[发明专利]稀土铁素体球铁转向器壳体激光热处理工艺

说明书

本发明属于激光热处理领域，涉及转向器壳体内孔的激光热处理工艺，特别是稀土铁素体球铁材质的转向器壳体的激光热处理工艺。

转向器壳体的摇臂轴需要抗冲击，其内孔，由于磨损工况的需要，在孔内衬一个粉末冶金铜套。这种结构成本高，工序长，耐磨性不够理想。为了取代铜套，美国Saginaw公司推出激光热处理转向器齿轮箱内孔的方法（《Metal    Progr》Vol.111，1977;5;38～43），该转向器壳体采用可锻铸铁，经激光热处理后可取消铜套，但整个工艺过程复杂。我国利用本国资源研制成功稀土球墨铸铁QT40-10，该材料中含有90～95%铁素体，球光体＜5%，具有优良的抗冲击韧性，生产周期比可锻铸铁短，如能使其表面硬化取代铜套将具有明显的经济效益，但其硬化比较困难，不能用常规方法进行热处理，用激光热处理是否可行？“球墨铸铁和灰口铸铁的激光硬化组织”（《球铁》，1987;NO.3;14～20）一文研究了试样的激光硬化组成，从该文可见，材质的微细差别会引起热处理参数的很大差别。可见激光热处理硬化稀土铁素体转向器是一个相当困难又有实用价值的课题。

本发明的目的在于寻找适合于铁素体球铁特别是稀土铁素体球铁材质的转向器壳体的激光热处理工艺参数和最佳的激光硬化面积比。

本发明采用的转向器材质为牌号QT40-10的稀土铁素体球铁。其中石墨球占30～40%，有少量团片状石墨。基体中有90～95%铁素体及＜5%的珠光体（图1）。其化学成分如表1所示。（表见文后）

研究本发明的转向器的技术路线为：

表面黑化处理→激光硬化内孔表面处理→精研内孔→装配总成→台架试验→拆洗精测。

首先为了提高另件表面对激光的吸收率，在激光热处理之前，一般都要进行表面黑化处理。常规的黑化处理分冷磷化，氧化处理及喷涂胶体石墨三种。为了降低成本，本发明采用局部涂敷胶体石墨工艺。

本发明的激光热处理工艺采用的激光器有两种：

1.C-502纵流CO₂激光器：功率为320瓦（连续波），透镜焦距f＝150毫米，功率稳定度±2%，光斑尺寸为Φ16毫米，波长为10.6微米。

2.HJ-1横流CO₂激光器：额定功率1500瓦，光斑尺寸为24×18毫米，波长为10.6微米。

利用上述两种激光器，经过反复试验，确定本发明的工艺参数为：

1.功率密度范围：10³～10⁵瓦/厘米²，

2.光斑直径尺寸：C-502型激光器选用1.5毫米，HJ-1型激光器选用3.5毫米。

3.扫描速度：功率320瓦时为12～15毫米/秒;功率为800～1000瓦时为20～30毫米/秒。相应的作用时间约为0.1～0.2秒。

4.硬化带宽度：在1.5～3.5毫米范围内。

5.硬化层深度：在0.15～0.4毫米范围内。

实验表明功率密度是激光硬化的决定性因素，在激光器额定功率确定后，功率密度取决于光斑大小。能量密度越高。加热速度越快，硬化层越深。光斑的大小直接影响硬化带宽度。显然，硬化带越宽，生产率越高，并有利于耐磨。但是光斑大小受到功率密度的制约，当光斑大到每平方厘米的激光能量低于10³瓦时，加热速度过低，不足以使铁素体基体中的石墨熔解扩散，因而不能发生相变硬化，但是能量密度太高，工件表面极易熔化，气化而破坏表面光洁度，并使熔融区产生气泡和裂纹，影响疲劳寿命。

扫描速度是另一重要的工艺参数，在功率确定后，扫描速度直接影响硬化带的宽度及硬化层的深度（图2、图3）。当扫描速度过快时，石墨来不及扩散，不能起到相变硬化作用。这是铁素体球铁激光热处理区别于珠光体基体球铁激光处理工艺的最主要特点。但当输出功率大，扫描速度慢时，虽然得到较宽的硬化带宽度和深度，但由于处理后的表面粗糙，光洁度差，且硬度高，难于再加工，还会增加成本。

激光硬化面积比即激光扫描硬化条纹面积之和与内孔总表面积的比值，该比值是影响零件使用寿命的重要因素。硬化面积太少，耐磨性不够;硬化面积太大，不但浪费能量，并且使脆性增大。为了寻找最佳激光硬化面积比，进行了反复研究。在确定激光热处理工艺参数后，操纵激光器导光系统，作上下运动，扫描出直线硬化条线。实验表明，当硬化条纹为5～8条，相当于激光硬化面积为15～30%时，最佳为18～24%，具有最佳耐磨性。