一种铸铁的表面改性方法
【专利说明】一种铸铁的表面改性方法
[0001]
技术领域
本发明属于金属材料处理领域，是一种针对灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁材料表面改性方法。
【背景技术】
[0002]
铸铁是含碳量大于2.11%,且含Si,Mn, S、P等兀素的铁基合金。铸铁因具有良好的铸造性、可切削加工性、消振性、生产成本低，在工业上得到了广泛的应用。根据铸铁中石墨形态的不同(片状、团絮状、球状、蠕虫状)，铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。另外，当向铸铁中添加适量的其它合金元素可得合金铸铁。
[0003]灰铸铁主要应用于车辆中的气缸、气缸缸套、机床的床身等承受压力和载荷的零部件。球墨铸铁可替代中碳钢、中碳合金钢制造发动机的曲轴、连杆、凸轮轴和机床的主轴等。可锻铸铁可应用于形状复杂、要求承受冲击载荷的汽车、拖拉机的前后轮壳、减速器壳、转向节壳等。蠕墨铸铁常用于在热循环载荷条件下的钢锭模、玻璃模具、柴油机气缸、气缸盖、排气管、制动件等，以及结构复杂、要求高强度的液压阀的阀体，耐压泵的泵体等。合金铸铁根据添加合金元素的不同，具有高强度、耐热、耐腐蚀、耐磨等性能，广泛应用于制造柴油机曲轴、连杆，加热炉炉底板、炉条、烟道挡板、热处理炉内渗碳罐及传送链条，化工机械中的管道、反应锅、盛贮器，以及大型球磨机衬板和大型粉碎机的锤头等零件。
[0004]铸铁因具有广泛的应用前景，铸铁的强化方法也得到了国内外专家的广泛研究。目前铸铁的表面强化方法主要有:电子束处理、激光束处理、离子束处理、感应加热处理、表面渗氮、表面渗硼等。但现有的方法都存在一些不足:(1)电子束处理环境要求严格，需要在真空条件下处理。(2)激光束每次处理的区域非常小，能量过于集中导致残余应力大。
(3)离子束处理能量密度低。(4)感应加热处理设备复杂，对形状复杂的工件难以保证质量。
[5]表面渗氮与表面渗硼存在设备复杂、炉温均匀性不好以及成本高等问题。
[0005]因此，为了克服铸铁现有强化方法存在的不足，亟需开发一种新型的铸铁表面改性技术，使铸铁材料或零部件获得更好的耐磨性、耐腐蚀性、更长的使用寿命，同时又能提高机械加工效率,降低生产成本。
【发明内容】
[0006]
本发明的目的是，为了克服铸铁现有强化方法存在的不足，本发明提出一种铸铁的表面改性方法。
[0007]本发明的技术方案是，本发明一种铸铁的表面改性方法通过金属电极丝的电爆炸，以及高压电离金属或合金的电极，同时可燃气体与氧气或空气爆炸形成气体等离子体，混合的高速等离子体轰击铸铁的零部件表面，铸铁的快速加热和快速冷却使组织中的石墨形态发生改变，部分石墨转变为渗碳体，在铸铁的表面形成70-150 μ m厚度的强化改性层，可提高铸铁零部件的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命1-6倍。
[0008]本发明对铸铁表面改性技术处理是通过以下步骤进行:
(1)电路和气体准备:采用>2kv的电压，频率为0.2-50HZ的脉冲电流；爆炸气体采用可燃性气体的一种或一种以上的混合气与氧气或空气按一定比例形成混合气体；
(2)铸铁零部件的固定:将待处理的铸铁零部件的表面经机加工后固定在平台上；
(3)通入气体:先通循环空气冷却等离子发射腔体，随后按一定比例通入可燃性气体与氧气，启动点火装置；
(4)启动电压:启动彡2kv的电压，并加入0.2-50HZ的脉冲电流；
(6)冷却:处理后的铸铁零部件在移动平台上随循环空气冷却即可使用。
[0009]本发明高压电离在等离子发射腔进行；高压电离的电极为金属或合金，包括钛、钨、钥、铬金属中的至少一种金属或合金。
[0010]本发明爆炸气体采用的可燃性气体包括甲烷、乙炔、乙烯、丙烷或氢气。可燃气体与氧气的体积比为2.5:1 ;混合气流量为80 - 100 L/min。
[0011 ] 本发明中的铸铁包括灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、螺墨铸铁和合金铸铁。
