CN109504967A - 一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，通过IPG脉冲光纤激光器对金属材料进行表面强化处理，经过处理的金属材料具有高强度不易损坏，且可以在使用过程中抗腐蚀，生产制作方便，并且制作成本低易于量产化。本发明的金属材料表面强化处理方法还可以具体应用于例如模具型芯等铸件，由于普通的硬质合金制作的型芯加工时较难，因此可以通过对普通钢材质的型芯进行切削、打孔处理成型后，再利用激光机对其金属材料表面进行强化处理，不仅方便加工而且型芯强度高，多层金属涂层的涂覆使得强度、耐磨性、耐腐蚀性相比于单一合金制作的型芯更具有优势。

Description

一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法
技术领域
本发明属于金属材料表面处理领域，具体地涉及利用激光机对金属材料表面强化处理的方法。
背景技术
被誉为20世纪最重大科技发明之一的激光技术刚一问世,就引起了材料科学家的高度重视，激光金属材料表面强化技术于1974年被美国通用汽车公司首次应用于汽车转向器壳内表面激光淬火工艺,淬硬部位的耐磨性比未处理前提高10倍，自此之后激光金属表面强化处理技术引起了各个加工领域专业人员重视，而IPG脉冲光纤激光器作为第三代激光技术的代表，更是具有技术成熟可以小型化。玻璃材料转换率高节约能源、光纤导出易于多维加工等优点。型芯俗称“泥芯”、“芯子”，铸造时用以形成铸件内部结构，在芯盒中手工或机器制成，芯盒用金属制成，在浇铸前装置在铸型内，金属液浇入冷凝后，出砂时将它清除，在铸件中即可形成空腔。为增加型芯强度，通常在型芯内安置由铁丝或铸铁制成的芯骨。
申请号为CN201320854145.9的申请公开了一种硬质合金模具，其通过使用合金制造的型芯来增加型芯的强度，使型芯在使用时不会因为强度不足造成损坏，但其型芯整体采用钨钴硬质合金，不仅型芯的造价高于普通钢材制造的型芯，而且钨钴硬质合金脆性大，不能进行锻造及热处理，在型芯的生产成型过程中也会出现各种问题。
综上可见，目前的市面上的型芯或者采用传统的S136等钢材制造，普通钢材制造的型芯强度不足使用寿命过低，在一些需要高精度产品的制造上更是由于其强度不足不能精确定位，或者采用合金制造型芯，其合金硬度以及成本均过高，给生产以及使用带来了很大的不便，实用性并不好，因此急需在以上各方面对模具型芯的生产制造进行改进。
发明内容
本发明克服以上缺陷提供一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，通过IPG脉冲光纤激光器对普通的钢制模具型芯进行表面强化处理，经过处理的型芯具有高强度不易损坏，且可以在使用过程中抗腐蚀，生产制作方便，并且制作成本低易于量产化。
本发明一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，具体处理方法如下：
步骤1，将铸造得到的金属材料经过初步热处理得到具有一定强度的金属原材料，将金属原材料进行机械加工、打磨后擦拭，去除表面的油污；
步骤2，将待加工的金属原材料置于激光机上进行自动筛选，筛选出尺寸以及初步强度符合要求的金属原材料，将其置于夹具上进行下一步加工；
步骤3，启动激光机对金属材料表面进行去除表面氧化层的刻蚀处理，去掉表面氧化层，处理完毕后自然冷却；
步骤4，冷却0.5h后对金属材料进行预热处理，预热处理达到温度后在金属材料表面上涂覆均匀的陶瓷硬质合金，再次采用激光机进行第一层合金层熔覆，之后快速冷却至-20℃；
步骤5，第一层合金层熔覆完成后冷却的金属材料预热处理，并采用激光器对其表面进行低速扫描，同时采用铝镁合金粉末对金属材料表面进行第二层合金层熔凝处理。
其中，采用激光机进行第一层合金层熔覆时，根据陶瓷硬质合金的需要，采用激光的功率为530-680W/mm2,入射角度为与金属材料表面呈60°左右夹角，在保证激光束强度的同时可以达到处理材料表面面积的最大化，提高处理效率，节省能源；同时由于陶瓷硬质合金的强度高，涂覆在金属材料的表面作为基层可以很好的提高金属材料的强度。
