專利名稱：激光能量控制下的表面處理方法及用該方法處理的零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光的熔融技術(shù)，尤其是采用能量控制下的激光對鐵系合金金屬表面處理的方法及用該方法處理的內(nèi)燃機(jī)零件。
發(fā)明
背景技術(shù)：
機(jī)械零件的表面處理技術(shù)中，包括采用激光方法。例如在CN 1151447的發(fā)明專利中公開了一種使合金基體在表面處理中改性的激光方法。不過它是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行的。
在CN 1258323的發(fā)明專利中公開了一種表面處理方法，也是用到激光形成機(jī)件表面的金屬陶瓷涂層。然而對于內(nèi)燃機(jī)中的一些零件，例如柴油機(jī)活塞頭，工作時受氣缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)庾饔?，承受很大的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。活塞頭上的活塞環(huán)槽與活塞環(huán)組成摩擦副，在燃?xì)庾饔孟绿幱诎敫赡Σ翣顟B(tài)，一旦磨損嚴(yán)重就會使活塞環(huán)槽磨成喇叭口狀，導(dǎo)致密封失效，而功率大幅下降，甚至無法正常工作。氣閥和閥座是船用柴油機(jī)的重要組件，直接與高溫燃?xì)饨佑|，特別是排氣閥還受到廢氣的腐蝕高速沖刷，與閥座的沖擊和磨損，最高溫度可達(dá)650-800℃，承受較大的熱應(yīng)力，交變機(jī)械應(yīng)力和沖擊負(fù)荷，造成腐蝕和磨損。一旦腐蝕磨損嚴(yán)重，會使氣閥閥盤和閥座的接觸不良，加劇磨損，使柴油機(jī)不能正常工作。還有船用主機(jī)氣缸套，尺寸較大，最大直徑為900mm。工作時受緊固力和氣缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)庾饔?，承受很大的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。氣缸套與活塞頭上的活塞環(huán)組成摩擦副，在燃?xì)庾饔孟?，活塞組在氣缸套內(nèi)高速往復(fù)運(yùn)動，使之產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和磨損，處于半干摩擦狀態(tài)，一旦磨損嚴(yán)重就會在氣缸套和活塞環(huán)之間形成間隙，導(dǎo)致密封失效，燃?xì)庀聸_使功率大幅度下降。曲軸也是船用柴油機(jī)的最重要部件之一。作用是把各氣缸所作的功匯集后以回轉(zhuǎn)運(yùn)動的形式輸出。船用柴油機(jī)曲軸主要失效是軸頸的磨損。一旦不正常磨損產(chǎn)生，就會使曲軸軸線失準(zhǔn)，柴油機(jī)就不能正常工作。因磨損造成軸線準(zhǔn)直性破壞的曲軸常采用堆焊耐磨、耐沖擊合金的方法修復(fù)。堆焊時輸入的熱量會使曲軸的綜合力學(xué)性能下降，也會造成熱變形，焊后加工也困難，甚至無法修復(fù)。目前磨損失效的氣閥、閥座的修復(fù)都采用堆焊耐磨合金的方法，其中閥盤、閥座的堆焊材料是司太立合金，非常昂貴，且堆焊后型面經(jīng)加工其用料的40-60％變成了切屑。堆焊時輸入的熱量也會使修補(bǔ)件綜合力學(xué)性能下降。因此，存在一種能有效降低成本的金屬基體的表面處理方法，特別是對大型零件的表面處理方法以及大型零件被磨損表面修復(fù)用的表面處理方法的需求。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種有效的表面處理方法以及這種方法處理的零件。上述目的是通過下列方案實(shí)現(xiàn)的。