CN112481483B - 基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法 - Google Patents

基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属加工技术领域，涉及基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法。本发明提供的方法通过环带激光束对磨砂环带区由内而外依次进行激光热处理，磨砂程度低的高区金属表面组织在吸热后顺势向磨砂程度高的低区金属表面组织呈发散方式流动，即方便内侧金属表面组织快速扩散，提高了热处理效率；金属表面组由内侧向外侧扩散将打磨处理后凹凸部分强化形成光滑表面，既提高了金属表面强化的均匀度，还提高了金属表面的光滑程度；在金属表面涂抹纳米涂液，使得金属表面组织吸热过程中纳米涂液中的纳米成分能够逆势嵌入金属表面组织，从而提高了金属表面强化的硬化程度；平衡在发散方式流动过程中金属表面外侧组织稀疏、内侧组织稠密的问题。

Description

基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法
技术领域
本发明涉及金属加工技术领域，特别涉及基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法。
背景技术
激光热处理技术是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化(或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火)、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上,从而提高抗磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能,延长其使用寿命。
然而，现有激光热处理基本上采用以点形成线或面的形式进行金属表面强化，金属表面吸热强化过程中由于吸收热量分布不均，容易导致金属表面组织流动重组强化时存在各个金属表面局部强化程度分布不均匀；此外，仅依靠激光热处理进行金属表面强化的效果有待进一步提升。
因此，研究设计一种基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法是目前亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有激光热处理进行金属表面强化存在金属表面局部强化程度分布不均匀、强化效果较差的问题，本发明的目的是提供一种基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，具体包括以下步骤。
步骤1、将金属部件表面通过砂纸打磨形成多个同心分布的磨砂环带区，相邻磨砂环带区之间无间隙分布。
步骤2、将打磨后的金属部件置入清洗液中，通过超声波清洗机清洗金属部件表面的碎屑与污质。
步骤3、将纳米涂液涂抹在金属部件的磨砂环带区，并通过激振器初步振动金属部件以使纳米涂液在磨砂环带区的同直径区域均匀分布。
步骤4、采用激光器装置输出与不同磨砂环带区对应的环带激光束，通过环带激光束由内而外依次对磨砂环带区进行激光热处理，同时通过激振器二次振动金属部件；以使金属部件表面吸热后从高区向低区扩散时，纳米涂液逆向流动嵌入金属部件表面形成强化表面层。
进一步地，同一所述磨砂环带区沿远离圆心方向的磨砂程度逐渐加大，内侧磨砂环带区中低程度区的磨砂程度小于外侧磨砂环带区中高程度区的磨砂程度。
进一步地，所述磨砂环带区中高程度区至低程度区的磨砂程度变化呈正弦波中增长趋势减缓的四分之一波长状。
进一步地，所述磨砂环带区沿直径方向的宽度相同，宽度范围为3-5mm。
进一步地，所述激振器初步振动频率为8-16HZ。
进一步地，所述激振器二次振动频率为200-250HZ。
进一步地，所述激光器装置输出的激光脉冲宽度为30-60ps，激光功率密度为300-400MW/cm2。
进一步地，所述激光器装置为环形激光器。
进一步地，所述清洗液由以下成分组成：18-25g/ml的双氧水、22-26g/ml的氢氧化钠、6-8g/ml的柠檬酸钠、8-12g/ml的磷酸二氢钠、30-45g/ml的乙醇。
进一步地，所述纳米涂液由以下重量份成分组成：纳米二氧化钛45-55份、纳米二硫化钨10-15份、铜镍纳米合金20-25份、纳米二氧化锆15-20份。
本发明提供的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法工作原理如下：通过环带激光束对磨砂环带区由内而外依次进行激光热处理，磨砂程度低的高区金属表面组织在吸热后顺势向磨砂程度高的低区金属表面组织呈发散方式流动，即方便内侧金属表面组织快速扩散，提高了热处理效率；同时，金属表面组由内侧向外侧扩散将打磨处理后凹凸部分强化形成光滑表面，既提高了金属表面强化的均匀度，还提高了金属表面的光滑程度；在金属表面涂抹纳米涂液，使得金属表面组织吸热过程中纳米涂液中的纳米成分能够逆势嵌入金属表面组织，从而提高了金属表面强化的硬化程度；此外，纳米涂液大部分置于磨砂程度高的低区，少部分置于磨砂程度低的高区，以此平衡在发散方式流动过程中金属表面外侧组织稀疏、内侧组织稠密的问题。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
(1)本发明提供的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法通过环带激光束对磨砂环带区由内而外依次进行激光热处理，磨砂程度低的高区金属表面组织在吸热后顺势向磨砂程度高的低区金属表面组织呈发散方式流动，即方便内侧金属表面组织快速扩散，提高了热处理效率；同时，金属表面组由内侧向外侧扩散将打磨处理后凹凸部分强化形成光滑表面，既提高了金属表面强化的均匀度，还提高了金属表面的光滑程度。
(2)本发明提供的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法在金属表面涂抹纳米涂液，使得金属表面组织吸热过程中纳米涂液中的纳米成分能够逆势嵌入金属表面组织，从而提高了金属表面强化的硬化程度；此外，纳米涂液大部分置于磨砂程度高的低区，少部分置于磨砂程度低的高区，以此平衡在发散方式流动过程中金属表面外侧组织稀疏、内侧组织稠密的问题。
