CN107699681A - 一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，涉及金属材料表面改性。该方法主要包括灰铸铁表面磁控强冷激光熔凝、激光冲击及后续石墨化退火处理。首先通过激光辐照使灰铸铁表面在磁场作用下发生快速熔化，并进行强制冷却凝固，形成细小的表面白口组织；然后采用激光冲击处理激光熔凝后的灰铸铁表面，改变熔凝层的应力状态，进一步细化表层的白口组织并增加组织缺陷，为石墨化退火做组织准备；最后通过石墨化退火使表面细化白口组织中的渗碳体转化成细小的球状石墨，制得高强韧的表面组织形态。本发明能够有效改善灰铸铁表面组织形态，缩短石墨化时间，显著提高其表面强韧性。本发明工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。

Description

一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重 构方法。
背景技术
灰铸铁生产设备和工艺过程简单、成本低，具有优良的铸造性能，良好的减震性能和耐 磨性能，已被广泛应用于车辆、机床等重要零部件中，在铸铁零件中占比非常大。但是，灰 铸铁的组织是由基体组织和片状石墨构成，而石墨的强度和韧性都接近于零，所以，片状石 墨的存在严重破坏了基体的连续性，减少了基体承受载荷的有效截面积，具有非常大的割裂 基体的作用，大大削弱了基体组织对灰铸铁力学性能的贡献。同时，在片状石墨的尖角处容 易产生应力集中，这使得灰铸铁在应用过程中容易诱发产生裂纹，从而导致零件失效。灰铸 铁中的石墨片的数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对力学性能的削弱作用越大。灰铸铁 低的强韧性严重制约了其发展和应用，因此提高灰铸铁的强韧性已成为国内外学者广泛关注 的重要科学问题。
灰铸铁强韧性的提高已得到了广泛的研究，通常采用的方法是在灰铸铁浇铸的过程中加 入不同元素的强化剂，以增加奥氏体枝晶个数、细化珠光体片间距、细化共晶团或细化石墨 使石墨弯曲和钝化。但是，该方法只适用于灰铸铁成型之前，而且强度提高有限。另外，单 独采用退火、淬火等热处理方法仅能改变基体组织，而无法同时改变石墨的形态，所以其对 灰铸铁性能的提高同样有限。上述方法主要是从整体上改变灰铸铁的组织和性能，然而在实 际应用过程中零件的失效往往是由表面破坏导致的。因此，提高零部件的表面性能成为延长 其使用寿命的有效手段。
随着激光器的发展和应用，激光表面处理已成为零件表面强化的重要技术，应用广泛。 目前用于灰铸铁表面强化的激光表面处理方法主要有激光熔凝，激光熔覆和激光表面合金化。 采用激光熔覆或激光表面合金化处理灰铸铁表面时，在界面上容易出现气孔、裂纹等问题， 且工艺复杂，成本较高。而激光熔凝处理可以使灰铸铁表面组织细化，表层石墨反应生成渗 碳体，形成白口组织，使表层强度得到显著提高。但渗碳体塑韧性几乎为零，致使表面强化 层的脆性较大，不利于使用寿命的延长。因此，迫切需要探索一种同时提高灰铸铁表面强度 和塑韧性的办法，这对于推动灰铸铁零件的应用和发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其 采用磁控强冷激光熔凝、激光冲击与石墨化处理相结合的热力复合方法处理灰铸铁表面，通 过磁控强冷激光熔凝工艺细化灰铸铁表面基体晶粒，并诱使片状石墨转变成细小的渗碳体， 联合激光冲击工艺进一步细化表面组织，增加缺陷，为后续的石墨化处理提供细小的白口组 织，增加扩散通道，加速石墨化过程的进行，促使渗碳体转变成细小的球状石墨，最终获得 具有细小基体晶粒和球状石墨的高强韧表面。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法， 采用磁控强冷激光熔凝、激光冲击与石墨化处理相结合的热力复合方法处理灰铸铁表面，通 过磁控强冷激光熔凝处理在灰铸铁表面获得细小的白口组织，经激光冲击后进一步细化表面 组织，增加缺陷，为后续石墨化退火提供更多扩散通道，缩短石墨化退火时间，促进细化白 口组织中的渗碳体转变成细小的球状石墨，获得表面基体组织和球状石墨细小的高强韧灰铸 铁表面组织形态；具体包括以下步骤：
A)将待处理的灰铸铁试样表面进行预处理；
B)将预处理后的灰铸铁试样固定在数控移动平台上，调整聚焦镜与工件间距离，确定 离焦量；
C)将预处理后的灰铸铁表面进行磁场和强制冷却辅助的激光熔凝处理；
D)在激光熔凝处理后的灰铸铁表面上设置吸收层和约束层，并进行激光冲击处理；
E)将激光冲击处理后的灰铸铁进行石墨化退火处理，制得高强韧的表面组织形态。
上述方案中，所述步骤A)的预处理具体为将待处理的灰铸铁试样表面进行打磨、抛光、 清洗和干燥。
上述方案中，所述步骤C)的磁场为静磁场或旋转磁场，磁场强度为0.5～2T。
