CN114107650A - 一种内台阶环形工件局部激光淬火处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内台阶环形工件局部激光淬火处理方法及装置。该方法包括：S1准备步骤，将工件清洗干净并干燥，确保表面清洁；S2淬火步骤，将工件隔着垫片固定在平台卡盘上，调整平台倾角，使得激光光束照射于工件淬火面，工件淬火面在激光焦距±5mm范围内，设定扫描速率，依次开启旋转平台，打开氮气阀门，开启激光，平台旋转375°～385°后关闭激光，关闭激光后继续气冷2～3min，关闭氮气阀门，平台停止旋转；S3打磨步骤：用砂纸打磨去除淬火面氧化皮；S4重复步骤：重复S2、S3步骤1～3次。本发明有益效果包括：中碳结构钢内台阶环形工件经过本发明的激光淬火处理，可在指定局部区域获得晶粒极细、位错密度极高且具有压应力的硬化层，表面硬度可达650HV以上。
Description
技术领域
本发明涉及高能束热处理技术领域，具体涉及一种内台阶环形工件局部激光淬火处理方法及装置。
背景技术
内台阶环形结构是广泛应用于机械制造的零件结构形式，如弹簧盖、套筒、环形模具等均有应用，以锁紧机构弹簧盖为例，需在反复锁紧与松开的动作中接受冲击，其使用环境要求零件整体具有较好的强韧性，而局部内台阶接触面具有高硬度。若零件采用整体热处理，则存在能源浪费和变形两大缺点，倘若零件局部区域有效厚度较大，则通过整体热处理难以获得设计要求的表面性能。
激光表面淬火是一项新兴绿色热处理技术，其工作机理是通过高能激光束快速加热工件局部，基体材料表层奥氏体化后，再通过金属材料良好的导热性，以104～106℃/s的速度快速冷却。通过相变过程中很大的过热度和过冷度的得到晶粒极细、位错密度极高且具有压应力的硬化层。激光表面淬火属于非接触加热，加热速度和冷却速度都很快，热影响区小，零件变形小，而且是针对零件局部区域进行强化，能源利用效率高。
本领域需要用于内台阶环形工件局部激光淬火处理方法及装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1准备步骤，将工件清洗干净并干燥，确保表面清洁；
S2淬火步骤，将工件隔着垫片固定在平台卡盘上，调整平台倾角，使得激光光束照射于工件淬火面，工件淬火面在激光焦距±5mm范围内，设定扫描速率，依次开启旋转平台，打开氮气阀门，开启激光，平台旋转375°～385°后关闭激光，关闭激光后继续气冷2～3min，关闭氮气阀门，平台停止旋转；
S3打磨步骤：用砂纸打磨去除淬火面氧化皮；
S4重复步骤：重复S2、S3步骤1～3次。
进一步的是，在S1准备步骤中，所述工件为经过调质预先热处理后的工件，硬度满足HRC28～32，所述清洗为用清洗剂、有机溶剂清洗，所述干燥为在＜100℃烘箱中进行烘干或用干燥压缩空气吹干。
进一步的是，在S2淬火步骤中，平台旋转380°后关闭激光；在S3打磨步骤中，用600#砂纸打磨，注意打磨量，仅去除氧化露出工件金属色；在S4重复步骤中，重复S2、S3步骤两次。
进一步的是，产生所述激光的激光淬火设备为半导体激光器，波长约为980nm，焦距为345mm，光斑尺寸为17mm×1.5mm。
进一步的是，激光出光功率为1000W，激光扫描速率为4.5～5.5mm/s，氮气为纯度≥99.999％的高纯氮气，出气压力为0.4～0.6MPa。
本发明还提供了一种内台阶环形工件局部激光淬火处理装置，其特征在于，其包括一个带有用于固定工件的三角卡盘的旋转平台；以可调节氮气喷嘴的出口位置对准淬火面的方式固定于装置的具有氮气喷嘴的氮气管，一个保护工件的装夹点和屏蔽激光的垫片。
进一步的是，所述的氮气管为外径6mm，壁厚1mm，材质为1Cr18Ni9Ti的不锈钢管。
进一步的是，所述垫片为平面的，由位于中心的圆形的陶瓷片和由中心向外周延伸的长条形的纯铜片组成，中间的陶瓷片负责屏蔽激光，四周的铜片负责保护零件装夹点。
进一步的是，所述铜片为δ1mm退火态纯铜片，所述陶瓷片为Al2O3陶瓷片，数量为3片。
本发明的有益效果在于，(1)控制激光淬火功率和扫描速率，通过多次扫描增加硬化层深度；(2)高压氮气跟随激光淬火路径吹扫工件表面，增加淬火冷却效果；(3)在平台上固定高压氮气出口，提升工件淬火实时冷却效果；(4)通过激光屏蔽垫片，保护非加工区免受激光辐照。中碳结构钢内台阶环形工件经过本发明的激光淬火处理，可在指定局部区域获得晶粒极细、位错密度极高且具有压应力的硬化层，表面硬度可达650HV以上。
