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金属热处理工艺：激光淬火原理图以及其应用

激光淬火

激光淬火技术是利用聚焦后的激光束进射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。如大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到2毫米以上。具有加热速度快、所得组织细密、淬硬性高、不变形等特点，并且技术适用性广，不受感应器制作难度的限制。

激光表面淬火工艺研究

一、激光表面淬火原理

激光表面淬火技术是利用聚焦后的激光束作为热源照射在待处理工件表面，使其需要硬化部位温度瞬间急剧上升而形成奥氏体，随后经快速冷却获得晶粒细的马氏体或其他组织的淬硬层过程的热处理加工技术。

二、激光表面淬火技术特点

激光淬火和工厂现有的中高频淬火、渗碳淬火相比，有以下特点：

第一，功率密度高、加热速度极快，零件变形极小。

第二，可以对形状复杂零件进行处理或局部处理，也可根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。

第三，通用性强。

第四，对于某些淬火温度较高的不锈钢零件，其淬火温度和熔点温度很接近，在使用感应器进行产品局部表面淬火时很容易烧伤夹角或不规则部位，导致零件报废，而激光表面淬火则不受此限。

第五，激光淬火冷却速度快。

第六，表面淬硬层组织细，硬度高，耐磨性好，能满足淬硬层深度较浅(一般在0.3~2.0mm)表面淬火产品。

三、工艺参数及其相互关系

激光表面淬火是一个错综复杂的快速加热、快速冷却的淬火过程。激光淬硬层的尺寸参数(淬硬层宽度、淬硬层深度、表面粗糙度)和性能参数(表面硬度、耐磨性、组织变化)取决于激光功率密度(激光功率、光斑尺寸)、扫描速度、材料的特性(成分、原始状态)和材料表面预处理情况等，同时也与被处理零件的几何形状和尺寸以及激光作用区的热力学性质有关。

另外，还应考虑各参数值的选择范围，D不能过大，V不能过小，以免冷却速度过低，不能实现马氏体转变。反之，当激光输出功率过大时，容易造成表面熔化，影响表面的几何形状。

四、激光表面淬火扫描方式

激光淬火的扫描方式有圆形或矩形光斑的窄带扫描和线形光斑的宽带扫描。

五、激光表面淬火区预处理

在产品激光淬火前，因为工件表面粗糙度值很小，在淬火中会严重影响材料表面对激光光能的吸收率，所以，在激光淬火前需要对待处理工件表面进行预处理。

表1 常用黑化处理方法

缸筒局部淬火应用情况

缸筒材质为合金结构钢35CrMoV，热处理技术要求：

①外径φ100.14mm±0.05mm处硬度≥50HRC，淬硬层深度(淬硬层深度定义为从表面以下硬度在35HRC以上的厚度)1～1.5mm。

②表面不可有熔化、裂纹、变形等缺陷。

③产品表面不可碰划伤。缸筒外形形状及尺寸如图2所示。

图2 缸筒外形形状及尺寸

1.设备名称

激光多功能加工系统，设备型号为RC-LMS-4000-D-R。

2.激光淬火前准备

清洗缸筒工件表面的油污、杂质等，并确保激光淬火部位表面外观质量;缸筒激光淬火部位光洁度较高，表面均匀涂上SiO2激光吸光涂料，减小缸筒表面激光的发射来保证激光的吸收率;缸筒激光淬火前烘干涂层，为后续激光淬火做准备;检验设备的工作状态，保证淬火过程中设备的正常运行。

3.选定工艺参数

所使用激光加工系统为半导体激光器。工艺参数选择为：最大输出功率P=4kW，扫描速度V=25mm/s，光斑宽度B=10mm。

4.激光表面淬火后淬硬区的硬度

将激光表面淬火过的试样，沿扫描中心带切开，制备金相试样。用显微硬度计进行硬度测试(载荷：200gf，保载时间10s)。经激光表面淬火区硬度测试后，激光表面淬火硬度与深度关系如表2所示。

表2 激光表面淬火硬度与深度关系

5.缸筒表面外观质量

激光表面淬火后，缸筒淬火区无明显的氧化脱碳现象，表面粗糙度值较低，经磁粉无损检测后表面无微小裂纹现象。

激光淬火中存在的主要问题及改进措施

1.激光淬火生产中存在的主要问题

出现这一现象的原因主要是光斑功率密度及激光不均匀性影响淬火工艺的稳定性;光斑形状对淬硬层均匀性的影响;激光表面淬火中大面积淬硬层难以保证;工件初始状态对激光淬火质量的影响。

2.提高激光淬火生产的一些改进措施

1）.必须优化控制淬火过程中的各种因素来保证激光淬火工艺的稳定性。

2）.将影响因素预先输入智能监测工艺过程系统。

3）.操作人员根据智能系统控制中心显示的各种参数变化规律信息，来实时控制激光器、光学系统、回转平台的准确运行，从而完成淬火的准确控制，实现激光表面淬火产品高质量的目的。如图3所示。

图3 激光淬火过程实时控制系统

结语

目前，还处于上升阶段。激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刀等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益。近年来，在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。在形状较为复杂的工件中仍存在一些问题。但是，激光淬火是一新型的热处理前沿技术，往后还要不断地对激光淬火技术进行研究、开发和应用。

来源：《金属加工(热加工)》杂志

作者：甄延波、程良、常森、岳佳宏、李玲、孟璇