一種激光能量控制下的表面處理方法，其步驟為配制外加合金材料，其中以碳化鎢為主體，以鎳為粘結(jié)劑，制成以化學(xué)粘結(jié)預(yù)置方式的外加合金材料；和調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描基體材料通常是低碳鋼和/或低合金鋼的被處理零件的一個表面同時、加入上述配制好的外加合金材料，使在該被處理的零件表面形成一個以工件基材金屬為溶劑，加入有合金元素、熔合在一起并迅速凝固在工件表面而形成一個合金層，而在該合金層以下為一個熱影響區(qū)，其中在該激光作用過程中在該熱影響區(qū)內(nèi)的部分基體材料中也已發(fā)生了相變硬化以形成對該表面合金層的支撐。
該激光能量控制下的表面處理方法中該碳化鎢的重量比一般為約50％至90％，鎳為約10％至50％；而碳化鎢的顆粒尺寸一般為20至150nm。
這種方法作表面處理的零件可以是以20CrMo鋼為基體材料的柴油機(jī)用的活塞頭，尤其是其中與活塞環(huán)相接觸的至少一個活塞槽的一對環(huán)形側(cè)表面。
一種激光能量控制下的表面處理方法包括以下步驟，在一個通常是由合金鑄鐵或合金結(jié)構(gòu)鋼為基體材料的被處理零件的表面作黑化處理，使降低其表面的反射率以提高表面對激光能量的利用率；再調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描該經(jīng)過黑化處理的被處理零件表面，使被激光加工點(diǎn)處以約2,000-200,000℃/秒的速度快速加熱到約800℃-1100℃，遂使處理表面區(qū)產(chǎn)生奧氏體轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象，并隨后以約2,000℃/秒的速度淬火冷卻，令經(jīng)掃描后的表面形成由馬氏體，滲碳體及少量萊氏體等金相組織組成的硬化層。
該激光能量控制下的表面處理方法中所述的黑化處理為采用Zn(H2PO4)2處理該待加工表面，使經(jīng)處理后的表面呈深褐色的絨狀；而所述經(jīng)淬火后的硬化層的深度一般為0.3至0.9毫米，宏觀硬度一般為HRC50至HRC62；調(diào)整控制激光源的功率密度一般為106-1012W/cm2。
該方法作表面處理的零件，可以是材質(zhì)為鉻鉬銅合金鑄鐵的內(nèi)燃機(jī)氣缸套，尤其是該氣缸套上的與活塞環(huán)相摩擦接觸的表面部分。
一種激光能量控制下的表面處理方法，它包括以下步驟配制合金涂層，其基本成分為一定量的納米碳化鎢粉的鎳基自熔性合金粉末，按所需生成表面的機(jī)械性能調(diào)整該納米碳化鎢和鎳粉用量的配比；將該配置好的合金涂層用介質(zhì)涂覆到零件的欲處理表面區(qū)，該零件的基體材料一般是合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼；預(yù)熱該被處理零件；和調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描涂覆有固化于零件欲處理表面區(qū)的所配制合金涂層，其中該被調(diào)整控制的激光源的輻射能量大于第二種方法中所用量而略低于第一種方法中的所需用量致使該合金涂層受激光輻射熔化，當(dāng)熔池達(dá)到基體材料時受基體冷卻而凝固，須繼續(xù)加熱讓熔化帶延伸向基體在一定深度上形成一種牢固的冶金形式的結(jié)合。
該方法作表面處理的零件，可以是以40號優(yōu)質(zhì)碳鋼或40Cr合金鋼為基體材料的內(nèi)燃機(jī)用的曲軸，尤其是該零件上的構(gòu)成滑動副的軸頸表面區(qū)域；還可以是一種船用柴油機(jī)中的氣閥和閥座，尤其是它們的容易被磨損的表面部分。