[0012]本发明方法对铸铁的处理可在大气环境下进行。
[0013]本发明的工作原理如下:
本发明采用高能量叠加对铸铁材料表面进行改性处理，具体是利用电爆炸、气体爆炸、等离子体能量叠加的一种新型表面改性技术对铸铁零部件表面进行改性处理。
[0014]具体实现过程为:电流通过电极对等离子发射腔内双极金属电极间隙式导通，对金属极产生大量热能形成金属电爆炸，金属或合金的元素钛、钨、铬、钥元素金属气，此时对双极金属电极施以高压，产生等离子体能量密度可达104-107W/cm，再利用可燃气甲烷、乙炔、乙烯、丙烷、氢气与氧气混合后在燃烧混合腔内定向爆炸产生的速度达3000-8000m/s、升温速率可达107K/s的强流，以频率0.2-50HZ对轰击铸铁材料表面进行轰击。电爆炸、气体爆炸和等离子体的强流等离子体对铸铁表面轰击作用及铸铁的快速加热和快速冷却使组织中的石墨形态发生改变，在铸铁表面形成改性层，部分石墨转变为渗碳体或材料中石墨形态发生变，可在铸铁的材料表面形成厚度大于70 μπι的强化改性层，可提高铸铁零部件的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命1-6倍。
[0015]本发明的优点是:可在大气环境下处理、加工效率高、电极和可燃性气体容易获得且综合生产成本低，在铸铁的表面形成70-150 μ m厚度的强化改性层，可提高铸铁零部件的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命1-6倍。
[0016]本发明方法所处理的铸铁零部件表面改性层性能稳定，处理效率高，成本比传统的铸铁表面强化方法降低50%，可作为铸铁材料的强化处理。本发明适用于灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁零部件的表面改性处理，能够在机械工业、航空制造等领域广泛应用。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明方法处理的球墨铸铁组织照片；
图3是本发明方法处理的灰铸铁组织照片；
图4是本发明处理前后灰铸铁-SiC的摩擦系数随时间的变化曲线，其中曲线I是未处理的，曲线2是处理后的；
图5是本发明处理前后球墨铸铁-ZrOJ^摩擦系数随时间的变化曲线，其中曲线I是未处理的，曲线2是处理后的。
【具体实施方式】
[0018]下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护内容不局限于以下实施例。
[0019]实施例1
本实施例在汽车发动机汽缸用灰铸铁(HT200)上实施:
(I)电路和气体准备:电爆炸采用> 2kv的电压，采用钨棒电极；爆炸气体采用甲烷、乙炔气体与氧气、空气的混合气体。
[0020](2)零部件的固定:将铸造成型的汽车发动机汽缸用灰铸铁(HT200)固定工作平台上。
[0021](3)通入气体:先通循环空气冷却等离子发射腔体，随后按一定比例通入甲烷、乙炔气体与氧气混合比(I:1.5: I )，混合气体流量100L/min，设定轰击频率频率为5HZ，启动点火装置。
[0022](4)启动电压:启动2.5kv电压，处理频率为5HZ，处理后的发动机汽缸在平台上随循环空气冷却。
[0023]处理后的灰铸铁(HT200)表面强化层厚度为70 μ m。
[0024]处理后的灰铸铁(HT200)比未处理的灰铸铁(HT200)耐磨性和使用寿命提高2倍。
[0025]实施例2
本实施例在凸轮轴用合金铸铁上实施:
(I)脉冲电路和气体准备:采用电压5kv ;爆炸气体采用氢气与氧气、空气的混合气体混合比(I:1.5: I );混合气体流量为80L/min ;电爆采用铬棒为电极。
[0026](2)铸铁零部件的固定:将经表面轻微打磨后的凸轮轴用合金铸铁(添加合金元素Mn，Cr，Mo，Cu的灰铸铁CAC480凸轮轴)固定在数控的移动平台上。
[0027](3)通入气体:先通循环空气冷却等离子发射腔体，随后按一定比例通入氢气、丙烷气体与氧气，并启动点火装置，点燃气体爆炸。
