[发明专利]一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法

说明书

本发明公开了一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，涉及金属材料表面改性。该方法主要包括灰铸铁表面磁控强冷激光熔凝、激光冲击及后续石墨化退火处理。首先通过激光辐照使灰铸铁表面在磁场作用下发生快速熔化，并进行强制冷却凝固，形成细小的表面白口组织；然后采用激光冲击处理激光熔凝后的灰铸铁表面，改变熔凝层的应力状态，进一步细化表层的白口组织并增加组织缺陷，为石墨化退火做组织准备；最后通过石墨化退火使表面细化白口组织中的渗碳体转化成细小的球状石墨，制得高强韧的表面组织形态。本发明能够有效改善灰铸铁表面组织形态，缩短石墨化时间，显著提高其表面强韧性。本发明工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重 构方法。

背景技术

灰铸铁生产设备和工艺过程简单、成本低，具有优良的铸造性能，良好的减震性能和耐 磨性能，已被广泛应用于车辆、机床等重要零部件中，在铸铁零件中占比非常大。但是，灰 铸铁的组织是由基体组织和片状石墨构成，而石墨的强度和韧性都接近于零，所以，片状石 墨的存在严重破坏了基体的连续性，减少了基体承受载荷的有效截面积，具有非常大的割裂 基体的作用，大大削弱了基体组织对灰铸铁力学性能的贡献。同时，在片状石墨的尖角处容 易产生应力集中，这使得灰铸铁在应用过程中容易诱发产生裂纹，从而导致零件失效。灰铸 铁中的石墨片的数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对力学性能的削弱作用越大。灰铸铁 低的强韧性严重制约了其发展和应用，因此提高灰铸铁的强韧性已成为国内外学者广泛关注 的重要科学问题。

灰铸铁强韧性的提高已得到了广泛的研究，通常采用的方法是在灰铸铁浇铸的过程中加 入不同元素的强化剂，以增加奥氏体枝晶个数、细化珠光体片间距、细化共晶团或细化石墨 使石墨弯曲和钝化。但是，该方法只适用于灰铸铁成型之前，而且强度提高有限。另外，单 独采用退火、淬火等热处理方法仅能改变基体组织，而无法同时改变石墨的形态，所以其对 灰铸铁性能的提高同样有限。上述方法主要是从整体上改变灰铸铁的组织和性能，然而在实 际应用过程中零件的失效往往是由表面破坏导致的。因此，提高零部件的表面性能成为延长 其使用寿命的有效手段。

随着激光器的发展和应用，激光表面处理已成为零件表面强化的重要技术，应用广泛。 目前用于灰铸铁表面强化的激光表面处理方法主要有激光熔凝，激光熔覆和激光表面合金化。 采用激光熔覆或激光表面合金化处理灰铸铁表面时，在界面上容易出现气孔、裂纹等问题， 且工艺复杂，成本较高。而激光熔凝处理可以使灰铸铁表面组织细化，表层石墨反应生成渗 碳体，形成白口组织，使表层强度得到显著提高。但渗碳体塑韧性几乎为零，致使表面强化 层的脆性较大，不利于使用寿命的延长。因此，迫切需要探索一种同时提高灰铸铁表面强度 和塑韧性的办法，这对于推动灰铸铁零件的应用和发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法，其 采用磁控强冷激光熔凝、激光冲击与石墨化处理相结合的热力复合方法处理灰铸铁表面，通 过磁控强冷激光熔凝工艺细化灰铸铁表面基体晶粒，并诱使片状石墨转变成细小的渗碳体， 联合激光冲击工艺进一步细化表面组织，增加缺陷，为后续的石墨化处理提供细小的白口组 织，增加扩散通道，加速石墨化过程的进行，促使渗碳体转变成细小的球状石墨，最终获得 具有细小基体晶粒和球状石墨的高强韧表面。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种高强韧灰铸铁表面组织形态的热力重构方法， 采用磁控强冷激光熔凝、激光冲击与石墨化处理相结合的热力复合方法处理灰铸铁表面，通 过磁控强冷激光熔凝处理在灰铸铁表面获得细小的白口组织，经激光冲击后进一步细化表面 组织，增加缺陷，为后续石墨化退火提供更多扩散通道，缩短石墨化退火时间，促进细化白 口组织中的渗碳体转变成细小的球状石墨，获得表面基体组织和球状石墨细小的高强韧灰铸 铁表面组织形态；具体包括以下步骤：

A)将待处理的灰铸铁试样表面进行预处理；