CN106868274A

CN106868274A - 一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法

Info

Publication number: CN106868274A
Application number: CN201510916122.XA
Authority: CN
Inventors: 吴兴超; 李永胜; 张鑫
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: CN106868274B

Abstract

本发明公开一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法，其中灰铸铁成分为：C：3.3％～3.6％，Si：2.0％～2.4％，Mn：0.5％～0.8％，P：<0.1％，S：<0.1％，其余为Fe，包括如下处理步骤：对灰铸铁进行激光表面熔凝处理；对激光表面熔凝处理后的灰铸铁进行石墨化退火。经本发明的方法处理后在灰铸铁表面获得了具有毫米级别厚度的超细球墨层，球墨平均直径在1μm以下，石墨析出面密度达到10⁵个/mm²，最终制备的灰铸铁材料主体石墨形态和大小保持不变，保留了其性能优点，而表面数毫米深度为球墨灰铸铁且石墨尺寸细小，分布均匀，使表层具备优异的耐热疲劳性和抗氧化性。

Description

一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法

技术领域

本发明属于灰铸铁表面处理领域，特别涉及一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法。

背景技术

玻璃模具是用于玻璃制品成型的工具，其性能特性和内腔的表面质量在很大程度上决定了玻璃制品的成型质量。玻璃成形温度在1100℃以上，高于玻璃液相线，玻璃模具内腔频繁地与高温熔融玻璃接触，这就对其耐热性提出了很高要求。同时，为保证较高的生产机速和生产效率，熔融玻璃冷却时需要迅速通过模具将热量传递出去，要求材料具备优异的导热性。此外，模具开合过程中，玻璃制品还会不可避免地与模具内腔发生磕碰和摩擦，造成内腔表面光洁度下降，产生变形和倒棱，甚至造成模具报废。因此，玻璃模具材料还应具备一定的强度和耐磨性。服役过程中，玻璃模具不停地在大气条件下经历高低温热循环，要求其兼备优异的耐热疲劳性和抗氧化性。

灰铸铁作为传统的金属材料，由于其优良的热导率、优异的切削加工性能和相对低廉的价格而被广泛应用于制造玻璃模具。然而，灰铸铁的抗氧化性和耐热疲劳性较差，模具内腔部位易在服役时产生较厚的氧化皮或热疲劳开裂而发生龟裂现象。

现有的方法多采用在模具内腔热喷涂镍基自熔性合金粉末或镶铸异种金属实现复合，一定程度上提高了模具使用性能，但前者喷涂层在使用过程中容易发生脱落，后者易存在异种金属界面应力大和工艺复杂等缺点。在文献(“多元合金化D型石墨铸铁玻璃模具的研究”合肥工业大学硕士论文)中玻璃模具铸造时，添加适量V、Ti等合金元素并在模具内腔采用冷铁激冷可以获得D型石墨铸铁，但其本质上仍为片状石墨，石墨端部存在应力集中，且合金元素的添加和冷铁的使用增加了模具生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法，该方法的特点是处理后的灰铸铁主体部位石墨仍为片层状，具备优异的导热性，而表层得到超细球墨，耐热疲劳性和抗氧化性较强。

实现本发明的技术解决方案为：

一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法，步骤如下：

步骤1、采用激光表面熔凝处理对灰铸铁表面进行重熔，获得白口表层；

步骤2、对激光表面熔凝处理后的灰铸铁进行石墨化退火，使白口表层石墨化，得到超细球墨化处理层。

其中，步骤1中，选用的灰铸铁的成分为：C：3.3％～3.6％，Si：2.0％～2.4％，Mn：0.5％～0.8％，P：<0.1％，S：<0.1％，其余为Fe。

步骤1中，激光表面熔凝处理采用连续波光纤激光器进行，激光功率为1500～2500W，扫描速度10～20mm/s，离焦量15-25mm。

步骤2中，石墨化退火温度为750℃～950℃，退火时间为1～4h。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1).采用激光进行表面熔凝处理，高效、环保且劳动强度低；

