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年第期

‘钢的激光表面淬火的研究

郑启光马兆安

一、引言

激光表面淬火是应用激光具有高亮度的特性,把激光作为热源。用激光辐射到金属材料表
面,并使表面薄层吸收这些激光能量。当激光束很快扫过金属表面时,热从表面传到基体,
并使表层材料达到金属相变或熔化温度,从而完成激光淬火。激光表面淬火具有快速加热,
快速冷却等独特优点。控制激光辐射区的功率密度和工件扫描速度,就可达到材料的相变硬
化、熔化凝固、表面合金化等。
激光表面淬火的温度可近似用一维热源模型的热传导方程求解·“」

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式中,是激光功率密度“。是热扩散率是热传导系数〔么
是激光加热时间,是光斑直径,是工件扫描速度
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式中,是一个与材料的物理特性有关的综合性系数
从、式可看到,激光表面淬火深度和表面温度一样,都是与激光辐照时间的
平方根成正比。因此影响激光表面淬火的效果淬火深度和宽度的主要因素是工件表
面的激光功率密度取决于激光功率,光斑大小和光束形状、加热时间随着激光束移动
速度或工件扫描速度的变化而变化、材料对激光的吸收率以及材料的物理性质诸如表面
光洁度、含碳量、结构和热传导等。
一般来说,在光束直径和工件扫描速度不变的情况下,激光淬火的深度与激光功率成正
比〔“〕。若激光功率恒定,光束直径的减小同样可导致淬火深度加深,当然这时淬火带宽度会
相应减小。
工件扫描速度主要决定激光辐射工件表面的时间,随着工件扫描速度的加快,表面淬火
的深度会减少。
材料表面的光洁度越高,对激光的反射损耗越大,想应会使激光淬火所需的激光功率增
高。为了增加材料表面对激光的吸收率,通常对工件表面进行粗化或黑化处理,表面黑
化处理方法国内外使用得很多,如表面涂炭黑,喷涂黑漆,但最常用的方法是磷化处理,其
磷化后的材料表面对激光的吸收率在以上〔“〕。
一般认为,激光的快速加热与冷却,使得低、中碳钢更容易被激光淬火,对碳钢和合金

收稿日期年月日
钢的激光淬火差别不甚显著,但对灰口铸铁和高碳合金铸铁,由于激光悴火的冷却速率高子
临界冷却速率,会使淬火效果差别较大〔。
由于材料局部及快速加热与冷却,淬火马氏体的形成有时往往受到限制,这导致形成变
形马氏体,这种变形马氏体也可能对淬火硬度的提高有利。通常激光淬火的硬度略高于常规
淬火的硬度的百分之几到十几。

二、实验条件与激“光处理参数

作者对’中碳钢试件进行了激光表面淬火的实验研究。试件采用的长方
形样品成分见表,在激光淬火之前,试件进行了调质预处理,即经“淬火,再以
回火,得到的金相组织主要为’索氏体,表
硬度为、二。
材料】】】
试品分别采用两种方法进行了黑化处理,
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一光斑尺寸扫描速度淬火深度激尤功率密度
激光功率
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切重复扫描

涂黑漆

重复扫描

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口未相变三个试样取平均
口未相变
口表面熔化
表面熔化
⋯表面熔化
涂黑漆表面熔化
表面熔化严重
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注功密度按一其中是激光功率是光斑直径是总的损
表中率兀
耗,这里取二计算。

一批是磷化,还有一批采用涂黑漆。
,钢的激光处理部分参数见表。
激光淬火后的试品进行了金相组织分析及显微硬度及洛氏硬度的测量。

三、实验结果的分析与讨论

图示出‘钢试品磷化处理在激光淬火后的硬化深度与激光功率密度的关系。从
图中看到在同一扫描速度下,激光功率密度的增高,可使激光淬火深度加深。并且看到随工
件扫描速度的降低,激光悴火深度也会加深。在二时,最大淬火深度可达
以上。
由于试品进行了磷化处理,使得激光淬火后可得到一个较宽的相变硬化区域见图。
激光淬火的参数变化范围也相应扩大。例如在光斑直径为时,不产生熔化的参数范围
是当激光功率时,那么工件的扫描速度在范围。
在激光淬火中,通常要求获得尽可能深的硬化层,为了避免熔化,采用小直径光斑的激
光束进行热处理,这时只能产生薄的硬化层。在不产生熔化的情况下,为了增加硬化深度,
可以采用大直径光斑,亦即需要采用大功率激光器。例如我们用的激光功率扫描
时,采用的扫描速度,可得到最大淬火深度为以上
图示出”钢激光淬火的显微硬度与淬火深度的函数关系。从图中看到最高的显微硬
度达,。以上。并且在实验中观察到随着激光功率密度的增高,扫描速度加快,其淬火硬
度有增加的趋势。在实验中还发现,随着扫描速度的增大,淬火的硬度梯度将变大。

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图硬化深度与功率密度的函图沿淬火深度方向的显微