CN1403598A - 控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法 - Google Patents

控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法 Download PDF

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张光钧
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Shanghai University of Engineering Science
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Abstract

本发明属激光热处理技术领域。本发明公开了一种控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法，其步骤包括：(1)对工件进行相变强化梯度组织进行设计；(2)工件适当热处理状态，通常调质；(3)涂覆激光纳米氧化物吸收涂料；(4)根据工件的相变强化梯度组织设计选择合适的激光功率密度和扫描速度；(5)按所选的激光功率密度和扫描速度对涂有激光纳米氧化物吸收涂料的工件进行激光相变强化处理。经该方法处理得到的工件能达到高硬度、承受重载和优异的耐磨性能。

Description

控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法
技术领域：
本发明涉及激光热处理，更具体地说，涉及一种控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法。
背景技术：
激光热处理作为一种精确的局部表面热处理新技术，强化效果好，变形小，但迄今为止，激光热处理大多还是从硬化层深度及显微硬度的测试，处理层有否缺陷及性能测试为依据来选择工艺参数，在不能任意选择基体材料的前提下，难以满足承受苛刻服役条件下的热处理要求。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于控制梯度组织各层相对量出发来确定激光相变强化的工艺参数，从而满足具体零件的设计要求，提供了一种能够控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法。
为达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：(1)根据工件的性能要求对工件相变强化梯度组织进行设计；(2)将待激光相变强化处理的工件通过普通热处理方法使之处于适当的组织状态，其中调质态，即淬火与高温回火态为通常采用的状态；(3)在工件待处理表面涂覆激光纳米氧化物吸收涂料(另案申请发明专利，本案不再赘述)；(4)根据工件的相变强化梯度组织设计选择合适的激光功率密度和扫描速度；(5)按所选的激光功率密度和扫描速度对涂有激光纳米氧化物吸收涂料的工件进行激光相变强化处理。
按照上述技术方案，所述的相变强化梯度组织的设计包括高温相变硬化层(最外表面层)、次表面相变硬化层、中间相变硬化层和过渡层的厚度和组织分布。
按照上述技术方案，所述的选择合适的激光功率密度和扫描速度包括下列步骤：(1)在激光功率密度较大、扫描速度较慢但不造成熔化的前提下，对工件待处理试样表面进行激光相变强化处理，以获得相变强化梯度组织；(2)通过物理方法快速分析相变强化梯度组织的显微分布，获得相应的高温相变硬化层、次表面相变硬化层、中间相变硬化层和过渡层的厚度和显微硬度；(3)调整激光功率密度和扫描速度，再进行激光强化处理，检测梯度组织各层厚度和组织分布，若达到设计要求则可确定为激光强化处理的激光功率密度和扫描速度，否则，再调整、再试验、直至达到设计要求。
按照上述技术方案，在控制入射激光功率密度至适当值并保持不变的条件下，提高激光束扫描速度可以减少高温相变硬化层的层深，即厚度，甚至使该层组织消失。
按照上述技术方案，在控制入射激光束扫描速度至适当值并保持不变条件下，提高入射激光功率密度，可以加大激光相变硬化区梯度各层组织的各层层深即厚度。
利用本发明方法对工件进行处理后，工件的性能能达到以下效果：(1)工件表面可以获得高硬度；(2)工件可以承担重载荷；(3)工件耐磨性好；(4)工件能同时获得高硬度、承受重载和优异的耐磨性。
具体实施方式：
下面以提速列车油压减振器上、下导向座的激光相变强化工艺为例，详细说明本发明。
提速列车油压减振器的主要零件----上、下导向座的加工精度要求很高，并且在使用过程中需同时承担垂向振动、横向摆动和纵向摆动。上、下导向座在垂向激振中的正向压力力幅达1000公斤，力值变化频率随垂向激振频率变化。在所述正向压力作用下，上、下导向座表面还随减振器因横、纵向摆动而产生两者间位移。这种带正向压力作用下的两者间压迫位移是使上、下导向座表面产生磨损的原因。必须在这种形状复杂零件上实施局部强化，又不能因热处理变形而影响零件原有加工精度。经过理论分析设计油压减振器上、下导向座的激光相变强化梯度组织的各层厚度为：高温相变硬化层0.03～0.05mm、次表面相变硬化层0.04～0.11m、中间相变硬化层0.17～0.24mm，过渡层0.04～0.10mm。以45号钢为基材，将油压减振器上、下导向座通过淬火与高温回火处理，使之处于调质态；在油压减振器上、下导向座表面涂覆激光纳米氧化物吸收涂料；通过对表面进行激光相变强化处理，调整激光功率密度和扫描速度，改变梯度组织各层厚度，达到零件设计要求；确定激光相变强化工艺参数为：入射激光功率密度为5～5.6×103W/cm2，激光扫描速度为25～40mm/s。
经过上述工艺处理的导向座表面相变强化梯度组织的各层组织及显微硬度的实测结果如下表所示：
       名称       厚度(mm)    显微硬度(HV)
  高温相变硬化层(最外表面层) 0.03～0.05 763.15～750.85
  次表面相变硬化层     0.04～0.11   785.95～938.95
  中间相变硬化层     0.17～0.24   718.70～956.00
      过渡层     0.04～0.10   670.95～769.70
       基体   301.30～315.85
上述经过激光处理的上、下导向座试样在油压减振器107次耐久模拟试验后，经测定零件局部淬硬表面状态理想，只产生磨合，两零件间间隙与初始安装一致，几乎没有磨损，满足减振器的正常运行要求。相比之下，同时试验的经常规热处理工艺处理的上、下导向座面已产生过量磨损甚至发生破裂。

