專利名稱：耐磨鑄鐵表面激光超微晶化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面處理技術(shù)，具體地說(shuō)是一種耐磨鑄鐵表面激光超微晶化處理方法。
金屬表面的處理，一般采用熱處理制度，通過(guò)淬火使金屬材料硬度、耐磨的力學(xué)性能達(dá)到使用要求，但是在工藝過(guò)程中，有時(shí)參數(shù)處理不好，容易使淬火處理后的金屬表面產(chǎn)生裂痕，另外淬火是對(duì)大塊金屬進(jìn)行處理存在不好操作的不足。在金屬表面處理方面，人們常用的是加入碳、氮等成份，提高其材料表面的強(qiáng)度。上述均對(duì)金屬材料本身或多或少會(huì)產(chǎn)生一定的變形，這對(duì)某些要求嚴(yán)格的場(chǎng)合是不允許的，所以不是所有的材料都適合用淬火的方法通過(guò)提高金屬表面硬度，來(lái)提高其耐磨性能的。提高耐磨鑄鐵表面的耐磨性能也存在變形這個(gè)問(wèn)題，如面粉廠用的壓面輥與光輥的表層材料都是耐磨白口鑄鐵，厚度在10公分。正常使用時(shí)，拉絲輥用專用刀具(表面硬度HRc55左右)在直徑表面沿軸向4度夾角方向拉出幾十等分的刃槽，槽深零點(diǎn)幾毫米，刃尖有一定的鋒利度，由于鑄鐵表面已有足夠的硬度，經(jīng)使用一般不采取進(jìn)一步提高金屬表面硬度的方法提高其耐磨性能，另外恐怕變形發(fā)生，取而代之的是適應(yīng)耐磨性能要求幾個(gè)月更換一次，這樣無(wú)形中造成了很大浪費(fèi)。
本發(fā)明的目的是提供一種不改變材料表面硬度、不改變其外形就能提高耐磨性能的耐磨鑄鐵表面激光超微晶化處理方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將工件置放在加工機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)的夾盤(pán)上，由激光器通過(guò)活動(dòng)光路打出的光束，在活動(dòng)光路中通過(guò)45度角設(shè)置的反射鏡至透鏡后作用在工件表面，每轉(zhuǎn)動(dòng)一次工件，完成工件一個(gè)有效工作面的激光超微粒晶化，直至所述耐磨鑄鐵工件需提高耐磨性能的表面全部處理完畢。
本發(fā)明工作原理如下本發(fā)明Hall-Petch關(guān)系是建立在晶體位錯(cuò)塞積理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，總結(jié)出來(lái)的多晶材料的屈服應(yīng)力(或硬度)與晶粒尺寸的關(guān)系，即σy＝σ0+Kd-1/2(1)式中σy為0.2％的屈服應(yīng)力，σ0是移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)所需的克服點(diǎn)陣磨擦力，K是常數(shù)，d是平均晶粒直徑。如果用硬度來(lái)表示H＝H0+Kd-1/2(2)這是在通常晶粒大小情況下的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，對(duì)各種材料都是適用的。K值為正數(shù)，就是說(shuō)隨著晶粒直徑的減少，屈服強(qiáng)度(或硬度)都是增加的，它們都與d-1/2成線性關(guān)系。有的人利用這個(gè)原理獲得性能成倍提高的超級(jí)鋼。激光加工(淬火)是利用高能量瞬時(shí)在被輻照表面快速加熱，同時(shí)靠工件本身快速冷卻以獲得很細(xì)的晶粒。對(duì)許多工件只需要局部耐磨用的，激光加工(淬火)效果最好。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.用激光處理后的耐磨鑄鐵表面，能改進(jìn)材料表面的力學(xué)性能，由于本發(fā)明用激光處理耐磨鑄鐵表面，獲得表層超微晶化，可以改進(jìn)材料表面腐蝕、疲勞等性能；激光加工可以在原材料不改變、外形尺寸不改變的基礎(chǔ)上使材料表面在硬度不變條件下得到高強(qiáng)度和高韌性。
2.成本低，生產(chǎn)效率高。在生產(chǎn)線上采用激光加工的零件，鑄鐵表層晶粒變小，工件使用壽命增加，減少了更換零件的周期，提高生產(chǎn)率，降低能源消耗，如原材料和稀有元素的消耗，人工消耗，使生產(chǎn)成本大大降低；激光加工可用在新工件上，也可在舊工件形上，保持尺寸允許范圍內(nèi)的形狀不變。從科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的角度看，用表面加工處理成超微晶或納米晶的技術(shù)方案比將大塊金屬全部做成納米晶現(xiàn)實(shí)。
3.本發(fā)明消除了由于整體熱處理必然產(chǎn)生的變形和不均勻藏預(yù)應(yīng)力集中等不良后果。
4.操作方便、靈活。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著晶粒變小，強(qiáng)度和晶粒尺寸的關(guān)系偏離Hall-Petch關(guān)系，甚至反常。因此，從生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用看，并不是晶粒越細(xì)越好，應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用材料性能的要求，確定最佳晶粒度比較合理，激光表面加工的工藝技術(shù)易于控制，有現(xiàn)實(shí)的可能性。
