CN107201427A - 激光相变强化方法及采用该方法制备硬质相的仿生凸轮轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光相变强化方法及采用该方法制备硬质相的仿生凸轮轴，所述激光相变强化方法如下：利用高能量密度的激光光束在工件表面进行扫描使被照射的材料表面温度以极快的速度升到高于固相线10‑20℃，使被加热区域表面被加热到半固态状态，随后被母体快速冷却得到组织为细小的马氏体的仿生单元体，硬度可达690HV‑770HV。利用该方法可以在凸轮轴的凸轮表面制备具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，提高了凸轮表面硬度和抗磨损性能。本发明操作简单、工件变形小、无缺陷，不仅适用于凸轮轴的强化处理，还适用于齿轮、套筒等其他40Cr材质的工件的表面强化处理。

Description

激光相变强化方法及采用该方法制备硬质相的仿生凸轮轴

技术领域

本发明属于金属零部件制造与激光强化处理技术领域，尤其涉及一种激光相变强化方法及采用该方法制备硬质相的仿生凸轮轴。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展，交通运输和工程机械工业的竞争也愈来愈激烈，交通运输机械和工程机械的刹车制动系统，是关系到人身安全的重要部件。特别是车辆在山区、野外等复杂路况或超载超速运行时高温刹车的情况下，对刹车制动系统的性能要求越来越高。车用制动器是车辆的重要部件，是保证行车安全的关键。目前车用制动器主要有两种类型：一种是鼓式制动器，另一种是盘式制动器。鼓式制动器主要由底板、制动鼓、凸轮轴、轮缸、回位弹簧等零部件组成。鼓式制动器的主流是内张式，制动鼓安装在轮毂上，随着车轮一起旋转，它的凸轮轴位于制动鼓内侧，在刹车的时候，轮缸活塞推动凸轮轴压迫制动鼓，凸轮轴向外张开，摩擦制动鼓的内侧，制动鼓受到摩擦减速，迫使车轮停止转动，达到刹车的目的。鼓式制动器是一种较为传统的制动器，在获得相同刹车力矩的情况下，鼓式刹车装置的制动鼓直径可以比盘式制动装置的制动盘直径还要小许多。由于其拥有体积小、制动力大、成本低廉、制动性能良好等优点而被广泛应用于重型卡车上以及经济型汽车后轮作为辅助制动。

对于重型车来说，虽然车速一般不是很高，由于载重量比较大，盘式制动器不适合这种高载荷的场合，并且鼓式制动器的耐用程度也比盘式制动器高。因此，许多重型车至今仍使用四轮鼓式的设计。当前国内挂车半挂车广泛使用的凸轮鼓式制动器是由制动底板、凸轮轴、摩擦衬片、凸轮轴支承销轴、凸轮轴、回位弹簧、调整臂、拉簧、滚柱等零部件组成，轮毂制动鼓是随车轮一起旋转的部件，制动鼓由铸铁做成，开关似圆鼓状，当制动时，凸轮轴转动推动凸轮轴的滚柱端(活动端)向外伸展，使摩擦衬片压迫外侧制动鼓，制动鼓的内壁与摩擦衬片摩擦，逐步使车辆减速，迫使车轮停止转动。其中，凸轮轴是汽车刹车制动系统中关键的机械传动部件，直接影响着机动车的安全性能，一直受到技术人员的密切关注。

鼓式制动器制动凸轮轴，它的产品结构是由凸轮部分和轴杆部分组成,凸轮与轴杆同心连接且位于端部，凸轮的纵截面呈中心对称的S形，该S形的两条外弧是凸轮中心同心圆的渐开线。车辆制动时，S形凸轮表面要与滚柱发生强烈地摩擦，由于传动过程中凸轮轴的传动力不均匀，在传动过程中摩擦系数较大，凸轮表面严重磨损，影响其使用寿命，导致部件的更换频率较高，浪费了大量的材料，增加成本。为了保证凸轮表面的强度，降低其表面的磨损程度，凸轮表面需要进行强化处理，通常采用的处理工艺是中频感应淬火。但是凸轮常用的中频淬火工艺有如下缺点：由于中频淬火属于裸露加热，难免氧化、脱碳，硬度低，抗磨损性能也差。虽然中频淬火有强化层较厚的优点，但因此而产生较大的变形，对后续工序造成很大困难；中频淬火强化层较厚的另一负面影响是制动凸轮轴修复后再淬火，由于淬火层没有完全去除，导致局部重复淬火，容易产生裂纹。

