專利名稱：一種鑄鐵表面快速掃描熔凝硬化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄鐵零件表面快速掃描熔凝硬化的方法，屬于金屬熱處理領(lǐng)域。
鑄鐵由于具有良好的鑄造與切削加工工藝性和減摩性以及價格低廉，在工業(yè)上大量用于制造耐磨零件，如機床導軌、滑板、內(nèi)燃機缸套、曲軸、軸瓦等。為了便于切削加工，鑄鐵零件毛坯組織都為低硬度的灰口組織，加工至要求精度后一般不再進行硬化熱處理，因此耐磨壽命普遍較低，其原因在于鑄鐵零件整體淬火極易變形開裂，在熱處理工藝中是不允許的，而且需要耐磨的僅是表面層，內(nèi)部沒有必要硬化處理。為此工業(yè)中已將某些表面硬化的工藝不同程度地用于鑄鐵零件表面，例如①.滾輪電接觸加熱淬火該方法將通電的水冷銅滾輪滾過鑄鐵零件表面，靠接觸處的大電流快速局部加熱而后自冷淬火，獲得極薄的淬火硬化層，該工藝效果不明顯；②氧乙炔焰加熱表面淬火該方法簡便易行，但工藝穩(wěn)定性差，能量密度與溫度較低，效果一般且組織不均勻，零件變形大，尤其內(nèi)孔等通風不良處實施該工藝時有爆炸的危險性；③激光束掃描表面快速熔凝硬化該方法用高能量密度的高溫激光束快速掃描鑄鐵零件表面，掃過的區(qū)域被迅速熔凝成為高硬度的白口組織加淬火組織，硬化效果顯著，零件變形小，缺點在于設(shè)備投資大、維護困難、零件硬化前需要除油黑化處理，對環(huán)境有污染；④.電子束掃描表面快速熔凝硬化該方法需要在真空容器中實施，效率低、成本高、零件尺寸受限制。等離子束的工業(yè)應(yīng)用首先從切割和噴涂開始，近年來逐漸向表面熱處理領(lǐng)域發(fā)展。但是迄今為止僅應(yīng)用非轉(zhuǎn)移式的等離子弧在有限的范圍內(nèi)用于中高碳鋼或中高碳合金鋼零件的表面淬火，即鋼鐵零件表面不產(chǎn)生熔融。將這種方式用于工業(yè)中大量需要耐磨硬化的鑄鐵零件時，往往由于鑄鐵組織是軟的石墨加低含碳量的鐵素體基體，硬化效果很差。若要使石墨中的碳溶入鐵素體，就必須使表面產(chǎn)生快速熔凝。然而非轉(zhuǎn)移的等離子弧僅僅在等離子炬的陰極和陽極之間構(gòu)成電的回路，電弧產(chǎn)生的大部分熱量被陽極所吸收然后由冷卻水帶走，使陽極噴嘴噴出的等離子束流的能量密度大大降低，將這種等離子束用于鑄鐵零件表面的快速熔凝效率極低，只能以很慢的速度進行掃描，其結(jié)果是零件本身蓄熱過多，導致零件變形超差而報廢。如果直接利用等離子切割機用轉(zhuǎn)移弧等離子炬進行表面快速掃描熔凝硬化，由于對結(jié)構(gòu)的要求不同及所用氣體流量等工藝參數(shù)相差較大，陽極燒蝕嚴重，不僅不能長期穩(wěn)定工作，而且燒蝕產(chǎn)物會污染被處理的零件表面。
本發(fā)明的目的在于提供一種利用申請人申請?zhí)枮?6228948.5的實用新型專利“一種內(nèi)孔淬火或熔凝硬化用等離子炬”所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移弧等離子束流，對鑄鐵零件表面快速掃描熔凝獲得高硬度白口加淬火組織的硬化方法。
