CN115433823A - 奥氏体不锈钢带材的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，包括如下步骤：除去带材的表面的油污；对所述带材进行脱水处理后干燥；在所述带材的表面覆盖吸收层；在所述吸收层上覆盖约束层；采用激光发射器发射激光光束，激光光束穿过所述约束层、所述吸收层对所述带材的表面的不同位置进行激光冲击；对完成激光冲击后的所述带材进行脱水处理后干燥。本发明可以提高奥氏体不锈钢制造的发条的输出力矩和抗疲劳性能，从而提高手表的走时精度。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢表面处理技术的领域，具体涉及奥氏体不锈钢带材的表面处理方法。
背景技术
机械机心走时精度和可靠性能在很大程度上受到发条性能的影响。目前，我国使用的国产发条是一种奥氏体不锈钢，现有的奥氏体不锈钢发条处理方式一般为：对奥氏体不锈钢主发条进行非金属(氮或碳)离子注入和扩散处理的方法，从而硬化主应力区并同时保持发条心部的低弹性模量，通过非金属原子在材料内部的间隙扩散形成微观点缺陷来提高表面层的硬度。此方法可能会引起后续热处理时氮化物或其他脆化化合物的沉淀，阻碍发条的力学性能的提高，因此，现有的奥氏体不锈钢发条存在的问题如下：(1)输出力矩偏小且力矩输出不稳定，容易波动；(2)发条在长期加载卸载过程中容易发生弹性疲劳，导致发条输出力矩进一步减小，从而使得手表的走时精度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，本发明可以提高奥氏体不锈钢制造的发条的输出力矩和抗疲劳性能，从而提高手表的走时精度。
奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，包括如下步骤：
除去带材的表面的油污；
对所述带材进行脱水处理后干燥；
在所述带材的表面覆盖吸收层；
在所述吸收层上覆盖约束层；
采用激光发射器发射激光光束，激光光束穿过所述约束层、所述吸收层对所述带材的表面的不同位置进行激光冲击；
对完成激光冲击后的所述带材进行脱水处理后干燥。
进一步的是，在激光冲击的过程中，激光光束辐射带材的表面，所述吸收层吸收激光光束的能量发生汽化蒸发并且产生等离子体，等离子体受到所述约束层的约束产生冲击波，冲击波向下作用于所述带材的表面并向带材的内部传播，所述带材的表面产生位错，从而产生应***化并残留压应力。
进一步的是，除去所述带材的表面的油污时，采用盛有去离子水的超声清洗机对所述带材的表面进行清洗除去油污，去离子水储存在所述超声清洗机的清洗槽内，所述带材放置在所述超声清洗机的清洗槽内。
进一步的是，进行脱水处理后干燥时，先采用乙醇溶液对带材进行处理，乙醇溶液处理完成之后再进行干燥。
进一步的是，在所述带材的表面覆盖吸收层时，采用黑色胶带或铝带覆盖在所述带材的表面以形成所述吸收层，黑色胶带或铝带包裹所述带材需要激光冲击的表面。
进一步的是，在所述吸收层上覆盖约束层时，采用水流或透明玻璃覆盖在所述吸收层上以形成所述约束层，水流或透明玻璃的厚度为1mm至3mm。
进一步的是，激光冲击时，带材所处的环境温度为20至22℃，带材所处的环境湿度不超过50％；
所述激光发射器的输出波长为900nm至1200nm，激光发射器的输出能量为1J至10J，激光发射器的脉宽为12ns至18ns，激光发射器的频率为1Hz至2Hz。
进一步的是，激光冲击时，所述带材安装在移动装置上，所述激光发射器的激光光束照射在带材的表面上，驱动所述移动装置带动所述带材沿着所述带材的长度方向移动，所述激光发射器与所述带材产生沿着所述带材的长度方向的相对位移，所述激光发射器沿着所述带材的长度方向对所述带材的不同位置进行激光冲击，从而使带材在长度方向完成一次激光冲击。
进一步的是，在脱水处理和干燥之后，对所述带材进行性能与微观组织结构检测；
