CN115418473A - 一种对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，包括以下步骤：(1)选取轴承钢试样；(2)在选取的轴承钢试样表面粘覆不透明铝箔作为吸收层；(3)以流水层作为约束层；(4)在激光波长为1064nm，脉冲能量为4—7J，激光功率密度为2.83—4.96GW/cm3，喷丸次数为2—6，脉宽为18ns的条件下，对轴承钢试样进行激光喷丸强化处理。本发明的处理方法是无论对零件的使用性能还是环境的保护都具有明显的优势。其制备的表面纳米化轴承钢不仅具有优良的耐腐蚀性，耐磨性，而且具有良好的高温稳定性，特别适合用于恶劣的环境。因此在环保要求不断提高的中国，绿色环保的激光喷丸强化处理后轴承钢一定具有广阔的前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法。
背景技术
随着工业革命的日益进步，轴承作为机械设备中的一种重要零部件，在各个制造领域的应用越来越广泛。小到自行车、洗衣机，大到火箭、高铁、宇宙飞船都有轴承的身影。在我们的生活中，低端轴承几乎随处可见，而高性能轴承却十分难得。衡量低端轴承与高性能轴承的区别在于振动的幅度与磨损的状态。如果一种轴承的震动幅度小，磨损率低，发热少，毫无疑问，它就是高性能轴承。轴承在使用过程中很容易造成失效或损坏，常见的表面失效形式有：疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等失效情况，对于工件来说影响巨大。我国目前对于高性能轴承主要采用进口。为了提高轴承钢的疲劳寿命、耐磨性等性能，需要寻求一种对轴承钢表面进行处理的方法。国内外对激光喷丸强化技术已进行了大量实验研究，结果表明该技术对各种铝合金、镍基高温合金、钛合金、镁合金、不锈钢、中、低碳钢等均有良好的强化效果，但对高碳铬轴承钢进行激光喷丸强化研究暂时未见有文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，以提高轴承钢的疲劳寿命和耐磨性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，包括以下步骤：(1)选取轴承钢试样；(2)在选取的轴承钢试样表面粘覆不透明铝箔作为吸收层；(3)以流水层作为约束层；(4)在激光波长为1064nm，脉冲能量为4—7J，激光功率密度为2.83—4.96GW/cm3，喷丸次数为2—6，脉宽为18ns的条件下，对轴承钢试样进行激光喷丸强化处理。
所述的轴承钢试样为GCr15轴承钢、M50轴承钢或GCr15SiMn轴承钢。
所述的约束层厚度为1—2mm。
所述的激光喷丸强化处理条件中光斑尺寸为3—5mm。
采取搭接率50％。
本发明对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，激光通过流水层作为的约束层作用于轴承表面的吸收层，吸收层吸收激光能量并产生高温高压的等离子体，等离子体吸收激光能量形成高强度冲击波作用于轴承表面。激光喷丸强化使材料微观结构产生变化，发生微观塑性变形形成较深的残余压应力，同时也可引起裂纹的闭合效应，从而延长裂纹扩展寿命，可有效提高工件的疲劳寿命，具有高功率密度、短脉冲、精准可控、可重复加工等特点。本发明的处理方法是一种无污染或低污染的生产工艺，无论对零件的使用性能还是环境的保护都具有明显的优势。其制备的表面纳米化轴承钢不仅具有优良的耐腐蚀性，耐磨性，而且具有良好的高温稳定性，特别适合用于恶劣的环境。因此在环保要求不断提高的中国，绿色环保的激光喷丸强化处理后轴承钢一定具有广阔的前景。在表面改性技术中，激光表面强化中的激光喷丸处理技术与其他强化技术相比，在适用范围上和强化效果上有明显的优势，同时可利用该技术对发生磨损失效的轴承进行修复。采用本发明的方法还具有以下优点：(1)激光喷丸强化处理能在材料表层形成深且大的残余压应力。(2)激光喷丸强化处理所用的激光参数和作用区域可以精确控制，可重复加工。(3)光斑大小可调，可达性好，可对微米级零件进行强化。(4)基本不改变表面粗糙度。
附图说明
图1为激光喷丸强化区域分布图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明的原理图；
图4为能量为4J和7J，次数为2次条件下的LSP前后GCr15马氏体组织变化图；
图5为能量为4J和7J，次数为2次条件下的LSP前后GCr15碳化物变化曲线；
图6为能量为4J和7J，次数为2次条件下的梯度硬度曲线图；
图7为能量为4J和7J，次数为2次条件下的梯度残余压应力曲线图；
图8为能量为4J和7J，次数为2次条件下的摩擦系数对比图；
图9为能量为4J和7J，次数为2次条件下的磨损率对比图；
图10为能量大小为7J，次数为2、4、6次条件下的LSP前后GCr15马氏体组织变化图；
