专利名称：耐磨铸铁表面激光超微晶化处理方法
技术领域：
本发明涉及金属表面处理技术，具体地说是一种耐磨铸铁表面激光超微晶化处理方法。
金属表面的处理，一般采用热处理制度，通过淬火使金属材料硬度、耐磨的力学性能达到使用要求，但是在工艺过程中，有时参数处理不好，容易使淬火处理后的金属表面产生裂痕，另外淬火是对大块金属进行处理存在不好操作的不足。在金属表面处理方面，人们常用的是加入碳、氮等成份，提高其材料表面的强度。上述均对金属材料本身或多或少会产生一定的变形，这对某些要求严格的场合是不允许的，所以不是所有的材料都适合用淬火的方法通过提高金属表面硬度，来提高其耐磨性能的。提高耐磨铸铁表面的耐磨性能也存在变形这个问题，如面粉厂用的压面辊与光辊的表层材料都是耐磨白口铸铁，厚度在10公分。正常使用时，拉丝辊用专用刀具(表面硬度HRc55左右)在直径表面沿轴向4度夹角方向拉出几十等分的刃槽，槽深零点几毫米，刃尖有一定的锋利度，由于铸铁表面已有足够的硬度，经使用一般不采取进一步提高金属表面硬度的方法提高其耐磨性能，另外恐怕变形发生，取而代之的是适应耐磨性能要求几个月更换一次，这样无形中造成了很大浪费。
本发明的目的是提供一种不改变材料表面硬度、不改变其外形就能提高耐磨性能的耐磨铸铁表面激光超微晶化处理方法。
本发明的技术方案是将工件置放在加工机可转动的夹盘上，由激光器通过活动光路打出的光束，在活动光路中通过45度角设置的反射镜至透镜后作用在工件表面，每转动一次工件，完成工件一个有效工作面的激光超微粒晶化，直至所述耐磨铸铁工件需提高耐磨性能的表面全部处理完毕。
本发明工作原理如下本发明Hall-Petch关系是建立在晶体位错塞积理论基础上，经过大量实验的证实，总结出来的多晶材料的屈服应力(或硬度)与晶粒尺寸的关系，即σy＝σ0+Kd-1/2(1)式中σy为0.2％的屈服应力，σ0是移动单个位错所需的克服点阵磨擦力，K是常数，d是平均晶粒直径。如果用硬度来表示H＝H0+Kd-1/2(2)这是在通常晶粒大小情况下的一个经验规律，对各种材料都是适用的。K值为正数，就是说随着晶粒直径的减少，屈服强度(或硬度)都是增加的，它们都与d-1/2成线性关系。有的人利用这个原理获得性能成倍提高的超级钢。激光加工(淬火)是利用高能量瞬时在被辐照表面快速加热，同时靠工件本身快速冷却以获得很细的晶粒。对许多工件只需要局部耐磨用的，激光加工(淬火)效果最好。
本发明具有如下优点1.用激光处理后的耐磨铸铁表面，能改进材料表面的力学性能，由于本发明用激光处理耐磨铸铁表面，获得表层超微晶化，可以改进材料表面腐蚀、疲劳等性能；激光加工可以在原材料不改变、外形尺寸不改变的基础上使材料表面在硬度不变条件下得到高强度和高韧性。
2.成本低，生产效率高。在生产线上采用激光加工的零件，铸铁表层晶粒变小，工件使用寿命增加，减少了更换零件的周期，提高生产率，降低能源消耗，如原材料和稀有元素的消耗，人工消耗，使生产成本大大降低；激光加工可用在新工件上，也可在旧工件形上，保持尺寸允许范围内的形状不变。从科技转化为生产力的角度看，用表面加工处理成超微晶或纳米晶的技术方案比将大块金属全部做成纳米晶现实。
3.本发明消除了由于整体热处理必然产生的变形和不均匀藏预应力集中等不良后果。
4.操作方便、灵活。实验发现，随着晶粒变小，强度和晶粒尺寸的关系偏离Hall-Petch关系，甚至反常。因此，从生产技术应用看，并不是晶粒越细越好，应当根据使用材料性能的要求，确定最佳晶粒度比较合理，激光表面加工的工艺技术易于控制，有现实的可能性。
