CN101225456A - 一种延长链篦机关键零部件寿命的复合处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种延长链篦机关键零部件寿命的复合处理方法，涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，首先对链篦机关键件材料处理部位进行表面无损检测；针对表面无损检测出的链篦机零件的表面缺陷，局部范围内有针对的进行盐熔复合处理；激光冲击处理时，先在工件表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，对工件易疲劳断裂区域特别是应力集中区域进行激光冲击处理，本发明简单快捷、效率高，生产维护成本低处理时间短(30min～5h)可实现连续化作业，保证了产品生产的高效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，特指一种延长链篦机关键零部件使用寿命的复合处理方法，尤其适用于大面积大厚度梯度链篦机关键件材料的表面机械性能改性。
背景技术
在先进制造技术中，激光冲击加工技术作为高能束的典型代表，是一种具有良好前景的加工手段，其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用，利用强激光与物质作用所产生的高压冲击波来改善材料的机械性能，尤其是疲劳寿命。这一技术已在机械工程、船舶、航空、微电子等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面。
“QPQ”盐熔复合处理工艺是一种新的金属盐熔表面强化改性技术，“QPQ”是英文“Quench-Polish-Quench”的缩写，意为淬火-抛光-淬火。QPQ技术是金属表面处理领域内的高新技术，可以同时使金属表面的耐磨性和抗蚀性比常规热处理和表面防腐技术成十倍的提高，金属在两种不同性质的低温熔融盐熔液中作复合处理，先使多种元素同时渗入金属表面形成由几种化合物组成的复合渗层，以使金属表面得到强化改性，而且全工艺过程无公害，这种处理技术与提高耐磨性的热处理技术和提高抗蚀性的单一表面防护技术相比，它可以同时大幅度地提高金属表面的耐磨性和抗蚀性，单一热处理技术或表面防护技术是无法同时达到这两个要求。
链篦机在从常温到高温的环境中往复运行工作时，与常温下工作的设备在设计方面要求不同。链篦机关键件篦床与传输机构零部件在交变温度场中循环往复运行，由于温度场的作用，对相关零件设计时对膨胀、应力问题要足够重视。链篦机中的小轴、滑轨等关键零部件是易损件，其主要失效形式是磨损失效，链节、篦板、侧板的失效形式是热振疲劳破坏。其运行过程中温度在20～900℃范围内急剧变化，引起热应力和热应变的产生和变化，每循环工作一个周期，工件各处都因热应力的作用经受一次压缩和拉伸塑性变形。在这种激冷激热环境中，零部件内部存在的细小裂纹、夹杂、偏析等缺陷，在循环应力作用下，很容易发展为裂纹。本发明技术将这些链篦机关键件材料经过QPQ处理后再对其表面激光冲击加工，使得这些链篦机关键件材料具有高耐磨性、抗蚀性、抗应力腐蚀性能，且大大提高了疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是综合解决链篦机关键件材料的表面机械性能改性难题。一种延长链篦机关键零部件使用寿命的复合处理方法与装置，利用QPQ盐浴复合技术提高链篦机关键件表面的耐磨性和抗腐蚀性，再利用激光冲击产生的高幅值残余压应力层，有效地改善链篦机关键件的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。这种技术克服了单一表面处理方法的缺点，且不是两种处理的简单叠加，采用这种复合处理技术，实现了链篦机关键零部件渗氮工序与氧化工序的复合；抗耐磨性和抗蚀性的复合；热处理技术和冷处理技术的复合。
本发明提供了用来复合处理技术延长链篦机关键件寿命的装置，该装置由QPQ装置、激光冲击强化装置、无损检测装置组合而成，激光强化装置由依次相连的激光发生器控制装置、激光发生器、多轴复合运动的工作平台组成。
一种延长链篦机关键零部件寿命的复合处理方法，其特征在于：
(1)本发明在复合处理前后在链篦机关键件材料处理部位都进行表面无损检测，无损检测传感器通过误差分离的方法检测材料表面信号，信号中包括工件的粗糙度、硬度、裂纹、不均匀度等各种表面缺陷信息，这样既能精确定位复合处理部位，而且能有效节约资源和能源，显著降低生产成本；
(2)本发明方法的QPQ处理中，针对表面无损检测出的链篦机零件的表面缺陷，局部范围内有针对的QPQ处理，而不是大面积整个零件QPQ处理，在QPQ复合处理过程中，根据工件材质和服役条件来选定温度、保温时间和成分的控制指标、工件出炉的冷却方式。对于工件截面厚薄悬殊，尺寸变化要求等情况下需要对其预热、氮碳或硫氮碳共渗、后氧化处理、抛光及再次氧化工序；
(3)激光冲击处理时，先在工件表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，对工件易疲劳断裂区域特别是应力集中区域进行激光冲击处理。在激光冲击波的高压作用下，金属表面发生微塑性变形，形成高幅值残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。
