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对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法
申请号	CN202010640356.7	申请日	2020-07-06	公开(公告)号	CN111607688B	公开(公告)日	2022-04-12
申请人	温州大学;			发明人	吴成萌; 冯爱新; 韩磊; 张成龙; 林晋豪; 徐国秀; 余满江; 肯尼斯; 巴米莱;
摘要	本发明涉及对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，将配比的抛丸机叶片的原料成分投入中频感应电阻炉中熔炼，升温至1535～1555℃，将熔炼的铁水浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造；铁水冷却成型后得到抛丸机叶片，将抛丸机叶片从砂型模具内取出，去除表面残留的砂子和浇冒口，清理抛丸机叶片上的飞边和毛刺；根据抛丸机叶片不同区域性能要求和控制冷却条件，选择激光加工参数；在激光相变硬化装置上将抛丸机叶片预热到120℃后，对抛丸机叶片按照扫描路径进行相变强化。激光相变硬化具有“极快极冷”特点，在极短的时间内将抛丸机叶片淬火层组织从原来的柱状马氏体变为针状马氏体，避免长时间的过渡而产生其它的脆性组织。
权利要求	1.对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其特征在于：包括以下步骤： 1)将配比的抛丸机叶片的原料成分投入中频感应电阻炉中熔炼，升温至1535～1555℃，将熔炼的铁水浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造； 2)铁水冷却成型后得到抛丸机叶片，将抛丸机叶片从砂型模具内取出，去除表面残留的砂子和浇冒口，清理抛丸机叶片上的飞边和毛刺； 3)根据抛丸机叶片不同区域性能要求和控制冷却条件，选择激光加工参数； 4)在激光相变硬化装置上将抛丸机叶片预热到120℃后，对抛丸机叶片按照扫描路径进行相变强化，步骤如下： 41)对抛丸机叶片进行黑化处理； 42)利用加热器对抛丸机叶片预热到120℃； 43)启动光纤激光器，光纤激光器输出的光束进入宽带扫描转镜，宽带扫描转镜将激光转成宽带激光，即线形光斑，通过激光头聚焦于工作台上的工件表面； 44)根据抛丸机叶片划分不同区域冷却速度的要求计算结果，设置激光器加工的功率、扫描速度，光斑尺寸以及扫描路径；所述抛丸机叶片不同区域性能要求，抛丸机叶片工作过程中，受到弹丸持续的冲击产生循环应力，弹丸在抛丸机叶片上发生滚动摩擦和滑动摩擦，根据抛丸机叶片使用的性能要求，叶片表面划分为冲击区和滑动、磨损区，冲击区弹丸入射角为20°，滑动、磨损区弹丸入射角为0°，滑动、磨损区的磨损高于冲击区，造成基体材料变形和碳化物扩展断裂失效，弹丸在冲击区与抛丸机叶片发生冲击磨料磨损，在滑动、磨损区由于离心力的作用半径大，发生大的滑动摩擦，滑动、磨损区需具有高的冲击韧性和耐磨性，冲击区需具有比滑动、磨损区小的冲击韧性和耐磨性；所述抛丸机叶片不同区域控制冷却条件，根据材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线即TTT曲线，或者过冷奥氏体连续冷却转变曲线即CCT曲线，得到获得组织达到一温度的最长冷却时间或最小冷却速率，根据抛丸机叶片弹出弹丸的一端位置为起点，设定一距离范围内预期的组织；抛丸机叶片表面和心部的冷却速度不同，抛丸机叶片沿截面从表面到中心划分为表层区域、亚表层区域和心部，表层区域通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，亚表层区域和心部通过缓速冷却，避免冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火，影响抛丸机叶片的使用性能。 2.根据权利要求1所述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其特征在于：抛丸机叶片的成分及质量百分比为：C：2.8～3.2％，Cr：4～5％，Si：0.4～0.8％，Mn：0.5～1.2％，P≤0.035％，S≤0.035％，Re≤0.05％，余量为Fe和通常炼钢中存在的化学元素。 