本发明专利技术提供一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，包括为长方体结构密闭容器（10），密闭容器（10）内腔中部设置与其顶面平行的隔断板（11），隔断板（11）上端面放置合金工件（20），隔断板（11）位于合金工件（20）四周开设点阵分布的且贯穿其的透气孔（110）；密闭容器（10）一侧侧面且位于隔断板（11）下侧分别设置导气管（12）与导液管（13），密闭容器（10）另一侧侧壁且位于隔断板（11）上侧设置排气管（14）。该装置用于含碳量较低的合金钢表面的激光熔凝，通过碳氮共渗能够有效改善低碳含量合金钢表层硬度、耐磨性能、抗热疲劳性能等，有效拓宽低碳含量钢的使用领域。碳含量钢的使用领域。碳含量钢的使用领域。
【技术实现步骤摘要】
一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置
[0001]本专利技术涉及表面处理
，具体涉及一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置。
技术介绍
[0002]激光表面改性，即利用激光束使得材料表面发生物化反应、使得材料表面形成一定厚度的处理层，从而达到提高零件或工件的耐磨损性能、耐蚀性能、耐疲劳性能等目的的一种材料表面处理技术；其具有非接触性、可控性强、能量密度高、绿色环保等优点。
[0003]目前，激光表面改性技术主要包括激光表面淬火、激光熔凝、激光合金化与激光熔覆；其中，激光熔凝处理是指以高功率密度的激光在极短时间内与金属进行交互作用，使得金属表面的局部区域在瞬时被加热到较高温度、进而出现熔化，随后借助液态金属基体的吸热和传导作用，使得已经熔化的表层金属快速凝固，从而得到细小的铸态组织的表层结构，有效提高金属材料表层的硬度、耐磨性、抗热疲劳性等性能。现有技术中，具有HV250硬度的珠光体基体和片状石墨铸铁，经激光表面熔凝处理后，其硬度提高至HV800～950，磨料磨损性能大为提高；具有HV180硬度的铁素体基体球墨铸铁，经激光表面熔凝处理后，其硬度提升至HV400～950，同时；具有优异的耐磨性能；具有HV670硬度的白口铸铁，经激光表面熔凝技术处理后，其提升高达HV800以上，同时具有优异的耐磨损性能；可见，激光熔凝技术对铸铁的硬度、耐磨损等性能具有明显的提高。
[0004]此外，激光熔凝技术能够使碳化物快速溶解并产生细小而弥散分布的碳化物晶粒，因此，针对于40Cr、40CrNiMo、5CrNiMo、45钢等碳含量较高的合金钢，能够通过激光熔凝技术有效提高它们的硬度、耐磨损性能、抗热疲劳性能等；但是，针对于AF1410、17
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4PH等碳含量较低的合金钢，由于其表层没有足够的碳化物用于溶解、晶粒细化，采用激光熔凝技术进行表面处理后的材料硬度提升不明显、且费时费力，即无法通过激光熔凝技术对低碳钢进行硬度、耐磨性等性能的有效提升。
技术实现思路
[0005]针对以上现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，该装置用于含碳量较低的合金钢表面的激光熔凝，通过碳氮共渗能够有效改善低碳含量合金钢表层硬度、耐磨性能、抗热疲劳性能等，有效拓宽低碳含量钢的使用范围及领域。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，其特征在于：包括密闭容器，密闭容器为长方体结构，其顶面与四周侧面均采用透光玻璃材质；密闭容器内腔中部设置与其(即密闭容器)顶面平行的隔断板，隔断板与密闭容器内壁可拆卸连接且隔断板上端面放置合金工件，隔断板位于合金工件四周开设点阵分布的且贯穿其(即隔断板)的透气孔；密闭容器一侧侧面且位于隔断板下侧分别设置导气管与导液管，导气管一端与密闭容器内腔连通、
另一端与氮气储存瓶连通，导液管一端与密闭容器内腔连通、另一端与液氮储存瓶连通，密闭容器另一侧侧壁且位于隔断板上侧设置排气管，排气管一端与密闭容器内腔连通、另一端与气体收集瓶连通。
[0008]基于上述方案的进一步优化，所述合金工件待强化表面划分为基体区与强化区相互间隔的改性表面结构，且各个强化区表面依次涂覆碳层结构。
[0009]基于上述方案的进一步优化，所述基体区的宽度、即相邻两个强化区之间的间距为3～6mm。
[0010]基于上述方案的进一步优化，所述碳层结构的厚度为50～150μm。
[0011]基于上述方案的进一步优化，所述碳层结构为碳粉、石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种含碳材料所组成的碳粉浆料；其中，碳粉浆料的具体制备步骤为：取含碳材料溶于酒精溶液中，充分搅拌混合后，形成用于涂覆的碳粉浆料；含碳材料与酒精溶液的质量比为2.5～3.5：1.5～2.5。
[0012]基于上述方案的进一步优化，所述导气管、导液管、排气管上分别设置用于控制管路通断的电磁阀。