如上所述，我们应该采用一种简单易行、绿色环保的方法来解决磨损问题。自然界中的生物，为了适应环境，经历亿万年的进化和演变，已拥有近乎完美的结构和功能。尤其是体表具有非光滑结构，这种结构是生物为适应生存环境经过亿万年的进化优化而形成的，具有脱附、减阻、耐磨等特点。这些表面非光滑形态为人们发展新型绿色耐磨技术提供了重要的启示。近年来，随着机械仿生学的快速发展，仿生非光滑表面的耐磨效应受到科学界的重视，且应用取得了较多成果。因此，我们将仿生学理论与激光强化处理技术相结合应用于制动凸轮轴表面，来提高制动凸轮轴表面硬度，进而减小磨损，为开发一种新的有效的绿色耐磨技术开拓新的思路，为仿生非光滑耐磨技术的工程化、实用化提供理论依据。

大功率激光器的出现及激光加工技术在工业上的应用日趋广泛、成熟，给凸轮轴表面强化提供了一种新的技术途径，并且已经被证明提高装备寿命和重用性的有效途径。激光处理技术是以激光为热源的热处理技术，通过激光与材料间的相互作用是材料表面发生预期的物理化学变化。激光高能束流作用在金属材料表面，被材料表面吸收并转化为热能。该热量通过热传导机制在材料表层内扩散，产生相应的温度场，使其发生相变，导致材料的性能在一定范围内发生变化，实现对金属材料表面不同的强化处理。

激光强化处理的特点：(1)激光束热源作用在材料表面上的能量密度高、作用时间极短暂，加热冷却速度快，处理效率高。不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。(2)与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度一般比感应淬火高，热影响区小，热应力很小，工件变形极小,激光热处理零件不变形几乎不破坏零件表面粗糙度。(3)激光束易于传输和导向，因此可对复杂零件表面或局部进行处理，如深孔、沟槽表面及盲孔底部等。(4)加热层深度和加热轨迹容易控制，易实现在线计算机控制下的自动化生产。(5)激光强化处理时，加热和冷却过程中的过热度和过冷度均大于常规热处理，由于加热速度快，奥氏体长大及碳原子和合金原子的扩散受到限制，可获得细化和超细化的金属表面组织，强化层组织细密、强韧性好。因此相应获得的表面硬度也高于常规热处理5HRC-10HRC。(6)激光强化处理时，金属表面将会产生200Mpa-800Mpa的残余压应力，从而大幅度提高处理工件表面的疲劳强度及耐磨性能。因此，在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺，尤其重要的是激光强化处理前后工件的变形几乎可以忽略，特别适合高精度要求的零件表面处理。故而采用激光强化处理不但能避免上述凸轮轴进行表面强化中出现的表面精度和尺寸偏差等问题，而且可对工件局部表面进行强化，其强化层可精确控制，其工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。随着我国交通运输业的发展及对绿色环保、节能减排的重视程度，对表面处理工艺提出了更高的要求，特别是对如何提高交通运输机械中耐磨部件加工质量和使用寿命的要求更加迫切，从而使激光强化处理技术在交通运输和工程机械工业中得到普遍应用。

因此，对于开发一种新的凸轮轴激光相变硬化仿生处理方法，改变传统的常规热处理方法，不但具有迫切的研究价值，而且具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种激光相变强化方法，利用该方法能够在凸轮轴表面制备较高硬度的仿生单元体，从而有效提高其表面的抗磨损性能，并且制备了仿生单元体的金属表面无突起和凹坑等缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明的激光相变强化方法采用如下两种技术方案。

