CN115161466A

CN115161466A - 高集热激光相变硬化的方法

Info

Publication number: CN115161466A
Application number: CN202110359042.4A
Authority: CN
Inventors: 罗虹
Original assignee: Beijing Jingye Bearing Co ltd
Current assignee: Beijing Jingye Bearing Co ltd
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2022-10-11

Abstract

本发明涉及一种高集热激光相变硬化方法，该方法使用激光束对工件表面进行硬化处理，采用超出临界阈值的总能量，对工件表面进行硬化处理，其中，该临界阈值定义为在激光加热过程中，能够同时实现激光冲击加热特性、引入传导加热特性以及保持自激冷的冷却方式这三个条件下，所需要输入的最小激光能量值；并且，通过引入时间作用因素以实现所述超出临界阈值的总能量；本发明方法加工的工件的相变硬化深度为6mm，并且本发明方法加工的工件的相变硬化的激光不搭接一次硬化宽度为100mm。

Description

高集热激光相变硬化的方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面热处理领域，利用激光相变硬化技术对金属表面硬化处理,具体为一种高集热激光相变硬化的方法。

背景技术

目前，国内外风机轴承中的主轴轴承、偏航轴承和变桨轴承，其轴承的滚道、齿面均采用中频感应加热淬火，存在的问题主要是，表面硬度低(HRC55-58)、变形尺寸大(＞0.5MM)、滚道存在软带(50-100毫米)。这些技术指标从几百千瓦的风机开始采用，到目前的10兆瓦，甚至更大的风力发电机轴承，目前都没有发生变化，我们认为在未来这将给电力公司、风电主机生产商、零部件制造商带来非常大的风险，是风电行业所无法承受的。

轴承有一个最基本的技术指标，滚动体的硬度比内外圈的滚道硬度高1-2个HRC。轴承中钢球的硬度为HRC60-63，42CrMo激光表面处里的硬度HRC60±2，滚道的硬化层深度大于6毫米是大兆瓦风机轴承制造的基础。中频感应处理生产的偏航、变桨轴承滚道上一定有一段软带，约50-100毫米，它会造成保持器兜孔变形，边梁断裂。

金属材料表面激光相变硬化，也称激光淬火或激光相变硬化，是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织，硬度一般高于常规淬火硬度。处理过程中工件变形极小，适用于其他淬火技术不能完成或难以实现的某些工件或工件局部部位的表面强化。激光热处理自动化程度较高，硬化层深度和硬化面积可控性好。该技术主要用于强化汽车零部件或工模具的表面，提高其表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能等，如汽车发动机缸孔、曲轴、冲压模具、铸造型板等的激光热处理。激光热处理工艺流程为：预处理(表面清理及预置吸光涂层)激光淬火(确定硬化模型及淬火工艺参数)-质量检测(宏观及微观检测)。

激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3～2.0mm范围之间。现有技术的激光相变硬化也存在如下的缺点：

1)硬化深度受限制，一般在1mm以下，目前进行的开发研究已在增大深度方面初见成效，国内外现有技术最多可达2-2.5mm。一次不搭接处理幅宽较小，目前国内外最大可达60mm。

2)由于金属对波长10.6μm的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率，须作表面涂层或其他预处理。

对于重大装备中使用的轴承、齿轮和轴等旋转零部件来说，由于承载量巨大，对工件的表面磨损大，表面处理深度浅的工件很容易被磨损。在实际中对这些磨损后的大型零部件的更换是非常困难的，频繁地更换零部件会严重影响生产和增加生产成本。因而，为了提高工件表面的硬化层深度以及一次不搭接处理幅宽，是迫切希望解决的技术难题。

中国发明专利申请201811550089.3公开了基于分布式三维光束扫描的轴承表面激光淬火装置及方法，该装置属于金属材料表面激光淬火领域，包括激光器、激光传输光纤、激光加工头、机器人手臂；激光器发出的激光束依次经过激光传输光纤、激光加工头到达轴承滚道表面，机器人手臂搭载激光加工头；机器人手臂控制激光加工头的光束焦点对应轴承滚道的激光淬火初始位置；装置还包括隔板、冷却介质喷嘴和变位机；随着变位机带动轴承工件匀速转动，激光加工头的位置和姿态保持不变，并一直对准轴承滚道的表面设置，随轴承工件的转动对整个轴承滚道进行高速扫描。根据轴承工件实际情况，综合以上因素选择适当的激光功率，扫描速度、扫描轨迹规划等参数，对轴承滚道表面曲面进行激光淬火，避免了传统搭接方法出现的回火软带的出现，淬火硬化层深度可达1～8mm，一次性处理幅宽可达200mm，可实现轴承表面大面积的无软带、超硬化层深、宽幅面的激光淬火效果。该专利的装置和方法在激光照射时，硬化相变深度未到达预定的深度时，金属表面就已经开始融化，不能到达淬火硬化层深度可达1～8mm，或者说很难控制硬化深度。即使能达到，生产效率低，无法达到一次性处理幅宽200mm。

