一种山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺的制作方法

1.本发明属于自行车零部件制造技术领域，具体涉及一种山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺。


背景技术：

2.碗组是自行车车架和前叉连接的媒介，其主要功能是确保自行车车架和前叉旋转连接的同时在径向和轴向对前叉进行限位。因此，碗组表面需要长期承受较大的载荷和摩擦，这对碗组的设计和制造带来了极大的挑战。尤其是山地自行车，其碗组在长期使用过程中受到频繁的冲击和颠簸，碗组表层的磨损和剥落经长期积累造成碗组失效，甚至威胁行车安全。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明提供一种山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺。
4.本发明提供的山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺包括以下步骤：
5.步骤一：去除碗组表面的氧化层和油污；
6.步骤二：将碗组、研磨球、研磨粉加入到球磨机中球磨；所述研磨粉中含有超细镍粉和三聚氰胺粉末；
7.步骤三：取出碗组并清理表面浮渣，然后将碗组置于密闭腔室中，调节密闭腔室内的气氛为惰性气氛，然后使用激光扫描碗组表面；
8.步骤四：待碗组冷却后，将碗组取出并将碗组表面打磨平整。
9.本发明提供的上述山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺，旨在使碗组表面形成与基材融合连接的硬化层，从而抑制碗组在使用过程中受到破坏，维持碗组的功能。本发明提供的表面处理工艺首先去除碗组表面的氧化层和油污，暴露出碗组的基材；然后通过球磨的方式使碗组基材表面与超细镍粉和三聚氰胺粉末相互摩擦，在碗组基材表面机械涂抹形成镍和三聚氰胺的复合层；然后采用激光扫描，使基材表层的镍原子高温剧烈运动，使基材表层的三聚氰胺瞬间分解形成含碳的离子碎片和含氮的离子碎片，同时使基材表层高温熔融，在剧烈热运动作用下镍、碳、氮原子向基材表层渗透，在表层形成高碳高氮高镍的元素分布状态，随着激光光斑的离开，基材表层快速冷却，形成与基材体相牢固融合的致密硬化层；上述步骤形成的硬化层表面粗糙，经过后续打磨处理，即可得到表面光滑致密且高硬度的碗组。
10.进一步地，步骤二中，研磨粉还包括纳米二氧化硅粉末和水。纳米二氧化硅粉末硬度高，在研磨过程中作为摩擦剂，在碗组基材表面形成摩擦痕，从而提高机械涂抹超细镍粉和三聚氰胺粉末的效率。球磨过程中，研磨粉的湿度必须控制在合适范围内，研磨粉中含有少量极性的水分子，有利于研磨粉末与基材的充分接触和附着，从而促进镍粉和三聚氰胺在研磨球的挤压和摩擦作用下在碗组基材表面形成机械涂抹效应；但如果研磨粉的含水量
过高，水分子与水分子之间的接触和结合逐渐增加，水的润滑作用逐渐形成，削弱了研磨粉在碗组基材表面的摩擦，不利于形成机械涂抹效应。优选地，研磨粉按质量计包括以下组分：
11.纳米二氧化硅粉末 100份
12.超细镍粉 80-100份
13.三聚氰胺粉末 60-85份
14.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为6-9％。
15.进一步地，步骤三中，激光扫描操作优选连续扫描，设置激光功率密度为320-450w/cm2，控制光斑移动速度使激光光斑路径中线上任意一处都受到不间断照射6-9s。
16.进一步地，步骤三中，激光光斑呈圆形，控制激光光斑在碗组表面蛇形移动，相邻激光带之间的搭接量为10-15％。光斑在碗组表面蛇形移动可避免光斑路径形成交叉，交叉处因重复照射导致实际照射参数严重偏离预设值。此外，由于金属具有优良的导热性，光斑边缘处除了从基材表层向基材体相内热传导还要向光斑外侧热传导，因此光斑边缘温度偏低，需要适量搭接。此外，由于激光光斑辐照仅作用于基材表层，因此当激光光斑离开后，高温表层因向周围和体相进行热传导而快速冷却，形成高硬度的耐磨层。如采用其他加热方式，通常需要将碗组整体加热，导致碗组体相材料受到热处理而改变性质，并且基材表层的热量因无法向周围和体相快速传导而无法实现基材表层的快速冷却。
17.进一步地，步骤三中，所述密闭腔室内的气氛中含有体积分数为2-3％的氨气，余量为惰性气体。密闭腔室内中的气氛应为惰性气氛，例如氦气、氩气等，防止表层在高温下快速氧化形成松散的氧化皮。此外，在惰性气氛中可进一步添加少量氨气，氨气具有弱还原性可强化对基材表层的保护，与此同时，基材表层在激光高温作用下与氨气作用形成少量氮化物，进一步增强表层的硬度。
