CN114672618A - 待激光淬火零件及其预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法 - Google Patents

待激光淬火零件及其预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了待激光淬火零件及其预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法。激光淬火前预处理方法，包括：对待淬火目标物进行表面处理，以使得目标物的表面形成具有微纳结构特征的显微形貌。待激光淬火零件，采用上述预处理方法处理得到。激光淬火制得淬硬层的方法，包括采用上述激光淬火前预处理方法对目标物进行表面处理后，再对目标物处理后的表面进行激光淬火处理。零件的加工方法，包括上述的激光淬火制得淬硬层的方法。通过本申请提供的方法预处理零件或材料后，可提高对激光的反射率，提升目标物表面的吸光率，对该预处理后的零件或材料进行淬火，可获得更厚的淬硬层或更节能。

Description

待激光淬火零件及其预处理方法、制得淬硬层的方法以及零 件加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及待激光淬火零件及其预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法。
背景技术
激光淬火作为一种新型的表面淬火技术，其具有激光淬火作用时间短、不需整体加热、可进行局部硬化且硬度均匀，处理后工件不变形、不破坏表面光洁度，激光淬火后组织细密，提高耐磨性的优势，有效解决传统热处理无法解决的难题。
然而实际应用中，常遇到许多要求大面积深层淬火的工件，例如大型轴承表面淬火、大型齿轮表面淬火等。若采用搭接淬火，则会存在搭接软化带区域导致淬火表面硬度不均匀。而采用超宽大型光斑对零件表面进行无搭接激光淬火可以有效解决软化带问题，然而由于现有激光淬火设备的功率有限，可能会导致存在淬硬层深度不足的问题。因此，目前迫切需要一种提高激光表面淬火中淬硬层深度的方法。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供待激光淬火零件及其预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种激光淬火前预处理方法，包括：对待淬火目标物进行表面处理，以使得待淬火目标物的表面形成具有微纳结构特征的显微形貌。
在可选的实施方式中，表面处理的方式为激光照射处理。
在可选的实施方式中，所采用的激光为飞秒激光。
在可选的实施方式中，秒激光的功率为0.5W-1.5W；
优选地，飞秒激光的频率为500kHz-2.5MHz；
优选地，飞秒激光的扫描速率为50mm/s-200mm/s。
在可选的实施方式中，在进行表面处理之前还包括对目标物的表面进行清洁，清洁方式包括：
采用丙酮对目标物的表面进行第一次清洗，第一次清洗后采用去离子水进行第二次清洗，第二次清洗后采用无水乙醇进行第三次清洗；
第三次清洗后去除目标物表面的无水乙醇；
优选地，第一次清洗是将目标物置于丙酮中进行超声清洗；更优选地，超声清洗的时间为8～12min；
优选地，第二次清洗是将目标物至于无水乙醇中进行超声清洗；更优选地，超声清洗地时间为8～12min；
优选地，去除目标物表面的无水乙醇的方式为：将目标物进行干燥；更优选地，干燥温度为60～90℃，干燥时间为20～120min。
第二方面，本发明提供一种待激光淬火零件，采用本申请任一实施例提供的预处理方法处理得到。
第三方面，本发明提供一种激光淬火制得淬硬层的方法，包括采用前述实施方式任一项的激光淬火前预处理方法对目标物进行表面处理后，再对目标物经预处理后的表面进行激光淬火处理；或对上述待激光淬火零件经预处理后的表面进行激光淬火处理。
在可选的实施方式中，采用半导体激光进行激光淬火处理，淬火处理过程中，功率为1600W～2000W。
在可选的实施方式中，激光淬火的扫描速率为6mm/s-12mm/s。
在可选的实施方式中，激光淬火的激光波长为980nm-1060nm。
第四方面，本发明提供一种零件的加工方法，包括如前述实施方式任一项的激光淬火制得淬硬层的方法。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的方案通过对待淬火目标物表面进行处理，使其表面形成具有微纳结构特征的显微形貌能显著降低激光淬火过程目标物表面对激光的反射率，提升目标物表面的吸光率；采用本申请预处理方法处理后的零件或材料，相对于未处理的零件或材料，在相同激光参数下淬火，预处理后的零件或材料可获得更厚的淬硬层；或为获得相同厚度的淬硬层，预处理后的零件或材料的淬火过程更节能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1飞秒激光预处理后的零件表面的显微形貌图；
