激光淬火技術

 

1 激光淬火（LHT）及其特點

隨著20世紀70年代中期大功率激光器的問世并投入工業生產，激光加工技術得到迅速發展。激光淬火是其中研究最早、應用面最廣、技術最為成熟的激光表面改性技術。

激光淬火，又稱激光相變硬化，它是以功率密度＜104W/cm2的激光束輻照經預處理的工件，從而使工件表面以105~106℃/s加熱溫度迅速上升至相變點以上，在組織奧氏體化、奧氏體晶粒未來得及長大的情況下，一旦激光停止照射，通過基體的自身熱傳導作用迅速冷卻（冷卻速度可達104~106℃/s），實現自激淬火，形成表面相變硬化層。

與普通淬火相比，激光淬火后淬硬層組織細化，硬度普遍提高15%~20%，耐磨性能提高1~10倍；淬火后表面產生約4000MPa的殘余壓應力，使表層強度及抗疲勞性能得到明顯改善；由于激光加熱、淬火速度極快，硬化層薄（0.3~0.5mm），熱影響區小，故淬火畸變微小；因自冷淬火，無淬火冷卻介質的污染。

 

2 激光淬火適用范圍

激光淬火通常是對一些不要求整體淬火，尺寸精度要求較高，或采用其他方法難以處理，以及形狀復雜或需進一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表面硬化處理。

 

3 激光淬火設備

通常包括產生激光束的激光器（CO2激光器、YAG激光器），引導光束傳輸的導光聚焦系統（光閘、可見光同軸瞄準、光束傳輸及轉向、聚焦等裝置），承載工件并使其運動的激光加工機（二維、多維的自動或數控加工機床等），以及其他輔助裝置（屏蔽裝置、對準裝置等）。

 

4 激光淬火材料

激光淬火常用材料見表1。

 

表1 激光淬火常用材料

 

5 表面預處理

為增強工件對激光輻射能量的吸收，在激光淬火前需在其表面形成一層對激光有較高吸收能力的覆層，一般采用磷化處理或涂覆含有各種吸光物質的涂料（如粒度＜1μm細石墨粉+丙烯酸樹脂+云母粉+丙酮；磷酸錳或磷酸鋅+磷酸；碳素墨水+磷酸錳）。

 

6 激光淬火工藝參數（見表2）。

 

表2 激光淬火工藝參數

項目	要求
激光器功率/kW	0.1~10
光斑功率密度/（W·cm-2）	1000~10000，常用1000~6000
掃描速度/（mm·min-1）	300~750
光束擺動寬度/ mm	5~20
光束射入角度（°）	＜45
搭接系數	5%~20%

（7）幾種材料激光淬火工藝參數及效果（見表3）。

 

表3 幾種材料激光淬火工藝參數及效果

8 幾種材料的激光淬火層組織（見表4）

 

表4 幾種材料的激光淬火層組織

（9）激光淬火質量要求及檢測

按GB/T18683—2002《鋼鐵件激光表面淬火》標準執行。

 

激光淬火技術在機床零件上的應用

 

 

一 數控機床電主軸激光淬火技術應用

 

實例  數控機床電主軸（見圖2），主軸轉速8~10×105r/min，材料為40Cr鋼，先進行調質處理，激光淬火后的安裝軸承處及主要表面硬度為52~56HRC。

圖2  數控機床主軸簡圖

 

1 主軸及隨機附帶4個試樣，試樣直徑80mm，壁厚20mm，兩端磨平。在采用CO2激光器進行激光硬化前，分別在主軸和試樣表面上涂覆一層特別涂料，以增加對激光的吸收。

2 用5kW的CO2橫流式激光器對主軸及試樣進行激光淬火，其輸出功率P＝1800~2000W，掃描速度v＝5mm/s，機床轉速n＝30r/min，掃描寬度2~3.5mm。并采用微機控制淬火機床（工作臺），配備靈活通用的工裝夾具，固定淬火工件作平行移動、轉動或合成運動。圖3為機床主軸激光淬火示意。

