CN101092658A - 延长链篦机－回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
一种延长链篦机－回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，涉及冶金装备零部件制造和激光特种加工技术领域。首先利用激光热效应进行零件表面激光熔覆硬化处理，提高材料表面硬度，再利用“QPQ”工艺进行零件表面盐浴处理，使零件表面形成一层具有减摩性能致密盐浴硬化层，最后，利用激光冲击技术对零件表面进行激光冲击强化，形成高幅值残余压应力层，有效地改善耐热件表面的机械性能，特别是大幅度提高材料的热疲劳寿命和抗应力腐蚀性能。通过本发明方法处理能综合提高关键零部件的机械强度，使得关键零部件内韧外硬。
Description
技术领域
本发明涉及冶金装备零部件制造和激光特种加工技术领域，特指一种延长链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，用于提高链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件耐磨性和热疲劳寿命的激光冲击复合延寿技术，既适用于篦板、铲料板、侧板等以高温磨损失效为主的零件，提高其耐磨性；也适用于小轴、链轮、链节等以热疲劳破坏为主的零件，提高其热疲劳寿命。
背景技术
链篦机-回转窑-环冷机是重要的钢铁冶炼炉料生产工艺之一，其工作温度为从室温到1050℃梯度温度场，链篦机篦床与传输机构零部件在交变温度场中循环往复运行，对相关零部件材料热疲劳性能要求极高；高温区零部件在最高达1050℃的高温场中长期工作，对相关零部件材料的高温耐磨性性能和抗氧化性能要求苛刻。目前，通常采用耐热钢制造相关零件，但其高温耐磨性和热疲劳性仍然是影响零件热寿命的关键因素，不得不作为易损件定期更换，无法满足链篦机-回转窑-环冷机生产新工艺对对其关键零部件材料性能的要求。
链篦机在从常温到高温的环境中往复运行工作时，与常温下工作的设备在设计方面要求不同。链篦机关键件篦床与传输机构零部件在交变温度场中循环往复运行，由于温度场的作用，对相关零件设计时对膨胀、应力问题要足够重视。链篦机中的小轴、滑轨等关键零部件是易损件，其主要失效形式是磨损失效，链节、篦板、侧板的失效形式是热振疲劳破坏。其运行过程中温度在20～900℃范围内急剧变化，引起热应力和热应变的产生和变化，每循环工作一个周期，工件各处都因热应力的作用经受一次压缩和拉伸塑性变形。在这种激冷激热环境中，零部件内部存在的细小裂纹、夹杂、偏析等缺陷，在循环应力作用下，很容易发展为裂纹。
本发明将激光冲击强化技术和“QPQ”盐浴复合处理、激光熔覆技术结合起来，形成激光冲击复合延寿方法，根据零件的工况要求，对零件采用激光熔覆+QPQ盐熔复合处理+激光冲击强化处理，使其表面组织致密，形成高的硬度和高幅残余压应力，这样耐热件材料同时具有良好的耐磨性、抗应力腐蚀性能和抗热疲劳性能，以及具有良好的减磨性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件耐磨性和热疲劳寿命的激光冲击复合延寿技术。其首先利用激光热效应进行零件表面激光熔覆硬化处理，提高材料表面硬度，再利用“QPQ”工艺进行零件表面盐浴处理，使零件表面形成一层具有减摩性能致密盐浴硬化层，最后，利用激光冲击技术对零件表面进行激光冲击强化，形成高幅值残余压应力层，有效地改善耐热件表面的机械性能，特别是大幅度提高材料的热疲劳寿命和抗应力腐蚀性能。通过本发明方法处理能综合提高关键零部件的机械强度，使得关键零部件内韧外硬。
本发明提供了用来激光冲击复合强化延长链篦机-回转窑-环冷机关键件耐磨性和热疲劳寿命的***，该装置由激光熔覆硬化装置、磨削加工装置、QPQ盐浴装置和激光冲击强化装置组合而成。
激光熔覆硬化装置由高功率红外激光器、电源与控制***、多轴复合运动工作台组成。磨削装置由根据零件的结构形状选择外圆磨削、内圆磨削、平面磨削和工具磨床磨削。激光冲击强化装置由依次相连的激光发生器、激光器电源与控制***、控制软件、多轴复合运动的工作平台组成。
一种延长链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，其特征在于：
(1)激光熔覆硬化处理：首先将铁镍铬硅硼合金粉末Fe60事先置于链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件表面的待熔覆部位，然后采用大功率激光束辐照扫描熔化，激光束功率＞2000W，辐照速度为4.5mm/s，辐照时间2-3秒钟，瞬间将链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件表面微熔，同时使零件表面预制或与激光束同步自动送置的金属粉末完全融化。激光束扫描后快速凝固，获得与基本冶金结合的致密覆层，使得链篦机关键件局部硬化厚度达2-5mm，从而恢复关键件的几何尺寸、表面强化、增强硬度、耐腐蚀度和耐磨度等特点。
激光熔覆处理解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾。
(2)表面精磨处理：磨削的目的是去除变质层。磨削过程中，由大量无定形前角的微小磨粒切出切屑。因此，磨削力较小，产生的切屑是细小的屑末。磨削后，为了防止工件生锈，再对工件做除水、消除杂质及防锈处理。
(3)表面盐浴处理：盐浴处理时，可以根据工件材质和服役条件来选定温度、保温时间和成分的控制指标、工件出炉的冷却方式，通过表面盐浴处理从而使得链篦机关键件耐磨性提高，并提高其表面减摩性。