其中，采用铝镁合金粉末对金属材料表面进行第二层合金层熔凝处理时，由于铝镁合金的熔点较低且采用粉末熔凝的方法合金层生成较薄，通常以0.1mm左右为宜，因此其采用激光的功率为330-380W/mm2,入射角度为与金属材料表面呈60°左右夹角，同样可以在保证激光束强度的同时达到处理材料表面面积的最大化、提高处理效率的效果；第二层合金层为抗腐蚀效果以及耐磨效果俱佳的镁铝合金层，将其涂覆在最外层可以使金属材料在第一层合金层熔覆后具有高强度性能的同时，还可以具有更好的抗腐蚀效果以及耐磨效果。
其中，铸造得到的金属材料可以为棒状的钢制型芯基材，基材经过机械加工后形成型芯，机械加工成型后的型芯包括圆柱体，圆柱体上还设置有与模具成型加工的零件相配合的凸台，凸台上或者圆柱体1上用于定位型芯的凹槽，圆柱体上开设有用于固定型芯的固定孔。
机械加工成型后的型芯还包括应力槽，由于凸台与模具成型加工的零件相配合，在模具制造的零件成型冷却后产生的热胀冷缩的变形会集中在凸台与圆柱体的结合部，严重时可能会导致圆柱体弯曲或其结合部应力断裂产生裂纹等损伤，因此通过在凸台上设置具有半圆弧状连接的应力槽，应力槽设置在凸台上可以防止结合部表面应力集中损坏。
对于上述型芯材料的表面强化处理，在上述步骤4进行第一层陶瓷硬质合金涂覆后，需要先对凹槽以及应力槽涂覆钨钴合金，进行激光照射钨钴合金熔覆在后，再进行步骤5的第二层合金层熔凝处理，因为其凹槽处，以及应力槽处均为型芯使用时应力集中的部分，此处对型芯的强度要求更高。
本发明的有益效果为：本发明的金属材料表面强化处理方法还可以具体应用于例如模具型芯等铸件，由于普通的硬质合金制作的型芯加工时较难，因此可以通过对普通钢材质的型芯进行切削、打孔处理成型后，再利用激光机对其金属材料表面进行强化处理，不仅方便加工而且型芯强度高，多层金属涂层的涂覆使得强度、耐磨性、耐腐蚀性相比于单一合金制作的型芯更具有优势。
附图说明
图1 本发明利用激光机对金属材料表面强化处理实施例一的流程图；
图2 本发明实施例二的型芯结构主视图；
图3 本发明实施例二的型芯结构侧视图；
具体实施方式
实施例1
如图1所示，图1为本发明利用激光机对金属材料表面强化处理实施例一的流程图，一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，具体制作方法如下：
步骤1，将铸造得到的金属材料经过初步热处理得到具有一定强度的金属原材料，将金属原材料进行机械加工、打磨后擦拭，去除表面的油污；
步骤2，将待加工的金属原材料置于激光机上进行自动筛选，筛选出尺寸以及初步强度符合要求的金属原材料，将其置于夹具上进行下一步加工；
步骤3，启动激光机对金属材料表面进行去除表面氧化层的刻蚀处理，去掉表面氧化层，处理完毕后自然冷却；
步骤4，冷却0.5h后对金属材料进行预热处理，预热处理达到温度后在金属材料表面上涂覆均匀的陶瓷硬质合金，再次采用激光机进行第一层合金层熔覆，之后快速冷却至-20℃；
步骤5，第一层合金层熔覆完成后冷却的金属材料预热处理，并采用激光器对其表面进行低速扫描，同时采用铝镁合金粉末对金属材料表面进行第二层合金层熔凝处理。
其中，采用激光机进行第一层合金层熔覆时，根据陶瓷硬质合金的需要，采用激光的功率为530-680W/mm2,入射角度为与金属材料表面呈60°左右夹角，在保证激光束强度的同时可以达到处理材料表面面积的最大化，提高处理效率，节省能源；同时由于陶瓷硬质合金的强度高，涂覆在金属材料的表面作为基层可以很好的提高金属材料的强度。
其中，采用铝镁合金粉末对金属材料表面进行第二层合金层熔凝处理时，由于铝镁合金的熔点较低且采用粉末熔凝的方法合金层生成较薄，通常以0.1mm左右为宜，因此其采用激光的功率为330-380W/mm2,入射角度为与金属材料表面呈60°左右夹角，同样可以在保证激光束强度的同时达到处理材料表面面积的最大化、提高处理效率的效果。