(2).不需要额外添加合金元素或其他耗材，节约资源，降低生产成本；

(3).可以通过改变激光参数控制表面超细球墨化处理层的厚度，自动化程度高且可控性强；

(4).由于表面超细球墨化处理层和基材成分几乎没有差异，有利于减小界面结合和界面应力问题；

(5).采用激光表面熔凝处理+石墨化退火产生的石墨，尺寸远小于液态凝固形成的球墨，且形核率更高，更有利于弱化石墨相对基体的割裂作用，提高抗氧化性和耐热疲劳性能。

具体实施方式

本发明的原理是：首先，通过高功率密度的激光使灰铸铁表面发生重熔，利用金属自身优异的导热性获得极快的冷却速度，得到均匀细密的表面熔凝层，其组织主要为马氏体、渗碳体和残余奥氏体，片状石墨分解且碳原子以固溶形式或碳化物形式存在。在随后的石墨化退火过程中，利用固态相变，使碳原子重新以石墨形式析出。由于激光表面熔凝后的处理层组织细小，存在大量晶体缺陷如致密发达的枝晶界、位错和第二相质点等，为碳原子的石墨化提供了大量形核位置，显著提高了形核率。另外，由于采用的灰铸铁碳和硅含量较高，有利于促进石墨化过程。枝晶间偏析的碳和合金元素也形成了大量成分过冷区域，促进石墨化。最终，获得了尺寸细小且呈均匀弥散分布的球状石墨。

本发明采用的灰铸铁的成分为：C：3.3％～3.6％，Si：2.0％～2.4％，Mn：0.5％～0.8％，P：<0.1％，S：<0.1％，其余为Fe。

实施例1

用砂纸将灰铸铁(灰铸铁的含碳量为3.57wt％，含硅量2.00wt％)表面打磨光滑，并用酒精和丙酮清洗干净后干燥。设置激光功率P＝2000W，扫描速度v＝15mm/s，离焦量z＝18mm，对灰铸铁进行激光表面熔凝处理，处理时侧吹Ar气体保护，出气速率为25L/min。

激光表面熔凝处理后，将试样放入950℃电阻炉中，保温4h后炉冷，待温度降到400-500℃以下取出空冷。

采用实施例1处理后的灰铸铁的主要特征及性能如表1所示。

实施例2

用砂纸将灰铸铁(灰铸铁的含碳量为3.52wt％，含硅量2.08wt％)表面打磨光滑，并用酒精和丙酮清洗干净后干燥。设置激光功率P＝1800W，扫描速度v＝18mm/s，离焦量z＝16mm，对灰铸铁进行激光表面熔凝处理，处理时侧吹Ar气体保护，出气速率为25L/min。

激光表面熔凝处理后，将试样放入900℃电阻炉中，保温4h后炉冷，待温度降到400-500℃以下取出空冷。

采用实施例2处理后的灰铸铁的主要特征及性能如表1所示。

实施例3

用砂纸将灰铸铁(灰铸铁的含碳量为3.48wt％，含硅量2.12wt％)表面打磨光滑，并用酒精和丙酮清洗干净后干燥。设置激光功率P＝2200W，扫描速度v＝14mm/s，离焦量z＝20mm，对灰铸铁进行激光表面熔凝处理，处理时侧吹Ar气体保护，出气速率为25L/min。

激光表面熔凝处理后，将试样放入850℃电阻炉中，保温4h后炉冷，待温度降到400-500℃以下取出空冷。

采用实施例3处理后的灰铸铁的主要特征及性能如表1所示。

表1灰铸铁表面超细球墨化处理后的主要特征及性能

。

Claims

1.一种灰铸铁表面超细球墨化处理方法，其特征在于，步骤如下：

2.如权利要求1所述的灰铸铁表面超细球墨化处理方法，其特征在于，步骤1中，选用的灰铸铁的成分为：C：3.3％～3.6％，Si：2.0％～2.4％，Mn：0.5％～0.8％，P：<0.1％，S：<0.1％，其余为Fe。

3.如权利要求1所述的灰铸铁表面超细球墨化处理方法，其特征在于，步骤1中，激光表面熔凝处理采用连续波光纤激光器进行，激光功率为1500～2500W，扫描速度10～20mm/s，离焦量15-25mm。

4.如权利要求1所述的灰铸铁表面超细球墨化处理方法，其特征在于，步骤2中，石墨化退火温度为750℃～950℃，退火时间为1～4h。