激光表面硬化與常規熱處理的對比

　　
　　激光硬化是對金屬零件表面快速地進行局部淬火的一種高新技術。這種工藝方法用于強化零件的表面，可以顯著地提高金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性、疲勞性能及強度和高溫性能；同時可使零件心部保持良好的韌性，以使零件的力學性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高的特點。激光硬化可以提高產品的服役能力和成倍地延長其使用壽命，具有顯著的經濟特點，現已廣泛地應用于齒輪、模具、發動機缸套、軋輥、曲軸等行業。
　　根據激光與材料相互作用時激光能量密度的不同，激光硬化一般分為3種工藝：激光相變硬化（功率密度為104～105W/cm2）、激光熔化凝固硬化（功率密度為105～107W/cm2）、激光沖擊硬化（功率密度為108W/cm2以上）。目前，在國內工業界應用較多的是激光相變硬化。
　　一、激光相變硬化的原理簡介
　　激光相變硬化是以高能量（104～105W/cm2）的激光束快速地掃描工件，使被照射的金屬材料零件表面溫度以極快的速度（104～109℃/s）升到高于相變點（對鋼件而言：Ac1或Ac3）而低于熔化溫度，當激光束離開被照射部位時，由于熱傳導的作用，處于冷態的基體以104～106℃/s的冷卻速度極快地對所加熱的表面進行自冷淬火，從而實現零件表面的相變淬火硬化。
　　二、激光表面硬化比常規硬化處理的優勢
　　激光表面硬化處理適用于常規硬化處理（滲碳和碳氮共滲淬火、氮化及高中頻感應淬火等）所不能完成或難于實現的某些零件及其局部位置的表面強化處理，概括起來有以下主要特點：
　?。?）金屬材料零件表面的高速加熱與快速冷卻，有利于提高掃描速度和提高生產效率。
　?。?）激光硬化依靠熱量由表至里的熱傳導進行自冷淬火，無須冷卻介質和相關配套裝置，生產成本極低，且對環境無污染。
　?。?）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規淬火硬度提高15%~20%；同時可獲得極細的硬化層組織，硬化層深度通常為0.3～0.5mm，若采用更大功率的激光器，其硬化層深度可達1mm左右。
　?。?）激光硬化的熱影響區小，淬火應力及變形小，工件熱變形可由加工工藝控制到極小的程度，后續加工余量小。有些工件經激光處理后，甚至可直接投入使用。
　?。?）激光束的能量可連續調整，并且沒有慣性，配合數控系統，可以實現柔性加工?？梢詫π螤顝碗s的零件和其它常規方法難以處理的零件進行局部硬化處理，也可以在零件的不同部位進行不同的激光硬化處理。
　?。?）采用激光硬化，可在零件表面形成細小均勻、層深可控、含有多種介穩相和金屬間化合物的高質量表面強化層?？纱蠓忍岣弑砻嬗捕?、耐磨性和抗接觸疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能的表層。
　?。?）配有計算機控制的多維空間運動工作臺的現代大功率激光器，特別適用于生產率高的機械化、自動化生產。
　?。?）激光是一種清潔的綠色能源，生產效率高，加工質量穩定可靠、成本低，經濟效益和社會效益好。
　　三、激光硬化工藝及裝備簡介
　　1.激光相變硬化工藝簡介
　?。?）激光與材料相互作用的幾個階段
　　激光硬化時，根據激光輻照作用的強度和持續的時間，將激光與材料的相互作用分為以下幾個階段：①導光：把激光輻照引向材料。②吸收涂層預處理、熱傳導：吸收激光能量并把光能傳給材料。③光能轉變為熱能：將零件快速加熱及快速冷卻。
　?。?）激光作用時的表面溫度、時間和硬化層深度的簡便估算
　　激光光束垂直照射到金屬表面上，t時刻射在表面上光斑中心z軸上一點的溫度用T0，t表示：
　　激光表面硬化與常規熱處理的對比
　　式中  r——金屬表面反射率；
　　P——激光功率（W）；
　　α——激光光斑半徑（m）；
　　k——系數；
　　t——激光作用時間（s）。