技术方案一

本发明的激光相变强化方法如下：利用能量密度为17.78～20.00J/mm²的圆形光斑激光光束在工件表面进行扫描制备仿生单元体，扫描速度为10～15mm/s。

所述工件材质为40Cr钢。

技术方案二

本发明的激光相变强化方法如下：利用能量密度为20.19～25.56J/mm²的线状光斑激光光束在工件表面进行扫描制备仿生单元体，扫描速度为6～8mm/s。

所述工件材质为40Cr钢。

本发明在凸轮轴表面使用高能量激光束(能量为10⁴-10⁵W/cm²)对材料表面进行扫描，使被照射的材料表面温度以极快的速度(升温速度可达10⁵-10⁶℃/s)升到高于固相线10-20℃，这时被加热区域的瞬时温度梯度达到10³–10⁴K/cm，该区域表面被加热到半固态状态。激光作用停止后，被加热区域与冷态基体间温度梯度达到10⁴–10⁵K/cm，随后被母体快速冷却(冷却速度可达10⁵℃/s)，使奥氏体转变为细小的马氏体。该方法制备的仿生单元体，硬度可达690HV-770HV。

本发明与现有技术的激光熔凝方法和激光热处理方法相比，激光熔凝方法由于是将金属表面加热使其熔融再快速冷却，虽然能够得到高硬度的仿生单元体，但是在工件表面会出现凹凸不平的部分，影响其使用；普通激光热处理方法是将工件表面加热到相变点以上熔点以下再冷却得到的马氏体，其冷却过程仅包括固相转变，制备的仿生单元体硬度仅能达到620HV-680HV。而本发明是将工件表面加热到半固态再快速冷却，工件表面不会出现凹凸不平的部分，并且由于冷却过程包含固-固相转变和液-固相转变；液-固相转变能够得到更加细小的马氏体组织，因此制备的仿生单元体硬度可达690HV-770HV，能够大幅度提高凸轮轴表面耐磨性。

本发明操作简单、工件变形小、表面无气孔、无裂纹、效率高、易于实现自动化控制，不仅适用于凸轮轴的凸轮表面的强化处理，还适用于齿轮、套筒、主轴、曲轴、心轴、连杆、进气阀等其他40Cr材质的耐磨工件的表面强化处理。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种利用上述激光相变强化方法制备硬质相的仿生凸轮轴。

为了解决上述技术问题，本发明的利用上述激光相变强化方法制备硬质相的仿生凸轮轴采用下述两种技术方案。

技术方案一

利用上述激光相变强化方法制备硬质相的仿生凸轮轴，其特征在于所述仿生凸轮轴的凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层；硬质相宽度为W1＝3.0mm-5.0mm，深度为H1＝0.5mm-0.7mm，组织为细小的马氏体，硬度为690HV-770HV；软质相为未经激光处理的基体，其宽度为S1＝1mm-3.0mm，硬度为230HV-250HV；硬质相的长度方向与磨损方向的角度为α₁＝15°-45°。

技术方案二

利用上述激光相变强化方法制备硬质相的仿生凸轮轴，其特征在于所述仿生凸轮轴的凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层；硬质相宽度为W2＝13.0mm-15.0mm，深度为H2＝0.7mm-0.9mm；组织为细小的马氏体，硬度为720HV-770HV；软质相为回火区域，其宽度为S2＝1.0mm-3.0mm；组织为回火马氏体，硬度为510HV-540HV；硬质相的长度方向与磨损方向的角度为α2＝15°-45°。

