激光表面強(qiáng)化技術(shù)

激光被引入表面硬化加工已經(jīng)十余年。對于有選擇性的表面硬化加工，例如內(nèi)溝槽的加工，激光表面硬化表現(xiàn)讓人耳目一新。最近以來，激光表面硬化被應(yīng)用于各種零件加工，例如曲柄軸，活塞環(huán)，齒輪輪齒等。激光表面硬化技術(shù)[1]不同于傳統(tǒng)的感應(yīng)淬火，火焰淬火。僅僅簡單地光學(xué)操作就能精確表達(dá)特定部位微結(jié)構(gòu)，幾乎不產(chǎn)生失真，使得激光表面硬化技術(shù)得以普及。

激光表面淬火機(jī)理及其特點(diǎn)

激光表面淬火是以高能量(104～105W／cm2)的激光束快速掃描工件，使被照射的金屬或合金表面溫度以極快的速度升到高于相變點(diǎn)而低于熔化溫度。當(dāng)激光束離開被照射部位時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，處于冷態(tài)的金屬基體使其迅速冷卻而實(shí)現(xiàn)自冷淬火(冷速可達(dá)104～106℃／s)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的表面相變硬化。由于加熱速度快和停留時(shí)間短，工件表層達(dá)到奧氏體化的深度較淺(淬硬厚度一般不超過1 mm)。所以得到的硬化層組織較細(xì)，硬度也高于常規(guī)表面淬火的硬度。

金屬材料在激光輻照下將發(fā)生組織變化，一般分為三個(gè)區(qū)域：激光熔化區(qū)、激光相變硬化區(qū)簡稱相變區(qū)和熱影響區(qū)。根據(jù)工件需要通過調(diào)整激光工藝參數(shù)可以產(chǎn)生激光熔化區(qū)，也可以不產(chǎn)生激光熔化區(qū)。通過目測金屬表層的外觀可區(qū)別這兩種不同工藝。              

激光相變硬化和普通淬火的組成相同，為馬氏體、碳化物、殘余奧氏體，但它的組織非常不均勻。由于加熱速度和冷卻速度極快，致使所獲得的各種組成晶粒細(xì)小，而且金相排列極不規(guī)則。細(xì)小的組織高度彌散分布的碳化物和大量存在的位錯(cuò)，使得激光相變硬化組織具有此常規(guī)淬火更為優(yōu)異的性能。如果激光功率密度高一點(diǎn)，就會(huì)增加一個(gè)激光熔化區(qū)，形成凝固硬化層見圖1.1，這是一種胞狀晶組織，熔化層內(nèi)存在殘余奧氏體以及更細(xì)小(與未熔方式比)的馬氏體、碳化物，起到主要強(qiáng)化作用。對于中碳鋼或中碳合金鋼以上的鋼種，其硬度可達(dá)HRC60以上。激光熔化區(qū)的硬度和性能高于相變硬化區(qū)。在相變硬化層下都存在一熱影響區(qū)，它的組織一般為馬氏體+屈氏體+鐵素體，不完全淬火區(qū)它的硬比原始組織略高。

激光相變硬化有以下優(yōu)點(diǎn)

(1)極快的加熱(104～106℃／s)和冷卻速度(106～108℃／s)，這比感應(yīng)加熱的工藝周期短，通常只需約0.1s即可完成淬火，生產(chǎn)率高。

(2)可對工件局部表面進(jìn)行激光淬火，且硬化層可精確控鍘，因而它是精密的節(jié)能型熱處理技術(shù)。激光淬火后工件變形小，幾乎無氧化脫碳現(xiàn)象，表面光潔度高，可作為工件加工的最后工序。

(3)激光淬火的硬度可比常規(guī)淬火提高15％～20％。

(4)可實(shí)現(xiàn)自冷淬火，不需水或油等淬水介質(zhì)，避免了環(huán)境污染。

(5)工藝過程可自動(dòng)控制。

激光淬火的工藝流程

激光淬火的工藝流程主要有以下工序：

(1)表面清洗。用汽油等清洗劑去除加工工件表面油污，便于均勻噴涂吸光涂層。

(2)噴涂激光涂料。用壓縮空氣噴槍或刷子均勻在零件表面上噴涂吸光涂層(涂料)。涂層厚度范圍在0.05～0.1 mm，目的是提高金屬表面對CO2激光的吸收率。

(3)烘干涂層。

(4)選定加工工藝參數(shù)。根據(jù)工件的工藝條件，以及要求激光淬火層的尺寸參數(shù)(硬化層寬度、深度、表面粗糙度)和性能參數(shù)(顯微硬度、耐磨性、組織變化)等要求來確定輻照到金屬表面的激光功率密度、掃描速度及冷卻方式等。