Claims (5)

1、一种控制相变强化梯度组织的激光相变强化方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)根据工件的性能要求对工件相变强化梯度组织进行设计；
(2)将待激光相变强化处理的工件通过普通热处理方法使之处
   于适当的组织状态，其中调质态，即淬火与高温回火态为通
   常采用的状态；
(3)在工件待处理表面涂覆激光纳米氧化物吸收涂料；
(4)根据工件的相变强化梯度组织设计选择合适的激光功率密
   度和扫描速度；
(5)按所选的激光功率密度和扫描速度对涂有激光纳米氧化物
   吸收涂料的工件进行激光相变强化处理。
2、根据权利要求1所述的激光相变强化方法，其特征在于所述的相变强化梯度组织的设计包括高温相变硬化层、次表面相变硬化层、中间相变硬化层和过渡层的厚度和组织分布。
3、根据权利要求1所述的激光相变强化方法，其特征在于所述的选择合适的激光功率密度和扫描速度包括下列步骤：
(1)在激光功率密度较大、扫描速度较慢但不造成熔化的前提下，对工件待处理试样表面进行激光相变强化处理，以获得相变强化梯度组织；
(2)通过物理方法快速分析相变强化梯度组织的显微分布，获得相应的高温相变硬化层、次表面相变硬化层、中间相变硬化层和过渡层的厚度和显微硬度；
(3)调整激光功率密度和扫描速度，再进行激光强化处理，检测梯度组织各层厚度和组织分布，若达到设计要求则可确定为激光强化处理的激光功率密度和扫描速度，否则，再调整、再试验、直至达到设计要求。
4、根据权利要求3所述的激光相变强化方法，其特征在于控制入射激光功率密度至适当值并保持不变的条件下，提高激光束扫描速度可以减少高温相变硬化层的层深，甚至使该层组织消失。
5、根据权利要求3所述的激光相变强化方法，其特征在于在控制入射激光束扫描速度至适当值并保持不变条件下，提高入射激光功率密度，可以加大激光相变硬化区梯度组织的各层层深即厚度。
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