前段時間調(diào)研時，有讀者提出增加一些激光表面處理的文章，最近在整理過往文章時，意外發(fā)現(xiàn)陳希原高工9年前在《金屬加工》上發(fā)表過一篇比較全面的介紹激光硬化的文章，降雪將至，拿來溫習(xí)一番依然能了解不少知識。
激光硬化是對金屬零件表面快速地進(jìn)行局部淬火的一種高新技術(shù)。這種工藝方法用于強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)。激光硬化可以提高產(chǎn)品的服役能力和成倍地延長其使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于齒輪、模具、發(fā)動機(jī)缸套、軋輥、曲軸等行業(yè)。根據(jù)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(nèi)工業(yè)界應(yīng)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(diǎn)（對鋼件而言：Ac1或Ac3）而低于熔化溫度，當(dāng)激光束離開被照射部位時，由于熱傳導(dǎo)的作用，處于冷態(tài)的基體以104～106℃/s的冷卻速度極快地對所加熱的表面進(jìn)行自冷淬火，從而實(shí)現(xiàn)零件表面的相變淬火硬化。
二、激光表面硬化比常規(guī)硬化處理的優(yōu)勢
激光表面硬化處理適用于常規(guī)硬化處理（滲碳和碳氮共滲淬火、氮化及高中頻感應(yīng)淬火等）所不能完成或難于實(shí)現(xiàn)的某些零件及其局部位置的表面強(qiáng)化處理，概括起來有以下主要特點(diǎn)：（1）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(chǎn)效率。（2）激光硬化依靠熱量由表至里的熱傳導(dǎo)進(jìn)行自冷淬火，無須冷卻介質(zhì)和相關(guān)配套裝置，生產(chǎn)成本極低，且對環(huán)境無污染。（3）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規(guī)淬火硬度提高15%~20%；同時可獲得極細(xì)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(dá)1mm左右。（4）激光硬化的熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)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(xù)加工余量小。有些工件經(jīng)激光處理后，甚至可直接投入使用。（5）激光束的能量可連續(xù)調(diào)整，并且沒有慣性，配合數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)柔性加工。可以對形狀復(fù)雜的零件和其它常規(guī)方法難以處理的零件進(jìn)行局部硬化處理，也可以在零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。（6）采用激光硬化，可在零件表面形成細(xì)小均勻、層深可控、含有多種介穩(wěn)相和金屬間化合物的高質(zhì)量表面強(qiáng)化層。可大幅度提高表面硬度、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。（7）配有計(jì)算機(jī)控制的多維空間運(yùn)動工作臺的現(xiàn)代大功率激光器，特別適用于生產(chǎn)率高的機(jī)械化、自動化生產(chǎn)。（8）激光是一種清潔的綠色能源，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益好。
三、激光硬化工藝及裝備簡介
激光硬化時，根據(jù)激光輻照作用的強(qiáng)度和持續(xù)的時間，將激光與材料的相互作用分為以下幾個階段：①導(dǎo)光：把激光輻照引向材料。②吸收涂層預(yù)處理、熱傳導(dǎo)：吸收激光能量并把光能傳給材料。③光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽簩⒘慵焖偌訜峒翱焖倮鋮s。（2）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(diǎn)的溫度用T0，t表示：
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(shù)；
t——激光作用時間（s）。
對于碳素或合金結(jié)構(gòu)鋼，其硬化層深度（金屬加熱到900℃的那層深度）z為：
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(shù)，其3個工藝參數(shù)對激光硬化層深度的影響作用如下：
因此，在制定激光硬化工藝參數(shù)時，首先應(yīng)確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)主要有激光器系統(tǒng)（激光器、激光功率監(jiān)測、激光功率反饋裝置等）、導(dǎo)光系統(tǒng)（光路轉(zhuǎn)折調(diào)整機(jī)構(gòu)）和微機(jī)控制淬火機(jī)床，其工作系統(tǒng)分布如圖1所示。
圖1 激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)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(diǎn)激光硬化后在金屬材料的硬化區(qū)組織中具有與常規(guī)處理相同的組織結(jié)構(gòu)，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(qū)的組織具有以下幾個特點(diǎn)：（1）組織的不均勻性。亞共析鋼和過共析鋼中的不均勻性將導(dǎo)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(dǎo)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。（2）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(chǎn)生大量的缺陷，減緩了再結(jié)晶過程，并且繼承了奧氏體中的缺陷，從而細(xì)化了亞結(jié)構(gòu)，提高了位錯密度，其幾種材料激光硬化前后的亞結(jié)構(gòu)特征如表1所示。
表1 幾種材料激光硬化前后的亞結(jié)構(gòu)特征
（3）激光硬化后金屬材料的晶粒度顯著細(xì)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(qū)動力△Gα→γ很大，從而使奧氏體的形核數(shù)目劇增；與此同時，瞬時加熱后的超細(xì)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(xì)化，細(xì)化的奧氏體晶粒在發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)化成細(xì)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(diào)質(zhì)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
與常規(guī)熱處理相比，因激光硬化后的顯微組織具有不同的特點(diǎn)，使其金屬材料的性能呈現(xiàn)出以下幾個主要特點(diǎn)：（1）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規(guī)淬火硬度提高15%~20%。（2）提高材料或零件的表面耐磨性。激光硬化與常規(guī)熱處理耐磨性的對比如表3所示。
表3 激光硬化與常規(guī)熱處理的耐磨性對比
（3）提高金屬材料的疲勞性能。因激光硬化處理可細(xì)化金屬材料的顯微組織、提高表面硬度并具有殘余壓應(yīng)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(guī)熱處理相比，其激光相變硬化后的疲勞壽命如表4所示。
表4 相同應(yīng)力下的疲勞壽命對比
激光相變硬化后的顯微組織為極細(xì)的板條馬氏體和孿晶馬氏體，由于晶粒細(xì)化，使得在交變應(yīng)力下不均勻滑移的程度減少，推遲了疲勞裂紋源的產(chǎn)生。同時，隨著晶界數(shù)目的增多，使疲勞裂紋的擴(kuò)展受到障礙，大大降低了裂紋的擴(kuò)展速率。另外，位于馬氏體板條間較多的殘余奧氏體因產(chǎn)生的塑性變形而松弛了裂紋尖端的應(yīng)力集中，而使裂紋尖端鈍化，延遲了裂紋的形成。
文章讀到此處，我們基本了解了激光表面硬化這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，接下來陳希原高工又講解了激光表面硬化在模具、齒輪，有數(shù)據(jù)、有表格，十分翔實(shí)，為了保證大家良好的閱讀體驗(yàn)，后面余下的文章咱們明天再續(xù)。
作者：陳希原
單位：重慶海森公司
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