18.进一步地，步骤一中，使用砂轮、砂纸或砂带打磨去除碗组表面的氧化层，然后将碗组浸于乙醇中超声振荡10-20min，取出碗组自然风干。
19.进一步地，步骤二中，所述研磨球优选为陶瓷球，直径为3-6mm。
20.进一步地，所述碗组的材质优选为cr4mo4v钢。
21.进一步地，碗组:研磨球:研磨粉的质量比为20-30:100:60-80。
22.进一步地，上表面处理工艺中，步骤二、步骤三和步骤四重复1-3次，可强化镍粉和三聚氰胺与基材表层的作用，强化镍、氮、碳元素的渗透，同时也进一步提高表面硬化层的厚度。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明提供的山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺，采用机械涂抹与激光辐照的方式在碗组基材表面形成牢固结合的硬化层，从而抑制碗组的磨损和失效。此外，该表面处理工艺还具有步骤简单且便于自动化操作等优势。
附图说明
24.图1所示为惰性气氛中氨气含量对表面处理效果的影响。
25.图2所示为研磨粉含水率对表面处理效果的影响。
26.图3所示为重复强化对表面处理效果的影响。
具体实施方式
27.下面通过具体实施例进一步阐明本发明，这些实施例是示例性的，旨在说明问题和解释本发明，并不是一种限制。
28.实施例1
29.一种山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺，包括以下步骤：
30.步骤一：去除碗组表面的氧化层和油污；
31.步骤二：将碗组、研磨球、研磨粉加入到球磨机中球磨；所述研磨粉中含有超细镍粉(粒径在0.1-0.8μm范围内，下同)和三聚氰胺粉末；
32.步骤三：取出碗组并清理表面浮渣，然后将碗组置于密闭腔室中，调节密闭腔室内的气氛为惰性气氛，然后使用激光扫描碗组表面；
33.步骤四：待碗组冷却后，将碗组取出，使用砂带将碗组表面打磨平整。
34.本实施例步骤一中，使用砂带打磨去除碗组表面的氧化层，然后将碗组浸于乙醇中超声振荡10min，取出碗组自然风干。
35.本实施例步骤二中，将研磨球、研磨粉、碗组加入到球磨罐中，排出空气，充入氮气作为保护气氛，球磨30min；碗组:研磨球:研磨粉的质量比为20:100:60；碗组的材质为cr4mo4v钢；采用陶瓷材质的研磨球，直径为3mm；研磨粉按质量计包括以下组分：
36.纳米二氧化硅粉末 100份
37.超细镍粉 100份
38.三聚氰胺粉末 85份
39.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为6％。
40.本实施例步骤三中，取出碗组后使用氮气流吹扫碗组表面，去除表面附着的浮渣和水分，然后置于密闭腔室中，控制密闭腔室内的气氛为氦气；激光扫描时，使用激光连续扫描，激光功率密度为320w/cm2，控制光斑移动速度使激光光斑路径中线上任意一处都受到不间断照射9s；激光光斑呈圆形，控制激光光斑在碗组表面蛇形移动，相邻激光带之间的搭接量为15％。
41.实施例2
42.一种山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺，包括以下步骤：
43.步骤一：去除碗组表面的氧化层和油污；
44.步骤二：将碗组、研磨球、研磨粉加入到球磨机中球磨；所述研磨粉中含有超细镍粉和三聚氰胺粉末；
45.步骤三：取出碗组并清理表面浮渣，然后将碗组置于密闭腔室中，调节密闭腔室内的气氛为惰性气氛，然后使用激光扫描碗组表面；
46.步骤四：待碗组冷却后，将碗组取出，使用砂带将碗组表面打磨平整。
47.本实施例步骤一中，使用砂带打磨去除碗组表面的氧化层，然后将碗组浸于乙醇中超声振荡20min，取出碗组自然风干。
48.本实施例步骤二中，将研磨球、研磨粉、碗组加入到球磨罐中，排出空气，充入氮气作为保护气氛，球磨20min；碗组:研磨球:研磨粉的质量比为30:100:80；碗组的材质为cr4mo4v钢；采用陶瓷材质的研磨球，直径为6mm；研磨粉按质量计包括以下组分：
49.纳米二氧化硅粉末 100份
50.超细镍粉 80份
51.三聚氰胺粉末 60份
52.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为9％。
