CN114318212A - 一种激光复合等离子电火花合金化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光复合等离子电火花合金化方法，石墨作阳极，钢部件作阴极；包括下列步骤：步骤一，通过等离子电火花合金化对钢部件进行渗碳；步骤二，等离子电火花合金化之后进行表面激光处理；步骤三，通过等离子电火花合金化进行渗碳时，直接在电极后面聚焦束，并在垂直于合金化方向上对渗碳层进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。按照原型方法，在指定加工条件下，通过逐步降低加工能量进行多道电蚀合金化，可以得到深度为0.30‑0.35 mm且表面粗糙度小于Ra5.0mm的渗碳层。本发明与使用相同电极的原型方法相比，使用本发明可以使耐磨性提高约35‑40%，在使用改性电极情况下，耐磨性可以提高80%，同时降低表面粗糙度。
Description
技术领域
本发明属于激光、电物理和电化学加工方法技术领域，尤其涉及一种激光复合等离子电火花合金化方法。
背景技术
已知的一种通过电蚀合金化硬化钢零件表面的方法[专利UA103701C2:通过热处理硬化钢零件表面的方法。发明人:Martsinkovskiy V.S., Tarelnik V.B. 2013年11月11日]。本发明专利提供一种通过热处理硬化钢零件表面的方法。本方法包含电蚀合金化，即对热处理后的零件进行电蚀合金化与离子氮化，其中离子氮化在电蚀合金化之前和之后进行。离子氮化时间以确保合金化层能充分氮化。通过这种方法可以提高合金化层的性能，特别是耐磨性。
已知的一种通过用高能束处理来平滑和抛光表面的方法 [专利 US7592563B2:Method for smoothing and polishing surfaces by treating them with energeticradiation. 发明人: K. Wissenbach, E. Willenborg, N.Pirch. C21D1/09.22.09.2009.]。本发明涉及一种使用高能束，特别是激光束来平滑和抛光表面的方法。本方法分为两个阶段，第一阶段使用指定的能量束重熔待平滑表面，使用连续辐射或脉冲持续时间≥100微秒的脉冲辐射，重熔深度为5至100 微米；第二阶段采用第一阶段的加工参数进行抛光，抛光深度大于平滑表面的粗糙度值。使用这个方法可以快速且经济地抛光三维体表面。
与所描述的方法在技术本质(原型)上最接近的是一种通过电蚀合金化进行钢件渗碳的方法[专利 RU 2468899 C1: 一种使用电蚀合金化进行钢件渗碳的方法。发明人：Martsinkovskiy V.S., Tarelnik V.B., Bratushchak M.P. B23Н9/00. 10.12.2012.] 。根据本发明，钢件渗碳时，石墨作阳极，钢件作阴极，分阶段对零部件表面进行电蚀合金化。在随后的每个阶段，电蚀合金化的放电能量逐步降低，这样既可以降低钢件表面粗糙度，又能保持表面质量。
一种通过电蚀合金化硬化钢零件表面的方法的缺点是需要执行两个操作（电蚀合金化和相应的离子氮化），这会导致设备数量增加、加工成本增加、生产率下降。同时，电蚀合金化过程中发生的微电弧作用造成金属飞溅，增加了加工表面的粗糙度。
一种通过用高能束处理来平滑和抛光表面的方法的缺点是仅改善了待处理表面的粗糙度，而没有使其得到硬化。
一种通过电蚀合金化进行钢件渗碳的方法的缺点是渗碳后没有进行热处理，会导致处理的表面上形成碳化物网状裂纹、且碳化物厚度不均匀，耐磨层强度不足。
针对上述技术问题，故需要进行改进。
发明内容
本发明旨在提供一种激光复合等离子电火花表面合金化方法。解决现有技术中渗碳后没有进行热处理，导致处理的表面上形成碳化物网状裂纹、且碳化物厚度不均匀，耐磨层强度不足等问题。与渗碳过程相比，通过本方法，可以显著提高表面硬度和耐磨性，同时降低表面粗糙度、均匀渗碳层。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种激光复合等离子电火花合金化方法，石墨作为阳极，钢部件作为阴极；包括下列步骤：
步骤一，通过等离子电火花合金化对钢部件进行渗碳；
步骤二，等离子电火花合金化之后进行表面激光处理；
步骤三，通过等离子电火花合金化进行渗碳时，直接在电极后面聚焦激光束，并在垂直于合金化方向对渗碳层进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
作为本发明的一种优选方案，通过等离子电火花合金化进行渗碳时，直接在电极前面聚焦激光束，垂直于合金化方向进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
作为本发明的一种优选方案，在使用等离子火花合金化进行渗碳时，可在电极前后同时聚焦激光束，垂直于合金化方向进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
作为本发明的一种优选方案，激光重熔是在等离子电火花合金化之后进行的，横向扫描可以进行也可以不进行。