本发明充分结合了QPQ工艺和激光冲击工艺的特点，QPQ工艺能适用于大面积大厚度梯度材料的表面强化改性，是典型的热处理技术；而激光冲击过程中时间特别短(20ns)应变率高(107s-1)，是高应变率冷塑性强化变形技术，特别适用于工件的易疲劳断裂区域，特别是应力集中区域表面强化改性，将这两者结合起来，可以对金属材料进行全方位综合表面改性强化，是金属表面改性热处理技术和冷处理技术的完美结合。
本发明表面处理方法的创新，最重要的是经过复合处理后，链篦机关键件表层形成高幅残余压应力，这种残余压应力是零件在先经过QPQ工艺处理，再激光冲击而产生的低温残余应力，且这种残余压应力不会在后续热处理过程中释放，而常规QPQ热处理或者单纯激光冲击处理会使关键件表层残余压应力在后续加工过程中很快产生热应力释放，这种复合处理方法不仅仅是两种表面处理方法的简单叠加，而是通过工艺的优化使得链篦机关键件表面应力能很好稳定在链篦机关键件表层，这是本发明方法最大的特点。
这项技术不仅可以应用于球团链篦机的关键零部件的复合处理，还可以用于要求高耐磨、抗高蚀、易疲劳、微变形的各种钢、铁及铁基粉末冶金零件。它常常用来代替渗碳淬火、高频淬火、离子渗氮、软氮化等热处理和表面强化技术，以提高耐磨、耐疲劳性能，特别是用来解决硬化变形难题。同样，也可用来代替发蓝、镀铬、镀镍等表面防护，以便大幅度提高零件的抗蚀性，大大降低生产成本。进一步推广该技术可以应用在汽车、机床、工程机械、农业机械、海上石油开采、化学工程机械、纺织机械、仪表、机床、军械、模具加工等行业。
本发明的优点如下：
(1)该方法产生残余应力属于低温残余应力，激光冲击形成的残余应力层深度比机械喷丸深约10倍左右，其残余应力在球团链篦机运行过程中不易产生热应力释放。
(2)可满足工件的多种性能要求：这种复合处理方法不仅能对球团链篦机的关键零部件表面强化改性处理，而且适用于于球团链篦机其它结构件，提高工件耐磨性、减摩性、抗咬合性、抗疲劳性及耐腐蚀性，所以工件的疲劳寿命大大提高。
(3)该复合处理后材料表面的变形很小，不影响材料心部性能。QPQ处理温度低(520～580℃)，激光冲击金属表面时，由于激光冲击的时间极短(ns量级)，工件几乎没有受到热影响，其表面温度仅在120℃左右，故激光冲击处理主要是利用其高压力学效应而非热效应，从而可将激光冲击处理工艺归为冷加工工艺。复合处理后工件基本不变形、外观均匀、美丽、可作为产品最终处理。
(4)该复合处理技术简单快捷、效率高，生产维护成本低处理时间短(30min～5h)可实现连续化作业，保证了产品生产的高效率。
(5)该复合处理技术环保性优异：没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造。
附图说明
图1 复合处理工艺流程图
图2 复合处理链篦机链节实例
1-激光光束 2-激光冲击装置 3-链节
具体实施方式
实施例：先对链篦机链节表面无损检测，在被测工件表面安装两个涡流传感器，通过检测出的传感器信号确定零件表面力学性能的弱区，确定复合处理部位；QPQ工艺流程为：除油→预热(350℃)→QPQ氮化(520℃)→QPQ氧化(370℃)→抛光→冷却→清洗。对于链篦机材料耐热钢30Cr21Mn8NiSi2NRe，经过QPQ工艺处理后，表面耐磨性达到常规淬火的23倍；经过QPQ工艺处理后，再激光冲击激光冲击链篦机链节，提高其抗热疲劳性能。如图2所示在采用激光冲击强化过程中，当激光输出波长为1.054μm，输出激光的脉冲宽度(FWHM)为22.1ns，激光脉冲能量约为35J时，脉冲激光1经过光学镜片2聚焦后，光斑汇聚在链篦机链节部位3处，经过激光冲击强化(两次激光冲击)，再对其表面无损检测，检测其表面力学性能，并与处理前对比，发现链篦机链节热疲劳寿命大大延长，裂纹萌生时的循环次数由原来的15000次循环延长到35000次左右，从而极大地提高了疲劳寿命。研究结果表明，这种复合强化后零件硬度显著提高，其表面由残余应力状态由拉应力变为压应力状态，表明最大硬度提高幅度高达3倍，从而其疲劳寿命和耐磨性等性能显著改善，这对改进链篦机关键零部件性能具有重要意义。
| 强化工艺 | 表面硬度 | 表面应力 | 裂纹萌生循环次数 | 表面耐磨性 |
| 普通处理工艺 | 630.7Hv | 50MPa | 15000 | |
| 复合处理工艺 | 1084.4Hv | -189MPa | 35000 |
Claims (2)
1.一种延长链篦机关键零部件寿命的复合处理方法，其特征在于：
(1)对链篦机关键件材料处理部位进行表面无损检测；
(2)针对表面无损检测出的链篦机零件的表面缺陷，局部范围内有针对的进行盐熔复合处理；
(3)激光冲击处理时，先在工件表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，对工件易疲劳断裂区域特别是应力集中区域进行激光冲击处理
2.根据权利要求1所述的一种延长链篦机关键零部件寿命的复合处理方法，其特征在于：
在盐熔复合处理过程中，根据工件材质和服役条件来选定温度、保温时间和成分的控制指标、工件出炉的冷却方式；对于工件截面厚薄悬殊，尺寸变化要求等情况下需要对其预热、氮碳或硫氮碳共渗、后氧化处理、抛光及再次氧化工序。
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