本發(fā)明的各多特點(diǎn)提供了見增的零件機(jī)械特性，進(jìn)而降低了總體制造成本和/或改進(jìn)了零件質(zhì)量。本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員還可以明了本發(fā)明中的其他潛在的諸多優(yōu)點(diǎn)。


圖1為按本發(fā)明方法作表面處理的零件，活塞的示意圖。
圖2為按本發(fā)明方法作表面處理的零件，氣缸套的示意圖。
圖3圖按本發(fā)明方法作表面處理的零件，曲軸的示意圖。
圖4為按本發(fā)明方法作表面處理的零件，氣閥的示意圖。
圖5為按本發(fā)明方法作表面處理的零件，閥座的示意圖。
現(xiàn)在以比以上概述更為詳細(xì)的方式描述所述的表面處理方法及用該方法處理的零件。
然而，于細(xì)說本發(fā)明之先需予說明，不言而喻，本發(fā)明并不局限于所作描述的具體舉例，它當(dāng)然是可以作變化的。在不背離本發(fā)明的宗旨和范圍對所述的本發(fā)明是可作出各種變化和以等同物替換的.另外，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，在其宗旨和范圍內(nèi)、為適應(yīng)實(shí)際的情況，對材料，物質(zhì)成分，加工，加工步驟可作諸多的修改。所有這些修改意欲包括在此所作的權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。還有，在此提及的數(shù)值范圍，應(yīng)理解為該范圍和任何其他提到的上下限間的每一個插入值、或在所述范圍內(nèi)的插入值是被包含在本發(fā)明內(nèi)的。提出在所述范圍內(nèi)任何特定例外限定時，可獨(dú)自包括在較小范圍內(nèi)的這些較小范圍的上下限也被包括在本發(fā)明內(nèi)。另外，希望任何在此所措述的本發(fā)明各種可選擇特點(diǎn)被單獨(dú)地、或是以在此所述的任何一個或更多特點(diǎn)相結(jié)合的方式受到保護(hù)。
除非另有限定，在此所用的所有技術(shù)科技詞匯應(yīng)與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員所作通常的理解相同。雖然在此描述的那些方法和材料的類似者或等同物也可被用在按本發(fā)明的實(shí)踐或試驗(yàn)之中，但現(xiàn)在描述的是優(yōu)選的方法和材料。在此提及的所有現(xiàn)存主題(例如，專利，應(yīng)用的設(shè)備)以其整體被列出以備參考。所提供的引用項(xiàng)目僅只是早于本發(fā)明申請的申請日之前的它們所作的公開。并不構(gòu)成認(rèn)可因先有發(fā)明的這種材料的占先所致本發(fā)明的不予授權(quán)。
現(xiàn)返回至本發(fā)明的一種激光能量控制下的表面處理方法，它包括以下步驟配制外加合金材料。其中以碳化鎢為主體，以鎳為粘結(jié)劑以制成以化學(xué)粘結(jié)預(yù)置方式的外加合金材料。再調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描基體材料通常是低碳鋼和/或低合金鋼的被處理零件的一個表面同時、加入上述配制好的外加合金材料，使在該被處理的零件表面形成一個以工件基材金屬為溶劑。加入有合金元素、熔合在一起并迅速凝固在工件表面而形成一個合金層，而在該合金層以下為一個熱影響區(qū)。其中在該激光作用過程中在該熱影響區(qū)內(nèi)的部分基體材料中也已發(fā)生了相變硬化以形成對該表面合金層的支撐。
這里所描述的表面處理方法是一種激光合金化的方法，它是以工件表面金屬為溶劑，外加合金元素，用激光加熱快速熔合在一起并迅速凝固在工件表面形成合金層，合金層以下為熱影響區(qū)，這個熱影響區(qū)，在激光快速加熱過程中也已發(fā)生相變硬化，并形成對表面合金層的支撐，可稱之為支撐層。
本發(fā)明的激光能量控制下的表面處理方法中該碳化鎢的重量比一般為約50％至90％，鎳為約10％至50％；而碳化鎢的顆粒尺寸一般為20至150nm。
