CN112355481A - 一种钢件表面激光发蓝处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢件表面激光发蓝处理方法，属于金属表面工程领域，包括以下步骤：将待发蓝钢件安装在高能量脉冲光纤激光器预设工位上；使激光束的激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面上方附近，设定激光清洗参数，使激光能量密度大于附着物清洗阈值并小于基材的损伤阈值，对待发蓝钢件工件进行激光清洗处理，直至待发蓝钢件工件表面露出金属光泽；调节激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面的位置，设定激光发蓝参数，使激光能量密度略大于基材的损伤阈值，对清洗后的待发蓝钢件工件进行激光发蓝处理，得到发蓝钢件工件。本发明的激光发蓝处理方法利用激光进行清洗和发蓝处理，处理过程无污染、效率高且对工件无损伤。

Description

一种钢件表面激光发蓝处理方法

【技术领域】

本发明涉及金属表面工程领域，特别是一种钢件表面激光发蓝处理方法。

【背景技术】

发蓝是指钢铁等金属材料通过化学反应在表面形成连续、致密、粘附性良好的、有一定厚度的蓝黑色氧化膜，能有效提高工件的耐蚀性、耐磨性。发蓝具有成本低、效率高、无破坏等优点，已广泛应用于机械、精密仪器、兵器等各行业钢铁零件的表面防护。

目前，热碱发蓝、常温发蓝、高温空气-水蒸气发蓝是钢材零件发蓝应用最为普遍的工艺。热碱发蓝工艺是将金属工件放置于氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸钠等配制而成的发蓝液,加热至140℃以上保温处理适当时间，形成均匀致密的氧化膜。热碱发蓝一般工艺流程为：碱洗除油-流水冲洗-酸洗除锈-流水冲洗发蓝-流水冲洗皂化-晾干-浸油。虽然热碱发蓝得到的氧化膜呈黑色，膜光亮美观，较耐磨，但是处理过程也存在耗能大、效益低、工艺复杂、污染环境等不足，尤其是亚硝酸的使用对人体健康存在较大的隐患。

常温发蓝是金属工件在常温状态下浸入、喷淋或刷涂酸性的亚硒酸和铜盐配置的常温发蓝液，金属表面随之发生氧化还原沉积反应，形成连续致密的氧化膜。常温发蓝一般工艺流程为：碱洗除油-溢流漂洗·酸洗除锈-溢流漂洗-发蓝溢流漂洗-皂化封闭晾干上油。常温发蓝工艺简单、操作方便、无需加热节约能源、生产效率高、周期短、成本低，但是发蓝膜的均匀性、附着力、耐蚀性和耐磨性有待提高，且急需开发新型低毒或无毒的发蓝液。

高温空气-水蒸气发蓝是金属工件置于540-560℃的蒸汽中使工件表面生成组织细密、粘附性良好的氧化膜。高温空气-水蒸气发蓝处理操作简单，质量容易控制，适于大批量生产。然而,由于处理温度高达540～560℃，并不适用于对温度敏感、尺寸精度要求高的工件处理。

随着产业升级、国家节能减排政策、供给侧改革、环境保护等大环境影响，传统的发蓝工艺面临很多问题，因此,急需发展新型节能环保的金属工件发蓝处理工艺。中国专利CN105039897A中提出的一种金属表面激光发蓝处理装置及方法，利用激光辐照对金属表面进行发蓝处理，使得金属表面产生致密的氧化膜，实现金属表面的发蓝。一如传统发蓝方法该激光发蓝方法仍需在发蓝处理前对待发蓝工件进行打磨抛光和清洁处理。上述打磨抛光处理仍无法避免酸碱废液和固体废物污染。

【发明内容】

本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种钢件表面激光发蓝处理方法，采用高能量脉冲光纤激光器不仅可以利用激光辐照对不同材质和尺寸的钢件工件进行激光清洗处理,还可以利用激光辐照对钢件工件进行激光发蓝处理,解决了现有发蓝处理过程采用化学等方法清洗效率低、能耗高、易污染的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种钢件表面激光发蓝处理方法，包括以下步骤：

1)将待发蓝钢件工件安装在高能量脉冲光纤激光器预设工位上；

2)使激光束的激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面附近，设定激光清洗参数，使激光能量密度大于附着物清洗阈值并小于基材的损伤阈值，对待发蓝钢件工件进行激光清洗处理，直至待发蓝钢件工件表面露出金属光泽；

3)调节激光焦点聚焦的位置，设定激光发蓝参数，使激光能量密度略大于基材的损伤阈值，对清洗后的待发蓝钢件工件进行激光发蓝处理，得到发蓝钢件工件。

清洗阈值取决于被去除的污染层或氧化层，损伤阈值取决于基体材料。若激光能量密度小于附着物清洗阈值，则达不到清洗除污效果，若激光能量密度大于基材损伤阈值，则有可能造成基材烧蚀氧化损坏基材。激光能量密度与激光参数相关，只有合理地调整激光参数使激光能量密度严格处于两个阈值之间，才能在确保在不损伤基体材料的前提下进行有效清洗。而发蓝是使得工件表面形成氧化性保护膜，需要激光能量密度略大于基材的损伤阈值。