若所述带材的性能与微观组织结构符合要求，则完成所述带材的表面处理，若所述带材的性能与微观组织结构不符合要求，重复激光冲击过程和完成激光冲击后的脱水干燥过程，完成多次激光冲击处理。
进一步的是，对所述带材进行性能与微观组织结构检测时，采用显微硬度测试仪测试激光冲击后的所述带材的显微硬度，采用电子背散射衍射技术检测激光冲击后的所述带材的微观晶粒组织。
本发明所提供的技术方案具有以下的优点及效果：
本发明可以进行多次激光冲击处理发条带材表面，提高发条带材的表面硬度和屈服极限，同时细化发条晶粒，从而提高S型发条的输出力矩，减小力矩波动，以及提高其抗疲劳性能。
附图说明
图1是奥氏体不锈钢带材的表面处理方法的流程图；
图2是激光冲击处理的原理示意图；
图3是发条处理的流程图。
附图标记说明：
10、带材；
20、吸收层；
30、约束层；
40、激光发射器；
50、等离子体；
60、冲击波。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”、“抵接”、“夹持”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
除非特别说明或另有定义，在发明的描述中，需要理解的是，发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
除非特别说明或另有定义，本发明所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图2所示，一种奥氏体不锈钢带材10的表面处理方法，奥氏体不锈钢具有成本低、容易加工、抗腐蚀以及抗磁能力较好的优势。本发明的奥氏体不锈钢主要用于手表的机械机心主发条，因此，本实施例以制作发条的奥氏体不锈钢带材10为例，本实施例的奥氏体不锈钢带材10为带条钩的发条带材10。
奥氏体不锈钢带材10的表面处理方法包括如下步骤：
步骤一：除去带材10的表面的油污；使得带材10的表面无油污，避免油污在激光冲击与带材10的表面产生反应。
步骤二：对所述带材10进行脱水处理后干燥；将发条带材10放入脱水溶液脱水处理后干燥。经过上述的去油污、脱水、干燥，发条带材10的表面粗糙度在0.05μm至0.09μm，符合激光冲击处理对粗糙度的要求，因此不需要对发条带材10进行额外的打磨抛光。
步骤三：在所述带材10的表面覆盖吸收层20；吸收层20覆盖在带材10需要处理的表面上，吸收层20可以吸收激光发射器40发射激光光束并产生等离子体50。
步骤四：在所述吸收层20上覆盖约束层30；约束层30覆盖在吸收层20上，使得吸收层20夹持在约束层30和带材10之间。吸收层20产生的等离子体50在约束层30的约束限制下产生向带材10传播冲击波60，从而提高奥氏体不锈钢制造的发条的输出力矩和抗疲劳性能，从而提高手表的走时精度。
步骤五：采用激光发射器40发射激光光束，激光发射器40可采用调Q激光发射器40(如Q-switched Nd:YAG laser)发射的高能脉冲激光，高能脉冲激光能达到GWcm-2量级，打击在目标带材10的表面，产生的冲击波60使目标带材10表面产生塑性形变。激光光束穿过所述约束层30、所述吸收层20对所述带材10的表面的不同位置进行激光冲击。
步骤六：对完成激光冲击后的所述带材10进行脱水处理后干燥，将发条带材10放入脱水溶液脱水处理后干燥，最后测试带材10的输出力矩和抗疲劳性能等看是否满足要求。
需要说明的是，第一步到第六步是并列的步骤，没有先后顺序，例如除去带材10的表面的油污可以与带材10进行脱水、干燥同时进行；吸收层20上覆盖约束层30上，再把约束层30与吸收层20一体覆盖在带材10上。