　　對于碳素或合金結構鋼，其硬化層深度（金屬加熱到900℃的那層深度）z為：
　　激光表面硬化與常規熱處理的對比
　　若已知激光硬化層深度z，也可近似地估算出激光束作用的時間t。
　?。?）激光硬化工藝參數與硬化層深度
　　激光器的輸出功率P、掃描速度υ和作用在零件材料表面上光斑尺寸D等是激光硬化處理的主要工藝參數，其3個工藝參數對激光硬化層深度的影響作用如下：
　　激光表面硬化與常規熱處理的對比
　　因此，在制定激光硬化工藝參數時，首先應確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。
　　2.激光硬化熱處理裝置系統簡介
　　激光硬化熱處理裝置系統主要有激光器系統（激光器、激光功率監測、激光功率反饋裝置等）、導光系統（光路轉折調整機構）和微機控制淬火機床，其工作系統分布如圖1所示。
　　圖1 激光硬化熱處理裝置系統示意圖
　　圖1  激光硬化熱處理裝置系統示意圖
　　四、激光相變硬化后金屬材料的組織與性能
　　1.激光硬化后金屬材料顯微組織的主要特點
　　激光硬化后在金屬材料的硬化區組織中具有與常規處理相同的組織結構，但由于快速加熱和快速冷卻的作用，致使激光相變硬化后的硬化區的組織具有以下幾個特點：
　?。?）組織的不均勻性。亞共析鋼和過共析鋼中的不均勻性將導致保留鋼中的先共析相，即亞共析鋼中的鐵素體和過共析鋼中的滲碳體。在同樣的冷卻速度條件下，奧氏體中碳含量的不均勻性將導致低碳部分形成鐵素體-滲碳體，其高碳部分卻可形成馬氏體組織。
　?。?）激光相變硬化過程中的極大冷卻速度使金屬材料組織中產生大量的缺陷，減緩了再結晶過程，并且繼承了奧氏體中的缺陷，從而細化了亞結構，提高了位錯密度，其幾種材料激光硬化前后的亞結構特征如表1所示。
　　表1 幾種材料激光硬化前后的亞結構特征
　　表1 幾種材料激光硬化前后的亞結構特征
　?。?）激光硬化后金屬材料的晶粒度顯著細化。在超快速加熱的條件下，金屬材料的過熱度極高，造成相變驅動力△Gα→γ很大，從而使奧氏體的形核數目劇增；與此同時，瞬時加熱后的超細奧氏體晶粒來不及長大，隨后的超快速冷卻將其保留下來，可造成奧氏體晶粒明顯細化，細化的奧氏體晶粒在發生馬氏體轉變時，轉化成細小的馬氏體組織。幾種材料激光相變前后的晶粒度對比如表2所示。
　　另外，在激光相變硬化過程中，金屬材料不同的原始組織和掃描速度的變化對晶粒度的大小有直接的影響。通常淬、回火的原始組織比調質或正火的原始組織具有更小的晶粒尺寸，增加掃描速度有利于減小晶粒尺寸。
　　表2  幾種材料激光相變硬化前后的晶粒度對比
　　表2 幾種材料激光相變硬化前后的晶粒度對比
　　2.激光硬化后金屬材料的主要性能特點
　　與常規熱處理相比，因激光硬化后的顯微組織具有不同的特點，使其金屬材料的性能呈現出以下幾個主要特點：
　?。?）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規淬火硬度提高15%~20%。
　?。?）提高材料或零件的表面耐磨性。激光硬化與常規熱處理耐磨性的對比如表3所示。
　　表3 激光硬化與常規熱處理的耐磨性對比
　　表3 激光硬化與常規熱處理的耐磨性對比
　?。?）提高金屬材料的疲勞性能。因激光硬化處理可細化金屬材料的顯微組織、提高表面硬度并具有殘余壓應力、可有效地提高金屬材料的疲勞性能。以40Cr鋼材料零件為例，與常規熱處理相比，其激光相變硬化后的疲勞壽命如表4所示。
　　表3 激光硬化與常規熱處理的耐磨性對比
　　表3 激光硬化與常規熱處理的耐磨性對比
　　激光相變硬化后的顯微組織為極細的板條馬氏體和孿晶馬氏體，由于晶粒細化，使得在交變應力下不均勻滑移的程度減少，推遲了疲勞裂紋源的產生。同時，隨著晶界數目的增多，使疲勞裂紋的擴展受到障礙，大大降低了裂紋的擴展速率。
　　另外，位于馬氏體板條間較多的殘余奧氏體因產生的塑性變形而松弛了裂紋尖端的應力集中，而使裂紋尖端鈍化，延遲了裂紋的形成。