3.根据权利要求1所述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其特征在于：将熔炼的铁水温度降至100～1420℃时，浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造。 4.根据权利要求1所述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其特征在于：激光相变硬化装置包含用于运载抛丸机叶片的工作台以及用于对其预热的加热器，光纤激光器输出光路上依次布置宽带扫描转镜和激光头，宽带扫描转镜将激光转成宽带激光，即线性光斑，通过激光头聚焦于工作台上的抛丸机叶片表面。 5.根据权利要求1所述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其特征在于：激光器加工的功率为2.5KW、扫描速度5mm/s，光斑尺寸10mm×4mm，选择无搭接的扫描路径。
说明书全文	对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法。背景技术 [0002] 目前，随着我国工业的快速发展，磨损现象是造成机械零件失效和能源损失的重要因素之一，有数据表明，约有30％的世界一次能源是因磨损而损失的，大约70％的机电设备是因各种形式的磨损而损坏的。 [0003] 抛丸机应用广泛，通过依靠叶片对弹丸进行做功，来使零件达到一定耐磨性、高强度等性能要求。对于整个抛丸机来说抛丸器上的叶片是最关键的部件，由于弹丸持续高速冲击和周期应力的影响，更是加剧叶片的损耗，因此叶片是抛丸机中最容易磨碎的部件，而且在我们国家每年因叶片的磨损而消耗的材料成本不断增加，高达数千万，给国家以及相应企业带来巨大的经济损失。 [0004] 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，传统的抛丸机叶片的淬火工艺中采用的是箱式电阻炉对抛丸机叶片淬火，从而延长其耐磨性的主要手段，但大多数企业甚至在发达国家也存在重加热轻冷却，对淬火冷却过程的投入研发力度不大，再加上淬火冷却工艺复杂方面的技术障碍，所以一直没有形成标准的淬火冷却工艺流程，所以淬火过后的抛丸机叶片质量不稳定，甚至还会出现脆裂，耽误生产效率。 [0005] 综上所述，要保证叶片具有高的冲击韧性和硬度，不仅需要控制好叶片材料中化学成分及含量，确保叶片的微观组织中基体和碳化物的平衡，还要保证淬火工艺的稳定性，避免表面开裂。发明内容 [0006] 本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法。 [0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现： [0008] 对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，特点是：包括以下步骤： [0009] 1)将配比的抛丸机叶片的原料成分投入中频感应电阻炉中熔炼，升温至1535～1555℃，将熔炼的铁水浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造； [0010] 2)铁水冷却成型后得到抛丸机叶片，将抛丸机叶片从砂型模具内取出，去除表面残留的砂子和浇冒口，清理抛丸机叶片上的飞边和毛刺； [0011] 3)根据抛丸机叶片不同区域性能要求和控制冷却条件，选择激光加工参数； [0012] 4)在激光相变硬化装置上将抛丸机叶片预热到120℃后，对抛丸机叶片按照扫描路径进行相变强化。 [0013] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，抛丸机叶片的成分及质量百分比为：C：2.8～3.2％，Cr：4～5％，Si：0.4～0.8％，Mn：0.5～1.2％，P≤0.035％，S≤0.035％，Re≤0.05％，余量为Fe和通常炼钢中存在的化学元素。 [0014] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，将熔炼的铁水温度降至100～1420℃时，浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造[0015] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，所述抛丸机叶片不同区域性能要求，抛丸机叶片工作过程中，受到弹丸持续的冲击产生循环应力，弹丸在抛丸机叶片上发生滚动摩擦和滑动摩擦，根据抛丸机叶片使用的性能要求，叶片表面划分为冲击区和滑动、磨损区，冲击区弹丸入射角为20°，磨损区弹丸入射角为0°，滑动、磨损区的磨损高于冲击区，造成基体材料变形和碳化物扩展断裂失效，弹丸在冲击区与抛丸机叶片发生冲击磨料磨损，在滑动、磨损区由于离心力的作用半径大，发生大的滑动摩擦，滑动、磨损区需具有高的冲击韧性和耐磨性，冲击区需具有比滑动、磨损区小的冲击韧性和耐磨性。 [0016] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，所述抛丸机叶片不同区域控制冷却条件，根据材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线即TTT曲线，或者过冷奥氏体连续冷却转变曲线即CCT曲线，得到获得组织达到一温度的最长冷却时间或最小冷却速率，根据抛丸机叶片弹出弹丸的一端位置为起点，设定一距离范围内预期的组织；抛丸机叶片表面和心部的冷却速度不同，抛丸机叶片沿截面从表面到中心划分为表层区域、亚表层区域和心部，表层区域区域通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，亚表层区域和心部通过缓速冷却，避免冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火，影响抛丸机叶片的使用性能。 [0017] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，激光相变硬化装置包含用于运载抛丸机叶片的工作台以及用于对其预热的加热器，光纤激光器输出光路上依次布置宽带扫描转镜和激光头，宽带扫描转镜将激光转成宽带激光，即线形光斑，通过激光头聚焦于工作台上的抛丸机叶片表面。 [0018] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，在激光相变硬化装置上对抛丸机叶片进行相变强化，步骤如下： [0019] 41)对抛丸机叶片进行黑化处理； [0020] 42)利用加热器对抛丸机叶片预热到120℃； [0021] 43)启动光纤激光器，光纤激光器输出的光束进入宽带扫描转镜，宽带扫描转镜将激光转成宽带激光，即线形光斑，通过激光头聚焦于工作台上的工件表面； [0022] 44)根据抛丸机叶片划分不同区域冷却速度的要求计算结果，设置激光器加工的功率、扫描速度，光斑尺寸以及扫描路径。 [0023] 进一步地，上述的对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，其中，激光器加工的功率为2.5KW、扫描速度5mm/s，光斑尺寸10mm×4mm，选择无搭接的扫描路径。 [0024] 本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面： [0025] 本发明对抛丸机叶片表面激光相变硬化的工艺，由于激光相变硬化具有“极快极冷”特点，即加热快和冷却快，可以在极短的时间内将抛丸机叶片淬火层组织从原来的柱状马氏体变为针状马氏体，避免长时间的过渡而产生其它的脆性组织，从而极大改善了抛丸机叶片的性能； [0026] 抛丸机叶片在避免开裂的前提下获得要求的性能或组织，适用于不同成分的抛丸机叶片表面的激光相变硬化处理，表面的柱状马氏体变为针状的马氏体，从而极大的提高了抛丸机叶片的硬度、耐磨性以及淬火层深，避免传统淬火‑回火处理技术带来的缺陷，使得材料或零件表面产生残余压应力，从而提升了表层的机械性能；不仅提高抛丸机的效率，而且极大的提升抛丸机叶片的服役性能，从而减低生产成本。 [0027] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明 [0028] 图1：抛丸机叶片表面激光相变硬化装置的示意图； [0029] 图2：抛丸机叶片表面激光相变硬化扫描路径的示意图； [0030] 图3：抛丸机叶片表面激光相变硬化工艺流程示意图。