專利名稱：稀土鐵素體球鐵轉(zhuǎn)向器殼體激光熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光熱處理領(lǐng)域，涉及轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)孔的激光熱處理工藝，特別是稀土鐵素體球鐵材質(zhì)的轉(zhuǎn)向器殼體的激光熱處理工藝。
轉(zhuǎn)向器殼體的搖臂軸內(nèi)孔，由于磨損工況的需要，在孔內(nèi)襯一個粉末治金銅套。這種結(jié)構(gòu)成本高，工序長，耐磨性不夠理想。美國Sag-inaw公司推出激光熱處理轉(zhuǎn)向器齒輪箱內(nèi)孔的方法(《MetalProgr.》Vol.111，1977;5;38～43)，使產(chǎn)品性能大幅度提高。該轉(zhuǎn)向器齒輪箱的材質(zhì)為可鍛鑄鐵，在轉(zhuǎn)變硬化區(qū)內(nèi)為回火石墨包圍的馬氏體組織。八十年代以來，我國對激光熱處理的研究工作發(fā)展迅速，特別對鋼和鑄鐵的激光熱處理工藝進(jìn)行了廣泛深入的研究。“球墨鑄鐵和灰口鑄鐵的激光硬化組織”(《球鐵》，1987;NO.3;14～20)一文研究了QT42-10球鐵及HT20-40灰口鐵的試樣的激光硬化組織。從該文可見，材質(zhì)的微細(xì)差別會引起激光熱處理工藝參數(shù)的很大差別。我國利用本國資源研制成功稀土球墨鑄鐵，用這種材料制成的轉(zhuǎn)向器沖擊韌性優(yōu)良，熱處理工藝比可鍛鑄鐵簡單。目前尚沒有見到有關(guān)稀土鐵素體球鐵零件的激光熱處理工藝的報導(dǎo)。
本發(fā)明的目的在于尋找適合于鐵素體球鐵特別是稀土鐵素體球鐵材質(zhì)的轉(zhuǎn)向器殼體的激光熱處理工藝參數(shù)和最佳的激光硬化面積比。
本發(fā)明采用的轉(zhuǎn)向器材質(zhì)為牌號QT40-10的稀土鐵素體球鐵。其中石墨球占30～40%，有少量團(tuán)片狀石墨?；w中有90～95%鐵素體及＜5%的珠光體(

圖1)。其化學(xué)成分如表1所示。
表1材質(zhì)的化學(xué)成分CSiMnPSREMg3.952.670.400.0580.030.04730.041
研究本發(fā)明的轉(zhuǎn)向器的技術(shù)路線為表面黑化處理→激光硬化內(nèi)孔表面處理→精研內(nèi)孔→裝配總成→臺架試驗→拆洗精測。
首先為了提高另件表面對激光的吸收率，在激光熱處理之前，一般都要進(jìn)行表面黑化處理。常規(guī)的黑化處理分冷磷化，氧化處理及噴涂膠體石墨三種。為了降低成本，本發(fā)明采用局部涂敷膠體石墨工藝。
本發(fā)明的激光熱處理工藝采用的激光器有兩種1.C-502縱流CO2激光器功率為320瓦(連續(xù)波)，透鏡焦距f＝150毫米，功率穩(wěn)定度±2%，光斑尺寸為Φ16毫米，波長為10.6微米。
2.HJ-1橫流CO2激光器額定功率1500瓦，光斑尺寸為24×18毫米，波長為10.6微米。
利用上述兩種激光器，經(jīng)過反復(fù)試驗，確定本發(fā)明的工藝參數(shù)為1.功率密度范圍103～105瓦/厘米2，2.光斑直徑尺寸C-502型激光器選用1.5毫米，HJ-1型激光器選用3.5毫米。
3.掃描速度功率320瓦時為12～15毫米/秒;功率為800～1000瓦時為20～30毫米/秒。相應(yīng)的作用時間約為0.1～0.2秒。
4.硬化帶寬度在1.5～3.5毫米范圍內(nèi)。
5.硬化層深度在0.15～0.4毫米范圍內(nèi)。
實(shí)驗表明功率密度是激光硬化的決定性因素，在激光器額定功率確定后，功率密度取決于光斑大小。能量密度越高，加熱速度越快，硬化層越深。光斑的大小直接影響硬化帶寬度。顯然，硬化帶越寬，生產(chǎn)率越高，并有利于耐磨。但是光斑大小受到功率密度的制約，當(dāng)光斑大到每平方厘米的激光能量低于103瓦時，加熱速度過低，不足以使鐵素體基體中的石墨熔解擴(kuò)散，因而不能發(fā)生相變硬化。但是能量密度太高，工件表面極易熔化、氣化而破壞表面光潔度，并使熔融區(qū)產(chǎn)生氣泡和裂紋，影響疲勞壽命。
