激光相变硬化的分析与讨论 - 图文(3)

土金属氧化物为活性添加剂。在钢铁表面，稀土氧化物有活化石墨，增加C在Fe-C合金中溶解度的作用。混合稀土氧化物价格低廉，效果比氧化铈、氧化镧还要好。以上涂料混合后可用压缩空气喷涂或手工刷涂。在激光淬火时，涂层愈薄愈匀愈好，喷涂时厚厚可在50~75μm范围内。

为使涂层在喷涂后迅速干燥，缩短工艺周期，稀释剂一般采用易于挥发的物质，如无水乙醇、香蕉水、乙酸乙脂等。

6 激光相变硬化存在的问题

6.1 光斑形状影响硬化层均匀性

工业应用中进行大面积激光淬火时，聚焦光束则显得效率低，而且利用直接激光器或通过简单聚焦分流的光束进行相变处理，材料经热处理后相变硬化带的形状为中央较深的月牙形，与希望获得一个均匀带的目的有较大的距离。虽然国内外研制出不少光束变换系统，将光束形状调制成功率密度分布均匀的矩形和带状，使同一时间内输出给工件的能力相同。但在激光作用区内，边缘较中心散热快，造成表面各点温升不同，从而产生不均匀的强化层。 6.2 大面积激光强化层均匀性难以保证－软化带

激光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。窄带扫描的硬化带宽度与光斑直径相近，一般在5mm以内。对于要求大面积硬化时，必须逐条地进行扫描，各扫描带之间需要重叠，重叠部分将留下回火软化带，甚至出现熔化现象。软化带的宽度与光斑特性有关，一般匀强矩形光斑产生的回火软化带较小。目前解决的办法有：

1）宽带扫描

宽带扫描将聚焦的圆光斑变成线光斑，使一次扫描宽度大为提高。目前，获得线光斑的技术主要包括采用柱面镜、二元光学器件和振荡聚焦光束等。宽带扫描的宽度可达十几mm，有效地减少了软化带的不良影响。

2）选择重叠区范围

将两扫描束在某范围内重叠，即第一扫描束照射区的800°C点恰落在第二扫描束照射区的400°C点与800°C点之间，这一范围可获得最窄的软化带。 6.3 加工件初始状态影响激光强化质量

激光淬火存在的问题通常是由于处理原始组织不良（如钢中的带状、网状碳化物）或激光加热参数选择不当，造成表面裂纹。此外，由于搭接扫描，搭接处因重复加热而软化，导致表面硬度不均。同时，激光吸收膜（金属表面涂膜）中有害物质渗入表层，形成脆性相，以及搭接量不当等造成表面开裂。

7 激光相变硬化的工程应用

目前激光相变硬化加工方法，已广泛应用于汽车、冶金、石油、重型机械等许多工业部门。例如，用于处理各种轴体（碳钢和球墨铸铁）、齿轮（铁素体和碳钢）、阀门（灰口铸铁和碳钢）、垫圈（可锻铸铁）、凸轮轴凸角（铸钢）、活塞环（铸铁和钢）、手制动棘轮（低碳钢）、辊槽拱顶（钢）、钢筒和钢套（铸铁和钢）、轴瓦（合金铸铁）和汽轮机叶片缘口（马氏体不锈钢）等零件均能取得良好的强化效果。

我国激光相变硬化在工业应用的成功例子如下： 7.1 热轧辊的激光强化

广州富通公司于1994年开始进行激光加工技术的应用开发工作，其中对热轧辊激光处理后表面硬度可达57~60HRC，使用寿命提高一倍。 7.2 汽缸体和钢套内壁的激光强化

我国的汽车发动机缸体（套）都是采用硼合金铸铁为材料，因其表面硬度低，耐磨性差，行驶6~7万公里就要进行大修。但通过激光淬火，将能量高度集中的激光束在缸内表面扫描后，可瞬间将缸体表面的金属层加热到相变温度以上，产生比常规热处理细密得多的隐针马氏体组织。使缸体表面耐磨性提高3~5倍。适当降低功率和减慢扫描速度也可获得一定的淬硬层深度，从而保证工艺稳定性。缸孔内表面获得的高硬度变态莱氏体和次表面高弥散的超细化马氏体的双层淬硬组织，使汽油机缸体具有良好的抗腐蚀性能和耐磨性。