(3)本发明提供的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法通过对金属部件进行初步振动，使得纳米涂液能够合理分布，为金属表面均匀强化创造条件；同时在金属表面组织与纳米涂液交叉流动过程中，对金属部件以相对较高的频率进行振动，即使得整个金属表面强化覆盖整个强化区域，同时又缩短了强化时间。
(4)本发明本发明提供的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法通过超声波清洗机与清洗液配套使用，能够快速、干净的将金属表面的碎屑与污质去除，并且方便冲洗，提高了金属表面强化质量。
(5)本发明本发明提供的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法结合独特的处理方式与嵌入的纳米涂液，其处理后的金属表面具有高硬化、高密度、金属光泽好、抗磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化、高均匀性等特点。
附图说明
图1是本发明实施例中磨砂环带区的分布示意图。
图2是本发明实施例中环带激光束处理的分布示意图。
图3是本发明实施例中金属部件表面打磨程度曲线图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1。
基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，包括包括以下步骤。
步骤1、如图1与图3所示，将金属部件表面通过砂纸打磨形成多个同心分布的磨砂环带区，相邻磨砂环带区之间无间隙分布。同一磨砂环带区沿远离圆心方向的磨砂程度逐渐加大，内侧磨砂环带区中低程度区的磨砂程度小于外侧磨砂环带区中高程度区的磨砂程度。磨砂环带区中高程度区至低程度区的磨砂程度变化呈正弦波中增长趋势减缓的四分之一波长状，其中，相邻磨砂环带区设有连接高程度区、低程度的缓冲区域，方便打磨。磨砂环带区沿直径方向的宽度相同，宽度范围为3mm。
步骤2、将打磨后的金属部件置入清洗液中，通过超声波清洗机清洗金属部件表面的碎屑与污质。清洗液由以下成分组成：18g/ml的双氧水、22g/ml的氢氧化钠、6g/ml的柠檬酸钠、12g/ml的磷酸二氢钠、42g/ml的乙醇。
步骤3、将纳米涂液涂抹在金属部件的磨砂环带区，并通过激振器初步振动金属部件以使纳米涂液在磨砂环带区的同直径区域均匀分布。激振器初步振动频率为8HZ。
步骤4、如图2所示，采用激光器装置输出与不同磨砂环带区对应的环带激光束，通过环带激光束由内而外依次对磨砂环带区进行激光热处理，同时通过激振器二次振动金属部件。其中，阴影部分为环带激光束，阴影部分内部区域为已完成处理的区域。以使金属部件表面吸热后从高区向低区扩散时，纳米涂液逆向流动嵌入金属部件表面形成强化表面层。激振器二次振动频率为200HZ。激光器装置输出的激光脉冲宽度为30ps，激光功率密度为300MW/cm2。激光器装置为环形激光器。纳米涂液由以下重量份成分组成：纳米二氧化钛45份、纳米二硫化钨10份、铜镍纳米合金25份、纳米二氧化锆20份。
实施例2。
基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，具体包括以下步骤。
步骤1、如图1与图3所示，将金属部件表面通过砂纸打磨形成多个同心分布的磨砂环带区，相邻磨砂环带区之间无间隙分布。同一磨砂环带区沿远离圆心方向的磨砂程度逐渐加大，内侧磨砂环带区中低程度区的磨砂程度小于外侧磨砂环带区中高程度区的磨砂程度。磨砂环带区中高程度区至低程度区的磨砂程度变化呈正弦波中增长趋势减缓的四分之一波长状，其中，相邻磨砂环带区设有连接高程度区、低程度的缓冲区域，方便打磨。磨砂环带区沿直径方向的宽度相同，宽度范围为5mm。
步骤2、将打磨后的金属部件置入清洗液中，通过超声波清洗机清洗金属部件表面的碎屑与污质。清洗液由以下成分组成：25g/ml的双氧水、26g/ml的氢氧化钠、8g/ml的柠檬酸钠、8g/ml的磷酸二氢钠、33g/ml的乙醇。
步骤3、将纳米涂液涂抹在金属部件的磨砂环带区，并通过激振器初步振动金属部件以使纳米涂液在磨砂环带区的同直径区域均匀分布。激振器初步振动频率为16HZ。
步骤4、如图2所示，采用激光器装置输出与不同磨砂环带区对应的环带激光束，通过环带激光束由内而外依次对磨砂环带区进行激光热处理，同时通过激振器二次振动金属部件；以使金属部件表面吸热后从高区向低区扩散时，纳米涂液逆向流动嵌入金属部件表面形成强化表面层。激振器二次振动频率为250HZ。激光器装置输出的激光脉冲宽度为60ps，激光功率密度为400MW/cm2。激光器装置为环形激光器。纳米涂液由以下重量份成分组成：纳米二氧化钛55份、纳米二硫化钨15份、铜镍纳米合金20份、纳米二氧化锆20份。
实施例3。
基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，具体包括以下步骤。
步骤1、如图1与图3所示，将金属部件表面通过砂纸打磨形成多个同心分布的磨砂环带区，相邻磨砂环带区之间无间隙分布。同一磨砂环带区沿远离圆心方向的磨砂程度逐渐加大，内侧磨砂环带区中低程度区的磨砂程度小于外侧磨砂环带区中高程度区的磨砂程度。磨砂环带区中高程度区至低程度区的磨砂程度变化呈正弦波中增长趋势减缓的四分之一波长状，其中，相邻磨砂环带区设有连接高程度区、低程度的缓冲区域，方便打磨。磨砂环带区沿直径方向的宽度相同，宽度范围为4mm。
步骤2、将打磨后的金属部件置入清洗液中，通过超声波清洗机清洗金属部件表面的碎屑与污质。清洗液由以下成分组成：18g/ml的双氧水、22g/ml的氢氧化钠、7g/ml的柠檬酸钠、8g/ml的磷酸二氢钠、45g/ml的乙醇。
步骤3、将纳米涂液涂抹在金属部件的磨砂环带区，并通过激振器初步振动金属部件以使纳米涂液在磨砂环带区的同直径区域均匀分布。激振器初步振动频率为8-16HZ。
步骤4、如图2所示，采用激光器装置输出与不同磨砂环带区对应的环带激光束，通过环带激光束由内而外依次对磨砂环带区进行激光热处理，同时通过激振器二次振动金属部件；以使金属部件表面吸热后从高区向低区扩散时，纳米涂液逆向流动嵌入金属部件表面形成强化表面层。激振器二次振动频率为220HZ。激光器装置输出的激光脉冲宽度为45ps，激光功率密度为350MW/cm2。激光器装置为环形激光器。纳米涂液由以下重量份成分组成：纳米二氧化钛50份、纳米二硫化钨10份、铜镍纳米合金22份、纳米二氧化锆18份。
通过对实施例1-3中处理后的金属表面进行特性检测，其检测结果与未处理之前相比，高硬化性能平均提升了70％以上、高密度76％以上、金属光泽好55％以上、抗磨性53％以上、抗疲劳48％以上、耐腐蚀69％以上、抗氧化69％以上、均匀性80％以上，各个实施例中的检测结果误差在±5％以内。

