冷硬轧辊、球墨铸铁件、灰口铸铁件表面的激光处理方法

摘要

本发明是对冷硬轧辊、球墨铸铁件、灰口铸铁件表面的激光处理方法,该方法通过对工件表面进行激光处理,从而提高工件表面的硬度,使其耐磨性好,使用寿命长。本发明不仅应用范围广,使用灵活,可实现对大型工件和复杂外形工件进行表面强化处理,而且可对铸铁件表面进行强化处理,该方法应用于冶金工业对其生产配件及设备配件进行处理,可提高其配件的使用寿命,降低配件的消耗费用,从而使企业的生产成本大大降低,本发明工艺合理、使用方便,其社会效益及经济效益均较显著。

说明书

本发明是冷硬轧辊、球墨铸铁件、灰口铸铁件表面的改性处理方法。属于材料表面处理方法的创新技术。

现有材料表面处理方法大多采用常规的火焰表面淬火、中高频表面淬火、渗碳等热处理方法，这些方法存在的缺点是不灵活，其应用范围受到限制，特别是对大型工件和复杂外形工件更加难于进行表面强化处理，如机械加工机床床身，其材料一般是选用灰口铸铁，制造工艺是先铸造再退火，然后进行机械加工而成型，这些床身导轨的表面硬度不高；耐磨性差，且导轨表面磨损后，由于没有专用设备而难于修复。另外，这些常规的热处理方法不能对铸铁件表面进行强化处理，如冶金厂轧钢车间使用的半无限(或无限)冷硬球墨铸铁轧辊、球墨铸铁成品输送辊道，其表面硬度一般为HRC25～28、硬度不高，耐磨性差，使用寿命短，企业每年消耗这些生产配件和设备配件约占其生产成本的7.2％。为此，生产企业迫切希望将这类配件的表面硬度提高到HRC56以上，以提高其使用寿命，从而降低这些配件的消耗费用，但用常规热处理方法却难于使之达到该硬度要求。

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种可有效提高材料的表面硬度，且操作灵活，应用范围广的冷硬轧辊、球墨铸铁件、灰口铸铁件表面的激光处理方法。

本发明的激光处理方法，是用激光束将工件的表面相变硬化，其按如下步骤进行：

(1)将待处理材料的表面进行清理，涂吸光涂料；

(2)以能量为10⁴～10⁵W/cm²的激光束快速扫描工件，使工件表面以极快的速度升温到温度T，温度T高于相变点而低于熔化温度；

(3)将激光束离开工件的被加热区表面，工件因本身的热传导而进行自冷淬火。

本发明的激光处理方法，是用激光束将工件的表面熔凝淬火，其按如下步骤进行：

(1)将待处理材料的表面进行清理，涂吸光涂料；

(2)以激光束快速扫描工件，使工件表面加热至熔化到一定温度；

(3)将激光束离开工件的被加热区表面，工件因本身的热传导而进行自冷使熔层凝固成强化层。

本发明的激光处理方法，是用激光束将工件的表面合金化，其按如下步骤进行：

(1)将待处理材料的表面进行清理，涂吸光涂料及合金粉；

(2)以激光束快速扫描工件，使工件表面加热至熔化；

(3)将激光束离开工件的被加热区表面，工件因本身的热传导而进行自冷使熔层凝固。

上述激光束的输出功率P、光斑大小D及扫描速度V为：

(1)对半无限冷硬球墨铸铁轧辊，P取1800～2000W，D取Φ4～Φ5mm，V取0.8～1m/min；

(2)对无限冷硬球墨铸铁轧辊，P取2000～2200W，D取Φ4～Φ5mm，V取4～5m/min；

(3)对球墨铸铁件，P取2000～2200W，光斑大小取10mm×1.5mm，V取0.9m/min；

(4)对灰口铸铁，P取900～1250W，D取Φ4mm，V取25～26m/min。

下面结合实施例详细说明本发明的具体情况：

图1为本发明处理过程所用激光加工机的工作原理示意图；

图2为本发明的激光表面改性处理过程示意图。

实施例一：

本发明为对灰口铸铁工件的表面相变硬化，其按如下步骤进行

(1)将待处理材料的表面进行清理，涂吸光涂料；

(2)以能量为10⁴～10⁵W/cm²的激光束快速扫描工件，使工件表面以极快的速度升温到温度T，温度T高于相变点而低于熔化温度；

(3)将激光束离开工件的被加热区表面，工件因本身的热传导而进行自冷淬火。

上述步骤(2)中的升温速度为10⁵～10⁶℃/S。步骤(3)中自冷淬火的冷却速度为10⁵℃/S。其中激光束的输出功率P为1200W，光斑大小D为4mm，扫描速度V为25.4m/min，搭接量为0.5mm。