一般而言，外加合金材料的配制是以碳化鎢為主體，以鎳為粘結(jié)劑，具體配方是納米碳化鎢約為50-90％、最好為52-85％；鎳粉約為10-50％、最好15-48％。調(diào)整納米碳化鎢和鎳粉的用量就可以得到適當(dāng)?shù)挠捕群晚g性，即鎳粉的用量高，硬度下降，韌性提高。納米碳化鎢的用量高，硬度提高，韌性下降。碳化鎢是應(yīng)用最廣范的碳化物，碳化鎢在晶格結(jié)構(gòu)上屬間隙化合物，晶格常數(shù)為50nm左右，是體心立方晶格，碳化鎢的熔點(diǎn)和硬度都很高，熔點(diǎn)2600℃，硬度HRC 93。是一種極難熔的高硬度物質(zhì)，這是因?yàn)殒u與碳的親和力很強(qiáng)，親和力越強(qiáng)，化合物越穩(wěn)定，熔點(diǎn)和硬度也越高，但韌性不好。用韌性極好的Ni作粘結(jié)金屬，一起熔于20CrMo基體內(nèi)，就可以得到良好的綜合性能，同時又具有優(yōu)良的耐磨和耐沖擊的性能。
通常碳化鎢晶粒越細(xì)，耐磨性越好。本發(fā)明采用的碳化鎢粒度一般不大于100nm，是納米碳化鎢。納米碳化鎢的顆粒尺寸與基體晶粒的晶格常數(shù)相當(dāng)，屬同一數(shù)量級，所以可均勻彌散分布于合金層，也可以成為合金層凝固時的結(jié)晶核心，使合金層晶粒細(xì)化。加上作為粘合金屬的鎳可以同基體合金完全互溶，有效地強(qiáng)化了合金層并可保持足夠的韌性，所以合金層既耐磨又耐沖擊。
碳化鎢的晶格尺寸為50nm左右，一個納米碳化鎢顆粒中只有幾個晶粒，單位質(zhì)量的表面積很大，表面能很大，不穩(wěn)定，表現(xiàn)出很高的活性，較低的溫度就可使之熔化，會引起碳化鎢熔點(diǎn)的下降，如果在激光合金化過程中碳化鎢熔化，會使綜合力學(xué)性能下降，所以納米碳化鎢的顆粒不是越小越好，還應(yīng)控制納米碳化鎢顆粒尺寸的下限。本發(fā)明試驗(yàn)控制的下限是20nm。納米碳化鎢顆粒尺寸為約20-150nm，最好為52-110nm。業(yè)已發(fā)現(xiàn)納米碳化鎢顆粒尺寸在上述范圍內(nèi)可保證其在激光合金化過度中獲得理想的熔點(diǎn)和硬度。
按本發(fā)明的方法作表面處理的零件，該零件一般是以20CrMo鋼為基體材料的柴油機(jī)用的活塞頭。尤其是該零件中與活塞環(huán)相接觸的至少一個活塞槽的一對環(huán)形側(cè)表面。
以下是一個工藝實(shí)例活塞頭10(見圖1)的直徑為480毫米材料為20CrMo合金鋼。采用5KW橫流CO2激光設(shè)備(型號DL-HL-T5000)。掃描后得到的硬化層101和102的深度為0.6-0.8mm，硬度為HRC60。
本發(fā)明采用激光，是亞穩(wěn)態(tài)較高能級上的原子、離子或分子受入射光子激發(fā)躍遷到低能級時輻射的光。它的相位、波長、頻率和傳播方向與入射光幾乎完全一致，所以亮度、方向性、單色性和相干性極好，具有很小的發(fā)散角，可以聚焦到與波長相當(dāng)?shù)男“唿c(diǎn)上。功率密度可達(dá)107-1011w/cm2，溫度可達(dá)上萬度(℃)可在瞬間(約10-3秒)使任何堅硬的材料熔化或蒸發(fā)，同時通過改變聚焦光斑尺寸，功率和掃描速度等工藝參數(shù)對功率密度、加熱溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制調(diào)整。因而激光不僅可用于打孔、切割和焊接，還可以用于按本發(fā)明的金屬表面熔敷合金化和相變硬化等特殊的表面處理工藝。
采用本發(fā)明的激光技術(shù)和納米技術(shù)結(jié)合的金屬表面處理工藝，工件承受的輸入熱量少，對被加工零件幾乎沒有熱影響，因而綜合力學(xué)性能不受影響致使工作壽命提高，同時對環(huán)境無污染且施工周期短。