[0013]一种用于低碳钢表面强化的激光强化方法，采用上述激光强化装置，其特征在于：包括：首先，根据上述结构对合金工件进行处理，将处理后的合金工件放置在隔断板端面，合金工件位于点阵分布的透气孔中部且与透气孔不相互干涉；然后，首先通过开启导气管与排气管的电磁阀，通过导气管向密闭容器内腔充入氮气、并将密闭容器内腔的空气通过排气管排出，待密闭容器内腔充满氮气后，关闭导气管的电磁阀、保持排气管的电磁阀开启，并开启导液管的电磁阀，通过导液管向密闭容器通入液氮；之后，通过机械手控制激光熔凝设备的激光头移动，使得激光头的发射端对准待处理强化区，设置激光熔凝参数、启动激光熔凝设备，进行激光熔凝，激光熔凝过程中，保持液氮的持续通入并通过机械手控制激光头沿强化区方向移动，直至完成一条强化区的激光熔凝，关闭激光熔凝设备；最后，将激光头移动至另一条强化区、开启激光熔凝设备进行激光熔凝，如此循环，直至完成所有强化区的激光熔凝。
[0014]基于上述方案的进一步优化，所述合金工件采用AF1410、17
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4PH等碳含量较低的钢。
[0015]基于上述方案的进一步优化，所述氮气与液氮的流量均为1L/min～3L/min。
[0016]基于上述方案的进一步优化，所述激光熔凝参数具体为：功率400W～1000W，光斑直径为2mm，离焦量为2cm，扫描速度为2mm/s～15mm/s。
[0017]以下为本专利技术上述技术方案所具备的效果：
[0018]本申请通过隔断板的设置，一是用于对合金工件的稳固放置、确保激光熔凝处理过程中的精确定位，二是避免合金工件浸泡在液氮中、从而保证激光熔凝的顺利进行。通过导气管、导液管与排气管的配合，首先通过导气管进入的氮气对密闭容器内腔的空气进行排出，避免排入液氮过程中、空气中的水蒸气液化形成白雾，造成激光光束的折射、偏移等问题，影响激光熔凝的正常进行、甚至出现安全隐患；然后，利用导液管进行液氮的通入，利用液氮对激光强化过程中的合金工件尽心降温处理、加快强化区的冷却速度，一是避免合金基体温度过高而出现变形，二是加快晶粒的细化、有效增强合金试样表面强度；此外，液氮吸热后气化形成氮气，使得密闭容器内腔始终充满氮气，一是能够持续、不间断的为强化
区提供氮源，确保碳氮共渗的连续性、有效性，二是使得密闭容器内腔处于惰性气体氛围，避免激光强化过程中合金工件表面氧化，从而提高强化区表面的质量和硬度、避免碳层结构在激光强化过程中出现氧化烧损。此外，本申请通过对合金工件的结构设置，即将其待处理表面划分为基体区与强化区相互间隔的结构，通过软
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硬相间的结构分布，有效提升合金基体的耐磨性能，同时，利用未处于的基体区对激光强化过程中强化区的能量进行缓冲，有效避免激光强化过程中的裂纹扩展、延伸等问题，从而减少处理后合金工件的表面裂纹，保证合金工件的硬度、耐磨性的同时，确保合金工件的使用寿命，此外，设置基体区与强化区，还能有效减少处理面积、节省处理时间与能源损耗，提高处理效率。
[0019]通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，其特征在于：包括密闭容器，密闭容器为长方体结构，其顶面与四周侧面均采用透光玻璃材质；密闭容器内腔中部设置与其顶面平行的隔断板，隔断板与密闭容器内壁可拆卸连接且隔断板上端面放置合金工件，隔断板位于合金工件四周开设点阵分布的且贯穿其的透气孔；密闭容器一侧侧面且位于隔断板下侧分别设置导气管与导液管，导气管一端与密闭容器内腔连通、另一端与氮气储存瓶连通，导液管一端与密闭容器内腔连通、另一端与液氮储存瓶连通，密闭容器另一侧侧壁且位于隔断板上侧设置排气管，排气管一端与密闭容器内腔连通、另一端与气体收集瓶连通。2.根据权利要求1所述的一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，其特征在于：所述合金工件待强化表面划分为基体区与强化区相互间隔的改性表面结构，且各个强化区表面依次涂覆碳层结构。3.根据权利要求1或2所述的一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，其特征在于：所述碳层结构为碳粉、石墨烯或氧化石墨烯中的一种或多种含碳材料所组成的碳粉浆料；其中，碳粉浆料的具体制备步骤为：取含碳材料溶于酒精溶液中，充分搅拌混合后，形成用于涂覆的碳粉浆料；含碳材料与酒精溶液的质量比为2.5～3.5：1.5～2.5。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于低碳钢表面强化的激光强化装置，其特征在于：所述导气管、导液管、排气管上分别设置用于控制管路...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭冬，李忠盛，张薇，丛大龙，黄安畏，张敏，宋凯强，白懿心，王旋，丁星星，花泽荟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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