原硬度试样的屈服强度,降低了回火试样的屈服强度。通过研究试样断裂方式与断口形貌,并结合金相组织与XRD试验结果,分析出了试样断裂及强度变化的原因。总的来说,仿生重熔单元体轻微地降低了试样的抗拉性能;试样摩擦磨损试验表明:仿生单元能够有效地减少犁沟的产生与犁沟的深度,增强了试样的耐磨性,而且材料的耐磨性随着仿生单元体复杂程度而增强,其原因是仿生重熔单元体在摩擦过程中起到保持与支撑材料的作用,其次重熔单元体的凹坑起到了收集磨屑与阻止磨屑运动连续性的作用,避免了磨屑与基体的接触,从而起到保护基体的作用。综上所述,激光仿生重熔技术可以在对70Mn机械性能削弱很小的情况下提高其摩擦磨损性能,为后续激光重熔在碳钢中的应用提供参考,同时为实际工业生产中应用激光仿生重熔技术奠定基础。


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