按本發(fā)明的另一種激光能量控制下的表面處理方法，其步驟是在一個通常是由合金鑄鐵或合金結(jié)構(gòu)鋼為基體材料的被處理零件的表面先作黑化處理，致使降低其表面的反射率以提高表面對激光能量的利用率。
再行調(diào)整控制激光源的輻射能量用以掃描該經(jīng)過黑化處理的被處理零件表面。使在被激光所加工點(diǎn)處以約2,000-200,000℃/秒的速度快速地將被加工零件的局部表面區(qū)域熱到約800℃-1100℃，遂使處理表面區(qū)產(chǎn)生奧氏體轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象，并隨后以約2,000℃/秒的速度淬火冷卻，令經(jīng)掃描后的表面形成由馬氏體，滲碳體及少量萊氏體等金相組織組成的硬化層。
該激光能量控制下的表面處理方法中所述的黑化處理，乃是采用，例如用Zn(H2PO4)2來處理該待加工表面，使得經(jīng)處理后的表面呈深褐色的絨狀。而使經(jīng)淬火后的硬化層的深度一般為0.3至0.9毫米，宏觀硬度一般為HRC50至HRC62。被調(diào)整控制的激光源的功率密度一般為106-1012W/cm2。
一種船用內(nèi)燃機(jī)氣缸套通常是用鉻鉬銅合金鑄鐵制造。這種合金鑄鐵有足夠的強(qiáng)度，但硬度和耐磨性不足。為了延長氣缸套的使用壽命，必需對內(nèi)孔表面進(jìn)行特殊處理，例如電火花淬火。電火花淬火是利用電觸頭和工件間的接觸電阻，使工件表面加熱，并借助工件其它部分冷卻實(shí)現(xiàn)自冷淬火，但淬硬層較薄，只有0.2-0.25mm。顯微組織是隱晶馬氏體和少量萊氏體及殘余奧氏體，金相組織和硬度的均勻性較差，對于這樣處理過的氣缸套使用壽命尚不理想。
本發(fā)明的這種激光能量控制下的表面處理方法，可對氣缸套內(nèi)孔表面進(jìn)行淬火處理。由于激光加熱速度極快，這種快速加熱會產(chǎn)生奧氏體轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象，即加熱到723℃時，鐵素體還來不及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，要加熱到800℃左右才開始轉(zhuǎn)變，比奧氏體轉(zhuǎn)變溫度提高了近80℃。這種高的轉(zhuǎn)化溫度可加快珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)化及碳化物的溶解，盡管轉(zhuǎn)變溫度以上停留時間短，但珠光體晶粒均能完成碳擴(kuò)散，成為均勻的奧氏體組織晶粒也來不及長大。
合金鑄鐵是亞共晶鑄鐵，欲淬火得到馬氏體組織并消除殘余的奧氏體，冷卻速度必須大于1000℃/S。
本發(fā)明實(shí)踐表明激光淬火的冷卻速度可達(dá)2000℃/S，這使得其金相組織轉(zhuǎn)變過程中來不及析出滲碳體，而形成碳在α鐵中的過飽和固容體——馬氏體。眾所周知，馬氏體的硬度甚高(HV＝600-650)。此時該表面區(qū)域內(nèi)的主要成分是馬氏體和硬度更高的碳化物，還有少量萊氏體。
馬氏體是碳在鐵中的過飽和固溶體，晶格發(fā)生畸變，硬度提高，含碳量越高硬度越高，碳化物即滲碳體，是具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，硬度比馬氏體還高，可達(dá)維氏硬度HV950-1050。萊氏體是按亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的共晶組織，是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。由上述金相組織組成的硬化層宏觀硬度可達(dá)HRC60。業(yè)已證明，具有這樣處理過的零件表面抗耐磨性良好。
