灰鐵機(jī)床導(dǎo)軌的激光強(qiáng)化研究

梁鵬 游娜 郭計(jì)山

摘 要： 灰鐵機(jī)床導(dǎo)軌硬度低、耐磨性差，長(zhǎng)期服役需要大修，強(qiáng)化表面硬度。采用傳統(tǒng)強(qiáng)化方法，都存在很大弊端。使用激光強(qiáng)化技術(shù)，強(qiáng)化灰鐵機(jī)床導(dǎo)軌，強(qiáng)化后硬度和耐磨性顯著提高，變形量極小，能夠有效降低機(jī)床維修成本，延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命。且該工藝綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，是灰鐵機(jī)床導(dǎo)軌強(qiáng)化的最佳選擇。

關(guān)鍵詞：灰鐵;機(jī)床導(dǎo)軌;激光強(qiáng)化

Abstract： Gray iron machine tool guide rail hardness is low， wear resistance is poor， long-term service needs an overhaul to strengthen the surface hardness. Using the traditional method of strengthening， there are great disadvantages. The use of laser strengthening technology to strengthen the guide rail of gray iron machine tool， after strengthening the hardness and wear resistance are significantly improved， the deformation is very small， reduce the maintenance cost of the machine tool， extend the service life of the machine tool. The process is green and environmentally friendly， without any pollution to the environment， is the best choice for strengthening the guide rail of gray iron machine tool.

Keywords： Gray iron Machine tool guide way The laser strengthening

普通灰鑄鐵鑄造性、減震性均佳，且便于熔煉，成本低，是應(yīng)用最廣的灰鑄鐵。我國(guó)的大型機(jī)床普遍采用普通灰鑄鐵，但其也存在硬度低、耐磨性差的問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間服役，機(jī)床導(dǎo)軌工作面會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，形成間隙，造成機(jī)床精度變差，只能將機(jī)床大修，重新加工導(dǎo)軌工作面并強(qiáng)化處理，增加了維修成本，減少了機(jī)床使用壽命。

1.國(guó)內(nèi)機(jī)床導(dǎo)軌常用強(qiáng)化方法

目前，國(guó)內(nèi)用于處理床身硬度主要有以下三種方法：電火花淬火、中頻淬火、表面鑲鋼。

1.1電火花淬火

此種方法以電極在機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行電擊打火，借助電火花產(chǎn)生的高溫對(duì)床身進(jìn)行硬度處理。此種方法在導(dǎo)軌表面形成網(wǎng)格紋，網(wǎng)格部位產(chǎn)生硬度，大部未用電火花電擊的部位仍保持導(dǎo)軌基體硬度，且電擊網(wǎng)格線會(huì)對(duì)托板下部塑板產(chǎn)生拉傷，效果不好。

1.2中頻淬火

此種方法采用感應(yīng)線圈在機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行表面加熱進(jìn)行淬火。中頻加熱一般硬層深度可達(dá)5mm左右，硬度處理后可達(dá)到HRC33以上。但中頻淬火控制不好有床身淬裂風(fēng)險(xiǎn)，且中頻淬火后床身易產(chǎn)生凹芯，兩端翹頭變形，床身表面去除量一般在3mm，對(duì)于機(jī)床使用壽命影響較大。此外，中頻淬火過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量廢水，造成環(huán)境污染。

1.3表面鑲鋼

此種方法成本較高，且對(duì)床身厚度有一定要求。此外，鑲鋼需要加工并且強(qiáng)化處理，對(duì)于環(huán)境污染很大。

2.灰鐵的激光強(qiáng)化研究

激光強(qiáng)化技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)各型零部件表面強(qiáng)化，強(qiáng)化硬度均勻，強(qiáng)化位置精確控制，幾乎無(wú)變形，且強(qiáng)化成本低，非常適合大型設(shè)備零件耐磨部位的表面強(qiáng)化。因此，對(duì)于灰鐵進(jìn)行激光強(qiáng)化研究。

2.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為鑄態(tài)普通灰鐵，初始硬度≤19HRC。石墨形態(tài)為片狀，石墨量5%-6%;組織為珠光體+少量鐵素體。

將試樣加工成150mm*50mm*50mm試塊，將試塊150mm*50mm，表面精磨至Ra1.2，使用酒精清洗表面，去除油污等表面附著物。將試塊放在工作臺(tái)上，對(duì)150mm*50mm表面進(jìn)行激光淬火。

強(qiáng)化技術(shù)要求：硬度≥42HRC，表面無(wú)裂紋。

采用溫度控制模式進(jìn)行激光相變強(qiáng)化，主要工藝參數(shù)為：掃描速度、淬火溫度等。采用HL-300便攜式里氏硬度計(jì)檢測(cè)其表面硬度;采用X射線應(yīng)力儀檢測(cè)激光相變強(qiáng)化后應(yīng)力。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.2.1淬火溫度與金相組織的關(guān)系

灰鐵的組織主要包括石墨+珠光體+少量鐵素體，由于石墨的熔點(diǎn)很高，約3652℃，且?jiàn)W氏體化時(shí)只溶入周?chē)w中，激光強(qiáng)化時(shí)，除了少量石墨燒損，大部分石墨保留原始形態(tài)，因此淬火后石墨幾乎沒(méi)有變化。