北内集团总公司于1993年对475/482Q汽油机缸体不仅降低材料成本，同时改善铸造工艺性能，使废品率降低20%。

在汽车修理行业获得广泛应用的激光强化设备以青岛中发激光技术有限公司产品较多。中科院金属所也研制了多功能激光淬火加工机床，可对CA15，CA141缸体和日本“皇冠”缸体进行激光淬火硬化，相比之下，美国通用汽车公司采用2KW激光器对机车涡轮增压柴油机合金铸铁缸进行激光淬火也已投产10年。

德国奥格斯堡－纽伦堡机械制造有限公司对大型发动机缸套进行激光淬火，采用三种硬化模式：（1）距缸口70mm密集螺旋式硬化，底部为30℃大螺旋；（2）缸口70mm处交叉网纹式，底部30℃大螺旋；（3）缸口70mm正旋波式，底部30℃大螺旋，其性能接近。自1984年8月正式建线生产，每天可完成1600个。 7.3 各种机械零件局部表面的激光强化

胜利油田钻井工艺研究院自1993年以来，为油田钻采作业解决了一系列关键零件的激光强化问题，包括（1）组合抽油泵缸套的激光淬火；（2）整筒泵泵筒（长7m，内径φ56~φ83mm）的激光淬火机床研制及激光处理工艺开发；（3）钻井、修井用的27/8”钻杆接头的激光强化。

上海工程技术大学与上海电梯厂合作对球铁激光热处理，研制成功电梯正旋轮V型槽面的激光强化技术，已累计产生直接经济效益超过1200万元。天津修船技术研究所为船舶行业的压缩机缸体、船用发电机组大模数齿轮、船用主机大直径缸套、减速机齿轮进行强化，还成功解决了食品机械大直径QT700-2曲轴颈和偏心轴颈的激光强化工艺。

8 9SiCr的激光硬化

9SiCr钢的临界点:AC1 770-780℃，ACm 870℃。 9SiCr钢采用常规淬火时，淬火温度为900℃，虽然淬火硬度达到极大值，但是由于奥氏体晶粒粗大，引起淬火马氏体片粗大，导致钢的强度和韧性降低，造

成工件折断和表面产生裂纹。采用激光处理该表面是一种新的处理方法，通过试验可以确定最佳的激光处理参数，为矫直辊的加工提供新的工艺和加工方法。

在激光硬化过程中，硬度、淬硬性和相变都取决于激光加工参数，如激光功率、光斑直径、光斑形状、扫描速度、聚焦条件、保护气体环境以及表面涂层材料。当激光能量密度达到103-105W，作用时间为0.1-0.3s，在钢的表面可以产生马氏体。

激光相变基本原理包括三部分：1）通过高功率激光交换作用增加钢的表面温度达到奥氏体相变临界点以上；2）与扫描速度有关的快速冷却速度；3）在保护气体下的自淬火。在这个过程中，如果作用时间0.1-0.2s,激光功率1-2kW，表面温度可以达到725-1500℃ 。当采用5kW C02激光器，光斑直径3mm，扫描速度为15mm/s,其作用时间为0.2s，其表面加热温度可达到9SiCr的奥氏体相变临界温度以上。由此可见，在上述条件下，经自身淬火材料由原来的珠光体转变成高碳马氏体。

马氏体相增加了材料表面硬度。由于马氏体相变过程中快速凝固而产生的大量体积收缩，在表面产生残余压应力。这些残余应力提高耐磨性和耐腐蚀性。为了增加材料表面的淬透性和能量的吸收，表面上经常涂覆石墨、磷酸锌、二硫化钼、喷砂、墨汁和二氧化硅等不同的涂层。如果没有这些涂层，只有10%的激光能量能够被材料吸收，从而导致激光功率的增加和激光处理成本的提高。

在激光硬化区内，沿材料垂直面各点的冷却速度不同，碳的扩散速度也不同。在激光加热过程中，在月牙形的硬化带截面中，当激光光束为高斯分布时，在加热过程中，A点所经历的温度最高，B点次之，C和D点差不多，为最低。在冷却时，C和D点冷却速度最快，B点次之，A点最慢。在激光硬化三个区的冷却速度不同，出现的组织也不相同，如图3所示。

碳在奥氏体中的扩散系数D是温度的函数【10】：

D?D0e?QRT图3 激光硬化区截面温度示意图

式中D0－基本扩散系数，Q－扩散激活能，R－气体常数，T－热力学温度。在激光加热过程中，碳的扩散速度的分布和温度是一致的。温度高的部位如A处，碳的扩散速度快。

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