通常的金屬表面對CO2激光的反射率高達(dá)90％，所以要將待處理表面涂上一層吸光的涂層，來降低激光反射率。本發(fā)明采取磷化法，即用Zn(H2PO4)2處理待淬火表面。經(jīng)處理后的表面呈深褐色的絨狀。它對CO2激光的反射率可降低至20％左右。
以下是工藝實(shí)例一個氣缸套20(見圖2)，直徑為350毫米，材料為鉻鉬銅合金鑄鐵。被處理部位是氣缸套的內(nèi)孔表面201。所用的激光設(shè)備為5KW橫流CO2激光機(jī)(型號DL-HL-T5000)。調(diào)制激光輸出功率為1760W，其光斑直徑為4毫米，以50mm/s的掃描速度呈螺旋線方式掃描氣缸套的內(nèi)孔表面201。其生成的經(jīng)處理表面硬化層深度為0.6mm，硬度為HRC50-HRC55。
該方法作表面處理的零件可以是材質(zhì)為鉻鉬銅合金鑄鐵的內(nèi)燃機(jī)氣缸套，尤其是該氣缸套上的與活塞環(huán)相摩擦接觸的表面部分。
該方法作表面處理的零件還可以是經(jīng)合金化處理后的活塞頭10(圖1)，尤其其與活塞環(huán)側(cè)面相接觸的表面部分101，102。
再一種激光能量控制下的表面處理方法，它包括以下步驟配制合金涂層。其基本成分為一定量的納米碳化鎢粉的鎳基自熔性合金粉末。按照所需生成表面的機(jī)械性能來調(diào)整該納米碳化鎢和鎳粉用量的配比。再將該配置好的合金涂層用介質(zhì)、例如用水玻璃，調(diào)和后涂覆到零件的欲處理表面區(qū)。其中該零件的基體材料一般是合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼。然后，預(yù)熱該被處理零件。再行調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描涂覆有固化于零件欲處理表面區(qū)的所配制合金涂層，其中該被調(diào)整控制的激光源的輻射能量大于上述第二種方法中的用量而略低于第一種方法中的所需用量致使該合金涂層受激光輻射熔化。當(dāng)?shù)萌鄢剡_(dá)到基體材料時會因受基體冷卻而凝固，此時須繼續(xù)加熱讓熔化帶延伸向基體，使得在一定深度上形成一種牢固的冶金形式的結(jié)合。
按這種方法所作表面處理的零件，可以是以40號優(yōu)質(zhì)碳鋼或40Cr合金鋼為基體材料零件。例如，是一種內(nèi)燃機(jī)用的曲軸30(見圖3)，尤其是該零件上的構(gòu)成滑動副的軸頸表面區(qū)域301。該方法作表面處理的零件，還可以是一種船用柴油機(jī)中的氣閥40(見圖4)和閥座50(圖5)，尤其是它們的容易被磨損的表面部分401和501等。
曲軸是船用柴油機(jī)的最重要部件，作用是把各氣缸所作的功匯集后以回轉(zhuǎn)運(yùn)動的形式輸出。大部分的失效是軸頸的磨損，一旦不正常磨損產(chǎn)生，就會使曲軸軸線失準(zhǔn)，柴油機(jī)就不能正常工作。
本發(fā)明的激光能量控制下的表面處理方法是采用激光熔敷工藝對曲軸已磨損的軸頸進(jìn)行予置合金粉末激光熔敷。它采用激光束在軸頸表面熔敷一層高硬度高熱穩(wěn)定性的合金材料。在磨損軸頸表面予先涂敷合金粉末的工藝，合金涂層受激光輻射熔化，激光熔敷時熔化帶伸向基體的深度越淺，對合金層的稀釋越小，越可以保持熔敷層的高性能。
采用的合金粉末是加入一定量納米碳化鎢粉的鎳基自熔性合金粉末，它熔點(diǎn)低，有良好的韌性和沖擊性能，耐熱性能，抗氧化性能，以及耐摩擦磨損等性能。合金粉末的主要成分為納米碳化鎢40-80％；鎳粉20-60％。調(diào)整納米碳化鎢和鎳粉的用量就可以得到適當(dāng)?shù)挠捕群晚g性，即鎳粉的用量高，硬度下降，韌性提高。納米碳化鎢的用量高，硬度提高，韌性下降。碳化鎢是應(yīng)用最廣范的碳化物，碳化鎢是間隙化合物，晶格常數(shù)為50nm左右，是體心立方晶格，碳化鎢的熔點(diǎn)為2600℃而硬度為HRC 93，是一種極難熔的高硬度物質(zhì)。因?yàn)殒u與碳的親和力很強(qiáng)，親和力越強(qiáng)，化合物越穩(wěn)定，熔點(diǎn)和硬度也越高，但韌性不好。用韌性好的Ni作為粘結(jié)金屬，一起熔敷于基體表面，就可得良好的綜合力學(xué)性能，同時又具有好的耐磨和耐沖擊性能。通常碳化鎢晶粒越細(xì)，耐磨性越好。本專利采用的碳化鎢粒度不大于150nm，是納米碳化鎢。