工程應(yīng)用

激光淬火由于以上優(yōu)點(diǎn)而得到較為廣泛的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面淬火,可使缸體耐磨性提高3倍以上;熱軋鋼板剪切機(jī)刃口淬火與同等未處理的刃口相比壽命提高了一倍左右；而且激光表面淬火還應(yīng)用在機(jī)床導(dǎo)軌淬火、齒輪齒面淬火、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲頸和凸輪部位局部淬火以及各種工具刃口激光淬火。美國通用汽車公司自1974 年首次將CO2激光器用于激光淬火以來,先后建立了17條激光熱處理生產(chǎn)線,每日可處理零件3萬件。該公司對易磨損的汽車轉(zhuǎn)向器齒輪內(nèi)表面用激光處理出五條耐磨帶,克服了磨損問題,且基本無變形。我國也在積極進(jìn)行激光淬火的研究和應(yīng)用實(shí)踐[3]，天津渤海無線電廠采用美國820型1.5KW橫流CO2激光器對硅鋼片模具進(jìn)行表面淬火, 大大提高了耐磨性,使用壽命提高了10倍。青島激光技工中心采用HJ-3KW級橫流CO2激光器, 對柴油機(jī)氣缸孔進(jìn)行表面淬火取代了硼缸套, 耐磨效果優(yōu)良,配副性優(yōu)良,經(jīng)濟(jì)效益顯著。                            

激光表面淬火技術(shù)的難點(diǎn)與前景

（1）光斑功率密度及不均勻性影響淬火工藝的穩(wěn)定性激光束的功率密度分布是由光束的模式?jīng)Q定的, 根據(jù)激光理論, 激光束的模式主要取決于激光諧振腔的結(jié)構(gòu)形式, 由于不同型號激光設(shè)備諧振腔的結(jié)構(gòu)不相同, 輸出光束的模式也不相同。實(shí)驗(yàn)研究表面, 兩種激光器在不同功率輸出時(shí), 無論功率密度分布或是光斑外輪廓均發(fā)生明顯變化, 在激光對金屬材料進(jìn)行淬火的情況下, 這種變化必然引起熱作用的差異, 因此, 不但這兩種設(shè)備之間的淬火工藝很難存在一種簡單的移植關(guān)系, 甚至對于同一臺(tái)設(shè)備, 由于光束的功率密度分布在形式及范圍上都隨光束功率發(fā)生變化, 即使在同一功率下, 有時(shí)也會(huì)由光學(xué)部件熱畸變或受污染等原因造成功率密度分布甚至光斑形狀的變化, 使淬火質(zhì)量產(chǎn)生明顯的波動(dòng), 給工藝制定帶來極大的不便。

（2）光斑形狀對淬火層均勻性的影響在同一功率和掃描速度條件下, 如果光斑形狀及功率密度分布不同, 所獲得的激光淬火硬化帶形貌及力學(xué)性能可能有明顯的差別。近十多年來, 國內(nèi)外研制出了不少光束變換系統(tǒng), 然而, 在實(shí)際應(yīng)用中, 許多工件需強(qiáng)化的區(qū)域并非平面, 考慮到工件的特殊形狀, 這種光斑事實(shí)上可能導(dǎo)致很不理想的結(jié)果。由于實(shí)際應(yīng)用問題的千變?nèi)f化, 未來的光束轉(zhuǎn)換裝置就須根據(jù)實(shí)際需要變換出不同形式的功率密度分布。

（3）大面積激光淬火硬化層均勻性難以確保。實(shí)際應(yīng)用中, 常遇到許多要求大面積均勻淬火的工件, 如塑料模具、齒輪、木材削片機(jī)飛刀等。由于激光光斑寬度有限, 只能進(jìn)行搭接淬火,此時(shí)除了重復(fù)淬火區(qū)外, 還會(huì)出現(xiàn)淬火帶對前一淬火帶的回火作用, 而產(chǎn)生相應(yīng)的硬度下降區(qū)其硬度低于常規(guī)淬火硬度。同時(shí), 激光大面積淬火時(shí), 當(dāng)工藝控制參數(shù)恒定時(shí), 每道淬火帶深度會(huì)逐步增加, 甚

至導(dǎo)致熔化現(xiàn)象, 這是由于工件溫度逐步升高的緣故。因此, 目前要實(shí)現(xiàn)激光大面積淬火的深度均勻性及硬度均勻性仍有較大的難度。

（4）工件初始狀態(tài)對激光淬火質(zhì)量的影響，在其他工藝參數(shù)不變的情況下, 工件的初始狀態(tài), 如工件的形狀、原始組織狀態(tài)、淬火區(qū)的邊界條件、表面粗糙度、表面吸光涂層等均對其激光淬火質(zhì)量產(chǎn)生不容忽視的影響。在研究中發(fā)現(xiàn)帶刃口的工件如各種刀具、刃具在激光淬火時(shí)就極易造成刃口熔化現(xiàn)象, 這主要是由于刃口處熱傳導(dǎo)困難及表面能過大造成的。工件表面形狀對光束人射角人射角與工件表面法線的夾角影響很大, 因此影響淬火質(zhì)量。原始組織為常規(guī)淬火或調(diào)質(zhì)組織的工件,其激光淬火深度優(yōu)于退火組織的激光淬火深度, 表面粗糙度的不同可導(dǎo)致淬火深度相差達(dá)30％。

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