具体实施方式 [0031] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。 [0032] 如图1，激光相变硬化装置包含用于运载抛丸机叶片4的工作台5以及用于对其预热的加热器6，光纤激光器1输出光路上依次布置宽带扫描转镜2和激光头3，宽带扫描转镜3将激光转成宽带激光，即线形光斑，通过激光头3聚焦于工作台上的抛丸机叶片表面。 [0033] 对抛丸机叶片表面激光相变硬化的方法，如图3，包括以下步骤： [0034] 1)将配比的抛丸机叶片的原料成分投入中频感应电阻炉中熔炼，升温至1535～1555℃，将熔炼的铁水温度降至100～1420℃时，浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造； [0035] 2)铁水冷却成型后得到抛丸机叶片，将抛丸机叶片从砂型模具内取出，去除表面残留的砂子和浇冒口，清理抛丸机叶片上的飞边和毛刺； [0036] 3)根据抛丸机叶片不同区域性能要求和控制冷却条件，选择激光加工参数； [0037] 抛丸机叶片不同区域性能要求，抛丸机叶片工作过程中，受到弹丸持续的冲击产生循环应力，弹丸在抛丸机叶片上发生滚动摩擦和滑动摩擦，根据抛丸机叶片使用的性能要求，叶片表面划分为冲击区和滑动、磨损区，冲击区弹丸入射角为20°，滑动、磨损区弹丸入射角为0°，滑动、磨损区的磨损高于冲击区，造成基体材料变形和碳化物扩展断裂失效，弹丸在冲击区与抛丸机叶片发生冲击磨料磨损，在滑动、磨损区由于离心力的作用半径较大，还发生较大的滑动摩擦，滑动、磨损区需具有高的冲击韧性和耐磨性，冲击区需具有比滑动、磨损区小的冲击韧性和耐磨性； [0038] 抛丸机叶片不同区域控制冷却条件，根据材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线即TTT曲线，或者过冷奥氏体连续冷却转变曲线即CCT曲线，得到获得组织达到一温度的最长冷却时间或最小冷却速率，根据抛丸机叶片弹出弹丸的一端位置为起点，设定一距离范围内预期的组织；抛丸机叶片表面和心部的冷却速度不同，抛丸机叶片沿截面从表面到中心划分为表层区域、亚表层区域和心部，表层区域区域通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，亚表层区域和心部通过缓速冷却，避免冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火，影响抛丸机叶片的使用性能； [0039] 4)在激光相变硬化装置上将抛丸机叶片预热到120℃后，对抛丸机叶片按照扫描路径进行相变强化；具体工艺步骤如下： [0040] 41)对抛丸机叶片进行黑化处理； [0041] 42)利用加热器6将工件(抛丸机叶片)4预热到120℃； [0042] 43)启动光纤激光器1，光纤激光器1输出的光束进入宽带扫描转镜2，宽带扫描转镜2将激光转成宽带激光，即线形光斑，通过激光头3聚焦于工作台5上的工件(抛丸机叶片)4的表面； [0043] 44)根据抛丸机叶片划分不同区域冷却速度的要求计算结果，设置激光器加工的功率为2.5KW、扫描速度5mm/s，光斑尺寸10mm×4mm，选择无搭接的扫描路径，如图2。 [0044] 实施例： [0045] 对抛丸机叶片进行相变强化时，通过试样，了解抛丸机叶片材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线(TTT曲线)或过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)，最后可通过冷却温度场的计算确定激光淬火工艺参数。 [0046] S1、按照抛丸机叶片中所含的化学成分及含量，其化学成分及质量百分比为：C：2.8‑3.2％，Cr：4～5％，Si：0.4‑0.8％，Mn：0.5‑1.2％，P≤0.035％，S≤0.035％，Re≤ 0.05％，余量为Fe和通常炼钢中存在的化学元素，在中频感应电阻炉中进行熔炼加热到 1535～1555℃时，将生成的铁水降温到1400℃时，浇筑到预先用砂子制成的抛丸机叶片模具中进行铸造； [0047] S2、等铁水冷却成型后得到抛丸机叶片，将抛丸机叶片从砂型模具内部取出来，去除表面残留的砂子和浇冒口，并清理抛丸机叶片上产生的飞边和毛刺； [0048] S3、根据抛丸机叶片不同区域性能要求和控制冷却条件，选择合适激光加工的参数，激光功率2.5Kw，扫描速度5mm/s，光斑大小10mm×4mm； [0049] 