附图说明
图1是本发明内台阶环形工件局部激光淬火处理装置的示意图。
图2是本发明内台阶环形工件局部激光淬火处理装置垫片的示意图。
附图标记说明：
1-激光器、2-氮气喷嘴、3工件、4-旋转平台、5-垫片、6-纯铜片、7-陶瓷片。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所达成目的及功效，下面将结合实施例详细说明。
本发明提供了一种内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其分为准备、淬火、打磨三个步骤，以下针对各个步骤详细说明操作方法、工艺参数等内容。
S1准备步骤
将工件用清洗剂、有机溶剂等清洗干净，并在＜100℃烘箱中进行烘干或用干燥压缩空气吹干，确保表面清洁。所述工件材质优选为中碳结构钢，优选为经过调质预先热处理(硬度满足HRC28～32)的工件。
S2淬火步骤
S21将工件隔着垫片固定在平台卡盘上，调整平台倾角，使得激光光束照射于工件淬火面，工件淬火面在激光焦距(例如345mm)±5mm范围内。在一个优选的实施方式中，产生上述激光的激光淬火设备为半导体激光器，波长约为980nm，焦距为345mm，光斑尺寸为17mm×1.5mm。
S22设定激光扫描速率、激光出光功率、和氮气压力，依次开启平台旋转，打开氮气阀门，开启激光。优选的是，激光出光功率为1000W。激光扫描速率为4.5～5.5mm/s。优选的是，所述的氮气为纯度≥99.999％的高纯氮气，出气压力为0.4～0.6MPa。
S23平台旋转375°～385°后关闭激光。由于存在一定的热影响，因此平台旋转超过360度，具体旋转角度可以按照实际确定，优选的旋转角度为380°。在此情况下，淬火处理的均匀性等能够最佳化。
S24关闭激光后继续气冷2～3min，关闭氮气阀门，平台停止旋转。
S3打磨步骤
用砂纸打磨去除淬火面氧化皮。优选的是，注意打磨量，仅去除氧化露出工件金属色，不要过度打磨。砂纸优选采用600#砂纸。
S4重复步骤，重复S2、S3步骤1～3次，优选重复2次。
图1是本发明内台阶环形工件局部激光淬火处理装置的示意图。如图1所示，本发明的内台阶环形工件局部激光淬火处理装置主要由三部分组成：一个带有用于固定工件3的三角卡盘的旋转平台4，可以通过电机控制转速；固定于装置的具有氮气喷嘴2的氮气管，可调节氮气喷嘴2的出口位置对准淬火面；一个保护工件3的装夹点和屏蔽激光的垫片5。在一个实施方式当中，所述的氮气管为外径6mm，壁厚1mm，材质为1Cr18Ni9Ti的不锈钢管。旋转平台4可以具有倾斜角度，以便于激光照射到工件3部位。图2是本发明内台阶环形工件局部激光淬火处理装置垫片的示意图。如图2所示，垫片5为平面的，由位于中心的圆形的陶瓷片7和由中心向外周延伸的长条形的纯铜片6组成。中间的陶瓷片7负责屏蔽激光，四周的铜片6负责保护零件装夹点。在一个实施方式当中，铜片6为δ1mm退火态纯铜片，陶瓷片7为Al2O3陶瓷片，数量为3片。
实施例1：
准备步骤S1，详细说明如下：
将经过调质预先热处理后的38CrMoAl中碳钢工件(硬度满足HRC28～32)用清洗剂、有机溶剂等清洗干净，并在＜100℃烘箱中进行烘干或用干燥压缩空气吹干，确保表面清洁。
淬火步骤S2，该步骤包括步骤S21至步骤S24，具体详述如下：
S21将工件隔着垫片固定在平台卡盘上，调整平台倾角，激光光束照射于工件淬火面，工件淬火面在激光焦距(345mm)±5mm范围内。
S22设定扫描速率5mm/s，设定激光功率1000W，设定氮气压力0.5MPa；依次开启平台旋转，打开氮气阀门，开启激光。
S23平台旋转380°后关闭激光。
S24关闭激光后继续气冷3min，关闭氮气阀门，平台停止旋转。
打磨步骤S3，详细说明如下：
用600#砂纸打磨去除淬火面氧化皮，注意打磨量，仅去除氧化露出工件金属色。
步骤S4，重复步骤S2、S3两次。
根据以上方法进行38CrMoAl中碳钢内台阶环形工件局部激光淬火后的表面硬度为709HV，硬化层深度＞500μm。
实施例2：
