一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，用于冷拔鋼管低碳合金鋼模具 的表面熱處理強化，并形成梯度分布滲碳層及滲棚層的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在鋼管的冷拔生產(chǎn)過程中，內(nèi)模在拔機(jī)生產(chǎn)線上承受很高的動態(tài)拉應(yīng)力、強大的 沖擊載荷、極高的表面摩擦力W及一定熱腐蝕和熱磨損。因此，要求內(nèi)模應(yīng)具有高的整體抗 拉強度和高的基體初性、較好的表面硬度和表面耐磨性及良好的耐熱磨損性。然而，當(dāng)前采 用低合金鋼圓鋼加工后作為冷拔內(nèi)模，由于低合金鋼整體強初性及表面耐磨、耐蝕性難W 滿足工作要求，進(jìn)而嚴(yán)重影響無縫鋼管的生產(chǎn)效率。
[0003] W20CrMnTi為例，該合金是滲碳鋼，滲碳鋼通常為含碳量為0. 17%-0. 24%的低碳 鋼。滲碳鋼中化、Μη、Ti鋼，其澤透性較高，在保證澤透情況下，具有較高的強度和初性，特 別是具有較高的低溫沖擊初性。經(jīng)滲碳澤火后具有硬而耐磨的表面與堅初的屯、部，具有較 高的低溫沖擊初性，焊接性中等，正火后可切削性良好。其用途主要用于齒輪、軸類、活塞類 零配件等，可用于汽車、飛機(jī)各種特殊零件部位。但是滲碳處理存在抗磨粒磨損能力較差的 問題，而采用滲棚處理雖然可W極大地提高該材料的表面硬度和耐磨性，然而存在滲棚層 較淺，磨損后基體迅速失效而影響整體壽命的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝， 加工過程中對零件表面進(jìn)行簡單的打磨和清理之后，再對零件依次進(jìn)行固體滲碳處理、脈 沖激光重烙處理、固體滲棚處理，最后進(jìn)行油澤和回火處理。解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的滲碳 處理存在抗磨粒磨損能力較差的問題，加工后零件存在滲棚層較淺，磨損后基體迅速失效 而影響整體壽命的問題。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種低合金鋼模具脈沖激光復(fù)合 化學(xué)滲工藝，其步驟為： 1) 、將工件工作表面進(jìn)行打磨和清理之后，放入箱式電阻爐進(jìn)行固體滲碳處理； 2) 、出爐后工件進(jìn)行脈沖激光重烙處理； 3 )、將工件重新放入箱式電阻爐中，進(jìn)行固體滲棚處理； 4)、滲棚處理結(jié)束后，將工件進(jìn)行油澤，最后進(jìn)行回火處理。
[0006] 步驟1)中滲碳處理溫度為910~950°C，保溫時間為6~lOh; 步驟2)中脈沖激光重烙參數(shù)為：脈沖激光頻率為：10~50次/ms;激光功率為500W~ 1500W;激光重烙掃描速度為0.OOlm/s~0.Olm/s;激光加工頭與工件法線夾角變化范圍 10~45° ;重烙道次搭接量為20~40% ;保護(hù)氣氛為高純氣氣，流速變化范圍為10m3/ min~20m]/min; 步驟3)中固體滲棚處理溫度為750~850°C，保溫時間為2~4h。
[0007] 步驟4)中油澤處理溫度為740~760°C;回火處理溫度為150~200°C，保溫時間 為2~4h。
[0008] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝， 加工過程中對零件表面進(jìn)行簡單的打磨和清理之后，對零件依次進(jìn)行固體滲碳處理、脈沖 激光重烙處理、固體滲棚處理，最后進(jìn)行油澤和回火處理，本發(fā)明通過上述工藝方法，在低 合金鋼模具固體法滲碳處理后，進(jìn)行脈沖激光烙凝表面處理，可使大塊碳化物破碎并均勻 分布于基體中，同時細(xì)化晶粒及晶界，然后進(jìn)行較低溫度及較短時間的固體滲棚處理。本發(fā) 明能夠降低滲棚處理溫度，減少滲棚處理時間，同時也有效消除由于滲碳層、滲棚層的不均 勻分布而導(dǎo)致硬化層脆化造成性能惡化。
