一種鑄鐵的表面改性方法
【專利說(shuō)明】一種鑄鐵的表面改性方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于金屬材料處理領(lǐng)域，是一種針對(duì)灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵材料表面改性方法。
【背景技術(shù)】
[0002]
鑄鐵是含碳量大于2.11%,且含Si,Mn, S、P等兀素的鐵基合金。鑄鐵因具有良好的鑄造性、可切削加工性、消振性、生產(chǎn)成本低，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)的不同(片狀、團(tuán)絮狀、球狀、蠕蟲狀)，鑄鐵可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。另外，當(dāng)向鑄鐵中添加適量的其它合金元素可得合金鑄鐵。
[0003]灰鑄鐵主要應(yīng)用于車輛中的氣缸、氣缸缸套、機(jī)床的床身等承受壓力和載荷的零部件。球墨鑄鐵可替代中碳鋼、中碳合金鋼制造發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、連桿、凸輪軸和機(jī)床的主軸等?？慑戣T鐵可應(yīng)用于形狀復(fù)雜、要求承受沖擊載荷的汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、減速器殼、轉(zhuǎn)向節(jié)殼等。蠕墨鑄鐵常用于在熱循環(huán)載荷條件下的鋼錠模、玻璃模具、柴油機(jī)氣缸、氣缸蓋、排氣管、制動(dòng)件等，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求高強(qiáng)度的液壓閥的閥體，耐壓泵的泵體等。合金鑄鐵根據(jù)添加合金元素的不同，具有高強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕、耐磨等性能，廣泛應(yīng)用于制造柴油機(jī)曲軸、連桿，加熱爐爐底板、爐條、煙道擋板、熱處理爐內(nèi)滲碳罐及傳送鏈條，化工機(jī)械中的管道、反應(yīng)鍋、盛貯器，以及大型球磨機(jī)襯板和大型粉碎機(jī)的錘頭等零件。
[0004]鑄鐵因具有廣泛的應(yīng)用前景，鑄鐵的強(qiáng)化方法也得到了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛研究。目前鑄鐵的表面強(qiáng)化方法主要有:電子束處理、激光束處理、離子束處理、感應(yīng)加熱處理、表面滲氮、表面滲硼等。但現(xiàn)有的方法都存在一些不足:(1)電子束處理環(huán)境要求嚴(yán)格，需要在真空條件下處理。(2)激光束每次處理的區(qū)域非常小，能量過(guò)于集中導(dǎo)致殘余應(yīng)力大。
(3)離子束處理能量密度低。(4)感應(yīng)加熱處理設(shè)備復(fù)雜，對(duì)形狀復(fù)雜的工件難以保證質(zhì)量。
[5]表面滲氮與表面滲硼存在設(shè)備復(fù)雜、爐溫均勻性不好以及成本高等問(wèn)題。
[0005]因此，為了克服鑄鐵現(xiàn)有強(qiáng)化方法存在的不足，亟需開發(fā)一種新型的鑄鐵表面改性技術(shù)，使鑄鐵材料或零部件獲得更好的耐磨性、耐腐蝕性、更長(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)又能提高機(jī)械加工效率,降低生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]
本發(fā)明的目的是，為了克服鑄鐵現(xiàn)有強(qiáng)化方法存在的不足，本發(fā)明提出一種鑄鐵的表面改性方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是，本發(fā)明一種鑄鐵的表面改性方法通過(guò)金屬電極絲的電爆炸，以及高壓電離金屬或合金的電極，同時(shí)可燃?xì)怏w與氧氣或空氣爆炸形成氣體等離子體，混合的高速等離子體轟擊鑄鐵的零部件表面，鑄鐵的快速加熱和快速冷卻使組織中的石墨形態(tài)發(fā)生改變，部分石墨轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，在鑄鐵的表面形成70-150 μ m厚度的強(qiáng)化改性層，可提高鑄鐵零部件的耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命1-6倍。
[0008]本發(fā)明對(duì)鑄鐵表面改性技術(shù)處理是通過(guò)以下步驟進(jìn)行:
(1)電路和氣體準(zhǔn)備:采用>2kv的電壓，頻率為0.2-50HZ的脈沖電流；爆炸氣體采用可燃性氣體的一種或一種以上的混合氣與氧氣或空氣按一定比例形成混合氣體；
(2)鑄鐵零部件的固定:將待處理的鑄鐵零部件的表面經(jīng)機(jī)加工后固定在平臺(tái)上；
(3)通入氣體:先通循環(huán)空氣冷卻等離子發(fā)射腔體，隨后按一定比例通入可燃性氣體與氧氣，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置；
(4)啟動(dòng)電壓:啟動(dòng)彡2kv的電壓，并加入0.2-50HZ的脈沖電流；
(6)冷卻:處理后的鑄鐵零部件在移動(dòng)平臺(tái)上隨循環(huán)空氣冷卻即可使用。