采用激光发射器40，是利用激光冲击处理技术(Laser Shock Processing，简写LSP，又称激光喷丸Laser Shock Peening)，其原理是利用强脉冲激光产生的压力冲击波60在金属材料表面产生应***化。LSP技术能够提高目标奥氏体不锈钢带材10的力学性能和抗疲劳性能，LSP技术可以改善奥氏体不锈钢的性能，这是由于LSP能产生极高的压力冲击导致奥氏体不锈钢表面发生塑性变形，从而获得良好的力学和抗疲劳性能。本申请的带材10经过LSP处理过，其表面硬度和屈服极限都获得了提高，这是由于高的压力冲击提高了奥氏体不锈钢带材10的表面层的位错密度；同时，带材10的表面层还获得残余压应力，从而有效地提升奥氏体不锈钢带材10的抗疲劳性能和抗腐蚀能力。处理后的奥氏体不锈钢带材10显著提高了表面硬度，提高约20％，并且保留了300MPa的残余压应力。同时由于表面硬度的增加，还是能有效地提高奥氏体不锈钢带材10的高温(25℃-600℃)抗疲劳性能。
具体的，在一些实施例中，由于目标带材10表面覆盖一层吸收层20，而约束层30又覆盖在吸收层20上面，在激光冲击的过程中，激光光束辐射带材10的表面时，激光脉冲辐射带材10的表面，所述吸收层20吸收激光光束的能量发生***性汽化蒸发并且产生高温高压的等离子体50，等离子体50受到约束层30的约束产生高强度压力冲击波60，冲击波60向下作用于所述带材10的表面并向带材10的内部传播，当冲击波60的峰值压力超过目标带材10的屈服强度时，所述带材10的表面产生位错，从而产生应***化，同时残留很大的压应力。
具体的，在一些实施例中，除去所述带材10的表面的油污时，将带条钩的发条带材10用盛有去离子水的超声清洗机中进行表面清洗除去油污，去离子水储存在所述超声清洗机的清洗槽内，所述带材10放置在所述超声清洗机的清洗槽内。
具体的，在一些实施例中，进行脱水处理后干燥时，先采用乙醇溶液对带材10进行处理，乙醇溶液处理完成之后再进行干燥。
具体的，在一些实施例中，在所述带材10的表面覆盖吸收层20时，采用黑色胶带或铝带覆盖在所述带材10的表面以形成所述吸收层20，黑色胶带或铝带包裹所述带材10需要激光冲击的表面。黑色胶带或铝带可以吸收激光光束的能量发生汽化蒸发并且产生等离子体50。
具体的，在一些实施例中，在所述吸收层20上覆盖约束层30时，采用水流或透明玻璃覆盖在所述吸收层20上以形成所述约束层30，水流为一般的自来水，自来水在吸收层20上流动形成具有一定厚度的约束层30，水流或透明玻璃的厚度为1mm至3mm，优选的，吸收层20上面用厚度2mm的流水作为约束层30。
具体的，在一些实施例中，激光冲击时处理需要在无尘的车间或无尘的实验室中，带材10所处的环境温度为20℃至22℃，带材10所处的环境湿度不超过50％，避免温度和湿度对激光冲击的效果产生影响。
所述激光发射器40的输出波长为900nm至1200nm，优选的，本实施例选择输出波长为1064nm。激光发射器40的输出能量为1J至10J，输出能量可以在1J至10J范围内调节。激光发射器40的脉宽为12ns至18ns，激光发射器40的脉宽在12ns至18ns范围内调节。激光发射器40的频率为1Hz至2Hz，激光发射器40的频率在1Hz至2Hz范围内调节。激光发射器40发出的激光通过聚焦后成为光束垂直照射到带材10表面，照射到带材10表面时分别通过了约束层30、吸收层20，激光束造成的冲击波60对带材10表面进行冲击强化。聚焦后成为的光束的直径可以根据实际情况调节，优选光束的直径为3mm。
具体的，在一些实施例中，激光冲击时，所述带材10安装在移动装置上，所述激光发射器40的激光光束照射在带材10的表面上，驱动所述移动装置带动所述带材10沿着所述带材10的长度方向移动，所述激光发射器40与所述带材10产生沿着所述带材10的长度方向的相对位移，所述激光发射器40沿着所述带材10的长度方向对所述带材10的不同位置进行激光冲击，从而使带材10在长度方向完成一次激光冲击。