Claims (8)

1.基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、将金属部件表面通过砂纸打磨形成多个同心分布的磨砂环带区，相邻磨砂环带区之间无间隙分布；
步骤2、将打磨后的金属部件置入清洗液中，通过超声波清洗机清洗金属部件表面的碎屑与污质；
步骤3、将纳米涂液涂抹在金属部件的磨砂环带区，并通过激振器初步振动金属部件以使纳米涂液在磨砂环带区的同直径区域均匀分布；
步骤4、采用激光器装置输出与不同磨砂环带区对应的环带激光束，通过环带激光束由内而外依次对磨砂环带区进行激光热处理，同时通过激振器二次振动金属部件；以使金属部件表面吸热后从高区向低区扩散时，纳米涂液逆向流动嵌入金属部件表面形成强化表面层；
同一所述磨砂环带区沿远离圆心方向的磨砂程度逐渐加大，内侧磨砂环带区中低程度区的磨砂程度小于外侧磨砂环带区中高程度区的磨砂程度；
所述相邻磨砂环带区设有连接高程度区、低程度的缓冲区域；
所述磨砂环带区中高程度区至低程度区的磨砂程度变化呈正弦波中增长趋势减缓的四分之一波长状。
2.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述磨砂环带区沿直径方向的宽度相同，宽度范围为3-5mm。
3.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述激振器初步振动频率为8-16HZ。
4.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述激振器二次振动频率为200-250HZ。
5.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述激光器装置输出的激光脉冲宽度为30-60ps，激光功率密度为300-400MW/cm2。
6.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述激光器装置为环形激光器。
7.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述清洗液由以下成分组成：18-25g/ml的双氧水、22-26g/ml的氢氧化钠、6-8g/ml的柠檬酸钠、8-12g/ml的磷酸二氢钠、30-45g/ml的乙醇。
8.如权利要求1所述的基于激光束热处理的金属部件表面涂层强化方法，其特征在于，所述纳米涂液由以下重量份成分组成：纳米二氧化钛45-55份、纳米二硫化钨10-15份、铜镍纳米合金20-25份、纳米二氧化锆15-20份。
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