灰鐵機床導軌的激光強化研究

梁鵬 游娜 郭計山

摘 要： 灰鐵機床導軌硬度低、耐磨性差，長期服役需要大修，強化表面硬度。采用傳統強化方法，都存在很大弊端。使用激光強化技術，強化灰鐵機床導軌，強化后硬度和耐磨性顯著提高，變形量極小，能夠有效降低機床維修成本，延長機床使用壽命。且該工藝綠色環保，對環境無任何污染，是灰鐵機床導軌強化的最佳選擇。

關鍵詞：灰鐵;機床導軌;激光強化

Abstract： Gray iron machine tool guide rail hardness is low， wear resistance is poor， long-term service needs an overhaul to strengthen the surface hardness. Using the traditional method of strengthening， there are great disadvantages. The use of laser strengthening technology to strengthen the guide rail of gray iron machine tool， after strengthening the hardness and wear resistance are significantly improved， the deformation is very small， reduce the maintenance cost of the machine tool， extend the service life of the machine tool. The process is green and environmentally friendly， without any pollution to the environment， is the best choice for strengthening the guide rail of gray iron machine tool.

Keywords： Gray iron Machine tool guide way The laser strengthening

普通灰鑄鐵鑄造性、減震性均佳，且便于熔煉，成本低，是應用最廣的灰鑄鐵。我國的大型機床普遍采用普通灰鑄鐵，但其也存在硬度低、耐磨性差的問題，長時間服役，機床導軌工作面會出現嚴重磨損，形成間隙，造成機床精度變差，只能將機床大修，重新加工導軌工作面并強化處理，增加了維修成本，減少了機床使用壽命。

1.國內機床導軌常用強化方法

目前，國內用于處理床身硬度主要有以下三種方法：電火花淬火、中頻淬火、表面鑲鋼。

1.1電火花淬火

此種方法以電極在機床導軌表面進行電擊打火，借助電火花產生的高溫對床身進行硬度處理。此種方法在導軌表面形成網格紋，網格部位產生硬度，大部未用電火花電擊的部位仍保持導軌基體硬度，且電擊網格線會對托板下部塑板產生拉傷，效果不好。

1.2中頻淬火

此種方法采用感應線圈在機床導軌表面進行表面加熱進行淬火。中頻加熱一般硬層深度可達5mm左右，硬度處理后可達到HRC33以上。但中頻淬火控制不好有床身淬裂風險，且中頻淬火后床身易產生凹芯，兩端翹頭變形，床身表面去除量一般在3mm，對于機床使用壽命影響較大。此外，中頻淬火過程會產生大量廢水，造成環境污染。

1.3表面鑲鋼

此種方法成本較高，且對床身厚度有一定要求。此外，鑲鋼需要加工并且強化處理，對于環境污染很大。

2.灰鐵的激光強化研究

激光強化技術可廣泛應用于各類各型零部件表面強化，強化硬度均勻，強化位置精確控制，幾乎無變形，且強化成本低，非常適合大型設備零件耐磨部位的表面強化。因此，對于灰鐵進行激光強化研究。

2.1 試驗材料及方法

試驗材料為鑄態普通灰鐵，初始硬度≤19HRC。石墨形態為片狀，石墨量5%-6%;組織為珠光體+少量鐵素體。

將試樣加工成150mm*50mm*50mm試塊，將試塊150mm*50mm，表面精磨至Ra1.2，使用酒精清洗表面，去除油污等表面附著物。將試塊放在工作臺上，對150mm*50mm表面進行激光淬火。

強化技術要求：硬度≥42HRC，表面無裂紋。

采用溫度控制模式進行激光相變強化，主要工藝參數為：掃描速度、淬火溫度等。采用HL-300便攜式里氏硬度計檢測其表面硬度;采用X射線應力儀檢測激光相變強化后應力。

2.2試驗結果及討論

2.2.1淬火溫度與金相組織的關系

灰鐵的組織主要包括石墨+珠光體+少量鐵素體，由于石墨的熔點很高，約3652℃，且奧氏體化時只溶入周圍基體中，激光強化時，除了少量石墨燒損，大部分石墨保留原始形態，因此淬火后石墨幾乎沒有變化。