【附圖說明】
[0009] 圖1:為實施例1中滲棚層組織圖。
[0010] 圖2 :為實施例1中金相組織圖。 1 ]圖3 :高頻脈沖激光特性曲線。
【具體實施方式】
[0012] 一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其步驟為： 1) 、將工件工作表面進(jìn)行打磨和清理之后，放入箱式電阻爐進(jìn)行固體滲碳處理； 2) 、出爐后工件進(jìn)行脈沖激光重烙處理； 3 )、將工件重新放入箱式電阻爐中，進(jìn)行固體滲棚處理； 4)、滲棚處理結(jié)束后，將工件進(jìn)行油澤，最后進(jìn)行回火處理。 陽01引步驟1)中滲碳處理溫度為910~950°C，保溫時間為6~lOh; 步驟2)中脈沖激光重烙參數(shù)為：脈沖激光頻率為：10~50次/ms;激光功率為500W~ 1500W;激光重烙掃描速度為0.OOlm/s~0.Olm/s;激光加工頭與工件法線夾角變化范圍 10~45° ;重烙道次搭接量為20~40% ;保護(hù)氣氛為高純氣氣，流速變化范圍為10m3/ min~20m]/min; 步驟3)中固體滲棚處理溫度為750~850°C，保溫時間為2~4h。
[0014]步驟4)中油澤處理溫度為740~760°C;回火處理溫度為150~200°C，保溫時間 為2~4h。 陽01引 實施例1 : 某冷拔鋼管內(nèi)模，材料為20CrMnTi(冷拔態(tài))，激光化學(xué)復(fù)合滲工藝最優(yōu)選后的參數(shù)如 下。
[0016] (1)將模具放入固體滲碳罐內(nèi)，密封后放入箱式電阻爐內(nèi)； (2) 滲碳處理的工藝為930°CX化； (3) 脈沖激光頻率為：12次/ms;激光處理功率為900W，掃描速度為0. 005m/s，激光頭 與零件法線夾角為40 保護(hù)氣氛Ar流量15m3/min;相鄰道次搭接量為30% ; (4) 滲棚處理工藝為800°CX化； (5) 澤火工藝為760°C左右后，采用油冷的方式澤火； (6) 回火工藝為180°CX化，隨后出爐空冷。
[0017] 模具洛氏硬度測試結(jié)果如表1所示，經(jīng)過激光化學(xué)復(fù)合處理后，冷拔內(nèi)模工作部 硬度分布為HRC61~62,逐漸過渡到輪屯、部硬度為HRC37左右。
[0018] 表1模具工作部及螺紋下端面硬度值
滲棚層金相組織及與基體界面形態(tài)如圖1所示，其滲層深度測量值為102μπι。 20CrMnTi鋼滲碳后表面含碳量一般在0. 8%~1. 05%范圍內(nèi)，并具有一定的濃度梯度，對滲 棚起著促進(jìn)作用，同時向內(nèi)擴(kuò)散的棚原子優(yōu)先與碳形成顆粒狀含棚滲碳體，但并不妨礙滲 棚層的增厚。
[0019] 由圖1可見，脈沖激光復(fù)合處理后20CrMnTi金相組織致密，在針舌狀碳化物中間 及前沿的過渡區(qū)有大量均勻彌散分布的顆粒狀含棚滲碳體，硬度分布合理，由HRC61~62 逐漸過渡到屯、部硬度HRC37左右，對滲棚層起著較強的支撐作用并具有高的塑性變形抗 力。裂紋的形成及擴(kuò)展需要的時間長，因此導(dǎo)致冷拉內(nèi)模的總壽命增加。
[0020] 圖2為20CrMnTi滲棚層附近的金相組織。由圖可見，經(jīng)過激光化學(xué)復(fù)合滲處理后 其金相組織主要由片狀及針狀馬氏體組織組成。運是由于內(nèi)模首先進(jìn)行的滲碳處理，運個 區(qū)域處于碳濃度較高的狀態(tài)，因此澤火后呈現(xiàn)了典型的高碳馬氏體組織特征。
[0021] 脈沖激光化學(xué)復(fù)合滲的有效增益為： (1) 脈沖激光重烙處理可細(xì)化滲碳層并破碎不規(guī)則碳化物； (2) 組織細(xì)化后，晶粒尺寸降低從而晶界數(shù)量增多，提供了更多的棚原子滲入通道，起 到了催滲的作用； (3) 可降低滲棚處理的溫度和保溫時間，從而提高了生產(chǎn)效率并降低能耗。高頻激光的 脈沖特性如圖3所示。