掃描速度是另一重要的工藝參數(shù)，在功率確定后，掃描速度直接影響硬化帶的寬度及硬化層的深度(圖2、圖3)。當(dāng)掃描速度過快時，石墨來不及擴(kuò)散，不能起到相變硬化作用。這是鐵素體球鐵激光熱處理區(qū)別于珠光體基體球鐵激光處理工藝的最主要特點(diǎn)。但當(dāng)輸出功率大，掃描速度慢時，雖然得到較寬的硬化帶寬度和深度，但由于處理后的表面粗糙，光潔度差，且硬度高，難于再加工，還會增加成本。
激光硬化面積比即激光掃描硬化條紋面積之和與內(nèi)孔總表面積的比值，該比值是影響另件使用壽命的重要因素。硬化面積太少，耐磨性不夠;硬化面積太大，不但浪費(fèi)能量，并且使脆性增大。為了尋找最佳激光硬化面積比，進(jìn)行了反復(fù)研究。在確定激光熱處理工藝參數(shù)后，操縱激光器導(dǎo)光系統(tǒng)，作上下運(yùn)動，掃描出直線硬化條線。實(shí)驗表明，當(dāng)硬化條紋為5～8條，相當(dāng)于激光硬化面積為15～30%時，最佳為18～24%，具有最佳耐磨性。
在本發(fā)明的上述激光熱處理工藝參數(shù)范圍內(nèi)，經(jīng)激光硬化處理后的零件，解剖作金相檢驗，金相及掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，其硬化帶的斷面形貌呈月牙形(圖4)其硬化組織分為四層。在月牙的表層到100微米深度范圍內(nèi)的白色區(qū)為快速微熔區(qū)，由極細(xì)的萊氏體共晶和極少量殘余奧氏體組成(圖5)。從表面下100微米到200微米深度范圍內(nèi)為第二層，該區(qū)為局部熔化區(qū)，由枝晶狀萊氏體共晶和馬氏體及少量殘余奧氏體組成，其晶粒比第一層明顯粗大(圖6)。從表面下200微米至400微米深度范圍內(nèi)為第三層，該層是由殘留石墨和片狀馬氏體、隱晶馬氏體及少量殘余奧氏體組成的相變硬化區(qū)(圖7)，從表面下400～700微米范圍內(nèi)為第四層，該層是由球墨和它周圍的馬氏體硬化殼加上鐵素體及少量的殘留奧氏體組成的過渡區(qū)(圖8)。石墨周圍的馬氏體殼被稱為牛眼狀硬化組織，這是鐵素體球鐵激光硬化組織最為重要的特征。
經(jīng)激光熱處理的零件，測定其沿硬化帶寬度及深度方向的硬度，測定結(jié)果為沿寬度方向1～2.5毫米范圍內(nèi)，距表層0.05毫米處硬度達(dá)800～900Hv0.1。沿硬化帶深度方向如前所述，第一層為Hv0.1880～950，第二層為Hv0.1824～854，第三層為Hv0.1854，第四層為Hv0.1459～366。
耐磨性試驗用直徑40毫米試樣，沿圓周掃描兩條硬化帶，硬化條紋間距約5毫米，硬化面積比度為30～40%。其配付試樣為40Cr調(diào)質(zhì)，磨損實(shí)驗結(jié)果列于表2。
表2磨損實(shí)驗結(jié)果
從表2可見，激光淬火處理使試樣的耐磨性大幅度提高。
圖面說明圖1QT40-10原始金相組織100X，圖2功率及掃描速度對硬化帶寬度的影響，圖3功率及掃描速度對硬化層深度的影響，
圖4激光淬火硬化層金相組織全貌30X，圖5激光淬火快速熔化區(qū)表層萊氏體掃描電鏡形貌919X，圖6局部微熔區(qū)的電鏡照片919X，圖7激光相變硬化區(qū)及牛眼組織掃描電鏡形貌919X，圖8過渡區(qū)電鏡照片1000X，實(shí)施例下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于本實(shí)施例。選擇JZ120型農(nóng)用汽車轉(zhuǎn)向器殼體，加工至要求的尺寸，經(jīng)局部涂敷膠體石墨黑化預(yù)處理，用HJ-1激光機(jī)及其配套的光學(xué)系統(tǒng)，采用激光處理功率1000瓦，波長10.6微米，光斑直徑3.5毫米，作用時間0.1秒，掃描速度25毫米/秒。激光處理操作時，使導(dǎo)光系統(tǒng)作上下運(yùn)動，掃描出六等分直線硬化條紋。其硬化面積占內(nèi)孔總表面積的18%。其硬化帶寬度為3.5毫米，硬化層深度為0.3～0.4毫米。其金相組織如上所述。處理后的零件按部頒標(biāo)準(zhǔn)JB2957-81規(guī)范進(jìn)行疲勞壽命試驗，試驗后拆檢結(jié)果列于表3。