图2为本申请实施例1淬火处理后的零件的宏观形貌图；
图3为本申请实施例6飞秒激光预处理后的零件表面的显微形貌图；
图4为本申请实施例7飞秒激光预处理后的零件表面的显微形貌图；
图5为对比例淬火处理后的零件的宏观形貌图；
图6为本申请实验例零件表面吸光率测试结果统计图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例提供的激光淬火前预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法进行具体描述。
本申请实施例提供的激光淬火前预处理方法，包括：对待淬火目标物进行表面处理，以使得目标物的表面形成具有微纳结构特征的显微形貌。本申请中涉及的具有微纳结构特征的显微形貌一般指在目标物表面形成的纳米尺度的周期条纹(LIPPS)结构。
发明人发现，对待淬火目标物表面进行处理，使其表面形成具有微纳结构特征的显微形貌能显著降低激光淬火过程目标物表面对激光的反射率，提升目标物表面的吸光率；采用本申请预处理方法处理后的零件或材料，相对于未处理的零件或材料，在相同激光参数下淬火，预处理后的零件或材料可获得更厚的淬硬层；或为获得相同厚度的淬硬层，预处理后的零件或材料的淬火过程更节能。
预处理方法具体为：
S1、目标物表面清洁：
采用丙酮对目标物的表面进行第一次清洗以去除表面油污，第一次清洗后采用去离子水进行第二次清洗以去除表面的丙酮，第二次清洗后采用无水乙醇进行第三次清洗以去除表面的去离子水，便于后续零件干燥，防止零件生锈。
采用有机溶剂对目标物表面清洗，主要目的在于清洗表面的油脂类物质，以保证经后续的各个处理步骤处理后获得品质好的零件或材料。
优选地，超声清洗的时间为8～12min。第二次清洗是将目标物至于无水乙醇中进行超声清洗；更优选地，超声清洗地时间为8～12min。
第三次清洗结束后采用干燥的方式去除目标物表面的无水乙醇。优选地，干燥温度为60～90℃(例如60℃、70℃、80℃或90℃)，干燥时间为20～120min(例如20min、60min、90min或120min)。
S2、目标物表面刻蚀形成具有微纳结构特征的显微形貌：
采用激光照射零件或材料表面，以使零件为材料表面形成具有微纳结构特征的显微形貌。激光刻蚀操作方便，不受零件材料、尺寸等限制，微纳加工形貌可控，适用范围更广。
优选地，所采用的激光为飞秒激光。
更优选地，为保证在目标物表面形成尺寸合适，结构特征明显的具有微纳结构特征的周期条纹(LIPPS)显微形貌，从而使得目标物表面反射率足够低，秒激光的功率为0.5W-1.5W(例如0.5W、1W或1.5W)。
更优选地，为保证在目标物表面形成分布量合适，结构特征明显的微纳机构，从而使得目标物表面反射率足够低，飞秒激光的频率为500kHz-2.5MHz(例如500kHz、1MHz、1.5MHz、2MHz或2.5MHz。)；飞秒激光的扫描速率为50mm/s-200mm/s(例如50mm/s、100mm/s、150mm/s或200mm/s)。
飞秒激光处理过程一般需要在上述参数下进行，若飞秒激光的功率不足，频率太小或扫描速率过慢则会导致零件表面的具有微纳结构特征的显微形貌特征不明显或不存在具有微纳结构特征的显微形貌，如图3所示；若飞秒激光的功率过大，频率高或扫描速率过快则会导致零件表面的具有微纳结构特征的显微形貌发生破坏，如图4所示。因此，选择上述的飞秒激光试验参数对待淬火零件进行表面处理，从而在其表面获得具有明显具有微纳结构特征的显微形貌特征的显微形貌。
数据表明，在激光淬火过程光波长为980nm-1060nm范围内，未进行飞秒激光处理零件表面对光波的反射率为58％左右，而当零件表面存在具有微纳结构特征的显微形貌时，零件表面的反射率显著降低，零件表面最低的反射率仅为3％。经飞秒激光处理的零件表面的吸光率比为进行处理的零件表面提升了131％。
在零件或材料表面刻蚀形成具有微纳结构特征的显微形貌的方式有多种，除了本申请提到的激光照射以外，还可以采用将零件或材料置于腐蚀液中在其表面形成具有微纳结构特征的显微形貌。因此，需要说明的是，在本申请的其他实施方式中，还可以采用腐蚀液刻蚀的方式在零件或材料表面形成具有微纳结构特征的显微形貌，即在本申请提供的技术方案中，无论形成具有微纳结构特征的显微形貌的方式是否为本申请中涉及到的飞秒激光照射，只要能够在目标物表面形成具有微纳结构特征的显微形貌，均应在本申请要求保护的范围以内。
本申请实施例提供的待激光淬火零件，采用本申请实施例提供的预处理方法处理得到。