本发明的突出优点在于：本发明受到自然界一些优良的生物体表结构的启发以及前人做过的成功经验，结合仿生学理论，在凸轮轴表面采用激光相变强化的方法，使用高能量(10⁴-10⁵W/cm²)激光束对材料表面进行扫描，使被照射的材料表面温度以极快的速度(升温速度可达10⁵-10⁶℃/s)升到高于固相线10-20℃，这时被加热区域(＜1000μm)的瞬时温度梯度达到10³–10⁴K/cm。激光作用停止后，被加热区域与冷态基体间温度梯度达到10⁴–10⁵K/cm，随后被母体快速冷却(冷却速度可达10⁵℃/s)，使奥氏体转变为细小的马氏体，从而在材料表面形成硬度高于基体的单元体，制备出条纹状的硬质相与软质相交替分布的仿生耐磨损表层。本发明通过调整单元体的宽度、深度以及分布角度制备具有不同硬度差值的软质相和硬质相的类似生物体表结构的仿生耦合区域。由于软质相在硬质相的环绕下，软质相的强度通过硬质相的塑性限制被提高，而且因为软质相具有较好的延展性，硬质相的变形也会减缓，使其表面应力分布更加均匀，这种软质相和硬质相混合的结构具有较高的抗变形能力，使得制动凸轮轴表面的硬度和抗磨损性能均得到明显提高，从而延长其使用寿命并节约材料损耗。激光相变硬化处理方法其相对于中频感应加热淬火的优点是加热速度快、工件变形小、强化处理部位可控、不需要冷却介质、生产效率高、硬度高、无氧化、无污染、低碳节能、绿色环保，带来较大的经济效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1a是本发明采用的制动凸轮轴主视图；图1b是图1a的左视图。

图2是实施例1-3采用本发明激光相变强化处理的具有软硬相间条纹结构耐磨表层的制动凸轮轴凸轮表面局部展开图。

图3是实施例1-3的具有软硬相间条纹结构耐磨表层的截面示意图。

图4是实施例4-6的采用经一次激光相变强化处理和二次激光回火处理的具有软硬相间条纹结构耐磨表层的制动凸轮轴凸轮表面局部展开图。

图5是实施例4-6的具有软硬相间条纹结构耐磨表层的截面示意图。

具体实施方式

下面以制动凸轮轴(材质40Cr)为例对本发明作详细说明。

实施例1：

本实施例的制动凸轮轴适用于牵引或顶推挂车的牵引车。制动凸轮轴激光强化处理方法具体如下：

步骤一、采用机械加工的方法对工件的表面进行处理，达到工件表面的使用要求。

步骤二、对于轻型牵引车来说，选择与其对应的制动凸轮轴凸轮的仿生模型，如表1所示。

表1适用于轻型牵引车制动凸轮轴凸轮的仿生模型

步骤三、根据仿生模型①以及E＝P/DV＝17.78J/mm²的能量密度，采用加工工艺参数如下：圆形光斑尺寸为D＝Φ3mm，激光器功率为P＝800W，扫描速度为V＝15mm/s。

步骤四、将激光光束在工件表面沿设定好的路径进行扫描，使其表面形成条纹形的组织均匀分布、晶粒细化的硬质相单元体。

上述方法制备制动凸轮轴凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，硬质相11的宽度为W1＝3.0mm，深度H1＝0.5mm，组织为细小的马氏体，硬度值为690HV；软质相12为凸轮基体组织，其宽度为S1＝3.0mm，硬度值为230HV；两者硬度差值为460HV。硬质相11的长度方向与磨损方向的角度为α1＝15°，耐磨性提高13％。

实施例2：

本实施例的制动凸轮轴适用于牵引或顶推挂车的牵引车。制动凸轮轴激光强化处理方法具体如下：

步骤一、采用机械加工的方法对工件的表面进行处理，达到工件表面的使用要求。

步骤二、对于中型牵引车来说，选择与其对应的制动凸轮轴凸轮的仿生模型，如表2所示。

表2适用于中型牵引车制动凸轮轴凸轮的仿生模型

步骤三、根据仿生模型②以及E＝P/DV＝18.75J/mm²的能量密度，所采用的加工工艺参数如下：圆形光斑尺寸为D＝Φ4mm，功率为P＝900W，扫描速度为V＝12mm/s。

步骤四、将激光光束在工件表面沿设定好的路径进行扫描，使其表面形成条形的组织均匀分布、晶粒细化的硬质相单元体。

上述方法制备制动凸轮轴凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，硬质相11的宽度为W1＝4.0mm，深度H1＝0.6mm，组织为细小的马氏体，硬度值为730HV；软质相12为凸轮基体组织，其宽度为S1＝2.0mm，硬度值为240HV；两者硬度差值为490HV。硬质相11的长度方向与磨损方向的角度为α1＝30°，耐磨性提高16％。