作为本发明的一种优选方案，激光扫描的搭接率为0-50%，扫描轨道之间的距离为轨道宽度的10 -100%。
作为本发明的一种优选方案，石墨电极含有尺寸小于100μm的高硬度耐磨微粒，激光束可以是连续的，也可以是脉冲的。
作为本发明的一种优选方案，使用连续激光束时，功率范围为20-2000W；使用脉冲激光束时，脉冲频率为5Hz至50kHz，功率范围为20-2000W。
作为本发明的一种优选方案，可使用合金材料电极，此时在零件合金化区域形成金属间化合物相。
作为本发明的一种优选方案，等离子电火花和激光处理在氮气或二氧化碳气体气氛中进行。
作为本发明的一种优选方案，可使用钛合金或铝合金零件作为阴极。
本发明的有益效果是：
1.本发明在指定的加工条件下，在金属基材上获得深度为0.5mm硬化层，包含重熔合金区（深度为0.30-0.35mm）和固相硬化区。在此情况下，加工的表面粗糙度为 Ra 2.5-5.0mm。按照原型方法，通过逐步降低加工能量进行多道电蚀合金化，可以得到深度为0.30-0.35 mm且表面粗糙度不超过Ra5.0mm的渗碳层。
2.根据原型方法使用石墨电极进行电蚀合金化，测得的加工表面磨损率为0.55g/h；使用本方法进行合金化，测得的磨损率为0.40 g/h；当使用含有Al2O3 微粒添加剂的石墨电极时，测得的磨损率为0.30g/h。
3.本发明与使用相同电极的原型方法相比，使用所提出的一种激光复合等离子电火花合金化方法可以使耐磨性提高约35-40%，在使用改性电极情况下，耐磨性可以提高80%，同时降低表面粗糙度。
这表明其有效性。
附图说明
图1是本发明一种激光复合等离子电火花合金化方法的原理图；
图中，1-脉冲发生器 2-工件 3-电极 4-振动器 5-激光束
图2是本发明中所用的由VoroshilovgradPTIMASh公司(俄罗斯)生产的EILV-8电火花加工装置；
图3是本发明中所用的由Maxphotonics Co.,Ltd公司（中国）生产的MFSC1000W光纤激光器；
图4是本发明使用石墨电极对100×50 mm板材的表面合金化图；
图5是本发明聚焦激光束的扫描搭接率为约 20% 时的实际加工图
图6是本发明重熔合金区（深度为0.30-0.35mm）和固相硬化区的组织形貌；
图中，6-金属基材 7-重熔合金区 8-固相硬化区
图7是本发明对Ø50×20 mm35NiCrMoV12-5钢圆柱样品进行合金化处理后的效果；
图8是本发明试验台的结构示意图。
图中，9-样品 10-配对摩擦副 11-载荷。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间单元间接相连，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明涉及一种激光复合等离子电火花合金化方法，石墨作阳极，钢部件作阴极；包括下列步骤：
步骤一，通过等离子电火花合金化对钢部件进行渗碳；
步骤二，等离子电火花合金化之后进行表面激光处理；
步骤三，通过等离子电火花合金化进行渗碳时，直接在电极后面聚焦激光束，并在垂直于合金化方向上对渗碳层进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
在指定的加工条件下，在金属母材上获得了深度为0.5mm硬化层，其中包含重熔合金区（深度为0.30-0.35mm）和固相硬化区。在此情况下，加工的表面粗糙度为Ra2.5-5.0mm。按照原型方法，通过逐步降低加工能量进行多道电蚀合金化，可以得到深度为0.30-0.35 mm且表面粗糙度不超过Ra5.0mm的渗碳层。
其中，通过等离子电火花合金化进行渗碳时，可直接在电极前面聚焦激光束，同时在垂直于合金化方向进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
激光重熔是在等离子电火花合金化之后进行的，而且激光扫描可以进行也可以不进行。
激光扫描的搭接率为0-50%，扫描轨道之间的距离为轨道宽度的10 -100%。
石墨电极含有尺寸小于100μm的高硬度耐磨微粒，激光束可以是连续的，也可以是脉冲的。
使用连续激光束时，功率范围为20-2000W；使用脉冲激光束时，脉冲频率为5Hz至50kHz，功率范围为20-2000W。
使用合金材料电极时可以在零件合金化区域形成金属间化合物相。
等离子电火花和激光处理在氮气或二氧化碳气体气氛中进行。
可以使用钛合金或铝合金零件作为阴极。
与使用相同电极的原型方法相比，使用本发明一种激光复合等离子电火花合金化方法，可以使耐磨性提高约35-40%，在使用改性电极情况下，耐磨性可以提高80%，同时降低表面粗糙度，这表明其有效性。
本发明的实质由附图说明：图1是本发明一种激光复合等离子电火花合金化方法的原理图。脉冲发生器1的阴极连接到金属工件2，阳极通过振动器4连接到电极3，电极3固定在振动器4的电极夹头中；激光束5聚焦在电极3后面的工件 2 上，垂直于合金化方向进行横向扫描。合金化时，电极以0.1m/min至1 m/min的速度沿表面移动。由于振动器4的作用，电极3垂直于待硬化表面振动，导致工件2和电极3之间产生等离子电火花放电。