根据叶片的受力和使用性能要求，将叶片表面划分为冲击区(弹丸入射角为20°)和滑动、磨损区(弹丸入射角为0°)，且滑动、磨损区的磨损较磨损区严重,造成基体材料变形和碳化物扩展断裂失效； [0050] 弹丸在冲击区与抛丸机叶片发生冲击磨料磨损，而在滑动、磨损区由于离心力的作用半径较大，还发生较大的滑动摩擦，因此，叶片表面的滑动、磨损区要具有高的冲击韧性和耐磨性，而冲击区要具有比滑动、磨损区较小的冲击韧性和耐磨性，因此，滑动、磨损区的叶片表面预测所含的针状马氏体组织比冲击区所含的针状马氏体组织要多； [0051] 结合材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线(TTT曲线)，可根据奥氏体冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中的转变量与转变时间的关系曲线，选择合适的转变温度以及所对应的转变时间； [0052] 结合材料的过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)，激光加热是在极短的时间间隔内完成，不会影响随后的激光淬火组织，因此可以选择的加热温度范围宽，所以在CCT曲线中可以选择出合适的临界淬火速度Vc(上临界速度)，因为当冷却速度大于临界淬火速度Vc，则过冷奥氏体只发生马氏体转变； [0053] 将抛丸机叶片沿截面从表面到中心划分为表层区域、亚表层区域和心部，根据抛丸机叶片弹出弹丸的一端位置为起点，设定在合适距离的范围内预期组织，由于抛丸机叶片表面和心部的冷却速度不同，将表层区域区域通过控制冷却速度获得预期的组织进而满足力学性能要求，亚表层区域和心部通过缓速冷却，从而避免冷却速度区域已经转变的马氏体或贝氏体组织因温度回升过高而发生过回火，从而降低了抛丸机叶片的性能； [0054] 还根据表面换热系数对抛丸机叶片在冷却过程的温度场进行数值模拟，进一步确定划分区域合适的距离和激光淬火加工的参数，保证表面区域避免出现脆裂，心部位置避免出现淬不硬现象的发生； [0055] S4、在激光相变硬化装置上先进行预热处理后，对抛丸机叶片按照预定的扫描路径进行相变强化，其激光相变硬化装置如图1，扫描路径如图2所示； [0056] 对抛丸机叶片利用线切割机进行取样，并通过丙酮去除表面杂质，利用石墨和碳素墨水进行黑化处理、风干； [0057] 对黑化后的抛丸机叶片通过加热器进行加热，将抛丸机叶片的温度加热到120℃； [0058] 启动激光器，利用扫描转镜将激光转成宽带激光，聚焦在工件表面，根据淬火深度和激光比能密度的关系，验证所选的根据抛丸机叶片划分不同区域冷却速度的要求计算出的结果，设置激光器相变强化加工需要的激光功率2.5KW，扫描速度5mm/s，光斑大小10mm×4mm，采用不搭接，减少搭接处因重复加热而软化，避免导致表面的硬度不均。 [0059] 实施例制备的抛丸机叶片，与传统电阻炉淬火的抛丸机叶片以及未淬火的抛丸机叶片进行对比，采用维氏硬度计测试显微硬度，测试结果如下表所示： [0060] [0061] [0062] 由上表可知，本发明采用激光相变硬化工艺对抛丸机叶片表面强化，其硬度值显著提高，从而保证抛丸机叶片的使用性能。 [0063] 综上所述，本发明对抛丸机叶片表面激光相变硬化的工艺，由于激光相变硬化具有“极快极冷”特点，即加热快和冷却快，可以在极短的时间内将抛丸机叶片淬火层组织从原来的柱状马氏体变为针状马氏体，避免长时间的过渡而产生其它的脆性组织，从而极大改善了抛丸机叶片的性能； [0064] 抛丸机叶片在避免开裂的前提下获得要求的性能或组织，适用于不同成分的抛丸机叶片表面的激光相变硬化处理，表面的柱状马氏体变为针状的马氏体，从而极大的提高了抛丸机叶片的硬度、耐磨性以及淬火层深，避免传统淬火‑回火处理技术带来的缺陷，使得材料或零件表面产生残余压应力，从而提升了表层的机械性能。不仅提高抛丸机的效率，而且极大的提升抛丸机叶片的服役性能，从而减低生产成本。 [0065] 需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。

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