激光淬火技术的原理及应用

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激光淬火技术及应用激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。      与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm范围之间。      对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。       现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。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、剪刃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。 1.1 激光淬火的特点   激光淬火主要是用来处理铁基材科,其基本机理是通过高能激光束扫描工件表面,工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能,然后通过热传导使周围材料温度以极快的速度升高到奥氏体相变以上、熔点以下，再通过材料基体的自冷却作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度而快速冷却，从而完成相变硬化。     由于激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且表层形成应力，进而可以大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能，延长工件的使用寿命。   (1)无需使用外加材料，就可以显著改变被处理材科表面的组织结构，大大改善工件的性能。激光淬火过程中的急热急冷过程使得淬火后，马氏体晶粒极细、位错密度相对于常规淬火更高，进而大大提高材科性能。     (2)处理层和基本结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密冶金结合，而且处理层表面也是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。     (3)被处理工件变形极小，适合于高精度零件处理，可作为材科和零件的最后处理工序。这是由于激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短，故零件的热变形区和整体变化都银小。     (4) 如工柔牲好，适用面广。激光光斑画积较小，不可能同时对大面积表面进行加工，但是可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔等局部区域。改性层厚度与激光淬火中工艺参数息息相关，因此可很据需要调整硬化层深浅，一般可达0.1-1mm。     (5)工艺简单优越。激光表面处理均在大气到境中进行，免除了镀膜工艺中漫长的抽真空时间，没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小、污染小、无公害、劳动条件好。激光器配以微机控制系统，很容易实现自动生产，易于批量生产。效率很高，经济效益显著。        1．淬火零件不变形 激光淬火的热循环过程快 中碳钢 大型轴类 　　2．几乎不破坏表面粗糙度 采用防氧化保护薄涂层 模具钢 各种模具 　　3．激光淬火不开裂 精确定量的数控淬火 冷作模具钢 模具、刃具 　　4．对局部、沟、槽淬火 定位精确的数控淬火 中碳合金钢 减振器 　　5．激光 淬火清洁、高效 不需要水或油等冷却介质 铸铁材料 发动机汽缸 　　6．淬火硬度比常规方法高 淬火层组织细密、强韧性好 高碳合金钢 大型轧辊 1.2 激光淬火设备 ● 激光器 HGL-V 型 5kW 横流 CO 2 激光器，最大输出功率 5.5kw 。 ● 大型多功能加工机床 激光加工机床的加工的基本尺寸范围为：长 5.5 米，直径 Φ 2.6 米。特殊工件，可加工的尺寸范围更大。本激光加工机床为双悬臂加工系统，可进行多工位的激光加工。 ● 六轴四联动数控系统 本机床配置有六轴四联动数控系统，可以对复杂形状工件进行精密激光加工。 1.3 激光淬火效果 激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度分布 1.4 激光淬火工业应用实例 激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。适用材料为中、高碳钢，铸铁。激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高2~3倍。