激光表面強(qiáng)化處理的原理為相變硬化，是用高功率密度（104-105w/cm2）的激光束，照射軋輥表面，使之在極短的時(shí)間內(nèi)（10-2-10-3s）達(dá)到相變溫度發(fā)生相變，急速冷卻后生成相變硬化組織[1]。由于急速冷卻，晶粒超細(xì)化和碳化物細(xì)化及彌散分布，馬氏體呈隱晶態(tài)，且擁有極高的位錯(cuò)能，馬氏體含量大大增加而殘余奧氏體明顯減少，紅硬性比常規(guī)淬火高，耐磨性也顯著提高。

從表2可以看出，隨著淬火溫度的提高，高碳隱針馬氏體的比重越高，低碳馬氏體也逐步增加，珠光體逐步減少。主要原因?yàn)?50℃和1050℃時(shí)碳元素?cái)U(kuò)散動(dòng)力不足，奧氏體化不充分，屬于不完全淬火，淬火后保留了部分原始組織;1150℃奧氏體化充分，屬于完全淬火，原始組織幾乎完全轉(zhuǎn)為馬氏體。此外，由于奧氏體化時(shí)，灰鐵中的石墨短程擴(kuò)散少量溶入周?chē)鷬W氏體中，石墨周?chē)鷬W氏體增碳，因此相變后石墨周?chē)嬖诖罅侩[針高碳馬氏體。

隨著淬火溫度的提高，馬氏體轉(zhuǎn)變量不斷增加，高碳隱針馬氏體的比重不斷提高，因此強(qiáng)化硬度也不斷提高，1150℃發(fā)生完全轉(zhuǎn)變，硬度達(dá)到最高值，滿足了技術(shù)要求。

2.2.2淬火溫度與變形量的關(guān)系

激光強(qiáng)化前試樣尺寸150*50*50mm，激光強(qiáng)化150*50表面，強(qiáng)化后使用細(xì)砂紙將表面氧化皮打磨干凈后檢測(cè)各部位尺寸。

激光相變強(qiáng)化，主要依靠原始組織中的珠光體發(fā)生馬氏體相變，珠光體發(fā)生完全馬氏體相變，會(huì)發(fā)生體積膨脹，體積增大約4%，激光強(qiáng)化深度約0.5mm，變形量最大0.02mm，實(shí)際變形量?jī)H為0.01mm，且只發(fā)生在高度方向，長(zhǎng)度與寬度均未發(fā)生變化。

2.2.3強(qiáng)化區(qū)的應(yīng)力分布情況

檢測(cè)淬火溫度1150℃的表面應(yīng)力：淬硬區(qū)為壓應(yīng)力，橫向壓應(yīng)力為364Mpa，縱向壓應(yīng)力為403Mpa。搭接區(qū)域中部為拉應(yīng)力，橫向拉應(yīng)力為59Mpa，縱向拉應(yīng)力為31Mpa。淬硬區(qū)為壓應(yīng)力，可以進(jìn)一步提高表面的耐磨性與抗疲勞性。搭接區(qū)雖然存在拉應(yīng)力，但寬度僅1mm，且很小，對(duì)于整個(gè)工作面影響很小。此外，為了防止應(yīng)力的累計(jì)，在實(shí)際強(qiáng)化過(guò)程中采用縱橫交錯(cuò)強(qiáng)化法，合理分配強(qiáng)化面應(yīng)力狀態(tài)。

3.灰鐵機(jī)床導(dǎo)軌的激光強(qiáng)化

某機(jī)床床身導(dǎo)軌總長(zhǎng)10.23m，根據(jù)實(shí)際磨損情況，確定需要強(qiáng)化三個(gè)上平面以及三個(gè)側(cè)面，總計(jì)強(qiáng)化面積8.15331m2。

2018年1月采用激光強(qiáng)化導(dǎo)軌，激光強(qiáng)化工藝參數(shù)：掃描速度10mm/s，淬火溫度1150℃，強(qiáng)化時(shí)間約14小時(shí)，強(qiáng)化費(fèi)用1.3萬(wàn)元。

強(qiáng)化后檢測(cè)硬度HRC47-51，整個(gè)機(jī)床最大變形量?jī)H為0.01mm，目前服役超過(guò)兩年，磨損量不到0.01mm，完全滿足機(jī)床導(dǎo)軌使用要求。

相同技術(shù)要求，中頻淬火和鑲鋼費(fèi)用均超過(guò)10萬(wàn)元，采用激光強(qiáng)化能夠有效降低機(jī)床維護(hù)成本;且每次大修都僅需去除磨損層，機(jī)床導(dǎo)軌厚度無(wú)額外加工，能夠有效延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟，已陸續(xù)完成多臺(tái)灰鐵機(jī)床的激光強(qiáng)化，且該項(xiàng)技術(shù)已在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

4.結(jié)論

1、利用激光強(qiáng)化設(shè)備對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行強(qiáng)化處理，硬度和耐磨性顯著提高，且變形量極小，可以忽略不計(jì)。

2、采用溫度控制模式固定淬火溫度，能夠提高自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率和硬度均勻性。整個(gè)機(jī)床導(dǎo)軌面采用縱橫強(qiáng)化法，通過(guò)縱向掃描和橫向掃描相結(jié)合的方法，合理分配強(qiáng)化面應(yīng)力狀態(tài)。

3、激光強(qiáng)化技術(shù)綠色環(huán)保，避免了對(duì)環(huán)境的污染，且強(qiáng)化成本遠(yuǎn)低于其他工藝，能夠有效延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命，降低維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)振中主編. 激光加工工藝手冊(cè). 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.