图11为能量大小为7J，次数为2、4、6次条件下LSP前后GCr15碳化物变化曲线；
图12为能量大小为7J，次数为2、4、6次条件下的的梯度硬度曲线图；
图13能量大小为7J，次数为2、4、6次条件下的的梯度残余压应力曲线图；
图14能量大小为7J，次数为2、4、6次条件下的的摩擦系数对比图；
图15能量大小为7J，次数为2、4、6次条件下的的磨损率对比图。
具体实施方式
本实施例的对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，包括以下步骤：(1)选取GCr15轴承钢；(2)在GCr15轴承钢表面粘覆不透明铝箔作为吸收层，吸收层厚度为：1—2mm；(3)以流水层作为约束层，约束层厚度为1mm；(4)在激光波长为1064nm，脉冲能量为4—7J，激光功率密度为2.83—4.96GW/cm3，喷丸次数为2—6，脉宽为18ns的条件下，对轴承钢试样进行激光喷丸强化处理。
以下是以GCr15轴承钢为试样的实验：
本实施例的方法采取表面纳米化技术中的激光喷丸强化(Laser ShockProcessing，LSP)对GCr15轴承钢进行表面强化，对GCr15轴承钢微观组织、力学性能和摩擦学行为影响的研究，测量和研究经过激光喷丸强化后试样微观组织变化、力学性能、摩擦磨损性能，对摩擦磨损前后残余应力的变化也进行了分析。为激光喷丸强化处理技术在高碳轴承钢中的应用提供理论依据和支持。
通过Nd-YAG高能脉冲激光器对GCr15轴承钢试样进行激光喷丸强化处理，其中激光波长，脉冲能量，激光功率密度，喷丸次数，脉宽，光斑直径等依据产品的尺寸大小进行调节。流水层作为约束层，厚度为1～2mm，不透明铝箔作为吸收层。处理方法流程如图2所示，原理如图3所示。由于光斑大小有限，采取搭接率50％，激光喷丸强化区域在圆柱体试样(前期研究试样)表面Φ14mm，排列方式为9行9列，如图1所示。
实验数据
不同的冲击能量
主要加工参数选择：能量为4J和7J，次数为2次。对试样进行LSP处理，观察试样微观组织，测试其力学性能及摩擦磨损性能。如图4、图5所示，可以通过SEM图片观察到不同能量下LSP GCr15轴承钢的马氏体组织成片连结的区域减少，碎化程度增加。碳化物发生溶解析出，数量增多且平均粒径减小。
如图6、图7所示：从梯度硬度和梯度残余压应力曲线图中可以看出，LSP可显著提高GCr15轴承钢的力学性能(提升硬度，构建残余压应力层)，LSP能量增加可以提升强化效果(数值大小与影响层深度)。
如图8、图9所示：LSP可有效降低GCr15摩擦系数与磨损率，4J和7J摩擦系数均低于原始样品。7J样品摩擦系数在载荷提高后下略高于4J样品。随LSP能量增加，磨损率下降。
不同的冲击次数
主要加工参数选择：能量大小为7J，次数为2、4、6次。对试样进行LSP处理，观察试样微观组织，测试其力学性能及摩擦磨损性能。如图10、图11所示。通过SEM图片可以看出，随着LSP次数增加，马氏体碎化程度加剧，随着LSP次数增加，碳化物平均粒径减小，数量增加，变化幅度减弱。马氏体碎化程度随LSP次数增加加剧，形成纳米晶结构。
如图12、图13所示，当LSP次数增加，梯度硬度与硬化层深度增加，但增长率减小。残余压应力大小增长幅度减弱，影响层深度明显提升。
经过LSP不同次数强化后，磨损率显著减小，耐磨性提高。随着载荷的增加，整体摩擦系数下降，磨损率上升。LSP试样磨损量均比原始样品低且7J-6次样品磨损率最低。见图14、图15。
Claims (5)
1.一种对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选取轴承钢试样；(2)在选取的轴承钢试样表面粘覆不透明铝箔作为吸收层；(3)以流水层作为约束层；(4)在激光波长为1064nm，脉冲能量为4—7J，激光功率密度为2.83—4.96GW/cm3，喷丸次数为2—6，脉宽为18ns的条件下，对轴承钢试样进行激光喷丸强化处理。
2.根据权利要求1所述的对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，其特征在于：所述的轴承钢试样为GCr15轴承钢、M50轴承钢或GCr15SiMn轴承钢。
3.根据权利要求1所述的对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，其特征在于：所述的约束层厚度为1—2mm。
4.根据权利要求1所述的对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，其特征在于：所述的激光喷丸强化处理条件中光斑尺寸为3—5mm。
5.根据权利要求4所述的对轴承表面进行激光喷丸强化的处理方法，其特征在于：采取搭接率为50％。
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