圖3  機床主軸激光淬火示意

3 激光淬火化后的主軸及試樣檢驗  淬硬層深度0.5~1.2mm；表面淬火硬度60~66HRC；組織為最外層極細馬氏體+少量殘留奧氏體，過渡層馬氏體+鐵素體+滲碳體，內層為原始組織，即回火索氏體。

 

表5為40Cr鋼激光淬火與常規熱處理后相對耐磨性比較。圖4為40Cr鋼激光淬火與調質處理耐磨性比較。通過結果可知，機床主軸經激光淬火后，主軸磨損量比普通的40Cr鋼調質處理的磨量少77%~79%。

 

表5 40Cr鋼激光淬火與常規熱處理后相對耐磨性比較

處理方法	硬度HRC	相對耐磨性	對磨材料
調質	54~60	0.98	鑄鐵
調質 + 激光淬火	60~66	1.78	鑄鐵

 圖4  40Cr鋼激光淬火與調質處理耐磨性比較

 

二 數控機床鑲鋼導軌的激光淬火技術應用

 

實例  數控機床鑲鋼導軌，材料為45鋼，要求激光淬火。

（1）預備熱處理

導軌經鍛造后，進行常規的正火及調質處理，以細化晶粒，改善組織結構，降低內應力，并為后續激光淬火做好組織準備。

（2）激光淬火設備及工藝參數

采用國產31.5kW二氧化碳激光器及激光加工機床，激光輸出功率P＝900W，光斑直徑為4mm，離焦量d＝240mm，掃描速度v＝10m/s。

經上述工藝處理后的導軌，淬火區淬硬層深度為0.58mm，硬化帶寬為4.47mm，硬化層組織為細針狀馬氏體+部分殘留奧氏體，表面硬度為724~797HV0.1，相當于61~64HRC。

（3）磨損試驗

磨損試驗結果表明，當激光掃描淬火花紋為45°斜線（與導軌棱邊成45°斜線，見圖5），（棱形）硬化面積為40%時，導軌耐磨性高。

圖5  激光掃描淬火花紋示意

 

（4）導軌畸變

導軌采用上述激光淬火花紋、硬化面積及激光淬火工藝參數，在如圖6所示的機床導軌的四個面均進行相同條件的激光淬火處理。激光淬火最大畸變（中間位置）－0.11mm（經低溫時效），而整體淬火最大畸變（中間位置）0.20mm。結果表明，導軌經激光淬火后的畸變遠小于整體淬火或感應淬火。

 

三 機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環的激光淬火技術應用

 

機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環等經激光淬火后，其質量明顯優于普通鹽浴或感應淬火，解決了聯結爪部工作面硬度低、卡爪內側畸變大，花鍵套鍵側面硬度低、內孔畸變超差、小孔處開裂，磁軛和齒環滲碳淬火畸變大、發生斷齒、兩者嚙合不良、傳遞力矩不足及發生打滑等缺陷。