從表3結(jié)果可見，與機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《JB2957-81汽車轉(zhuǎn)向器技術(shù)條件》和《中汽公司質(zhì)量部汽車轉(zhuǎn)向器殼體質(zhì)量分等規(guī)定》的技術(shù)要求相比，用激光淬火方法處理搖臂軸襯套孔硬化面積比達(dá)到18%，就可以比粉末治金銅套的耐磨性提高三倍，而軸的壽命和傳動效率并不降低，大大超過了優(yōu)等品的壽命指標(biāo)。
激光硬化處理工藝與原襯銅套工藝相比，每只另件的處理成本為原工藝3.08元，用C-502激光器進(jìn)行激光處理時為0.39元，用HJ-1激光器為0.47元。可見用本工藝代替原工藝具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果，并且使另件的耐磨性提高三倍，也即使使用壽命大幅度提高。
表3轉(zhuǎn)向器殼體耐磨試驗
權(quán)利要求
1.一種稀土鐵素體球鐵轉(zhuǎn)向器殼體的激光熱處理工藝，它是由表面黑化處理，激光硬化內(nèi)孔表面處理，精研內(nèi)孔，裝配總成工序組成，本發(fā)明的特征在于，激光硬化處理工藝參數(shù)為激光作用時間0.1～0.2秒，功率密度范圍103～105瓦/厘米2，光斑直徑尺寸C-502型激光器選用1.5毫米，HJ-1型激光器選用3.5毫米。掃描速度功率320瓦時為12～15毫米/秒；功率為800～1000瓦時，為20～30毫米/秒。硬化帶寬度在1.5～3.5毫米范圍內(nèi)。硬化層深度在0.15～0.4毫米范圍內(nèi)。激光硬化面積比為15～30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熱處理工藝，其特征在于，轉(zhuǎn)向器選用的稀土鐵素體材質(zhì)，其中鐵素體含量在90～95%范圍內(nèi)，球光體含量＜5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于黑化預(yù)處理采用局部涂敷膠體石墨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于最佳激光硬化面積比為18～24%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于沿寬度方向1～2.5毫米范圍內(nèi)，距表層0.05毫米處硬度達(dá)800～900Hv0.1。沿硬化帶深度方向第一層為Hv0.1880～950，第二層為Hv0.1824～854，第三層為Hv0.1854，第四層為Hv0.1459～366。
全文摘要
一種適用于稀土鐵素體轉(zhuǎn)向器殼體激光熱處理工藝，選用C-502，HJ-1激光器，當(dāng)用1000瓦功率，光斑直徑3.5毫米，掃描速度為20～30毫米/秒處理后，轉(zhuǎn)向器經(jīng)臺架試驗表明，其耐磨性比襯銅套的原工藝零件提高三倍，單件產(chǎn)品成本費(fèi)由3元降至4～5角，具有顯著的經(jīng)濟(jì)及社會效益。
文檔編號C21D5/00GK1042569SQ8910902
公開日1990年5月30日 申請日期1989年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1989年11月28日
發(fā)明者鐘永暉, 羅肖邦, 熊承根, 范列, 范躍波, 方文卿, 周作榮, 黃偉民, 顧培清 申請人:江西省機(jī)械工業(yè)設(shè)計研究院