发条带材10被固定在移动装置上，移动装置可以是机械臂等可移动装置，参照发条带材10的条钩的方位，以发条带材10工作时受拉应力的表面为上表面放置，上表面覆盖吸收层20，发条带材10以2mms-1左右的速度移动，从而使发条带材10在长度方向全部完成一次激光冲击。
具体的，在一些实施例中，还包括步骤七：为了检测激光冲击后的发条是否满足性能，在脱水处理和干燥之后，对所述带材10进行性能与微观组织结构检测。由于该检测属于破坏性检测，因此需要准备多个经过上述步骤一至步骤六处理的备用发条。
若所述带材10的性能与微观组织结构符合要求，则完成所述带材10的表面处理，将没有进行破坏性检测的发条带材10进行后续加工处理。
若所述带材10的性能与微观组织结构不符合要求，若则将备用发条重复激光冲击过程和完成激光冲击后的脱水干燥过程，每完成一次激光冲击就检测一次，直到带材10的性能与微观组织结构符合要求，实现发条带材10多次激光冲击处理。当利用奥氏体不锈钢带材10的表面处理方法的确定发条带材10处理的工艺参数后，可不用对所述带材10进行性能与微观组织结构检测，直接根据工艺参数进行相应次数的激光冲击处理。
结合图1至图3所示，具体的，在一些实施例中，本申请的奥氏体不锈钢带材10的表面处理方法运用在条钩绕制之后和定型盘条及热处理之前。
现有的机械机心发条，是对奥氏体不锈钢丝材进行冷拉拔、冷滚压及剪切成形的方式形成符合尺寸要求的发条带材10，再通过热处理定型为涡旋状发条，最后通过反向卷曲定型为S型发条。在以上加工过程中，奥氏体不锈钢丝材的冷加工过程是以尺寸为控制变量，并没有对发条带材10的机械性能进行控制，因此其表面硬度、屈服强度和微观组织结构不能得到有效控制。而发条的表面机械性能又是对最后成品发条(即S型发条)的输出力矩有直接的影响，因此当前的技术不能有效控制S型发条的力矩输出性能。同时，在冷加工过程中容易造成发条表面出现划痕、点蚀以及其他表面缺陷，更重要的是该冷加工以及后续热处理都不能改善发条的晶粒组织，这些都将极大地降低发条工作过程中的抗疲劳性能，从而导致发条不能长时间地保持有效的输出力矩。
本申请的工艺是在条钩绕制之后和定型盘条及热处理之前，因为条钩绕制完成后，发条内端形成，从而能够直观判断成品发条的受力面，即分别受拉应力和压应力的表面。条钩绕制之后和定型盘条及热处理之前发条还是带状，容易对其表面进行激光冲击处理，而一旦定型盘条及热处理后，发条形状改变成涡旋状，难以对其表面进行处理。因此本申请的处理方法能够方便地进行发条表面激光冲击处理，且不会影响后续发条定型等工序。
本申请至少重复两次激光冲击处理，本申请的多次激光冲击处理发条带材10表面，提高发条带材10的表面硬度和屈服极限，同时细化发条晶粒，从而提高S型发条的输出力矩，减小力矩波动，以及提高其抗疲劳性能。多次激光冲击处理，即对同一个区域进行2次及以上的处理，可以慢慢显示出其对带材10的微观组织具有更强的优化性能。多次激光冲击处理不仅具有提高表面硬度，获得表面残余压应力的好处，更重要的是其能够对奥氏体不锈钢带材10的晶粒组织进行细化，不仅不会提高发条表面粗糙度，而且对降低表面粗糙度有积极的效果。细化晶粒组织能够从根本上提高奥氏体不锈钢带材10的强度、抗腐蚀能力以及抗疲劳能力，处理后的奥氏体不锈钢带材10的晶粒组织明显得到了细化，细化晶粒尺寸达到100m至200nm，细化层的强度、硬度都得到提高，同时抗疲劳性能也大大提高。
具体的，在一些实施例中，对所述带材10进行性能与微观组织结构检测时，采用显微硬度测试仪测试激光冲击后的所述带材10的显微硬度，采用电子背散射衍射技术检测激光冲击后的所述带材10的微观晶粒组织。
总的来说，经过本申请的处理方法处理的带材应用在发条上之后，具有以下优点：
(1)具有足够的输出力矩，同时保证力矩落差平稳、微小；
(2)能够在长期的加载卸载过程中，保持理想的弯曲状态，弹性性能稳定，不发生弹性疲劳甚至疲劳断裂；