實例1  電磁離合器聯結，材料為45鋼，技術要求：硬度≥55HRC，淬硬層深度≥0.3mm，爪部直徑畸變≤0.1mm，硬化面積≥80%。

（1）工藝流程

全部機械加工后，在數控激光熱處理機上自動進行六個爪的12個側面激光掃描淬火。

（2）激光淬火工藝

激光輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1000mm/min，生產節拍t＝45s/件。

（3）檢驗結果

硬度為57~60HRC，淬硬層深度0.3~0.6mm，直徑畸變≤±0.03mm，爪側面100%淬硬。

實例2  花鍵套材料為45鋼，技術要求：硬度≥55HRC，個別點允許≥50HRC，淬硬層深度≥0.3mm，內徑畸變≤0.05mm，硬化面積≥80%。

（1）工藝流程

全部機械加工后，在數控激光熱處理機上自動進行六個花鍵的12個側面激光掃描淬火。

（2）激光淬火工藝

激光輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1200mm/min。

（3）檢驗結果

硬度為55~63HRC，淬硬層深度0.3~0.5mm，直徑畸變為0~0.03mm。

實例3  機床牙嵌電磁離合器上磁軛及齒環，材料為20、45、20CrMnTi、42CrMo鋼，要求激光淬火。

（1）設備

使用激光淬火設備是由數控激光熱處理機和CO2激光器組成。數控激光熱處理機使用日本數控系統，淬火全過程均由微機控制完成。淬火機床最高運動速度為100m/min。

激光器采用橫流連續CO2激光器。輸出模式為高階模，輸出額定功率1500W，最大輸出功率2000W，輸出光斑直徑為25mm。

（2）工裝夾具

設計牙嵌電磁離合器上磁軛和齒環工裝夾具。

1）數控分度轉臺。由定位控制板、速度控制單元、直流伺服電機與立臥式回轉工作臺組成。整個加工過程實現了程序化、自動化。

2）永磁式卡盤及胎具的設計。為了便于磁軛及齒環的裝卡，設計并制造永磁式卡盤。

（3）齒環的激光淬火

齒環齒高0.6mm，齒頂寬0.8mm，齒底寬0.4mm。為保證齒頂與齒底吸收激光光束效率保持一致性，采用加熱噴涂工藝，使齒部激光淬火專用涂料的涂層厚度保持一致。

采用激光圓環形光束技術，圓環形光斑額定直徑為8mm，環帶額定寬度為2mm，以獲得均勻的圓環層深度。

針對齒部設計一套環形光斑淬火通道，避免工件表面熔化，縮小齒部兩側加熱的不均勻性，保證齒間齒根部淬硬帶的連貫性。

表6為幾種材料的激光淬火工藝參數與結果。

 

表6  幾種材料的激光淬火工藝參數與結果

注：掃描速度是指激光淬火時工件旋轉時齒中心的線速度。

（4）典型應用

牙嵌的磁離合器，基體厚度7mm，外徑116mm，齒高0.45mm，整個齒寬為8mm，在齒部中間有銅材。原采用高頻淬火方法，因工件較薄（厚度7mm），工件畸變較大，最大畸變量達0.5mm，齒部嚙合面積僅達到30%，且齒部脆性高、打滑等現象嚴重，扭矩達不到技術要求。

改用激光淬火，排除了因銅材與42CrMo鋼兩種材料吸光率不同造成對淬火效果的影響，激光淬火后的金相組織為針狀馬氏體和部分板條狀馬氏體，解決了淬硬層差、齒頂熔化、畸變大等問題，獲得了良好的淬火效果。

 

四 齒輪的激光淬火技術應用

 

我國從20世紀80年代就開始齒輪激光淬火的研究，同時研制出了多種激光淬火設備，通過多年的發展和成功實踐，克服了傳統熱處理的一些缺點，達到齒輪成本與表面高性能、微畸變的最佳組合，現已成為一項實用并極有發展前景的新型表面強化技術。

（1）齒輪激光設備

橫流CO2激光器1臺，專用配套冷水機組1套，數控加工機床1臺，光路系統1套。圖10為齒輪激光淬火。

（2）齒輪的激光淬火技術應用實例。

實例  齒輪，材料為30CrMnTi鋼，齒面激光淬火后要求：齒面畸變小，表面光潔，不需磨齒。

1）齒面激光淬火工藝參數（見表7）。

表7  齒面激光淬火工藝參數

工藝參數	強化齒頂部	強化齒根部
激光輸出功率/W	1000	1020
光斑直徑/mm	4.2	4.2
光斑移動速度/mm·s-1	20	20
入射角（°）	80	62
透鏡焦距/mm	112	112
齒面離焦量/mm	8	8
激光器真空度/kPa	13.33	13.33

2）檢驗。齒面激光淬火后，表層組織由索氏體轉變為細密的針狀馬氏體，硬度在870HV左右。硬化層深度約0.6~0.7mm。齒面接觸疲勞極限由淬火前的1024MPa提高至1323MPa，強化效果明顯。