激光表面强化技术

激光被引入表面硬化加工已经十余年。对于有选择性的表面硬化加工，例如内沟槽的加工，激光表面硬化表现让人耳目一新。最近以来，激光表面硬化被应用于各种零件加工，例如曲柄轴，活塞环，齿轮轮齿等。激光表面硬化技术[1]不同于传统的感应淬火，火焰淬火。仅仅简单地光学操作就能精确表达特定部位微结构，几乎不产生失真，使得激光表面硬化技术得以普及。

激光表面淬火机理及其特点

激光表面淬火是以高能量(104～105W／cm2)的激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快的速度升到高于相变点而低于熔化温度。当激光束离开被照射部位时，由于热传导的作用，处于冷态的金属基体使其迅速冷却而实现自冷淬火(冷速可达104～106℃／s)，进而实现工件的表面相变硬化。由于加热速度快和停留时间短，工件表层达到奥氏体化的深度较浅(淬硬厚度一般不超过1 mm)。所以得到的硬化层组织较细，硬度也高于常规表面淬火的硬度。

金属材料在激光辐照下将发生组织变化，一般分为三个区域：激光熔化区、激光相变硬化区简称相变区和热影响区。根据工件需要通过调整激光工艺参数可以产生激光熔化区，也可以不产生激光熔化区。通过目测金属表层的外观可区别这两种不同工艺。              

激光相变硬化和普通淬火的组成相同，为马氏体、碳化物、残余奥氏体，但它的组织非常不均匀。由于加热速度和冷却速度极快，致使所获得的各种组成晶粒细小，而且金相排列极不规则。细小的组织高度弥散分布的碳化物和大量存在的位错，使得激光相变硬化组织具有此常规淬火更为优异的性能。如果激光功率密度高一点，就会增加一个激光熔化区，形成凝固硬化层见图1.1，这是一种胞状晶组织，熔化层内存在残余奥氏体以及更细小(与未熔方式比)的马氏体、碳化物，起到主要强化作用。对于中碳钢或中碳合金钢以上的钢种，其硬度可达HRC60以上。激光熔化区的硬度和性能高于相变硬化区。在相变硬化层下都存在一热影响区，它的组织一般为马氏体+屈氏体+铁素体，不完全淬火区它的硬比原始组织略高。

激光相变硬化有以下优点

(1)极快的加热(104～106℃／s)和冷却速度(106～108℃／s)，这比感应加热的工艺周期短，通常只需约0.1s即可完成淬火，生产率高。

(2)可对工件局部表面进行激光淬火，且硬化层可精确控铡，因而它是精密的节能型热处理技术。激光淬火后工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面光洁度高，可作为工件加工的最后工序。

(3)激光淬火的硬度可比常规淬火提高15％～20％。

(4)可实现自冷淬火，不需水或油等淬水介质，避免了环境污染。

(5)工艺过程可自动控制。

激光淬火的工艺流程

激光淬火的工艺流程主要有以下工序：

(1)表面清洗。用汽油等清洗剂去除加工工件表面油污，便于均匀喷涂吸光涂层。

(2)喷涂激光涂料。用压缩空气喷枪或刷子均匀在零件表面上喷涂吸光涂层(涂料)。涂层厚度范围在0.05～0.1 mm，目的是提高金属表面对CO2激光的吸收率。

(3)烘干涂层。

(4)选定加工工艺参数。根据工件的工艺条件，以及要求激光淬火层的尺寸参数(硬化层宽度、深度、表面粗糙度)和性能参数(显微硬度、耐磨性、组织变化)等要求来确定辐照到金属表面的激光功率密度、扫描速度及冷却方式等。

工程应用

激光淬火由于以上优点而得到较为广泛的应用。发动机缸体表面淬火,可使缸体耐磨性提高3倍以上;热轧钢板剪切机刃口淬火与同等未处理的刃口相比寿命提高了一倍左右；而且激光表面淬火还应用在机床导轨淬火、齿轮齿面淬火、发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火以及各种工具刃口激光淬火。美国通用汽车公司自1974 年首次将CO2激光器用于激光淬火以来,先后建立了17条激光热处理生产线,每日可处理零件3万件。该公司对易磨损的汽车转向器齿轮内表面用激光处理出五条耐磨带,克服了磨损问题,且基本无变形。我国也在积极进行激光淬火的研究和应用实践[3]，天津渤海无线电厂采用美国820型1.5KW横流CO2激光器对硅钢片模具进行表面淬火, 大大提高了耐磨性,使用寿命提高了10倍。青岛激光技工中心采用HJ-3KW级横流CO2激光器, 对柴油机气缸孔进行表面淬火取代了硼缸套, 耐磨效果优良,配副性优良,经济效益显著。                            

激光表面淬火技术的难点与前景

（1）光斑功率密度及不均匀性影响淬火工艺的稳定性激光束的功率密度分布是由光束的模式决定的, 根据激光理论, 激光束的模式主要取决于激光谐振腔的结构形式, 由于不同型号激光设备谐振腔的结构不相同, 输出光束的模式也不相同。实验研究表面, 两种激光器在不同功率输出时, 无论功率密度分布或是光斑外轮廓均发生明显变化, 在激光对金属材料进行淬火的情况下, 这种变化必然引起热作用的差异, 因此, 不但这两种设备之间的淬火工艺很难存在一种简单的移植关系, 甚至对于同一台设备, 由于光束的功率密度分布在形式及范围上都随光束功率发生变化, 即使在同一功率下, 有时也会由光学部件热畸变或受污染等原因造成功率密度分布甚至光斑形状的变化, 使淬火质量产生明显的波动, 给工艺制定带来极大的不便。

（2）光斑形状对淬火层均匀性的影响在同一功率和扫描速度条件下, 如果光斑形状及功率密度分布不同, 所获得的激光淬火硬化带形貌及力学性能可能有明显的差别。近十多年来, 国内外研制出了不少光束变换系统, 然而, 在实际应用中, 许多工件需强化的区域并非平面, 考虑到工件的特殊形状, 这种光斑事实上可能导致很不理想的结果。由于实际应用问题的千变万化, 未来的光束转换装置就须根据实际需要变换出不同形式的功率密度分布。

（3）大面积激光淬火硬化层均匀性难以确保。实际应用中, 常遇到许多要求大面积均匀淬火的工件, 如塑料模具、齿轮、木材削片机飞刀等。由于激光光斑宽度有限, 只能进行搭接淬火,此时除了重复淬火区外, 还会出现淬火带对前一淬火带的回火作用, 而产生相应的硬度下降区其硬度低于常规淬火硬度。同时, 激光大面积淬火时, 当工艺控制参数恒定时, 每道淬火带深度会逐步增加, 甚

至导致熔化现象, 这是由于工件温度逐步升高的缘故。因此, 目前要实现激光大面积淬火的深度均匀性及硬度均匀性仍有较大的难度。

（4）工件初始状态对激光淬火质量的影响，在其他工艺参数不变的情况下, 工件的初始状态, 如工件的形状、原始组织状态、淬火区的边界条件、表面粗糙度、表面吸光涂层等均对其激光淬火质量产生不容忽视的影响。在研究中发现带刃口的工件如各种刀具、刃具在激光淬火时就极易造成刃口熔化现象, 这主要是由于刃口处热传导困难及表面能过大造成的。工件表面形状对光束人射角人射角与工件表面法线的夹角影响很大, 因此影响淬火质量。原始组织为常规淬火或调质组织的工件,其激光淬火深度优于退火组织的激光淬火深度, 表面粗糙度的不同可导致淬火深度相差达30％。

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2014-121801