(3)耐腐蚀，耐氧化，具有良好的抗磁能力，以及一定的自润滑能力。
以上实施例也并非是基于本发明的穷尽性列举，在此之外，还可以存在多个未列出的其他实施方式。在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
除去带材的表面的油污；
对所述带材进行脱水处理后干燥；
在所述带材的表面覆盖吸收层；
在所述吸收层上覆盖约束层；
采用激光发射器发射激光光束，激光光束穿过所述约束层、所述吸收层对所述带材的表面的不同位置进行激光冲击；
对完成激光冲击后的所述带材进行脱水处理后干燥。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，在激光冲击的过程中，激光光束辐射带材的表面，所述吸收层吸收激光光束的能量发生汽化蒸发并且产生等离子体，等离子体受到所述约束层的约束产生冲击波，冲击波向下作用于所述带材的表面并向带材的内部传播，所述带材的表面产生位错，从而产生应***化并残留压应力。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，除去所述带材的表面的油污时，采用盛有去离子水的超声清洗机对所述带材的表面进行清洗除去油污，去离子水储存在所述超声清洗机的清洗槽内，所述带材放置在所述超声清洗机的清洗槽内。
4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，进行脱水处理后干燥时，先采用乙醇溶液对带材进行处理，乙醇溶液处理完成之后再进行干燥。
5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，在所述带材的表面覆盖吸收层时，采用黑色胶带或铝带覆盖在所述带材的表面以形成所述吸收层，黑色胶带或铝带包裹所述带材需要激光冲击的表面。
6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，在所述吸收层上覆盖约束层时，采用水流或透明玻璃覆盖在所述吸收层上以形成所述约束层，水流或透明玻璃的厚度为1mm至3mm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，激光冲击时，带材所处的环境温度为20至22℃，带材所处的环境湿度不超过50％；
所述激光发射器的输出波长为900nm至1200nm，激光发射器的输出能量为1J至10J，激光发射器的脉宽为12ns至18ns，激光发射器的频率为1Hz至2Hz。
8.根据权利要求1至6任一项所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，激光冲击时，所述带材安装在移动装置上，所述激光发射器的激光光束照射在带材的表面上，驱动所述移动装置带动所述带材沿着所述带材的长度方向移动，所述激光发射器与所述带材产生沿着所述带材的长度方向的相对位移，所述激光发射器沿着所述带材的长度方向对所述带材的不同位置进行激光冲击，从而使带材在长度方向完成一次激光冲击。
9.根据权利要求1至6任一项所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，在脱水处理和干燥之后，对所述带材进行性能与微观组织结构检测；
若所述带材的性能与微观组织结构符合要求，则完成所述带材的表面处理，若所述带材的性能与微观组织结构不符合要求，重复激光冲击过程和完成激光冲击后的脱水干燥过程，完成多次激光冲击处理。
10.根据权利要求9所述的奥氏体不锈钢带材的表面处理方法，其特征在于，对所述带材进行性能与微观组织结构检测时，采用显微硬度测试仪测试激光冲击后的所述带材的显微硬度，采用电子背散射衍射技术检测激光冲击后的所述带材的微观晶粒组织。
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