本发明人经过深入研究，提出了一种新的激光相变硬化处理方法，采用超出常规激光相变硬化所需能量输入的临界阈值的总能量，即引入了时间作用的因素，在极限条件下可以实现最大硬化深度大于或等于10mm，一次不搭接处理幅宽为200mm，带来了预料不到的技术效果，可以覆盖目前工程应用的各种工况需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光相变硬化处理方法，能够提高硬化深度以及一次不搭接处理幅宽，具体方案如下：

本发明的一种激光相变硬化方法，其技术构思是：使用激光束对工件表面进行硬化处理，采用超出特定临界阈值的总能量，对工件表面进行硬化处理，其中，该临界阈值定义为在激光加热过程中，能够同时实现激光冲击加热特性、引入传导加热特性以及保持自激冷的冷却方式这三个条件时，所需要输入的最小激光能量值；并且，通过引入时间作用因素以实现所述超出临界阈值的总能量。

根据该技术特点，此方法被定义为：高集热激光相变硬化技术。

本发明的技术方案是：一种激光相变硬化方法，包含如下步骤：

步骤一：清洗和处理待加工的工件表面，表面无需做其他特殊处理；

步骤二：准备使用光纤输出的(3千瓦-20千瓦)高功率激光器，

步骤三：根据工件的表面硬化深度要求，按如下公式设定激光器工作参数，

式1中：D为硬化深度，取值范围是0.1-10mm，

γ常数，18.3，

G为极限功率，取值范围是3-20千瓦，

E为吸收率,取值范围10％-60％，

S为扫描速度，取值范围是1-20mm/s，

C为冷却速度，取值范围是600℃1/-1000℃/s，

n为扫描速度指数，取值范围是大于1(n≥1)，

m为冷却速度指数，取值范围是小于1(m≤1)。

步骤四：按式1设定的参数对金属表面进行激光淬火处理。

优选地：为了达到D＝6mm，G为极限功率，取值是6；S为行进速度，取值是3；C为冷却速度，取值是700℃/s；n为扫描速度指数，取值是2；m为冷却速度指数，取值是0.1。

本发明具有如下的技术效果：

1、本发明方法加工的工件的相变硬化深度最大可达10mm，远远高于现有技术2-2.5mm的相变硬化深度。

2、本发明方法加工的工件的相变硬化的激光不搭接一次硬化宽度为200mm，远高于现有技术60mm的激光不搭接一次硬化宽度。

3、本发明方法加工的工件的相变硬化表面硬度为：轴承中GCr15SiMn钢钢球的硬度为HRC60-63，42CrMo钢激光表面处里的硬度HRC60±2，由于京冶产品的变形非常小，可以达到使所有滚动体在装配条件下保持过盈配合，由于套圈变形小，零件滚道在表面处理后不需要再加工或加工量小于0.1mm，故表面硬化层不会损失，且表面的硬度可保持均匀。

4、本方法加工的轴承滚道没有软带，轴承在安装时不需要避开S点，可以避免轴承运转中造成齿轮根部切根。

5、另外，由于轴承零件在加工中的变形小，基准面不象感应加热零件需要三次加工，使齿轮表面传动无法保持线接触，激光表面处理的零件基准面是一次加工成形的，齿面与轴承端面可保持较好的垂直关系，线性接触较好，齿轮的寿命较高。

附图说明

下面通过具体实施方式并参照附图介绍本发明的其它细节和优点，附图如下：

图1为本发明方法的工艺流程图，

图2为本发明硬化处理后的滚道检查位置图，

图3为本发明硬化处理后的滚道淬硬层测量结果表，

图4为采用本发明方法所处理的工件表面的3.5mm层深下组织的5000倍扫描电镜形貌，

图5为采用本发明方法所处理的工件表面的3.5mm层深下组织的10000倍扫描电镜形貌，

图6为采用本发明方法所处理的工件表面的6.0mm层深下组织的5000倍扫描电镜形貌，

图7为采用本发明方法所处理的工件表面的6.0mm层深下组织的10000倍扫描电镜形貌。

具体实施例

下面结合附图进一步详细说明本发明的商品流通信息查询系统的具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。

本发明的激光相变硬化方法，属于一种激光高集热相变硬化技术，其提出了激光能量临界阈值概念。该阈值的界定，以激光加热中可以实现激光冲击加热特性和引入传导加热特性的双重加热方式，以及可以保持自激冷的冷却方式三个条件，所需要的临界输入最小能量阈值。