根据所提出的方法获得结果如下。
电极3固定在振动器4的电极夹头中，其由纯石墨或含有尺寸小于 100μm的高硬度耐磨微粒（例如，Al2O3， TiO2，WВ，W2Si3等）的石墨制造。在脉冲电流作用下，阳极（电极3）和阴极（工件2）之间产生等离子电火花放电，并在工件2表面上形成液态金属熔池(深度约为0.50mm)，同时将电极3的材料转移到工件2的表层。在此情况下，电极3中的石墨促进了工件2表面层的渗碳，其中的耐磨微粒也随合金化过程转移到工件2的表层中，提高工件2的耐磨性。
为了降低粗糙度以及对合金化表面进行热处理（例如淬火），在电极3后面聚焦激光束5，在加工路径的宽度方向上（即电极3的加工宽度）进行横向扫描，激光重熔深度为0.05-0.50mm。通过改变热循环来改变热处理的类型，聚焦激光束5的横向扫描可以在工件2的合金化过程中直接在电极3的前面或同时在电极3的前面和后面进行。在此情况下，在合金化的同时执行正火或者回火过程。
为了在加工表面上获得由合金相组成的复合层，电极3由可以在合金化过程中形成金属间化合物相的金属制成（比如说，在钢表面加工时使用Ti或者Al，在钛合金表面加工时使用钢或Al，在铝合金加工中使用钢或Ti）。这样可以在合金化过程中形成坚硬且耐磨的金属间化合物，例如TiFe、FeAl 等化合物。使用激光复合等离子电火花合金化是在氮气或者二氧化碳保护气体中进行的。在此气氛中，合金化表面容易与这些气体形成新的化合物（例如钛合金在氮气中加工时，会形成氮化钛）。
图2是本发明中所用的由VoroshilovgradPTIMASh公司(俄罗斯)生产的EILV-8电火花加工装置，图3是本发明中所用的由Maxphotonics Co.,Ltd公司（中国）生产的MFSC1000W光纤激光器。利用这两种设备进行了激光复合等离子电火花合金化实验来验证所提方法的有效性。
实验分两个阶段进行。在第一阶段，根据原型方法和所提方法分别对板材样品进行合金化处理，样品材料为38ХН3МФА(35NiCrMoV12-5)钢，尺寸为100×50×20mm。使用电极为石墨电极，电火花加工能量为7.0J。加工在氮气保护中进行，氮气流速为8-10l/min。
按照所提方法（图4），激光扫描在电蚀合金化后进行。激光功率为400 W（聚焦光斑的直径为0.1 mm），搭接率为20%（图 5），激光扫描速度为50 m/h。最终在金属基材6上获得了深度为0.5mm硬化层，包含重熔合金区7（深度为0.30-0.35mm）和固相硬化区8(如图6)，此时加工表面的粗糙度为 Ra 2.5-5.0mm。
按照原型方法，通过逐步降低加工能量进行了多道电蚀合金化，最终获得了深度为0.30-0.35 mm的渗碳层，表面粗糙度为Ra5.0mm。
在第二阶段，根据原型方法和所提方法分别对圆柱样品进行合金化处理（图7）。样品材料为38ХН3МФА(35NiCrMoV12-5)、尺寸为Ø50×20mm，沿Ø50mm圆柱形表面进行合金化。按照原型方法，进行了3次合金化，每一次降低50%的能量；按照所提方法，只进行了1次合金化。等离子电火花处理的最大能量为6.8 J，激光辐射功率为300 W（聚焦光斑直径约0.1 mm）。振动器电极夹头固定在机床刀具夹头上，样品以4-6rpm 的转速持续旋转。加工宽度约为3 mm，激光束横向扫描频率为30 Hz，保护气氮气的流速为8-10l/min。
合金化后，在车床制作的试验台上测试样品的耐磨性（图 8）。为此，将合金化样品9固定在车床的三爪卡盘上，在样品顶部安装了具有恒定载荷11的配对摩擦副10（材料-T15K6（79% WC+15% TiC+6% Co））。在1.3 MPa（1300 kgf/cm2）的载荷下，样品9以500mm/s的线速度旋转，与配对摩擦副10进行一小时的干摩擦试验。以合金化样品9试验所得的磨损率评价耐磨性（ 单位：g/h ），磨损率为三次测量的平均值。
根据原型方法使用石墨电极进行电蚀合金化测得的磨损率为0.55g/h 。根据所提方法进行合金化测得的磨损率为0.40g/h；在使用含有Al2O3 微粒添加剂的石墨电极情况下，测得的磨损率为0.30g/h。
因此，与使用相同电极的原型方法相比，使用所提出的一种激光复合等离子电火花合金化方法，可以使耐磨性提高约35-40%；在使用改性电极情况下，耐磨性可以提高80%，同时降低表面粗糙度，这表明其有效性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改，对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种激光复合等离子电火花合金化方法，石墨作阳极，钢部件作阴极；其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，通过等离子电火花合金化对钢部件进行渗碳；
步骤二，等离子电火花合金化之后进行表面激光处理；
步骤三，通过等离子电火花合金化进行渗碳时，直接在电极后面聚焦激光束，并在垂直于合金化方向对渗碳层进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