进一步的，步骤1)中，所述高能量脉冲光纤激光器的输出功率为100W-1000W，激光波长为1064nm。

该高能脉冲光纤激光器具有较宽的输出功率，便于利用同一激光设备仅通过激光参数调整即可完成激光清洗处理和激光发蓝处理，提高效率。

进一步的，所述激光清洗处理、所述激光发蓝处理均采用平顶激光光束。

由于传统激光器大多采用高斯光束分布，高斯光束存在能量集中的中心区域，容易导致在激光清洗或发蓝过程中，中心区域能量过高超过基体损伤阈值，从而导致基材损伤。平顶激光光束消除了光束高斯分布的能量集中区域，在清洗或发蓝过程中保证整个辐射面激光功率密度保持一致，避免了在清洗过程中脱离附着物的同时导致基材局部损伤的问题。

进一步的，步骤2)中，所述激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面10-30mm之间。

激光焦点距离工件表面的距离称为离焦量，激光清洗处理时，离焦量过小会造成基材损伤，离焦量过大，起不到清洗的作用。

进一步的，步骤3)中，所述激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面±2mm以内。

进一步的，步骤2)中，所述激光清洗处理的激光参数为：激光功率为100-400W，激光频率为20KHz，单脉冲能量为10-25mJ，激光扫描速度15-25mm/s。

激光清洗的机制为：激光器发射的激光光束，辐射在被处理表面上，激光光束产生的热输入直接传到给污染物，污染物受热急剧膨胀，急剧膨胀产生等离子体，产生冲击波；冲击波使污染物变成碎片并被剔除。

进一步的，步骤3)中，所述激光发蓝处理的激光参数为：激光功率为450-650W，激光频率为10KHz，单脉冲能量为5-10mJ，激光扫描速度1-8mm/s。

激光发蓝的机理为：当具有一定能量密度的激光束辐射到钢件工件表面时，在空气环境中，钢件工件表面被加热的铁原子能快速同空气中的氧气发生氧化反应，生成致密的氧化膜，此为发蓝过程。激光发蓝处理过程提高激光功率，降低单脉冲能量、降低激光频率和激光扫描速度，延长激光辐照在单位面积钢件工件上的时间，使得钢铁表面的温度在极短时间内急剧升高，钢件工件表面的铁原子与空气中的氧气迅速反应生成连续、致密、粘附性良好的氧化膜，从而实现钢件工件表发蓝。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点:

1、本发明利用高能脉冲光纤激光器产生的激光辐照到钢件工件表面，通过调整激光参数，即可实现钢件表面的激光清洗处理和激光发蓝处理，激光清洗过程，无污染、效率高、能耗低，对基材无损伤，激光清洗后的钢件进行激光发蓝处理，钢件表面的铁原子在空气中发生氧化反应，使得钢件表面产生致密的氧化膜，实现钢件表面的发蓝，生成的氧化膜具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，该方法可满足不同尺寸的钢铁工件表面发蓝处理。

2、本发明采用的高能脉冲激光器，其激光的输出功率高达100-1000W,具有较宽的输出功率,便于利用同一激光设备仅通过激光参数调整即可完成激光清洗处理和激光发蓝处理，提高效率。

3、本发明的激光清洗处理和激光发蓝处理过程均采用平顶激光光束，去除了光束高斯分布的能量集中区域，在清洗或发蓝过程中保证整个辐射面的激光功率密度保持一致，避免了在清洗过程中脱离附着物的同时导致基材局部损伤的问题，或在激光发蓝过程局部温度过高影响氧化膜的致密。

【具体实施方式】

以下结合实施例对发明的具体实施进一步说明。

实施例1

一种钢件表面激光发蓝处理方法，包括以下步骤：

1)将待发蓝Q235钢件工件安装在高能脉冲光纤激光器预设工位上；

2)将激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面20mm，设定激光清洗参数，使激光能量密度大于大于附着物清洗阈值并小于基材的损伤阈值，对待发蓝钢件工件进行激光清洗处理，直至待发蓝钢件工件表面露出金属光泽。激光清洗处理的激光参数为：激光功率400W，激光频率20KHz，单脉冲能量25mJ，激光扫描速度15mm/s；

3)将激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面±2mm内，设定激光发蓝参数，使激光能量密度略大于基材的损伤阈值，对清洗后的待发蓝钢件工件进行激光发蓝处理，得到发蓝钢件工件。激光发蓝处理的激光参数为：激光功率500W，激光频率10KHz，单脉冲能量10mJ，激光扫描速度6mm/s。

其中，所述高能量脉冲光纤激光器的输出功率为100W-1000W，激光波长为1064nm。所述激光清洗处理、所述激光发蓝处理均采用平顶激光光束。

对发蓝处理后的工件进行发蓝效果验证，验证方法为将发蓝钢件工件采用质量分数为3％的CuSO₄溶液侵蚀剂在室温下进行侵蚀处理30s，侵蚀后取出用滤纸吸干表面余液。观察工件表面有无红点或红斑等锈蚀现象，若无则表明膜层不存在细孔或膜层被损伤口，发蓝膜层具有较高的连续性、致密性。