[0028](4)移动工作平台:移动工作平台，保持等离子发射腔体与凸轮轴的距离ΙΟΟμπι。
[0029](5)启动电压:启动5kv电压，并加入1HZ的脉冲。
[0030](6)冷却:处理后的合金铸铁在移动平台上随循环空气冷却。
[0031](7)后续加工:经表面处理的合金铸铁经轻微的打磨后即可使用。
[0032]处理后合金铸铁表面层厚度为110 μ m。
[0033]处理后的合金铸铁比未处理的合金铸铁的耐磨性和使用寿命提高3倍。
【主权项】
1.一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述方法通过金属电极丝的电爆炸，以及高压电离金属或合金的电极，同时可燃气体与氧气或空气爆炸形成气体等离子体，混合的高速等离子体轰击铸铁的零部件表面，铸铁的快速加热和快速冷却使组织中的石墨形态发生改变，部分石墨转变为渗碳体，在铸铁的表面形成70-150 μ m厚度的强化改性层，可提高铸铁零部件的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命1-6倍。
2.根据权利要求1所述的一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述方法对铸铁表面改性技术处理是通过以下步骤进行: (1)电路和气体准备:采用电压>2 kv，处理频率为0.2-50HZ ;爆炸气体采用可燃性气体的一种或一种以上的混合气与氧气或空气按一定比例形成混合气体； (2)铸铁零部件的固定:将待处理的铸铁零部件的表面经机加工后固定在数控的移动平台上； (3)通入气体:先通循环空气冷却等离子发射腔体，随后按一定比例通入可燃性气体与氧气，启动点火装置； (4)启动电压:确定电压彡2kv； (5)冷却:处理后的铸铁零部件在移动平台上随循环空气冷却即可使用。
3.根据权利要求1所述的一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述电极为金属或合金，包括钛、钨、钥、铬金属的至少一种金属或合金。
4.根据权利要求1所述的一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述可燃气体包括甲烷、乙炔、乙烯、丙烷或氢气。
5.根据权利要求1所述的一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述可燃气体与氧气的体积比为2.5:1 ;混合气流量为80 - 100 L/min。
6.根据权利要求1所述的一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述铸铁包括灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁。
7.根据权利要求1所述的一种铸铁的表面改性方法，其特征在于，所述方法对铸铁的处理在大气环境下进行。
【专利摘要】一种铸铁的表面改性方法，采用高能量叠加对铸铁材料表面进行改性处理，具体是利用电爆炸、气体爆炸、等离子体能量叠加的一种新型的铸铁材料表面改性技术。该技术具备等离子表面改性、气体爆炸和电爆炸三种表面改性技术中的一种、两种或两种以上技术的特点，可在大气环境下处理，成本低，处理效率高，在铸铁零部件的表面形成厚度为70-150μm的强化改性层，可提高铸铁零部件的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命1-6倍。本发明适用于灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁零部件的表面改性处理，能够在机械工业、航空制造等领域广泛应用。
【IPC分类】C21D10-00, C21D5-00, C21D1-06
【公开号】CN104651569
【申请号】CN201510091787
【发明人】陆磊, 廖先金, 陆德平, 余玖明, 张林伟, 周喆, 邹晋, 付青峰
【申请人】江西省科学院应用物理研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月2日