本发明处理过程所用激光加工机的工作原理示意图如图1所示，CO₂激光器中产生的激光束经反射镜再经聚焦镜将激光束聚焦后即可对工件进行扫描。本发明的处理过程示意图如图2所示，将激光束对准工件的加工面，使被照射的工件表面以极快的速度升温到高于相变点而低于熔化温度，随后，工件向前运动，其被加热区离开激光束，则工件因本身的热传导而进行自冷淬火，实现工件的表面相变硬化。

本发明由于采用快速加热和快速冷却的处理方法，因此，可使工件表面得到的硬化组织较细、硬度由处理前HRc20提高到HRc56～60。

实施例二：

本发明为对铬钼半无限冷硬球墨铸铁工件的表面熔凝淬火，其按如下步骤进行：

(1)将待处理材料的表面进行清理，涂吸光涂料；

(2)以激光束快速扫描工件，使工件表面加热至熔化到一定温度；

(3)将激光束离开工件的被加热区表面，工件因本身的热传导而进行自冷使熔层凝固成强化层。

上述步骤(3)中的熔层组织，包括有表层熔化区、次层固态相变区、内层过滤区三层。激光束的输出功率P为1800W，光斑大小D为4mm，扫描速度V为1m/min，搭接量为1mm。

本发明处理过程所用激光加工机的工作原理示意图及处理过程示意图与实施例一相同，分别如图1、如图2所示，本发明在对工件的处理过程中，将激光束对准工件的加工面，使工件的表面熔化到一定深度，形成熔融区，随后，工件向前运动，其被加热区离开激光束，则工件因本身的热传导而进行自冷，使熔层凝固而形成强化层。

本发明由于采用单纯将材料表面用激光束加热至熔化，使熔凝层与材料基体是天然的冶金结合的处理方法，因此，工件表面在熔凝过程中，不仅可排除其杂质和气体，而且其急冷重结晶可获得较为细化均质的组织和较高的硬度，其硬度由处理前HRC25提高到HRC55。且其耐磨性和抗腐蚀性均较好；另外，由于其熔层薄，热作用区小，对工件表面的粗糙度和工件尺寸影响较小，一般情况可以不需进行后续磨光而直接使用。

实施例三：

本发明为对球墨铸铁工件的表面合金化，其按如下步骤进行：

(1)将待处理材料的表面进行清理，涂吸光涂料及合金元素；

(2)以激光束快速扫描工件，使工件表面加热至熔化；

(3)将激光束离开工件的被加热区表面，工件因本身的热传导而进行自冷使熔层凝固。

上述步骤(3)中的合金元素包括有WC、TiC、Co，其配比为WC∶TiC∶Co=0.8∶0.3∶1。激光束的输出功率P为2000W，光班大小D为10×1.5mm，扫描速度V为0.9m/min。

本发明处理过程所用激光加工机的工作原理示意图及处理过程示意图与实施例一相同，分别如图1、如图2所示。本发明在对工件的处理过程中，将激光束对准工件的加工面，使工件表面熔化将合金元素快速熔入工件表面的熔层，随后，工件向前运动，其被加热区离开激光束，利用工件本身热传导而进行自冷，使熔层凝固形成强化层。

本发明由于采用将合金元素熔入工件表面使工件表层具有特定合金成分的处理方法，因此，可使工件表面达到所要求的耐磨、耐腐蚀性能。其硬度由处理前的HRC28.4提高到HRC63.8。

综上所述，本发明不仅应用范围广，使用灵活，可实现对大型工件和复杂外形工件进行表面强化处理，而且可对铸铁件表面进行强化处理，使工件硬度提高，耐磨性好，使用寿命长，该方法应用于冶金工业对其生产配件及设备配件进行处理，可提高其配件的使用寿命，降低配件的消耗费用，从而使企业的生产成本大大降低，本发明是一种工艺合理、使用方便，其社会效益及经济效益均较显著的一种对冷硬轧辊、球墨铸铁、灰口铸铁表面的激光处理方法。