浅谈激光淬火

浅谈激光淬火

摘要:激光淬火技术是一项高新技术，因其与传统淬火技术相比具有加工精度高、加工变形小、加工柔性好、无污染、噪音小等优点，使其在轮船、汽车等许多工业生产部门得到广泛应用。文章叙述了激光淬火的原理、工艺特点、应用以及激光淬火的研究现状与发展趋势。

关键词:激光淬火; 工艺特点；研究现状；发展趋势

Discussion of Laser Quenching

Abstract：Laser quenching technology is a high and new technology．Compared with the traditional methods of quenching，it has a lot of advantages，such as high precision，small deformation，no pollution，little noise，So it is applied to steamboat，automotive，lots of production department．Mechanism,technology features,application and reality of laser quenching technology and research progress of laser quenching technology were discussed in the paper.

Keywords:l aser quenching;technology feature;reality;research progress

0 前言

1960年世界上第一台激光器的诞生，将激光引入科学研究领域，从此光学技术迅猛发展，以激光作为“光工具”的新兴制造技术开始登上历史舞台，引领制造技术进入激光制造的新时代[1]。激光因其具有高亮度、高单色性、高方向性

和高相干性四大特性，给激光加工带来了一些其它加工方法所不具备的特性[2]。由于激光加工属于无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；在激光加工过程中，用激光束代替了刀具，因此无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小，因此其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小或无需加工[3]；激光束易于导向、聚焦以及实现方向变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光加工的优越性使其成为激光应用中最有发展前途的领域，现在己开发出20多种激光加工技术[4]，激光淬火技术就是激光加工中研究较早、进展较快、应用较广的一种新工艺，已广泛用于材料的表面强化中，并且应用领域在不断地扩大。

1 激光淬火的原理及特点

激光淬火技术是近年来迅速发展起来的一项高新技术，激光淬火又称激光相变硬化,是指铁基合金在固态下经受激光照射,使表层以极快的速度(升温速度可达105-106 ℃/s)被迅速加热至奥氏体化状态(但低于熔化温度),当激光停止照射后,处于冷态的基体使其表面迅速冷却(冷却速度可达105℃/s)而进行自冷淬火,从而使激光加热形成高温奥氏体转变成马氏体，实现激光相变硬化[5]。激光

淬火由于加热速度快，易使金属表面过热，并且冷却速度也快，碳来不及扩散因而使残留奥氏体增加。随着奥氏体向马氏体的转变，得到高碳马氏体，从而提高了淬火硬度。激光淬火原理图如图1。

图1 激光淬火原理图

由于金属材料表面对激光辐射能量的吸收能力与激光的波长、材料的温度和性质，以及材料表面状态密切相关，为提高材料表面对激光的吸收率，需要对表面进行预处理。预处理方法主要包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷(刷)涂料法和镀膜法等[6]。

激光淬火与传统表面淬火方法相比，淬火质量最高。由于加热和冷却的速度极快，淬火过程中的过热度和过冷度均特别大，淬火后得到超细的晶体组织。据报道，即使是未熔化碳化物。其尺寸可以下降50％左右，使淬火的金属层产生了细晶强化，既提高了强度、硬度，又增加塑性、韧性；还有，在极快加热条件下形成的奥氏体，不管是表层，还是里层，奥氏体晶粒都没有孕育长大的机会。弥散的奥氏体晶粒，形成弥散的马氏体，使组织具有晶格强化的同时具有弥散强化效果。在激光淬火的强化效果中，马氏体相变硬化占总体硬化效果的60％以上，由于奥氏体形成快，碳原子无法扩散，奥氏体的含碳量极不均匀，相变后有些形成针片状马氏体，有些形成板条状马氏体，因此激光淬火得到的马氏体是由针片状马氏体和板条状马氏体混合组成，位错密度比传统淬火高，位错强化作用强，另外，残余奥氏体因相变硬化来不及释出而产生固熔强化。在上述各种强化机理的共同作用下，激光淬火层的硬度、耐磨性比传统淬火的好，塑性韧性比传统淬火的高。激光淬火可控性比传统表面淬火好，既可控制淬火区的形状、大小和在工件上的部位，又可控制淬硬层的深度，这在零件易变形，或结构比较复杂，或需选择局部进行处理等常规淬火难以胜任场合下的零件表面硬化处理中具有独特优势。激光淬火与感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火等常规淬火方法的比较如表1、图2[7]所示。

表1 激光淬火和常规淬火的比较

图2 激光淬火与常规淬火比较

激光淬火技术与常规淬火方法相比，激光淬火热处理技术有如下优点[8]：（1）可获得质量优良的高精度硬化层。硬度比常规淬火提高15%-20%。铸铁经淬火后耐磨性可提高3-4倍，并且淬火深度可以精确控制。

（2）仅在工件的关键部位作局部的、薄的表层加热，输入工件的热量少，节能效果好。

（3）热处理变形小，无机械变形，适合于高精度零件处理，可作为材料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的变化小。对于长形工件、薄壁工件而言，此优点尤为突出。

（4）由于光束照射工件，属于无接触加热，又是自冷淬火，所以此技术是洁净的热处理。

（5）加工柔性好，适用面广。可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部位，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等难加工区域和空间非常小的局部区域。

（6）没有明显的机械作用力和工具损耗，噪声小，污染小，无公害处理方式，劳动条件好。

（7）工艺周期短，生产效率高，成本低，整个工艺过程可以采用计算机进行控制，自动化程度高，可纳入生产流水线，易于批量生产。

以上特点都是常规热处理工艺望尘莫及的，同时也是其他先进热处理工艺难以达到的，但这并不意味着激光表面淬火可以全部取代其他的表面热处理技术。作为表面局部硬化处理，激光硬化处理具有其独特的优点，可适用于其他硬化技