上述方案中，所述步骤C)的强制冷却的介质为液氮。
上述方案中，所述步骤C)的激光熔凝处理的激光采用连续CO2或Nd:YAG激光器，最大功率分别为5KW和2KW，激光扫描速度为10～50mm/s，搭接率为20～80％。
上述方案中，所述步骤D)的吸收层为铝箔，约束层为K9玻璃或流水。
上述方案中，所述步骤D)的激光冲击处理的激光功率密度为1～10GW/cm2，激光脉宽 为5～40ns，光斑直径为1～10mm，搭接率为20％～80％。
上述方案中，所述步骤E)的石墨化退火处理的温度为800～900℃，时间为1～5h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用的磁控强冷激光熔凝处理同时结合了磁场、强制冷却和激光熔凝的综合 优势，通过磁场产生的磁力搅拌作用抑制了柱状晶的生长，并结合液氮的强制冷却增加了熔 池的冷却速率，不仅显著细化灰铸铁表面基体晶粒组织，而且使表层原有粗大的片状石墨完 全转变成细小的渗碳体，在提高表面性能的同时形成了后续石墨化退火所需的白口组织。
(2)本发明采用的激光冲击处理能够诱导材料表面发生强烈塑性变形，将激光熔凝层的 残余拉应力转化为残余压应力，并进一步细化表面微观组织，增加表面缺陷密度，加快了石 墨化过程的进行，提高了石墨化效率。
(3)本发明通过石墨化退火处理能够将激光熔凝-冲击强化层中硬而脆的渗碳体转化为 细小的球状石墨，减小了对基体的割裂作用，从而显著提高了灰铸铁表层的强韧性。
(4)本发明采用磁控强冷激光熔凝、激光冲击与石墨化处理相结合的复合方法处理灰铸 铁表面，在细化材料表面微观组织的同时，加速石墨化过程，缩短石墨化时间，促使原有粗 大的片状石墨转变成细小的球状石墨，即使灰铸铁表层形成组织细密的球墨组织形态，改善 了灰铸铁表面的组织形态，显著提高其表面强韧性，而且工艺过程简单，易操作，适合于大 规模批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明主要包括灰铸铁表面磁控强冷激光熔凝、激光冲击及后续石墨化退火处理。对灰 铸铁表面预处理后，首先通过激光辐照使灰铸铁表面在磁场作用下发生快速熔化，并进行强 制冷却凝固，形成细小的表面白口组织；然后采用激光冲击处理激光熔凝后的灰铸铁表面， 改变熔凝层的应力状态，进一步细化表层的白口组织并增加组织缺陷，为石墨化退火做组织 准备；最后通过石墨化退火使表面细化白口组织中的渗碳体转化成细小的球状石墨，制得高 强韧的表面组织形态。本发明能够有效改善灰铸铁表面组织形态，缩短石墨化时间，显著提 高其表面强韧性。本发明工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。
实施例1：
A)将HT200灰铸铁表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
B)将预处理后的灰铸铁试样固定在数控移动平台上，调整聚焦镜与工件间距离，确定离焦 量为15mm；
C)将预处理后的灰铸铁表面在0.5T静磁场和液氮强制冷却下采用连续Nd:YAG激光器进行 激光熔凝处理，激光功率为1000W，扫描速度为10mm/s，搭接率为80％；
D)在激光熔凝处理后的灰铸铁表面上设置铝箔吸收层，并以流水为约束层，进行激光冲击 处理，激光功率密度为10GW/cm2，激光脉宽为40ns，光斑直径为10mm，搭接率为50％；
E)将激光冲击处理后的灰铸铁进行石墨化退火处理，温度为800℃，时间为5h，制得高强韧 的表面组织形态。
采用本发明处理的灰铸铁表面的显微硬度和断裂韧性较未处理试样提高约12％和10％。 因此，采用本发明可以制备出高强韧的表面组织形态。
实施例2：
A)将HT150灰铸铁表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
B)将预处理后的灰铸铁试样固定在数控移动平台上，调整聚焦镜与工件间距离，确定离焦 量为10mm；
C)将预处理后的灰铸铁表面在1T静磁场和液氮强制冷却下采用连续Nd:YAG激光器进行激 光熔凝处理，激光功率为1500W，扫描速度为20mm/s，搭接率为20％；
D)在激光熔凝处理后的灰铸铁表面上设置铝箔吸收层，并以K9玻璃为约束层，进行激光冲 击处理，激光功率密度为1GW/cm2，激光脉宽为5ns，光斑直径为3mm，搭接率为80％；
E)将激光冲击处理后的灰铸铁进行石墨化退火处理，温度为900℃，时间为1h，制得高强韧 的表面组织形态。
采用本发明处理的灰铸铁表面的显微硬度和断裂韧性较未处理试样提高约9％和12％。 因此，采用本发明可以制备出高强韧的表面组织形态。
实施例3：
A)将HT100灰铸铁表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