实施例3：

本实施例的制动凸轮轴适用于牵引或顶推挂车的牵引车。制动凸轮轴激光强化处理方法具体如下：

步骤一、采用机械加工的方法对工件的表面进行处理，达到工件表面的使用要求。

步骤二、对于重型牵引车来说，选择与其对应制动凸轮轴凸轮的仿生模型，如表3所示。

表3适用于重型牵引车制动凸轮轴凸轮的仿生模型

步骤三、根据仿生模型③以及E＝P/DV＝20.00J/mm²的能量密度，所采用的加工工艺参数如下：圆形光斑尺寸为D＝Φ5mm，功率为P＝1000W，扫描速度为V＝10mm/s。

步骤四、将激光光束在工件表面沿设定好的路径进行扫描，使其表面形成条形的组织均匀分布、晶粒细化的硬质相单元体。

上述方法制备制动凸轮轴凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，硬质相11的宽度为W1＝5.0mm，深度H1＝0.7mm，组织为细小的马氏体，硬度值为770HV；软质相12为凸轮基体组织，其宽度为S1＝1.0mm，硬度值为250HV；两者硬度差值为520HV。硬质相11的长度方向与磨损方向的角度为α1＝45°，耐磨性提高19％。

实施例4：

本实施例的制动凸轮轴适用于装载大型货件的挂车。制动凸轮轴激光强化处理方法具体如下：

步骤一、采用机械加工的方法对工件的表面进行处理，达到工件表面的使用要求。

步骤二、对于平板挂车来说，选择与其对应的制动凸轮轴凸轮的仿生模型，如表4所示。

表4适用于平板挂车制动凸轮轴凸轮的仿生模型

步骤三、根据仿生模型④以及E＝P/DV＝20.19J/mm²的能量密度，所采用的加工工艺参数如下：线状光斑尺寸为D＝13mm，功率为P＝2100W，扫描速度为V＝8mm/s。

步骤四、将激光光束在工件表面沿设定好的路径进行扫描，使其发生相变，在凸轮整个表面获得细小的马氏体基体组织。

步骤五、利用脉冲激光器对步骤四加工后的工件表面，按一定间隔呈条形进行回火处理，使该回火区域的硬度降低。根据仿生模型④以及能量密度为E＝3.26J/mm²。所采用的加工工艺参数如下：激光电流160A，激光脉宽为10ms，激光频率为5Hz，激光扫描速度为10mm/s，光斑尺寸为Φ3mm。

上述方法制备制动凸轮轴凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，硬质相13的宽度为W2＝13mm，深度H2＝0.7mm，组织为细小的马氏体，硬度值为720HV；软质相14为回火区域，其宽度为S1＝3.0mm，组织为回火马氏体，硬度值为510HV；两者硬度差值为210HV。硬质相13的长度方向与磨损方向的角度为α2＝15°，耐磨性提高22％。

实施例5：

本实施例的制动凸轮轴适用于装载大型货件的挂车。制动凸轮轴激光强化处理方法具体如下：

步骤一、采用机械加工的方法对工件的表面进行处理，达到工件表面的使用要求。

步骤二、对于长货挂车来说，选择与其对应的制动凸轮轴凸轮的仿生模型，如表5所示。

表5适用于长货挂车制动凸轮轴凸轮的仿生模型

步骤三、根据仿生模型⑤以及E＝P/DV＝22.45J/mm²的能量密度，所采用的加工工艺参数如下：线状光斑尺寸为D＝14mm，功率为P＝2200W，扫描速度为V＝7mm/s。