本申请实施例提供的激光淬火制得淬硬层的方法，包括采用本申请实施例提供的激光淬火前预处理方法对目标物进行表面处理后，再对目标物经预处理后的表面进行激光淬火处理；或者直接对本申请实施例提供的已经经过表面预处理的待激光淬火零件的预处理后的表面进行激光淬火处理。
本申请实施例提供的激光淬火制得淬硬层的方法，由于预先采用本申请实施例提供的预处理方法对目标物表面进行了处理提高了目标物表面的吸光率，使得后续的淬火处理过程更节能，或能提高淬硬层的厚度。
进一步地，为保证获得机械性能好的淬硬层，可采用半导体激光进行激光淬火处理，淬火处理过程中，1600W～2000W(例如1600W，1700W，1800W，1900W或2000W)。激光淬火的扫描速率为6mm/s-12mm/s。
进一步地，可使用最大功率为8kW的半导体激光器(Laserline LDF-8000)对待淬火零件表面进行激光淬火，其中激光波长为980nm-1060nm，且淬火过程中采用高纯氩气作为保护气体。
本申请实施例提供的零件的加工方法，包括本申请实施例提供的激光淬火制得淬硬层的方法。该零件加工方法由于包括了本申请实施例提供的激光淬火制得淬硬层的方法在零件表面制得淬硬层，因此，该方法更节能或能在零件表面加工出更厚的淬硬层。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供激光淬火制得淬硬层的方法，包括以下步骤：
(1)在空气环境中，先对待淬火零件表面进行清洗及干燥，以除去零件表面油污等。清洗过程：首先采用丙酮溶液对待淬火零件进行10min的超声清洗，然后用去离子水对其表面进行冲洗，再采用无水乙醇溶液对该零件进行10min的超声清洗，最后将零件放入烘箱中在80℃下干燥1h。
(2)对洗净的零件表面进行飞秒激光处理，使其表面形成具有微纳结构特征的显微形貌特征的显微形貌。预处理后的零件表面的显微形貌图如图1所示。其中，飞秒激光处理的功率为1W；频率为1MHz；扫描速率为100mm/s。
(3)对经飞秒激光处理的零件采用半导体激光对其表面进行激光淬火，得到淬硬层。其中，激光淬火处理的功率为1800W；扫描速率为10mm/s；半导体激光器发出的激光波长为980nm-1060nm。
得到的零件的宏观形貌图如图2所示。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.969mm。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(2)中飞秒激光处理的功率为0.5W；频率为500kHz；扫描速率为50mm/s。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.948mm。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(2)中飞秒激光处理的功率为1.5W；频率为2.5MHz；扫描速率为200mm/s。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.953mm。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(3)中激光淬火处理的功率为1600W；扫描速率为6mm/s。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.963mm。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(3)中激光淬火处理的功率为2000W；扫描速率为12mm/s。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.969mm。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(2)中飞秒激光处理的功率为0.4W；频率为400kHz；扫描速率为40mm/s。飞秒激光预处理后的零件表面的显微形貌图如图3所示。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.848mm。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(2)中飞秒激光处理的功率为2W；频率为3MHz；扫描速率为250mm/s。飞秒激光预处理后的零件表面的显微形貌图如图4所示。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.846mm。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(3)中激光淬火处理的功率为1400W；扫描速率为4mm/s。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.848mm。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