5.本发明可以应用于只需局部耐磨的工件，也可以应用于对材料表面整体有特殊要求的航天、航空、军工、机械、冶金、化工、轻工等行业。
图1为本发明一个实施例操作装置结构示意图。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，实验用工件6为某面粉厂压面辊，压面辊分两种，一种是拉丝辊，另一种是光辊。拉丝辊平均3个月更换一次，光辊平均六个月更换一次；拉丝辊用在面粉机前级，两个辊对转，麦壳在两辊之间缝隙通过，起到压碎麦壳的作用；光辊用在面粉机后级，起到粉碎磨细面粉的作用。压面辊与光辊的表层材料都是耐磨白口铸铁，厚度在10公分。正常使用时，拉丝辊用专用刀具(表面硬度HRc55左右)在直径表面沿轴向4度夹角方向拉出几十等分的刃槽，槽深零点几毫米，刃尖有一定的锋利度。本发明对拉丝辊刃尖进行激光表面强化，保证刃尖尺寸不变，表面硬度不变，细化晶粒，保证拉丝辊刃尖磨钝后应能继续加工使用。
具体操作为所述工件6一端的轴用置于底架8上的夹盘7夹住，另一端轴放在两个从动辊轮9之间托起，在工件6正上方设有活动光路2，与轨道3活动安装，光束从被激光器1出发，经铜镀金45度角设置的反射镜4至透镜5后，作用在工件6表面，每转动一次工件，激光超微粒晶化一个有效工作面，直至所述耐磨铸铁工件表面全部处理完毕；工艺参数为激光功率1000W；光斑直径4毫米；焦距290毫米；扫描速度25毫米/每秒；晶粒度超微晶或纳米。经装机使用结果(1)使用寿命由3个月增加到6个月，提高一倍。
(2)电量消耗节省1/3(电流表观测值)。
(3)由于使用寿命增加，减少了更换周期，避免了由于更换造成的外界污染。刃尖耐磨可使面粉内重金属微含量降低。
(4)丝辊刃尖磨钝后就需拆下进行重新拉丝，每个辊拉丝十次后就报废。在国内购买一个辊需近万元(由于工件价格太高不容许破坏进行金相试验，本发明无法报告准确的晶粒细化数据)，激光表面强化后的拉丝辊所需费用只是国内购买一个辊的三分之一，激光表面强化后的拉丝辊刃尖磨钝后应能继续加工，保证拉丝辊原有的加工特性。
本发明采用CO2横流激光器，配备悬壁式三维数控激光加工机，可针对各种零件(几吨-几公斤)进行激光加工。
权利要求
1.一种耐磨铸铁表面激光超微晶化处理方法，其特征在于将工件(6)置放在加工机可转动的夹盘(7)上，由激光器(1)通过活动光路(2)打出的光束，在活动光路(2)中通过45度角设置的反射镜(4)至透镜(5)后作用在工件(6)表面，每转动一次工件(6)，完成工件(6)一个有效工作面的激光超微粒晶化，直至所述耐磨铸铁工件(6)需提高耐磨性能的表面全部处理完毕。
全文摘要
本发明涉及金属表面处理技术,具体地说是一种耐磨铸铁表面激光超微晶化处理方法。将工件置放在加工机可转动的夹盘上,由激光器通过活动光路打出的光束,在活动光路中通过45度角设置的反射镜至透镜后作用在工件表面,每转动一次工件,完成工件一个有效工作面的激光超微粒晶化,直至所述耐磨铸铁工件需提高耐磨性能的表面全部处理完毕。本发明能在不改变材料表面硬度和外形的情况下提高其耐磨性能。
文档编号C21D1/09GK1382811SQ0111388
公开日2002年12月4日 申请日期2001年4月20日 优先权日2001年4月20日
发明者龙康, 张树瑛, 沙建德, 白春根, 窦明伦 申请人:中国科学院金属研究所