5.本發(fā)明可以應(yīng)用于只需局部耐磨的工件，也可以應(yīng)用于對(duì)材料表面整體有特殊要求的航天、航空、軍工、機(jī)械、冶金、化工、輕工等行業(yè)。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例操作裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，實(shí)驗(yàn)用工件6為某面粉廠壓面輥，壓面輥分兩種，一種是拉絲輥，另一種是光輥。拉絲輥平均3個(gè)月更換一次，光輥平均六個(gè)月更換一次；拉絲輥用在面粉機(jī)前級(jí)，兩個(gè)輥對(duì)轉(zhuǎn)，麥殼在兩輥之間縫隙通過(guò)，起到壓碎麥殼的作用；光輥用在面粉機(jī)后級(jí)，起到粉碎磨細(xì)面粉的作用。壓面輥與光輥的表層材料都是耐磨白口鑄鐵，厚度在10公分。正常使用時(shí)，拉絲輥用專用刀具(表面硬度HRc55左右)在直徑表面沿軸向4度夾角方向拉出幾十等分的刃槽，槽深零點(diǎn)幾毫米，刃尖有一定的鋒利度。本發(fā)明對(duì)拉絲輥刃尖進(jìn)行激光表面強(qiáng)化，保證刃尖尺寸不變，表面硬度不變，細(xì)化晶粒，保證拉絲輥刃尖磨鈍后應(yīng)能繼續(xù)加工使用。
具體操作為所述工件6一端的軸用置于底架8上的夾盤(pán)7夾住，另一端軸放在兩個(gè)從動(dòng)輥輪9之間托起，在工件6正上方設(shè)有活動(dòng)光路2，與軌道3活動(dòng)安裝，光束從被激光器1出發(fā)，經(jīng)銅鍍金45度角設(shè)置的反射鏡4至透鏡5后，作用在工件6表面，每轉(zhuǎn)動(dòng)一次工件，激光超微粒晶化一個(gè)有效工作面，直至所述耐磨鑄鐵工件表面全部處理完畢；工藝參數(shù)為激光功率1000W；光斑直徑4毫米；焦距290毫米；掃描速度25毫米/每秒；晶粒度超微晶或納米。經(jīng)裝機(jī)使用結(jié)果(1)使用壽命由3個(gè)月增加到6個(gè)月，提高一倍。
(2)電量消耗節(jié)省1/3(電流表觀測(cè)值)。
(3)由于使用壽命增加，減少了更換周期，避免了由于更換造成的外界污染。刃尖耐磨可使面粉內(nèi)重金屬微含量降低。
(4)絲輥刃尖磨鈍后就需拆下進(jìn)行重新拉絲，每個(gè)輥拉絲十次后就報(bào)廢。在國(guó)內(nèi)購(gòu)買一個(gè)輥需近萬(wàn)元(由于工件價(jià)格太高不容許破壞進(jìn)行金相試驗(yàn)，本發(fā)明無(wú)法報(bào)告準(zhǔn)確的晶粒細(xì)化數(shù)據(jù))，激光表面強(qiáng)化后的拉絲輥所需費(fèi)用只是國(guó)內(nèi)購(gòu)買一個(gè)輥的三分之一，激光表面強(qiáng)化后的拉絲輥刃尖磨鈍后應(yīng)能繼續(xù)加工，保證拉絲輥原有的加工特性。
本發(fā)明采用CO2橫流激光器，配備懸壁式三維數(shù)控激光加工機(jī)，可針對(duì)各種零件(幾噸-幾公斤)進(jìn)行激光加工。
權(quán)利要求
1.一種耐磨鑄鐵表面激光超微晶化處理方法，其特征在于將工件(6)置放在加工機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)的夾盤(pán)(7)上，由激光器(1)通過(guò)活動(dòng)光路(2)打出的光束，在活動(dòng)光路(2)中通過(guò)45度角設(shè)置的反射鏡(4)至透鏡(5)后作用在工件(6)表面，每轉(zhuǎn)動(dòng)一次工件(6)，完成工件(6)一個(gè)有效工作面的激光超微粒晶化，直至所述耐磨鑄鐵工件(6)需提高耐磨性能的表面全部處理完畢。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬表面處理技術(shù),具體地說(shuō)是一種耐磨鑄鐵表面激光超微晶化處理方法。將工件置放在加工機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)的夾盤(pán)上,由激光器通過(guò)活動(dòng)光路打出的光束,在活動(dòng)光路中通過(guò)45度角設(shè)置的反射鏡至透鏡后作用在工件表面,每轉(zhuǎn)動(dòng)一次工件,完成工件一個(gè)有效工作面的激光超微粒晶化,直至所述耐磨鑄鐵工件需提高耐磨性能的表面全部處理完畢。本發(fā)明能在不改變材料表面硬度和外形的情況下提高其耐磨性能。
文檔編號(hào)C21D1/09GK1382811SQ0111388
公開(kāi)日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者龍康, 張樹(shù)瑛, 沙建德, 白春根, 竇明倫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所