步骤(3)中激光淬火处理的功率为2200W；扫描速率为14mm/s。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.852mm。
对比例
本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
在进行步骤(3)之前不对零件表面进行飞秒激光处理。
对零件的淬硬层厚度进行光镜测量，其淬硬层厚度为0.844mm。
得到的零件的宏观形貌图如图5所示。
对比以上各实施例和对比例的淬硬层厚度数据可看出，未进行飞秒处理的零件表面的淬硬层深度为0.844mm，如图5所示。而经飞秒处理后的零件表面的淬硬层深度最高可达0.989mm，比未经飞秒处理的零件提升了17.2％，如图2所示。分析上述实施例与对比例的淬硬层厚度数据，可看出，对零件表面进行飞秒激光具有微纳结构特征的显微形貌预处理后，在相同激光淬火参数下，可明显提高淬硬层的厚度；而飞秒激光预处理时将功率、激光频率以及扫描速率设置在合适范围内时，可显著提高淬硬层的厚度；激光淬火过程中，将激光淬火功率和扫描速率设置在合适范围内，也可显著提高淬硬层的厚度。
实验例
按照实施例1提供的方法，仅改变飞秒激光处理过程的频率和扫描速率，测试经飞秒处理后各零件表面的光波反射率，以上述的对比例作为对比，如图6所示。从图6中可看出，当待淬火零件表面存在微纳特征的显微形貌时，零件表面的吸光率显著提升。
综上，本申请实施例提供的激光淬火前预处理方法、制得淬硬层的方法以及零件加工方法，对待淬火目标物表面进行处理，使其表面形成具有微纳结构特征的显微形貌能显著降低激光淬火过程目标物表面对激光的反射率，提升目标物表面的吸光率；采用本申请预处理方法处理后的零件或材料，相对于未处理的零件或材料，在相同激光参数下淬火，预处理后的零件或材料可获得更厚的淬硬层；或为获得相同厚度的淬硬层，预处理后的零件或材料的淬火过程更节能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光淬火前预处理方法，其特征在于，包括：对待淬火目标物进行表面处理，以使得所述待淬火目标物的表面形成具有微纳结构特征的显微形貌。
2.根据权利要求1所述的激光淬火前预处理方法，其特征在于，表面处理的方式为激光照射处理。
3.根据权利要求2所述的激光淬火前预处理方法，其特征在于，所采用的激光为飞秒激光。
4.根据权利要求3所述的激光淬火前预处理方法，其特征在于，飞秒激光的功率为0.5W-1.5W；
优选地，飞秒激光的频率为500kHz-2.5MHz；
优选地，飞秒激光的扫描速率为50mm/s-200mm/s。
5.根据权利要求1～4任一项所述的激光淬火前预处理方法，其特征在于，在进行表面处理之前还包括对目标物的表面进行清洁，清洁方式包括：
采用丙酮对所述目标物的表面进行第一次清洗，第一次清洗后采用去离子水进行第二次清洗，第二次清洗后采用无水乙醇进行第三次清洗；
第三次清洗后去除目标物表面的无水乙醇；
优选地，所述第一次清洗是将目标物置于所述丙酮中进行超声清洗；更优选地，所述超声清洗的时间为8～12min；
优选地，所述第二次清洗是将目标物至于所述无水乙醇中进行超声清洗；更优选地，所述超声清洗地时间为8～12min；
优选地，去除所述目标物表面的无水乙醇的方式为：将目标物进行干燥；更优选地，干燥温度为60～90℃，干燥时间为20～120min。
6.一种待激光淬火零件，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的预处理方法处理得到。
7.一种激光淬火制得淬硬层的方法，其特征在于，包括采用权利要求1～5任一项所述的激光淬火前预处理方法对待淬火目标物进行表面处理后，再对所述目标物经预处理后的表面进行激光淬火处理；或对如权利要求6所述的待激光淬火零件经预处理后的表面进行激光淬火处理。
8.根据权利要求7所述的激光淬火制得淬硬层的方法，其特征在于，采用半导体激光进行激光淬火处理，淬火处理过程中，功率为1600W～2000W；激光淬火的扫描速率为6mm/s-12mm/s。
9.根据权利要求8所述的激光淬火制得淬硬层的方法，其特征在于，激光淬火的激光波长为980nm-1060nm。
10.一种零件的加工方法，其特征在于，包括如权利要求7～9任一项所述的激光淬火制得淬硬层的方法。
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