其中，铸造得到的金属材料可以为棒状的钢制型芯基材，基材经过机械加工后形成型芯，机械加工成型后的型芯包括圆柱体1，圆柱体1上还设置有与模具成型加工的零件相配合的凸台2，凸台2上或者圆柱体1上用于定位型芯的凹槽3，圆柱体1上开设有用于固定型芯的固定孔4。
实施例2
图2-3为本发明实施例二的型芯结构示意图，可以采用上述实施例1中的激光机对金属材料表面强化处理的方法处理模具的型芯，如图2所示，机械加工成型后的型芯还包括应力槽5，由于凸台2与模具成型加工的零件相配合，在模具制造的零件成型冷却后产生的热胀冷缩的变形会集中在凸台2与圆柱体1的结合部，严重时可能会导致圆柱体1弯曲或其结合部应力断裂产生裂纹等损伤，因此通过在凸台2上设置有应力槽5，应力槽5设置在凸台2上可以防止结合部表面应力集中造成的损坏。应力槽5沿凸台2的圆周均匀设置多个。为了防止开设应力槽5时型芯本体受到机械切割加工时的应力损伤，本发明优选采用直径为10mm的IPG脉冲激光，经过100mm的透镜聚焦后对其进行照射开槽。
对于上述型芯材料的表面强化处理，在上述步骤4进行第一层陶瓷硬质合金涂覆后，需要先对凹槽3以及应力槽5涂覆钨钴合金，进行激光照射钨钴合金熔覆后，再进行步骤5的第二层合金层熔凝处理，因为其凹槽3处，以及应力槽5处均为型芯使用时应力集中的部分，此处对型芯的强度要求更高。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于，具体强化处理方法如下：
步骤1，将铸造得到的金属材料经过初步热处理得到具有一定强度的金属原材料，将金属原材料进行机械加工、打磨后擦拭，去除表面的油污；
步骤2，将待加工的金属原材料置于激光机上进行自动筛选，筛选出尺寸以及初步强度符合要求的金属原材料，将其置于夹具上进行下一步加工；
步骤3，启动激光机对金属材料表面进行去除表面氧化层的刻蚀处理，去掉表面氧化层，处理完毕后自然冷却；
步骤4，冷却0.5h后对金属材料进行预热处理，预热处理达到温度后在金属材料表面上涂覆均匀的陶瓷硬质合金，再次采用激光机进行第一层合金层熔覆，之后快速冷却至-20℃；
步骤5，第一层合金层熔覆完成后冷却的金属材料预热处理，并采用激光器对其表面进行低速扫描，同时采用铝镁合金粉末对金属材料表面进行第二层合金层熔凝处理。
2.一种根据权利要求1所述的利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于上述步骤4中采用激光机进行第一层合金层熔覆时，采用激光的功率为530-680W/mm2,入射角度为与金属材料表面呈60°左右夹角。
3.一种根据权利要求1或2所述的利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于上述步骤5中采用铝镁合金粉末对金属材料表面进行第二层合金层熔凝处理时，采用激光的功率为330-380W/mm2,入射角度为与金属材料表面呈60°左右夹角。
4.一种根据权利要求1或2所述的利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于上步骤1中铸造得到的金属材料为棒状的钢制型芯基材。
5.一种根据权利要求4所述的利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于上述钢制型芯基材经过机械加工后形成型芯，机械加工成型后的型芯包括圆柱体1，圆柱体1上还设置有与模具成型加工的零件相配合的凸台2，凸台2上或者圆柱体1上用于与模具配合定位型芯的凹槽3，圆柱体1上开设有用于固定型芯的固定孔4。
6.一种根据权利要求5所述的利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于，机械加工成型后的型芯还包括应力槽5，应力槽5设置在凸台2上。
7.一种根据权利要求6所述的利用激光机对金属材料表面强化处理的方法，其特征在于，应力槽5沿凸台2的圆周均匀设置多个。
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