為便于實施本發(fā)明方法，現(xiàn)將上述等離子炬的結(jié)構(gòu)說明如下該等離子炬的結(jié)構(gòu)主要由陰極絕緣座、陰極銅座、可調(diào)式銅陰極與陰極鎢桿、旋風絕緣片、陽極座、引弧銅陽極及密封膠圈等組成，上述零件由后壓蓋與壓墊壓緊于外殼內(nèi)，冷卻水管、進氣管、外包絕緣套的導電桿均與陰極鎢桿軸線垂直。下面結(jié)合


該等離子炬的結(jié)構(gòu)。
圖1為等離子炬的主剖面圖(只畫出上半部分)，圖2為沿圖1中B-B線剖開的右視圖，圖3為沿圖1中A-A線剖開的右視圖。各圖中的圖例說明如下(1)-進氣管，(2)-陰極導電桿，(3)-絕緣套，(4)-后壓蓋，(5)-壓墊，(6)-陰極絕緣座，(7)-陰極銅座，(8)-銅陰極，(9)-旋風絕緣片，(10)-陽極座，(11)-陰極鎢桿，(12)-引弧銅陽極，(13)-密封膠圈，(14)-外殼，(15)-循環(huán)冷卻水管，(16)-切向小槽，(17)-檔塊。
在圖1中，進氣管(1)、循環(huán)冷卻水管(15)分別旋接于外殼(14)上，包有絕緣套管(3)的陰極導電桿(2)旋接于陰極銅座(7)上，部件(1)、(2)、(3)、(15)互相平行，共同封裝于一剛性外套中(圖中未示出)，且與陰極鎢桿(11)的軸線相垂直。陰極絕緣座(6)、陰極銅座(7)、可調(diào)式銅陰極(8)與陰極鎢桿(11)、旋風絕緣片(9)、陽極座(10)、引弧銅陽極(12)及密封膠圈(13)由后壓蓋(4)與壓墊(5)壓緊于外殼(14)內(nèi)，后壓蓋(4)的外圓周表面滾花，旋風絕緣片(9)在靠近進氣管(15)中心線一側(cè)的周邊加工出一個容氣槽，并在該側(cè)端面切出至少一個切向小槽(16)(如圖2所)示。陰極絕緣座(6)和旋風絕緣片(9)都由耐溫材料(如陶瓷、耐溫塑料等)制作。陰極鎢桿(11)呈過盈配合裝入銅陰極(8)的中心孔中，銅陰極(8)的外圓為螺紋，后部有螺絲刀槽，旋入陰極銅座(7)中。引弧陽極(12)的中心小孔直徑為1mm-5mm，外部循環(huán)水槽中鑲有一檔塊(17)(如圖3所示)。
利用上述的等離子炬對鑄鐵零件表面快速掃描熔凝硬化的方法步驟結(jié)合圖4進行說明。圖4中的圖例說明如下(1)-軟輸出外特性直流電源，(2)-延時開關(guān)，(3)-等離子炬陽極，(4)-等離子炬陰極，(5)-鑄鐵零件，(6)-高頻高壓發(fā)生器與耦合器。
1.工作前將等離子炬的陰極(4)接到軟輸出外特性直流電源(1)的負極，陽極噴嘴(3)和鑄鐵零件(5)接電源(1)的正極，在等離子炬陽極(3)與電源(1)之間串接一個延時開關(guān)(2)，在陽極(3)和陰極(4)的外線路之間串接一個高頻高壓發(fā)生器與耦合器(6)，再接通循環(huán)冷卻水和工作氣體如氮氣、氬氣、含碳、氮、硼的有機氣體、或上述氣體的混合氣體；2.工作時先打開冷卻水和工作氣體，調(diào)節(jié)氣流量在0.3-1立方米/小時范圍內(nèi)，氣體壓力在0.005-0.5MPa范圍內(nèi)，再接通直流電源(1)，啟動高頻高壓發(fā)生器(6)，使等離子炬的陰極(4)和陽極(3)之間的氣體在1000-5000V的高壓下電離成為熱等離子體，經(jīng)陽極噴嘴(3)壓縮后成為導電的高溫等離子束流，垂直噴射到距陽極噴嘴(3)端部1mm-100mm距離的與等離子炬作相對掃描運動的鑄鐵零件(5)的表面，掃描速度為4mm-400mm/秒。