步骤四、将激光光束在工件表面沿设定好的路径进行扫描，使其发生相变，在凸轮整个表面获得马氏体基体组织。

步骤五、利用脉冲激光器对步骤四加工后的工件表面，按一定间隔呈条形进行回火处理，使该回火区域的硬度降低。根据仿生模型⑤以及能量密度为E＝3.99J/mm²。所采用的加工工艺参数如下：激光电流130A，激光脉宽为7ms，激光频率为5Hz，激光扫描速度为10mm/s，光斑尺寸为Φ2mm。

上述方法制备制动凸轮轴凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，硬质相13的宽度为W2＝14mm，深度H2＝0.8mm，组织为细小的马氏体，硬度值为750HV；软质相14为回火区域，其宽度为S1＝2.0mm，组织为回火马氏体，硬度值为530HV；两者硬度差值为220HV。硬质相13的长度方向与磨损方向的角度为α2＝30°，耐磨性提高25％。

实施例6：

本实施例的制动凸轮轴适用于装载大型货件的挂车。制动凸轮轴激光强化处理方法具体如下：

步骤一、采用机械加工的方法对工件的表面进行处理，达到工件表面的使用要求。

步骤二、对于桥式挂车来说，选择与其对应的制动凸轮轴凸轮的仿生模型，如表8所示。

表8适用于桥式挂车制动凸轮轴凸轮的仿生模型

步骤三、根据仿生模型⑥以及E＝P/DV＝25.56J/mm²的能量密度，所采用的加工工艺参数如下：线状光斑尺寸为D＝15mm，功率为P＝2300W，扫描速度为V＝6mm/s。

步骤四、将激光光束在工件表面沿设定好的路径进行扫描，使其发生相变，在整个凸轮表面获得马氏体基体组织。

步骤五、利用脉冲激光器对步骤四加工后的工件表面，按一定间隔呈条形进行回火处理，使该回火区域的硬度降低。根据仿生模型⑥以及能量密度为E＝4.23J/mm²。所采用的加工工艺参数如下：激光电流100A，激光脉宽为3ms，激光频率为5Hz，激光扫描速度为10mm/s，光斑尺寸为Φ1mm。

上述方法制备制动凸轮轴凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层，硬质相13的宽度为W2＝15mm，深度H2＝0.9mm，组织为细小的马氏体，硬度值为770HV；软质相14为回火区域，其宽度为S1＝1.0mm，组织为回火马氏体，硬度值为540HV；两者硬度差值为230HV。硬质相13的长度方向与磨损方向的角度为α2＝45°，耐磨性提高29％。

Claims (6)

1.一种激光相变强化方法，其特征在于该方法如下：利用能量密度为17.78～20.00J/mm²的圆形光斑激光光束在工件表面进行扫描制备仿生单元体，扫描速度为10～15mm/s。

2.根据权利要求1所述的激光相变强化方法，其特征在于所述工件材质为40Cr钢。

3.一种激光相变强化方法，其特征在于该方法如下：利用能量密度为20.19～25.56J/mm²的线状光斑激光光束在工件表面进行扫描制备仿生单元体，扫描速度为6～8mm/s。

4.根据权利要求3所述的激光相变强化方法，其特征在于所述工件材质为40Cr钢。

5.一种利用上述激光相变强化方法制备硬质相的仿生凸轮轴，其特征在于所述仿生凸轮轴的凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层；硬质相宽度为W1＝3.0mm-5.0mm，深度为H1＝0.5mm-0.7mm，组织为细小的马氏体，硬度为690HV-770HV；软质相为未经激光处理的基体，其宽度为S1＝1mm-3.0mm，硬度为230HV-250HV；硬质相的长度方向与磨损方向的角度为α₁＝15°-45°。

6.一种利用上述激光相变强化方法制备硬质相的仿生凸轮轴，其特征在于所述仿生凸轮轴的凸轮表面具有软硬相间条纹结构的耐磨表层；硬质相宽度为W2＝13.0mm-15.0mm，深度为H2＝0.7mm-0.9mm；组织为细小的马氏体，硬度为720HV-770HV；软质相为回火区域，其宽度为S2＝1.0mm-3.0mm；组织为回火马氏体，硬度为510HV-540HV；硬质相的长度方向与磨损方向的角度为α2＝15°-45°。