激光表面強化處理的原理為相變硬化，是用高功率密度（104-105w/cm2）的激光束，照射軋輥表面，使之在極短的時間內（10-2-10-3s）達到相變溫度發生相變，急速冷卻后生成相變硬化組織[1]。由于急速冷卻，晶粒超細化和碳化物細化及彌散分布，馬氏體呈隱晶態，且擁有極高的位錯能，馬氏體含量大大增加而殘余奧氏體明顯減少，紅硬性比常規淬火高，耐磨性也顯著提高。

從表2可以看出，隨著淬火溫度的提高，高碳隱針馬氏體的比重越高，低碳馬氏體也逐步增加，珠光體逐步減少。主要原因為950℃和1050℃時碳元素擴散動力不足，奧氏體化不充分，屬于不完全淬火，淬火后保留了部分原始組織;1150℃奧氏體化充分，屬于完全淬火，原始組織幾乎完全轉為馬氏體。此外，由于奧氏體化時，灰鐵中的石墨短程擴散少量溶入周圍奧氏體中，石墨周圍奧氏體增碳，因此相變后石墨周圍存在大量隱針高碳馬氏體。

隨著淬火溫度的提高，馬氏體轉變量不斷增加，高碳隱針馬氏體的比重不斷提高，因此強化硬度也不斷提高，1150℃發生完全轉變，硬度達到最高值，滿足了技術要求。

2.2.2淬火溫度與變形量的關系

激光強化前試樣尺寸150*50*50mm，激光強化150*50表面，強化后使用細砂紙將表面氧化皮打磨干凈后檢測各部位尺寸。

激光相變強化，主要依靠原始組織中的珠光體發生馬氏體相變，珠光體發生完全馬氏體相變，會發生體積膨脹，體積增大約4%，激光強化深度約0.5mm，變形量最大0.02mm，實際變形量僅為0.01mm，且只發生在高度方向，長度與寬度均未發生變化。

2.2.3強化區的應力分布情況

檢測淬火溫度1150℃的表面應力：淬硬區為壓應力，橫向壓應力為364Mpa，縱向壓應力為403Mpa。搭接區域中部為拉應力，橫向拉應力為59Mpa，縱向拉應力為31Mpa。淬硬區為壓應力，可以進一步提高表面的耐磨性與抗疲勞性。搭接區雖然存在拉應力，但寬度僅1mm，且很小，對于整個工作面影響很小。此外，為了防止應力的累計，在實際強化過程中采用縱橫交錯強化法，合理分配強化面應力狀態。

3.灰鐵機床導軌的激光強化

某機床床身導軌總長10.23m，根據實際磨損情況，確定需要強化三個上平面以及三個側面，總計強化面積8.15331m2。

2018年1月采用激光強化導軌，激光強化工藝參數：掃描速度10mm/s，淬火溫度1150℃，強化時間約14小時，強化費用1.3萬元。

強化后檢測硬度HRC47-51，整個機床最大變形量僅為0.01mm，目前服役超過兩年，磨損量不到0.01mm，完全滿足機床導軌使用要求。

相同技術要求，中頻淬火和鑲鋼費用均超過10萬元，采用激光強化能夠有效降低機床維護成本;且每次大修都僅需去除磨損層，機床導軌厚度無額外加工，能夠有效延長機床使用壽命。隨著該項技術的成熟，已陸續完成多臺灰鐵機床的激光強化，且該項技術已在行業內推廣應用。

4.結論

1、利用激光強化設備對機床導軌進行強化處理，硬度和耐磨性顯著提高，且變形量極小，可以忽略不計。

2、采用溫度控制模式固定淬火溫度，能夠提高自動化程度、生產效率和硬度均勻性。整個機床導軌面采用縱橫強化法，通過縱向掃描和橫向掃描相結合的方法，合理分配強化面應力狀態。

3、激光強化技術綠色環保，避免了對環境的污染，且強化成本遠低于其他工藝，能夠有效延長機床使用壽命，降低維護成本。

參考文獻：

[1]關振中主編. 激光加工工藝手冊. 北京：中國計量出版社，1998.