[0022] 本發(fā)明采用在低合金鋼模具固體法滲碳處理后，迅速進(jìn)行脈沖激光烙凝表面處 理，可使大塊碳化物破碎并均勻分布于基體中，同時細(xì)化晶粒及晶界，然后進(jìn)行較低溫度及 較短時間的固體滲棚處理。加工時，模具首先進(jìn)行滲碳處理，出爐后迅速進(jìn)行高頻脈沖激光 烙凝處理，然后進(jìn)行較低溫度及較短時間的滲棚處理，最后進(jìn)行澤火及低溫回火。滲碳處 理后，通過激光重烙可使碳化物細(xì)化、基體凝固組織細(xì)化，使基體抗磨粒磨損能力大幅度提 高；且由于晶粒細(xì)化導(dǎo)致在隨后的滲棚過程中提供了更多的棚原子滲入基體的通道，從而 使?jié)B棚層加深，且滲層較為均勻。根據(jù)本發(fā)明所得模具壽命大幅度提高，抗磨粒磨損能力提 高近30%，滲棚層由平均70um提高為lOOum。該工藝可提供模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝及完 整技術(shù)方案，在軸類零件、模具、社漉等機(jī)械零件上的應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明通過上述工藝 方法，降低滲棚處理溫度，減少滲棚處理時間，同時也有效消除由于滲碳層、滲棚層的不均 勻分布而導(dǎo)致硬化層脆化造成性能惡化。
【主權(quán)項】
1. 一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其步驟為： 1) 、將工件工作表面進(jìn)行打磨和清理之后，放入箱式電阻爐進(jìn)行固體滲碳處理； 2) 、出爐后工件進(jìn)行脈沖激光重熔處理； 3 )、將工件重新放入箱式電阻爐中，進(jìn)行固體滲硼處理； 4)、滲硼處理結(jié)束后，將工件進(jìn)行油淬，最后進(jìn)行回火處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其特征在于：步驟 1) 中滲碳處理溫度為910~950°C，保溫時間為6~10h。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其特征在于：步驟 2) 中脈沖激光重熔參數(shù)為：脈沖激光頻率為：10~50次/ms;激光功率為500W~1500W;激 光重熔掃描速度為0.OOlm/s~0.Olm/s;激光加工頭與工件法線夾角變化范圍10~45° ; 重熔道次搭接量為20~40% ;保護(hù)氣氛為高純氬氣，流速變化范圍為10m3 /min~20m3 / min〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其特征在于：步驟 3) 中固體滲硼處理溫度為750~850°C，保溫時間為2~4h。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其特征在于：步驟 4) 中油淬處理溫度為740~760°C;回火處理溫度為150~200°C，保溫時間為2~4h。
【專利摘要】一種低合金鋼模具激光復(fù)合化學(xué)滲工藝，其步驟為：1）、將工件工作表面進(jìn)行打磨和清理之后，放入箱式電阻爐進(jìn)行固體滲碳處理；2）、出爐后工件進(jìn)行脈沖激光重熔處理；3）、將工件重新放入箱式電阻爐中，進(jìn)行固體滲硼處理；4）、滲硼處理結(jié)束后，將工件進(jìn)行油淬，最后進(jìn)行回火處理。本發(fā)明通過上述工藝方法，能夠降低滲硼處理溫度，減少滲硼處理時間。降低能耗和提高生產(chǎn)效率的同時也有效消除由于滲碳層、滲硼層的不均勻分布而導(dǎo)致硬化層脆化造成性能惡化。
【IPC分類】C23F17/00
【公開號】CN105331986
【申請?zhí)枴緾N201510848263
【發(fā)明人】何力佳, 王函, 王建中
【申請人】遼寧工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月27日