[0009]本發(fā)明高壓電離在等離子發(fā)射腔進(jìn)行；高壓電離的電極為金屬或合金，包括鈦、鎢、鑰、鉻金屬中的至少一種金屬或合金。
[0010]本發(fā)明爆炸氣體采用的可燃性氣體包括甲烷、乙炔、乙烯、丙烷或氫氣?？扇?xì)怏w與氧氣的體積比為2.5:1 ;混合氣流量為80 - 100 L/min。
[0011 ] 本發(fā)明中的鑄鐵包括灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、螺墨鑄鐵和合金鑄鐵。
[0012]本發(fā)明方法對(duì)鑄鐵的處理可在大氣環(huán)境下進(jìn)行。
[0013]本發(fā)明的工作原理如下:
本發(fā)明采用高能量疊加對(duì)鑄鐵材料表面進(jìn)行改性處理，具體是利用電爆炸、氣體爆炸、等離子體能量疊加的一種新型表面改性技術(shù)對(duì)鑄鐵零部件表面進(jìn)行改性處理。
[0014]具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:電流通過(guò)電極對(duì)等離子發(fā)射腔內(nèi)雙極金屬電極間隙式導(dǎo)通，對(duì)金屬極產(chǎn)生大量熱能形成金屬電爆炸，金屬或合金的元素鈦、鎢、鉻、鑰元素金屬氣，此時(shí)對(duì)雙極金屬電極施以高壓，產(chǎn)生等離子體能量密度可達(dá)104-107W/cm，再利用可燃?xì)饧淄?、乙炔、乙烯、丙烷、氫氣與氧氣混合后在燃燒混合腔內(nèi)定向爆炸產(chǎn)生的速度達(dá)3000-8000m/s、升溫速率可達(dá)107K/s的強(qiáng)流，以頻率0.2-50HZ對(duì)轟擊鑄鐵材料表面進(jìn)行轟擊。電爆炸、氣體爆炸和等離子體的強(qiáng)流等離子體對(duì)鑄鐵表面轟擊作用及鑄鐵的快速加熱和快速冷卻使組織中的石墨形態(tài)發(fā)生改變，在鑄鐵表面形成改性層，部分石墨轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體或材料中石墨形態(tài)發(fā)生變，可在鑄鐵的材料表面形成厚度大于70 μπι的強(qiáng)化改性層，可提高鑄鐵零部件的耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命1-6倍。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:可在大氣環(huán)境下處理、加工效率高、電極和可燃性氣體容易獲得且綜合生產(chǎn)成本低，在鑄鐵的表面形成70-150 μ m厚度的強(qiáng)化改性層，可提高鑄鐵零部件的耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命1-6倍。
[0016]本發(fā)明方法所處理的鑄鐵零部件表面改性層性能穩(wěn)定，處理效率高，成本比傳統(tǒng)的鑄鐵表面強(qiáng)化方法降低50%，可作為鑄鐵材料的強(qiáng)化處理。本發(fā)明適用于灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵零部件的表面改性處理，能夠在機(jī)械工業(yè)、航空制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2是本發(fā)明方法處理的球墨鑄鐵組織照片；
圖3是本發(fā)明方法處理的灰鑄鐵組織照片；
圖4是本發(fā)明處理前后灰鑄鐵-SiC的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，其中曲線I是未處理的，曲線2是處理后的；
圖5是本發(fā)明處理前后球墨鑄鐵-ZrOJ^摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，其中曲線I是未處理的，曲線2是處理后的。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以下實(shí)施例。
[0019]實(shí)施例1
本實(shí)施例在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸用灰鑄鐵(HT200)上實(shí)施:
(I)電路和氣體準(zhǔn)備:電爆炸采用> 2kv的電壓，采用鎢棒電極；爆炸氣體采用甲烷、乙炔氣體與氧氣、空氣的混合氣體。
[0020](2)零部件的固定:將鑄造成型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸用灰鑄鐵(HT200)固定工作平臺(tái)上。
[0021](3)通入氣體:先通循環(huán)空氣冷卻等離子發(fā)射腔體，隨后按一定比例通入甲烷、乙炔氣體與氧氣混合比(I:1.5: I )，混合氣體流量100L/min，設(shè)定轟擊頻率頻率為5HZ，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置。
[0022](4)啟動(dòng)電壓:啟動(dòng)2.5kv電壓，處理頻率為5HZ，處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸在平臺(tái)上隨循環(huán)空氣冷卻。
[0023]處理后的灰鑄鐵(HT200)表面強(qiáng)化層厚度為70 μ m。
[0024]處理后的灰鑄鐵(HT200)比未處理的灰鑄鐵(HT200)耐磨性和使用壽命提高2倍。
[0025]實(shí)施例2
本實(shí)施例在凸輪軸用合金鑄鐵上實(shí)施:
(I)脈沖電路和氣體準(zhǔn)備:采用電壓5kv ;爆炸氣體采用氫氣與氧氣、空氣的混合氣體混合比(I:1.5: I );混合氣體流量為80L/min ;電爆采用鉻棒為電極。
[0026](2)鑄鐵零部件的固定:將經(jīng)表面輕微打磨后的凸輪軸用合金鑄鐵(添加合金元素Mn，Cr，Mo，Cu的灰鑄鐵CAC480凸輪軸)固定在數(shù)控的移動(dòng)平臺(tái)上。
[0027](3)通入氣體:先通循環(huán)空氣冷卻等離子發(fā)射腔體，隨后按一定比例通入氫氣、丙烷氣體與氧氣，并啟動(dòng)點(diǎn)火裝置，點(diǎn)燃?xì)怏w爆炸。
[0028](4)移動(dòng)工作平臺(tái):移動(dòng)工作平臺(tái)，保持等離子發(fā)射腔體與凸輪軸的距離ΙΟΟμπι。
[0029](5)啟動(dòng)電壓:啟動(dòng)5kv電壓，并加入1HZ的脈沖。
[0030](6)冷卻:處理后的合金鑄鐵在移動(dòng)平臺(tái)上隨循環(huán)空氣冷卻。
[0031](7)后續(xù)加工:經(jīng)表面處理的合金鑄鐵經(jīng)輕微的打磨后即可使用。
[0032]處理后合金鑄鐵表面層厚度為110 μ m。
[0033]處理后的合金鑄鐵比未處理的合金鑄鐵的耐磨性和使用壽命提高3倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述方法通過(guò)金屬電極絲的電爆炸，以及高壓電離金屬或合金的電極，同時(shí)可燃?xì)怏w與氧氣或空氣爆炸形成氣體等離子體，混合的高速等離子體轟擊鑄鐵的零部件表面，鑄鐵的快速加熱和快速冷卻使組織中的石墨形態(tài)發(fā)生改變，部分石墨轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，在鑄鐵的表面形成70-150 μ m厚度的強(qiáng)化改性層，可提高鑄鐵零部件的耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命1-6倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述方法對(duì)鑄鐵表面改性技術(shù)處理是通過(guò)以下步驟進(jìn)行: (1)電路和氣體準(zhǔn)備:采用電壓>2 kv，處理頻率為0.2-50HZ ;爆炸氣體采用可燃性氣體的一種或一種以上的混合氣與氧氣或空氣按一定比例形成混合氣體； (2)鑄鐵零部件的固定:將待處理的鑄鐵零部件的表面經(jīng)機(jī)加工后固定在數(shù)控的移動(dòng)平臺(tái)上； (3)通入氣體:先通循環(huán)空氣冷卻等離子發(fā)射腔體，隨后按一定比例通入可燃性氣體與氧氣，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置； (4)啟動(dòng)電壓:確定電壓彡2kv； (5)冷卻:處理后的鑄鐵零部件在移動(dòng)平臺(tái)上隨循環(huán)空氣冷卻即可使用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述電極為金屬或合金，包括鈦、鎢、鑰、鉻金屬的至少一種金屬或合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述可燃?xì)怏w包括甲烷、乙炔、乙烯、丙烷或氫氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述可燃?xì)怏w與氧氣的體積比為2.5:1 ;混合氣流量為80 - 100 L/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述鑄鐵包括灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和合金鑄鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鑄鐵的表面改性方法，其特征在于，所述方法對(duì)鑄鐵的處理在大氣環(huán)境下進(jìn)行。
【專利摘要】一種鑄鐵的表面改性方法，采用高能量疊加對(duì)鑄鐵材料表面進(jìn)行改性處理，具體是利用電爆炸、氣體爆炸、等離子體能量疊加的一種新型的鑄鐵材料表面改性技術(shù)。該技術(shù)具備等離子表面改性、氣體爆炸和電爆炸三種表面改性技術(shù)中的一種、兩種或兩種以上技術(shù)的特點(diǎn)，可在大氣環(huán)境下處理，成本低，處理效率高，在鑄鐵零部件的表面形成厚度為70-150μm的強(qiáng)化改性層，可提高鑄鐵零部件的耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命1-6倍。本發(fā)明適用于灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、合金鑄鐵零部件的表面改性處理，能夠在機(jī)械工業(yè)、航空制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
【IPC分類】C21D10-00, C21D5-00, C21D1-06
【公開號(hào)】CN104651569
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510091787
【發(fā)明人】陸磊, 廖先金, 陸德平, 余玖明, 張林偉, 周喆, 鄒晉, 付青峰
【申請(qǐng)人】江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月2日