2.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：通过等离子火花合金化进行渗碳时，直接在电极前面聚焦激光束，并在垂直于合金化方向对渗碳层进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：在使用等离子电火花合金化进行渗碳时，可在电极前后同时聚焦激光束，并在垂直于合金化方向进行横向扫描，激光重熔深度为0.05至0.50mm。
4.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：激光重熔是在等离子电火花合金化之后进行的，而且横向扫描可以进行也可以不进行。
5.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：激光扫描的搭接率为0-50%，扫描轨道之间的距离为轨道宽度的10 -100%。
6.根据权利要求1所述的一种激光表面等离子电火花合金化方法，其特征在于：石墨电极含有尺寸小于100μm的高硬度耐磨微粒，激光束可以是连续的，也可以是脉冲的。
7.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：使用连续激光束时，功率范围为20-2000W；使用脉冲激光束时，脉冲频率为5Hz至50kHz，功率范围为20-2000W。
8.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：可使用合金材料电极，此时在零件合金化区域形成金属间化合物相。
9.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：等离子电火花和激光处理在氮气或二氧化碳气体气氛中进行的。
10.根据权利要求1所述的一种激光复合等离子电火花合金化方法，其特征在于：可使用钛合金或铝合金零件作为阴极。
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| CN202111580323.9A CN114318212A (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种激光复合等离子电火花合金化方法 |
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| CN202111580323.9A CN114318212A (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种激光复合等离子电火花合金化方法 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| RU2468899C1 (ru) * | 2011-07-20 | 2012-12-10 | Василий Сигизмундович Марцинковский | Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием |
| CN105331986A (zh) * | 2015-11-27 | 2016-02-17 | 辽宁工业大学 | 一种低合金钢模具激光复合化学渗工艺 |
| CN109338361A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-02-15 | 天津职业技术师范大学 | 一种混粉电火花表面强化介质粉末 |
-
2021
- 2021-12-22 CN CN202111580323.9A patent/CN114318212A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| RU2468899C1 (ru) * | 2011-07-20 | 2012-12-10 | Василий Сигизмундович Марцинковский | Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием |
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| CN109338361A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-02-15 | 天津职业技术师范大学 | 一种混粉电火花表面强化介质粉末 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 游涛;黄大伟;刘时兵;刘宏宇;张春辉;苏贵桥;王茂才;: "钛合金电火花表面渗碳研究", 铸造, no. 03, 22 March 2007 (2007-03-22), pages 239 - 241 * |
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