53.本实施例步骤三中，取出碗组后使用氮气流吹扫碗组表面，去除表面附着的浮渣和水分，然后置于密闭腔室中，控制密闭腔室内的气氛为氦气；激光扫描时，使用激光连续扫描，激光功率密度为450w/cm2，控制光斑移动速度使激光光斑路径中线上任意一处都受到不间断照射6s；激光光斑呈圆形，控制激光光斑在碗组表面蛇形移动，相邻激光带之间的搭接量为10％。
54.实施例3
55.一种山地自行车碗组的耐疲劳表面处理工艺，包括以下步骤：
56.步骤一：去除碗组表面的氧化层和油污；
57.步骤二：将碗组、研磨球、研磨粉加入到球磨机中球磨；所述研磨粉中含有超细镍粉和三聚氰胺粉末；
58.步骤三：取出碗组并清理表面浮渣，然后将碗组置于密闭腔室中，调节密闭腔室内的气氛为惰性气氛，然后使用激光扫描碗组表面；
59.步骤四：待碗组冷却后，将碗组取出，使用砂带将碗组表面打磨平整。
60.本实施例步骤一中，使用砂带打磨去除碗组表面的氧化层，然后将碗组浸于乙醇中超声振荡20min，取出碗组自然风干。
61.本实施例步骤二中，将研磨球、研磨粉、碗组加入到球磨罐中，排出空气，充入氮气作为保护气氛，球磨30min；碗组:研磨球:研磨粉的质量比为25:100:70；碗组的材质为cr4mo4v钢；采用陶瓷材质的研磨球，直径为5mm；研磨粉按质量计包括以下组分：
62.纳米二氧化硅粉末 100份
63.超细镍粉 85份
64.三聚氰胺粉末 70份
65.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为6％。
66.本实施例步骤三中，取出碗组后使用氮气流吹扫碗组表面，去除表面附着的浮渣和水分，然后置于密闭腔室中，控制密闭腔室内的气氛为氦气；激光扫描时，使用激光连续扫描，激光功率密度为420w/cm2，控制光斑移动速度使激光光斑路径中线上任意一处都受到不间断照射8s；激光光斑呈圆形，控制激光光斑在碗组表面蛇形移动，相邻激光带之间的搭接量为12％。
67.空白样
68.材质为cr4mo4v钢的碗组未经任何处理。
69.对比例1
70.本对比例与实施例3的区别仅在于研磨粉的组成不同，本对比例采用的研磨粉按质量计包括以下组分：
71.超细镍粉 85份
72.三聚氰胺粉末 70份
73.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为6％。
74.对比例2
75.本对比例与实施例3的区别仅在于研磨粉的组成不同，本对比例采用的研磨粉按质量计包括以下组分：
76.纳米二氧化硅粉末 100份
77.三聚氰胺粉末 70份
78.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为6％。
79.对比例3
80.本对比例与实施例3的区别仅在于研磨粉的组成不同，本对比例采用的研磨粉按质量计包括以下组分：
81.纳米二氧化硅粉末 100份
82.超细镍粉 85份
83.水调节研磨粉湿度使研磨粉中含水率为6％。
84.对比例4
85.本对比例与实施例3的区别仅在于激光扫描时气氛的不同，本对比例采用的气氛为空气。
86.对上述制得的各个样品的硬度进行测试，结果如表1所示。其中，实施例1至3和对比例1至3均可得到表面颜色深浅不等的青灰色致密层，对比例4在进行步骤四的操作时，表层完全剥落。
87.表1
[0088][0089][0090]
激光扫描时惰性气氛中氨气含量的影响
[0091]
在实施例3的基础上，改变密闭腔室内的气氛，具体是在氦气添加不同体积分数的氨气，其余操作同实施例3，结果如图1所示。随着氦气中氨气含量从无到有并逐渐增加，处理得到的碗组硬度显著提升，到氨气含量超过3％时，碗组硬度出现下降，但仍高于无氨气
的气氛，较优地，当氨气含量在2-3％时，硬度可达985以上。
[0092]
研磨粉含水率的影响
[0093]
在实施例3的基础上，改变研磨粉的含水率，其余操作同实施例3，结果如图2所示。在不含水或含水率极低的条件下，该表面处理工艺的强化作用较弱，研磨粉末难以在碗组表面附着，导致在研磨球作用下形成机械涂抹的概率大幅下降，机械涂抹效果不佳；当研磨粉中的含水率超过9％以后，水的润滑作用逐渐形成，导致机械涂抹效应急剧减弱。
[0094]
重复强化的影响
[0095]
在实施例3的基础上，重复步骤二至步骤四的操作对碗组表面进行多次硬化，结果如图3所示。在同样操作条件下在碗组表面进行多次机械涂抹和激光扫描，可以一定程度提高碗组硬度，初始几次操作的提升效果相对明显，表面硬度有所提高，但随着硬化次数的增多，提升作用也逐渐消失。
[0096]
以上实施方式是示例性的，其目的是说明本发明的技术构思及特点，以便熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。