具体的，本发明的激光相变硬化处理方法，采用超出临界阈值的总能量，对工件表面进行硬化处理，其中，该临界阈值定义为在激光加热过程中，能够同时实现激光冲击加热特性、引入传导加热特性以及保持自激冷的冷却方式这三个条件下，所需要输入的最小激光能量值；并且，通过引入时间作用因素以实现所述超出临界阈值的总能量。

图1为本发明方法的工艺流程图，一种激光相变硬化方法，包含如下步骤：

步骤二：准备使用光纤输出的(3千瓦-20千瓦)高功率激光器，

式1中：D为硬化深度，取值范围是0.1-10mm，

γ常数，18.3，

G为极限功率，取值范围是3-20千瓦，

E为吸收率，

S为扫描速度，取值范围是1-20mm/s，

C为冷却速度，取值范围是600℃1/-1000℃/s，

n为扫描速度指数，取值范围是大于1(n≥1)，

m为冷却速度指数，取值范围是小于1(m≤1)。

具体地，为了达到D＝6mm，G为极限功率，取值是6；S为行进速度，取值是3；C为冷却速度，取值是700℃/s；n为扫描速度指数，取值是2；m为冷却速度指数，取值是0.1。

步骤四：按式1设定的参数对金属表面进行激光淬火处理。

图2为本发明硬化处理后的滚道检查位置图，图3为本发明硬化处理后的滚道淬硬层测量结果表，如图所示，由此获得了传统相变理论和激光相变理论各自的优点，克服了存在的缺陷，使激光相变硬化技术得到了发展，在保持了其固有的：高硬度、高强韧化、高耐磨性、低应力、小变形、低开裂倾向、可搭接等优点外，还获得了很高的硬化深度、和较大的一次不搭接处理幅宽。其分别达到了：最大硬化深度≥6毫米(目前国内、外为2-2.5mm)，一次不搭接处理100毫米宽度的滚道表面(目前国内、外为60mm)。

该条件下具有如下的加热特征，①仍保持高过热度，这是高形核率的必要条件；②仍保持短促的冲击式加热特点和高速的自激冷特点，这是晶粒不会明显长大的保证；③也是本技术的关键，超出常规激光相变硬化所需能量输入的临界阈值的总能量，即引入了时间作用的因素。由此，会出现如下的组织特征，①晶粒不会出现明显的长大，仍保持传统激光相变硬化的超细晶粒；②随硬化深度增加晶粒和组织会有稍微的长大，如图4-7所示，虽然有所长大，但仍保持超细晶粒的特征；③硬化层下不会出现明显的回火层，这是激光独特的加热方式所独有的。

如图4-7所示，由腐蚀后扫描电镜在5000倍及其10000倍下观察组织可见，激光高集热相变硬化技术处理后的组织仍为板条马氏体，但组织极度细化；由图可见，随着硬化层深的增大，晶粒有所长大，但相较于其他方法的淬火组织仍然是非常细小的。

应用该项目技术成果，获得了重大的经济效益和社会效益。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域普通技术人员能够显而易见想到一些雷同替代方案，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种高集热激光相变硬化方法，使用激光束对工件表面进行硬化处理，采用超出临界阈值的总能量，对工件表面进行硬化处理，其中，该临界阈值定义为在激光加热过程中，能够同时实现激光冲击加热特性、引入传导加热特性以及保持自激冷的冷却方式这三个条件下，所需要输入的最小激光能量值；并且，通过引入时间作用因素以实现所述超出临界阈值的总能量。

2.根据权利要求1所述的高集热激光相变硬化方法，包含如下步骤：

步骤二：准备使用光纤输出的(3千瓦-20千瓦)高功率激光器，

式1中：D为硬化深度，取值范围是0.1-10mm，

γ常数，18.3，

G为极限功率，取值范围是3-20千瓦，

E为吸收率10％-60％，

S为扫描速度，取值范围是1-20mm/s，

C为冷却速度，取值范围是600℃1/-1000℃/s，

n为扫描速度指数，取值范围是大于1(n≥1)，

m为冷却速度指数，取值范围是小于1(m≤1)。

步骤四：按式1设定的参数对金属表面进行激光淬火处理。

3.根据权利要求2所述的高集热激光相变硬化方法，其特征在于，步骤二的激光器为5千瓦-10千瓦的高功率激光器。

4.根据权利要求2所述的高集热激光相变硬化方法，其特征在于，步骤三为了达到D＝6mm，G为极限功率，取值是6；S为行进速度，取值是3；C为冷却速度，取值是700℃/s；n为扫描速度指数，取值是2；m为冷却速度指数，取值是0.1。