由于在本方法中，等離子炬陽極(3)與電源(1)之間串接了延時開關(guān)(2)，所以待陰極(4)與作為第二陽極的工件(5)之間由等離子束電導通后，延時開關(guān)(2)切斷陰極(4)與陽極噴嘴(3)之間的電路，等離子炬的陰極(4)與工件陽極(5)之間在20A-200A的工作電流和20V-200V的工作電壓狀態(tài)下持續(xù)穩(wěn)定放電，工件表面在等離子束流作用下依次迅速熔融凝固，最終獲得覆蓋鑄鐵零件所需部位表面的白口加淬火硬化層。
用本發(fā)明方法處理的鑄鐵零件，經(jīng)初步試驗該硬化層的深度為0.01mm-5mm，硬度為Hv500-Hv1500，耐磨性比未處理前提高0.5-2倍。硬化掃描帶可緊密排列，也可相間排列或交叉排列，排列方向與部位按照具體鑄鐵零件的使用要求而規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種鑄鐵零件表面快速掃描熔凝硬化的方法，是用一種內(nèi)孔淬火或熔凝硬化用等離子炬實現(xiàn)的，該等離子炬的結(jié)構(gòu)主要由陰極絕緣座、陰極銅座、可調(diào)式銅陰極與陰極鎢桿、旋風絕緣片、陽極座、引弧銅陽極及密封膠圈等組成，上述零件由后壓蓋與壓墊壓緊于外殼內(nèi)，冷卻水管、進氣管、外包絕緣套的導電桿均與陰極鎢桿軸線垂直；該方法的特征是①.工作前將等離子炬的陰極(4)接到軟輸出外特性直流電源(1)的負極，陽極噴嘴(3)和鑄鐵零件(5)接電源(1)的正極，在等離子炬陽極(3)與電源(1)之間串接一個延時開關(guān)(2)，在陽極(3)和陰極(4)的外線路之間串接一個高頻高壓發(fā)生器與耦合器(6)，再接通循環(huán)冷卻水和工作氣體如氮氣、氬氣、含碳、氮、硼的有機氣體、或上述氣體的混合氣體；②.工作時先打開冷卻水和工作氣體，調(diào)節(jié)氣流量在0.3-1立方米/小時范圍內(nèi)，氣體壓力在0.005-0.5MPa范圍內(nèi)，再接通直流電源(1)，啟動高頻高壓發(fā)生器(6)，使等離子炬的陰極(4)和陽極(3)之間的氣體在1000-5000V的高壓下電離成為熱等離子體，經(jīng)陽極噴嘴(3)壓縮后成為導電的高溫等離子束流，垂直噴射到距陽極噴嘴(3)端部1mm-100mm距離的與等離子炬作相對掃描運動的鑄鐵零件(5)的表面，掃描速度為4mm-400mm/秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄鐵零件表面快速熔凝硬化的方法。該方法是用轉(zhuǎn)移弧等離子束流噴射到鑄鐵零件表面上實現(xiàn)的。具體步驟為:開啟冷卻水、工作氣體和直流電源,在等離子炬陰極和陽極之間施加短時高電壓擊穿工作氣體形成等離子束噴射到運動的鑄鐵零件表面,然后切斷陽極噴嘴的電路,工件表面在等離子束流作用下依次迅速熔融凝固,最終獲得覆蓋表面的白口加淬火硬化層。
文檔編號C21D1/06GK1182800SQ9611609
公開日1998年5月27日 申請日期1996年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月20日
發(fā)明者李惠東, 李惠琪, 姚偉明, 姚樹玉 申請人:山東礦業(yè)學院