納米碳化鎢的顆粒尺寸與基本晶粒的晶格常數(shù)相當(dāng)，屬同一數(shù)量級，可以均勻彌散分布于合金層，也可以成為合金層凝固時的結(jié)晶核心，使合金層晶粒細(xì)化。加上作為粘合金屬的鎳可以同基體合金完全互溶，有效地強(qiáng)化了合金層并可保持足夠的韌性，所以合金層既耐磨又耐沖擊。
碳化鎢的晶格尺寸為50nm左右，一個納米碳化鎢顆粒中只有幾個晶粒，單位質(zhì)量的表面積很大，表面能很大，不穩(wěn)定，表現(xiàn)出很高的活性，較低的溫度就可使之熔化，會引起碳化鎢熔點(diǎn)的下降，如果在激光合金化過程中碳化鎢熔化，會使綜合力學(xué)性能下降，所以納米碳化鎢的顆粒不是越小越好，還應(yīng)控制納米碳化鎢顆粒尺寸的下限。
采用激光熔敷的特點(diǎn)是基體材料受熱層薄，熱影響少，與合金層的冶金結(jié)合強(qiáng)度高，因而熔敷過程中合金的稀釋率低，合金層能夠保持高性能?；呐c合金層的熱脹系數(shù)通常是不一樣的，所以處理過程中工件要進(jìn)行預(yù)熱。
工藝實(shí)例被處理零件是一種柴油機(jī)曲軸30(圖3)。采用激光設(shè)備為5KW橫流CO2激光機(jī)(型號DL-HL-T5000)，調(diào)整激光功率為2000W使光斑直徑為4mm，采用掃描速度為8mm/s。經(jīng)掃描后的被處理表面301的熔敷厚度為1mm，而熔敷層硬度為HRC55。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照以單個示例，可選擇的結(jié)合各種特點(diǎn)作了描述，但本發(fā)明不局限于所作的這些描述。本發(fā)明不受在此提供的所注釋的、或以舉例方式的描繪所限。不難理解，本發(fā)明的范圍只由后附的權(quán)利要求書中的原文所規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種激光能量控制下的表面處理方法，其特征為它包括以下步驟配制外加合金材料，其中以碳化鎢為主體，以鎳為粘結(jié)劑，制成以化學(xué)粘結(jié)預(yù)置方式的外加合金材料；和調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描基體材料通常是低碳鋼和/或低合金鋼的被處理零件的一個表面同時、加入上述配制好的外加合金材料，使在該被處理的零件表面形成一個以工件基材金屬為溶劑，加入有合金元素、熔合在一起并迅速凝固在工件表面而形成一個合金層，而在該合金層以下為一個熱影響區(qū)，其中在該激光作用過程中在該熱影響區(qū)內(nèi)的部分基體材料中也已發(fā)生了相變硬化以形成對該表面合金層的支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光能量控制下的表面處理方法，其特征在于其中該碳化鎢的重量比一般為約50％至90％，鎳為約10％至50％；而碳化鎢的顆粒尺寸一般為20至150nm。
3.一種按權(quán)利要求1或2的方法作表面處理的零件，其特征在于該零件是以20CrMo鋼為基體材料的柴油機(jī)用的活塞頭(10)，尤其是其中與活塞環(huán)相接觸的至少一個活塞槽的一對環(huán)形側(cè)表面(101，102)。
4.一種激光能量控制下的表面處理方法，其特征為它包括以下步驟在一個通常是由合金鑄鐵或合金結(jié)構(gòu)鋼為基體材料的被處理零件的表面作黑化處理，使降低其表面的反射率以提高表面對激光能量的利用率；和調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描該經(jīng)過黑化處理的被處理零件表面，使被激光加工點(diǎn)處以約2,000-200,000℃/秒的速度快速加熱到約800℃-1100℃，遂使處理表面區(qū)產(chǎn)生奧氏體轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象，并隨后以約2000℃/秒的速度淬火冷卻，令經(jīng)掃描后的表面形成由馬氏體，滲碳體及少量萊氏體等金相組織組成的硬化層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的激光能量控制下的表面處理方法，其特征在于其中所述的黑化處理為采用Zn(H2PO4)2處理該待加工表面，使經(jīng)處理后的表面呈深褐色的絨狀；而所述經(jīng)淬火后的硬化層的深度一般為0.3至0.9毫米，宏觀硬度一般為HRC50至HRC62；調(diào)整控制激光源的功率密度一般為106-1012W/cm2。
6.一種按權(quán)利要求4或5的方法作表面處理的零件，其特征在于該零件是材質(zhì)為鉻鉬銅合金鑄鐵的內(nèi)燃機(jī)氣缸套(20)，尤其是該氣缸套上的與活塞環(huán)相摩擦接觸的表面部分(201)。
7.一種激光能量控制下的表面處理方法，其特征為它包括以下步驟配制合金涂層，其基本成分為一定量的納米碳化鎢粉的鎳基自熔性合金粉末，按所需生成表面的機(jī)械性能調(diào)整該納米碳化鎢和鎳粉用量的配比；將該配置好的合金涂層用介質(zhì)涂覆到零件的欲處理表面區(qū)，該零件的基體材料一般是合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼；預(yù)熱該被處理零件；和調(diào)整控制激光源的輻射能量，用以掃描涂覆有固化于零件欲處理表面區(qū)的所配制合金涂層，其中該被調(diào)整控制的激光源的輻射能量大于權(quán)利要求4中所用量而略低于權(quán)利要求1中的所需用量致使該合金涂層受激光輻射熔化，當(dāng)熔池達(dá)到基體材料時受基體冷卻而凝固，須繼續(xù)加熱讓熔化帶延伸向基體在一定深度上形成一種牢固的冶金形式的結(jié)合。
8.一種按權(quán)利要求7的方法作表面處理的零件，其特征在于該零件是以40號優(yōu)質(zhì)碳鋼或40Cr合金鋼為基體材料的內(nèi)燃機(jī)用的曲軸(30)，尤其是該零件上的構(gòu)成滑動副的軸頸表面區(qū)域(301)。
9.一種按權(quán)利要求7的方法作表面處理的零件，其特征在于該零件是一種船用柴油機(jī)中的氣閥(40)和閥座(50)，尤其是它們的容易被磨損的表面部分(401和501)。
全文摘要
一種激光能量控制下的表面處理方法，以碳化鎢為主體鎳為粘結(jié)劑制成的外加合金材料，控制激光源的輻射量以掃描基材是碳鋼的被處理零件表面同時加入該外加合金材料，使在該零件表面形成一個合金層及其以下的一個合金層的支撐。這種方法作表面處理的零件是柴油機(jī)用的活塞頭。該方法還包括表面作黑化處理，控制的激光源掃描零件表面，使產(chǎn)生奧氏體轉(zhuǎn)變滯后現(xiàn)象的硬化層。該零件可以是內(nèi)燃機(jī)氣缸套。該方法還包括有配制納米碳化鎢粉的合金涂層，預(yù)熱該被處理零件，激光掃描涂覆層等步驟。該方法處理的零件可以是內(nèi)燃機(jī)用的曲軸。
文檔編號B23K26/00GK1517449SQ03102818
公開日2004年8月4日 申請日期2003年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者王江, 王 江 申請人:王江, 王 江