实施例2

与实施例1不同的是：

步骤2)中，将激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面10mm，激光清洗处理的激光参数为：激光功率300W，激光频率20KHz，单脉冲能量20mJ，激光扫描速度20mm/s；

步骤3)中，将激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面±2mm内，激光发蓝处理的激光参数为：激光功率650W，激光频率10KHz，单脉冲能量5mJ，激光扫描速度8mm/s。

实施例3

与实施例1不同的是：

步骤2)中，将激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面30mm，激光清洗处理的激光参数为：激光功率100W，激光频率20KHz，单脉冲能量10mJ，激光扫描速度25mm/s；

步骤3)中，将激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面±2mm内，激光发蓝处理的激光参数为：激光功率450W，激光频率10KHz，单脉冲能量10mJ，激光扫描速度1mm/s。

对比例1

与实施例1不同的是：步骤2)中激光清洗处理的单脉冲能量为5mJ。

对比例2

与实施例1不同的是：步骤3)中激光发蓝处理的激光功率为400W。

对比例3

与实施例1不同的是：步骤3)中激光发蓝处理的激光扫描速度为15mm/s。

将上述实施例1-3得到的发蓝钢件工件进行耐磨性和耐腐蚀性测试。耐磨性测试方法为采用擦拭法进行，采用白布用力擦拭表面350次后，观察发蓝钢件工件表面有无磨损，白布表面有无污迹，若工件表面无磨损且白布表面亦无污迹，则表明发蓝膜具有优异的耐磨性。耐腐蚀性测试方法为：采用室温中性NaCl盐雾试验法，以空白样(未发蓝处理工件)作为对比样，将空白样和发蓝钢件工件同时连续进行30H盐雾试验，在12H、30H分别观察一次，30H后发蓝钢件工件表面若无腐蚀点或仅出现少量腐蚀点，且空白样表面在12H内表面即被完全腐蚀，则表明发蓝钢件工件具有良好的耐腐蚀性。发蓝效果验证、耐磨性测试和耐腐蚀性测试结果如表1所示。

表1

由表1可知，按照本发明的方法得到的发蓝钢件工件，膜层具有较高的连续性、致密性，耐磨性测试结果显示无明显磨损，白布表面亦无污迹，耐腐蚀性测试测试结果显示仅有少量腐蚀点，表明该方法具有良好耐磨性能和耐腐蚀性能。

对比例结果显示，对比例1中激光清洗处理的单脉冲能量过低，导致清洗过程中损伤基材表面，使得形成的氧化膜层不致密，使得发蓝效果验证出现红点或红斑；对比例2中光发蓝处理的激光功率过低，激光能量过低导致无法在表面形成有效的氧化膜，使得发蓝效果验证出现红点或红斑；对比例3中激光发蓝处理的激光扫描速度过快，激光能量不足，导致表现形成的氧化膜不致密，使得发蓝效果验证出现红点或红斑。由对比例可知，激光清洗和发蓝的参数是获得激光发蓝钢件工件的关键，激光清洗或发蓝的参数设定不合理会发蓝钢件工件的氧化膜连续性、致密性和附着力不能满足要求，得不到符合要求的发蓝钢件工件。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种钢件表面激光发蓝处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将待发蓝钢件工件安装在高能量脉冲光纤激光器预设工位上；

2)使激光束的激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面附近，设定激光清洗参数，使激光能量密度大于附着物清洗阈值并小于基材的损伤阈值，对待发蓝钢件工件进行激光清洗处理，直至待发蓝钢件工件表面露出金属光泽；

3)调节激光焦点聚焦的位置，设定激光发蓝参数，使激光能量密度略大于基材的损伤阈值，对清洗后的待发蓝钢件工件进行激光发蓝处理，得到发蓝钢件工件。

2.根据权利要求1所述的一种钢件表面激光发蓝处理方法,其特征在于：步骤1)中，所述高能量脉冲光纤激光器的输出功率为100W-1000W，激光波长为1064nm。

3.根据权利要求1所述的一种钢件表面激光发蓝处理方法,其特征在于：所述激光清洗处理、所述激光发蓝处理均采用平顶激光光束。

4.根据权利要求1所述的一种钢件表面激光发蓝处理方法,其特征在于：步骤2)中，所述激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面10-30mm之间。

5.根据权利要求1所述的一种钢件表面激光发蓝处理方法,其特征在于：步骤3)中，所述激光焦点聚焦在待发蓝钢件工件表面±2mm以内。

6.根据权利要求1所述的一种钢件表面激光发蓝处理方法,其特征在于：步骤2)中，所述激光清洗处理的激光参数为：激光功率为100-400W，激光频率为20KHz，单脉冲能量为10-25mJ，激光扫描速度15-25mm/s。

7.根据权利要求1所述的一种钢件表面激光发蓝处理方法,其特征在于：步骤3)中，所述激光发蓝处理的激光参数为：激光功率为450-650W，激光频率为10KHz，单脉冲能量为5-10mJ，激光扫描速度1-8mm/s。