准备步骤S1，详细说明如下：
将经过调质预先热处理后的30CrMnSiA中碳钢工件(硬度满足HRC28～32)用清洗剂、有机溶剂等清洗干净，并在＜100℃烘箱中进行烘干或用干燥压缩空气吹干，确保表面清洁。
淬火步骤S2，该步骤包括步骤S21至步骤S24，具体详述如下：
S21将工件隔着垫片固定在平台卡盘上，调整平台倾角，激光光束照射于工件淬火面，工件淬火面在激光焦距(345mm)±5mm范围内。
S22设定扫描速率5mm/s，设定激光功率1000W，设定氮气压力0.5MPa；依次开启平台旋转，打开氮气阀门，开启激光。
S23平台旋转380°后关闭激光。
S24关闭激光后继续气冷3min，关闭氮气阀门，平台停止旋转。
打磨步骤S3，详细说明如下：
用600#砂纸打磨去除淬火面氧化皮，注意打磨量，仅去除氧化露出工件金属色。
步骤S4，重复步骤S2、S3两次。
根据以上方法进行30CrMnSiA中碳钢内台阶环形工件局部激光淬火后的表面硬度为653HV，硬化层深度＞500μm。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1准备步骤，将工件清洗干净并干燥，确保表面清洁；
S2淬火步骤，将工件隔着垫片固定在平台卡盘上，调整平台倾角，使得激光光束照射于工件淬火面，工件淬火面在激光焦距±5mm范围内，设定扫描速率，依次开启旋转平台，打开氮气阀门，开启激光，平台旋转375°～385°后关闭激光，关闭激光后继续气冷2～3min，关闭氮气阀门，平台停止旋转；
S3打磨步骤：用砂纸打磨去除淬火面氧化皮；
S4重复步骤：重复S2、S3步骤1～3次。
2.根据权利要求1所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其特征在于，在S1准备步骤中，所述工件为经过调质预先热处理后的工件，硬度满足HRC28～32，所述清洗为用清洗剂、有机溶剂清洗，所述干燥为在＜100℃烘箱中进行烘干或用干燥压缩空气吹干。
3.根据权利要求1所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其特征在于，在S2淬火步骤中，平台旋转380°后关闭激光；在S3打磨步骤中，用600#砂纸打磨，注意打磨量，仅去除氧化露出工件金属色；在S4重复步骤中，重复S2、S3步骤两次。
4.根据权利要求1所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其特征在于，产生所述激光的激光淬火设备为半导体激光器，波长约为980nm，焦距为345mm，光斑尺寸为17mm×1.5mm。
5.根据权利要求1所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理方法，其特征在于，激光出光功率为1000W，激光扫描速率为4.5～5.5mm/s，氮气为纯度≥99.999％的高纯氮气，出气压力为0.4～0.6MPa。
6.一种内台阶环形工件局部激光淬火处理装置，其特征在于，其包括一个带有用于固定工件的三角卡盘的旋转平台；以可调节氮气喷嘴的出口位置对准淬火面的方式固定于装置的具有氮气喷嘴的氮气管，一个保护工件的装夹点和屏蔽激光的垫片。
7.根据权利要求6所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理装置，其特征在于，所述的氮气管为外径6mm，壁厚1mm，材质为1Cr18Ni9Ti的不锈钢管。
8.根据权利要求6所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理装置，其特征在于，所述垫片为平面的，由位于中心的圆形的陶瓷片和由中心向外周延伸的长条形的纯铜片组成，中间的陶瓷片负责屏蔽激光，四周的铜片负责保护零件装夹点。
9.根据权利要求8所述的内台阶环形工件局部激光淬火处理装置，其特征在于，所述铜片为δ1mm退火态纯铜片，所述陶瓷片为Al2O3陶瓷片，数量为3片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220301 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |