專利名稱：延長鏈篦機－回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法
技術領域：
本發明涉及冶金裝備零部件制造和激光特種加工技術領域，特指一種延長鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，用于提高鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件耐磨性和熱疲勞壽命的激光沖擊復合延壽技術，既適用于篦板、鏟料板、側板等以高溫磨損失效為主的零件，提高其耐磨性；也適用于小軸、鏈輪、鏈節等以熱疲勞破壞為主的零件，提高其熱疲勞壽命。
背景技術：
鏈篦機-回轉窯-環冷機是重要的鋼鐵冶煉爐料生產工藝之一，其工作溫度為從室溫到1050℃梯度溫度場，鏈篦機篦床與傳輸機構零部件在交變溫度場中循環往復運行，對相關零部件材料熱疲勞性能要求極高；高溫區零部件在最高達1050℃的高溫場中長期工作，對相關零部件材料的高溫耐磨性性能和抗氧化性能要求苛刻。目前，通常采用耐熱鋼制造相關零件，但其高溫耐磨性和熱疲勞性仍然是影響零件熱壽命的關鍵因素，不得不作為易損件定期更換，無法滿足鏈篦機-回轉窯-環冷機生產新工藝對對其關鍵零部件材料性能的要求。
鏈篦機在從常溫到高溫的環境中往復運行工作時，與常溫下工作的設備在設計方面要求不同。鏈篦機關鍵件篦床與傳輸機構零部件在交變溫度場中循環往復運行，由于溫度場的作用，對相關零件設計時對膨脹、應力問題要足夠重視。鏈篦機中的小軸、滑軌等關鍵零部件是易損件，其主要失效形式是磨損失效，鏈節、篦板、側板的失效形式是熱振疲勞破壞。其運行過程中溫度在20～900℃范圍內急劇變化，引起熱應力和熱應變的產生和變化，每循環工作一個周期，工件各處都因熱應力的作用經受一次壓縮和拉伸塑性變形。在這種激冷激熱環境中，零部件內部存在的細小裂紋、夾雜、偏析等缺陷，在循環應力作用下，很容易發展為裂紋。
本發明將激光沖擊強化技術和“QPQ”鹽浴復合處理、激光熔覆技術結合起來，形成激光沖擊復合延壽方法，根據零件的工況要求，對零件采用激光熔覆+QPQ鹽熔復合處理+激光沖擊強化處理，使其表面組織致密，形成高的硬度和高幅殘余壓應力，這樣耐熱件材料同時具有良好的耐磨性、抗應力腐蝕性能和抗熱疲勞性能，以及具有良好的減磨性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種提高鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件耐磨性和熱疲勞壽命的激光沖擊復合延壽技術。其首先利用激光熱效應進行零件表面激光熔覆硬化處理，提高材料表面硬度，再利用“QPQ”工藝進行零件表面鹽浴處理，使零件表面形成一層具有減摩性能致密鹽浴硬化層，最后，利用激光沖擊技術對零件表面進行激光沖擊強化，形成高幅值殘余壓應力層，有效地改善耐熱件表面的機械性能，特別是大幅度提高材料的熱疲勞壽命和抗應力腐蝕性能。通過本發明方法處理能綜合提高關鍵零部件的機械強度，使得關鍵零部件內韌外硬。
本發明提供了用來激光沖擊復合強化延長鏈篦機-回轉窯-環冷機關鍵件耐磨性和熱疲勞壽命的系統，該裝置由激光熔覆硬化裝置、磨削加工裝置、QPQ鹽浴裝置和激光沖擊強化裝置組合而成。
激光熔覆硬化裝置由高功率紅外激光器、電源與控制系統、多軸復合運動工作臺組成。磨削裝置由根據零件的結構形狀選擇外圓磨削、內圓磨削、平面磨削和工具磨床磨削。激光沖擊強化裝置由依次相連的激光發生器、激光器電源與控制系統、控制軟件、多軸復合運動的工作平臺組成。
一種延長鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，其特征在于(1)激光熔覆硬化處理首先將鐵鎳鉻硅硼合金粉末Fe60事先置于鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件表面的待熔覆部位，然后采用大功率激光束輻照掃描熔化，激光束功率＞2000W，輻照速度為4.5mm/s，輻照時間2-3秒鐘，瞬間將鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件表面微熔，同時使零件表面預制或與激光束同步自動送置的金屬粉末完全融化。激光束掃描后快速凝固，獲得與基本冶金結合的致密覆層，使得鏈篦機關鍵件局部硬化厚度達2-5mm，從而恢復關鍵件的幾何尺寸、表面強化、增強硬度、耐腐蝕度和耐磨度等特點。
激光熔覆處理解決了傳統電焊、氬弧焊等熱加工過程中不可避免的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術難題，同時也解決了傳統電鍍、噴涂等冷加工過程中覆層與基體結合強度差的矛盾。
(2)表面精磨處理磨削的目的是去除變質層。磨削過程中，由大量無定形前角的微小磨粒切出切屑。因此，磨削力較小，產生的切屑是細小的屑末。磨削后，為了防止工件生銹，再對工件做除水、消除雜質及防銹處理。
(3)表面鹽浴處理鹽浴處理時，可以根據工件材質和服役條件來選定溫度、保溫時間和成分的控制指標、工件出爐的冷卻方式，通過表面鹽浴處理從而使得鏈篦機關鍵件耐磨性提高，并提高其表面減摩性。
(4)激光沖擊強化處理，提高表面殘余壓應力，使得關鍵件熱疲勞磨損壽命提高利用激光脈沖寬度為納秒級的高功率脈沖激光作用于鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件表面，激光脈沖寬度為20納秒，激光功率應＞109W/cm2，特別是有應力集中的局部重點疲勞區，如孔、槽、圓角、焊縫與緊固件，根據強化需要沖擊2-3次左右。
利用高功率脈沖激光(＞109W/cm2)作用于關鍵件金屬材料表面所誘發的高壓沖擊波，使鏈篦機關鍵件材料的硬度和疲勞強度得到大幅度提高，特別適合于處理具有應力集中的局部重點疲勞區，如孔、槽、圓角、焊縫與緊固件等。激光沖擊處理具有非接觸、強化區可精確控制及無熱影響區等特點，包括一些熱處理效果不顯著的材料，都能進行有效的強化處理。
這項工藝主要用于要求高耐磨、抗高蝕、易疲勞、微變形的各種鋼、鐵及鐵基粉末冶金鏈篦機關鍵件零件。它常常用來代替滲碳淬火、高頻淬火、離子滲氮、軟氮化等熱處理和表面強化技術，以提高耐磨、耐疲勞性能，特別是用來解決硬化變形難題。同樣，也可用來代替發藍、鍍鉻、鍍鎳等表面防護，以便大幅度提高零件的抗蝕性，大大降低生產成本。
本發明的優點如下(1)激光加工過程中關鍵件基體溫度低，激光沖擊加工后無大的熱變形；激光熔覆層與基體為冶金結合，結合強度不低于原基材的90％以上；關鍵件材料在激光加工過程中表面微熔，微熔層為0.05-0.1mm，基體熱影響區小；熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆層及其界面組織致密，晶體細小，沒有孔洞、夾渣、裂紋等缺陷；(2)該復合處理后材料表面的變形很小，不影響材料心部性能。復合處理后工件基本不變形、外觀均勻、美麗、可作為產品最終處理。
(3)該發明專利工藝方案簡單、實用，夾具設計合理，應用方便，制造成本低，零件拆卸容易，通用性強，使用效果好，既可以有效確保工件加工質量，又能夠提高工效，適于鏈篦機關鍵件大直徑薄壁類零件的批量生產。
具體實施例方式
實施例一激光熔覆+QPQ+激光沖擊強化，提高鏈蓖機鏈節材料耐磨性，提高材料疲勞壽命。
先采用預置式激光熔覆對鏈蓖機鏈節熔覆處理，自熔性合金粉末選為高硬度的鐵鎳鉻硅硼合金粉末Fe60，其主要特點是含有硼和硅，因而具有自我脫氧和造渣的性能，合金在重熔時，合金中的硼和硅被氧化，在覆層表面形成薄膜。激光熔覆過程中將自熔性合金粉末事先置于基材(鏈蓖機鏈節)表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，自熔性合金粉末以粉狀的形式加入，激光束功率為2200W，激光束輻照速度為4.5mm/s，輻照時間2秒鐘，掃描熔化鏈節的兩側薄弱部位。激光熔覆的主要工藝流程為基材熔覆表面預處理---預置自熔性合金粉末---預熱---激光熔化---后熱處理，得到鏈篦機關鍵件局部硬化厚度達2.75mm。
QPQ處理，QPQ工藝流程為除油→預熱→QPQ氮化→QPQ氧化→拋光→冷卻→清洗。對于鏈篦機材料鏈節材料，經過QPQ工藝處理后，表面耐磨性達到常規淬火的13倍；抗蝕性比鍍硬鉻高20倍以上，遠遠高于鍍鎳，達到銅鎳鉻三層復合鍍的水平，甚至比某些不銹鋼的抗蝕性還高。
在采用激光沖擊強化過程中，激光輸出波長為1.054μm，輸出激光的脈沖寬度(FWHM)為20ns，激光脈沖能量約為23J，沖擊強化鏈節的兩側薄弱部位，經過激光沖擊強化后，發現鏈篦機鏈節熱疲勞壽命延長了許多，裂紋萌生時的循環次數由原來的11300次循環延長到30000次左右，從而極大地提高了疲勞壽命。
實施例二激光熔覆+激光沖擊強化，提高篦板材料高溫磨損失效為主的鏈篦板，提高其耐磨性。鏈篦板運轉中，存在摩擦產生溫度升高的現象；輕者會有潤滑不良和磨損加劇，嚴重時會導致燒傷、卡死等現象，對于鏈篦機的篦板材料，其高溫磨損性能較高，在本實施例中，采用激光熔覆+激光沖擊強化，其實施工藝與實施例1類似，不同的是省去QPQ處理，自熔性合金粉末選為高硬度的鐵鎳鉻硅硼合金粉末Fe60，為經過激光熔覆處理后，篦板表面耐磨厚度達3mm左右，裂紋萌生循環次數提高到27800次左右，使滾動軸承溫升降低了50-90℃，磨損率幾乎不隨壓力的增大而增大，呈現出水平不變的趨勢。經過本發明方法處理后，高溫耐磨性能提高了2.78倍。
權利要求
1.一種延長鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，包含以下步驟(1)激光熔覆硬化處理首先將鐵鎳鉻硅硼合金粉末Fe60事先置于鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件表面的待熔覆部位，然后采用大功率激光束輻照掃描熔化；(2)激光沖擊強化處理利用激光脈沖寬度為納秒級的高功率脈沖激光作用于鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件有應力集中的局部重點疲勞區。
2.根據權利要求1所述的延長鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，其特征在于步驟1中激光束功率＞2000W，輻照速度為4.5mm/s，輻照時間2-3秒。
3.根據權利要求1所述的延長鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，其特征在于步驟2中激光脈沖寬度為20納秒，激光功率＞109W/cm2，沖擊2-3次。
4.根據權利要求1所述的延長鏈篦機-回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，其特征在于在步驟1激光熔覆硬化處理之后進行表面精磨處理、表面鹽浴處理后再進行激光沖擊強化處理。
全文摘要
一種延長鏈篦機－回轉窯球團生產裝備關鍵零部件壽命的方法，涉及冶金裝備零部件制造和激光特種加工技術領域。首先利用激光熱效應進行零件表面激光熔覆硬化處理，提高材料表面硬度，再利用“QPQ”工藝進行零件表面鹽浴處理，使零件表面形成一層具有減摩性能致密鹽浴硬化層，最后，利用激光沖擊技術對零件表面進行激光沖擊強化，形成高幅值殘余壓應力層，有效地改善耐熱件表面的機械性能，特別是大幅度提高材料的熱疲勞壽命和抗應力腐蝕性能。通過本發明方法處理能綜合提高關鍵零部件的機械強度，使得關鍵零部件內韌外硬。
文檔編號C21D1/34GK101092658SQ200710025288
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月20日 優先權日2007年7月20日
發明者朱圣財, 馮愛新, 任旭東, 張永康, 張西良, 李伯全, 司乃潮, 吳強, 許曉靜 申請人:江蘇宏大特種鋼機械廠, 江蘇大學