B)将预处理后的灰铸铁试样固定在数控移动平台上，调整聚焦镜与工件间距离，确定离焦 量为20mm；
C)将预处理后的灰铸铁表面在2T旋转磁场和液氮强制冷却下采用连续CO2激光器进行激光 熔凝处理，激光功率为3000W，扫描速度为50mm/s，搭接率为50％；
D)在激光熔凝处理后的灰铸铁表面上设置铝箔吸收层，并以流水为约束层，进行激光冲击 处理，激光功率密度为6GW/cm2，激光脉宽为10ns，光斑直径为1mm，搭接率为20％；
E)将激光冲击处理后的灰铸铁进行石墨化退火处理，温度为850℃，时间为2h，制得高强韧 的表面组织形态。
采用本发明处理的灰铸铁表面的显微硬度和断裂韧性较未处理试样提高约18％和7％。 因此，采用本发明可以制备出高强韧的表面组织形态。
实施例4：
A)将HT200灰铸铁表面进行打磨、抛光、清洗和干燥预处理；
B)将预处理后的灰铸铁试样固定在数控移动平台上，调整聚焦镜与工件间距离，确定离焦 量为18mm；
C)将预处理后的灰铸铁表面在1.5T旋转磁场和液氮强制冷却下采用连续CO2激光器进行激 光熔凝处理，激光功率为2000W，扫描速度为15mm/s，搭接率为50％；
D)在激光熔凝处理后的灰铸铁表面上设置铝箔吸收层，并以流水为约束层，进行激光冲击 处理，激光功率密度为3GW/cm2，激光脉宽为5ns，光斑直径为5mm，搭接率为60％；
E)将激光冲击处理后的灰铸铁进行石墨化退火处理，温度为830℃，时间为3h，制得高强韧 的表面组织形态。
采用本发明处理的灰铸铁表面的显微硬度和断裂韧性较未处理试样提高约15％和9％。 因此，采用本发明可以制备出高强韧的表面组织形态。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立 的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为 一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他 实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并 非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，采用磁控强冷激光熔凝、激光冲击与石墨化处理相结合的热力复合方法处理灰铸铁表面，通过磁控强冷激光熔凝处理在灰铸铁表面获得细小的白口组织，经激光冲击后进一步细化表面组织，增加缺陷，为后续石墨化退火提供更多扩散通道，缩短石墨化退火时间，促进细化白口组织中的渗碳体转变成细小的球状石墨，获得表面基体组织和球状石墨细小的高强韧灰铸铁表面组织形态；具体包括以下步骤：
A)将待处理的灰铸铁试样表面进行预处理；
B)将预处理后的灰铸铁试样固定在数控移动平台上，调整聚焦镜与工件间距离，确定离焦量；
C)将预处理后的灰铸铁表面进行磁场和强制冷却辅助的激光熔凝处理；
D)在激光熔凝处理后的灰铸铁表面上设置吸收层和约束层，并进行激光冲击处理；
E)将激光冲击处理后的灰铸铁进行石墨化退火处理，制得高强韧灰铸铁表面组织形态。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤A)的预处理具体为将待处理的灰铸铁试样表面进行打磨、抛光、清洗和干燥。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤C)的磁场为静磁场或旋转磁场，磁场强度为0.5～2T。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤C)的强制冷却的介质为液氮。
5.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤C)的激光熔凝处理的激光采用连续CO2或Nd:YAG激光器，最大功率分别为5KW和2KW，激光扫描速度为10～50mm/s，搭接率为20～80％。
6.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤D)的吸收层为铝箔，约束层为K9玻璃或流水。
7.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤D)的激光冲击处理的激光功率密度为1～10GW/cm2，激光脉宽为5～40ns，光斑直径为1～10mm，搭接率为20％～80％。
8.根据权利要求1所述的一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其特征在于，所述步骤E)的石墨化退火处理的温度为800～900℃，时间为1～5h。
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