(4)激光冲击强化处理，提高表面残余压应力，使得关键件热疲劳磨损寿命提高：利用激光脉冲宽度为纳秒级的高功率脉冲激光作用于链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件表面，激光脉冲宽度为20纳秒，激光功率应＞109W/cm2，特别是有应力集中的局部重点疲劳区，如孔、槽、圆角、焊缝与紧固件，根据强化需要冲击2-3次左右。
利用高功率脉冲激光(＞109W/cm2)作用于关键件金属材料表面所诱发的高压冲击波，使链篦机关键件材料的硬度和疲劳强度得到大幅度提高，特别适合于处理具有应力集中的局部重点疲劳区，如孔、槽、圆角、焊缝与紧固件等。激光冲击处理具有非接触、强化区可精确控制及无热影响区等特点，包括一些热处理效果不显著的材料，都能进行有效的强化处理。
这项工艺主要用于要求高耐磨、抗高蚀、易疲劳、微变形的各种钢、铁及铁基粉末冶金链篦机关键件零件。它常常用来代替渗碳淬火、高频淬火、离子渗氮、软氮化等热处理和表面强化技术，以提高耐磨、耐疲劳性能，特别是用来解决硬化变形难题。同样，也可用来代替发蓝、镀铬、镀镍等表面防护，以便大幅度提高零件的抗蚀性，大大降低生产成本。
本发明的优点如下：
(1)激光加工过程中关键件基体温度低，激光冲击加工后无大的热变形；激光熔覆层与基体为冶金结合，结合强度不低于原基材的90％以上；关键件材料在激光加工过程中表面微熔，微熔层为0.05-0.1mm，基体热影响区小；熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶体细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷；
(2)该复合处理后材料表面的变形很小，不影响材料心部性能。复合处理后工件基本不变形、外观均匀、美丽、可作为产品最终处理。
(3)该发明专利工艺方案简单、实用，夹具设计合理，应用方便，制造成本低，零件拆卸容易，通用性强，使用效果好，既可以有效确保工件加工质量，又能够提高工效，适于链篦机关键件大直径薄壁类零件的批量生产。
具体实施方式
实施例一：激光熔覆+QPQ+激光冲击强化，提高链蓖机链节材料耐磨性，提高材料疲劳寿命。
先采用预置式激光熔覆对链蓖机链节熔覆处理，自熔性合金粉末选为高硬度的铁镍铬硅硼合金粉末Fe60，其主要特点是含有硼和硅，因而具有自我脱氧和造渣的性能，合金在重熔时，合金中的硼和硅被氧化，在覆层表面形成薄膜。激光熔覆过程中将自熔性合金粉末事先置于基材(链蓖机链节)表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，自熔性合金粉末以粉状的形式加入，激光束功率为2200W，激光束辐照速度为4.5mm/s，辐照时间2秒钟，扫描熔化链节的两侧薄弱部位。激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置自熔性合金粉末---预热---激光熔化---后热处理，得到链篦机关键件局部硬化厚度达2.75mm。
QPQ处理，QPQ工艺流程为：除油→预热→QPQ氮化→QPQ氧化→抛光→冷却→清洗。对于链篦机材料链节材料，经过QPQ工艺处理后，表面耐磨性达到常规淬火的13倍；抗蚀性比镀硬铬高20倍以上，远远高于镀镍，达到铜镍铬三层复合镀的水平，甚至比某些不锈钢的抗蚀性还高。
在采用激光冲击强化过程中，激光输出波长为1.054μm，输出激光的脉冲宽度(FWHM)为20ns，激光脉冲能量约为23J，冲击强化链节的两侧薄弱部位，经过激光冲击强化后，发现链篦机链节热疲劳寿命延长了许多，裂纹萌生时的循环次数由原来的11300次循环延长到30000次左右，从而极大地提高了疲劳寿命。
实施例二：激光熔覆+激光冲击强化，提高篦板材料高温磨损失效为主的链篦板，提高其耐磨性。链篦板运转中，存在摩擦产生温度升高的现象；轻者会有润滑不良和磨损加剧，严重时会导致烧伤、卡死等现象，对于链篦机的篦板材料，其高温磨损性能较高，在本实施例中，采用激光熔覆+激光冲击强化，其实施工艺与实施例1类似，不同的是省去QPQ处理，自熔性合金粉末选为高硬度的铁镍铬硅硼合金粉末Fe60，为经过激光熔覆处理后，篦板表面耐磨厚度达3mm左右，裂纹萌生循环次数提高到27800次左右，使滚动轴承温升降低了50-90℃，磨损率几乎不随压力的增大而增大，呈现出水平不变的趋势。经过本发明方法处理后，高温耐磨性能提高了2.78倍。
Claims (4)
1、一种延长链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，包含以下步骤：
(1)激光熔覆硬化处理：首先将铁镍铬硅硼合金粉末Fe60事先置于链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件表面的待熔覆部位，然后采用大功率激光束辐照扫描熔化；
(2)激光冲击强化处理：利用激光脉冲宽度为纳秒级的高功率脉冲激光作用于链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件有应力集中的局部重点疲劳区。
2、根据权利要求1所述的延长链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，其特征在于：步骤1中激光束功率＞2000W，辐照速度为4.5mm/s，辐照时间2-3秒。
3、根据权利要求1所述的延长链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，其特征在于：步骤2中激光脉冲宽度为20纳秒，激光功率＞109W/cm2，冲击2-3次。
4、根据权利要求1所述的延长链篦机-回转窑球团生产装备关键零部件寿命的方法，其特征在于：在步骤1激光熔覆硬化处理之后进行表面精磨处理、表面盐浴处理后再进行激光冲击强化处理。
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