激光淬火技术简介.doc

激光淬火技术简介本文简要介绍激光对材料表面改性处理中激光淬火技术的实现方法、主要特点、面临的问题以及目前国内外的研究现状.自从60年代激光问世以后,激光技术作为一门举世瞩目的高新技术,几乎在各行各业都获得了重要的应用.20多年前,利用大功率激光实现材料表面相变硬化的可行性便在实验室里得到证实,很快,美国通用汽车公司将这项技术第一个用于工业生产.我国自70年代末研制成功千瓦级二氧化碳激光器之后,激光热处理的工业应用亦取得了重要的成就,从此,人们始终未中断对这项技术的应用研究.但是,时至今日,激光热处理在工业上的应用情况显得远远低于最初的估计,即使是在汽车工业,激光热处理在国内外也未广泛用于工业生产.一、激光淬火简介从能量传输的观点而言,激光是一种功率密度极高的能量流.当激光辐照金属材料表面时,材料表层将激光注入的能量转换为热而使温度迅速增高;当激光作用停止后,由于金属是热的良异体,材料基体对热能的扩散而使热影响区的温度迅速下降,从而使材料表层经历了一个热处理过程.金属热处理的结果与材料热影响区域所经历的热循环相关,通过控制作用激光的功率、功率密度分布、激光作用时间等参数,可以改变热循环,从而完成材料表层的淬火或退火等工艺.在激光热处理中,金属材料的激光淬火是激光热处理的一项最重要的内容，激光淬火又称为激光相变硬化,是指以高能密度的激光束照射工件表面,使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能,从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体,经随后的快速冷却,获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。对激光淬火的深入研究表明,这是一个涉及光束质量、工件的热物理特性、工件的几何形状以及光作用方式等众多因素的复杂技术,对设备的配置以及操作人员的素质都有较高的要求.设备昂贵和技术复杂的问题，较大幅度地提高了工件热处理的成本,降低了这项技术对传统热处理工艺的竞争力.也许,这就是这项技术未能迅速推广的主要原因.但是,激光淬火和其它传统的热处理工艺相比(例如工件整体的盐浴淬火、工件表面的感应淬火),它具有可以精确控制热处理区域及工件热变形小等一系列优点.只要能够较好地控制激光淬火的工艺过程,原则上可以用价格便宜,易于加工的材料制造工件的基体,在工件的关键部位用激光进行处理,便能显著提高产品的质量,简化工件的生产工艺,降低工件的成本,增强激光淬火对其它传统热处理工艺的竞争能力.二、激光淬火表面预处理由于一般钢铁零件是是在精加工后才强化处理的，表面光亮，对激光的反射率很高，吸收激光能量的能力很低，因此待处理工件表面必须经过表面预处理，以提高激光能量的利用率。通常采用黑化处理，即在零件表面得到一层对光具有高吸收率的黑色薄膜。具体有:(1)表面磷化法对零件进行磷化,使表面获得深灰色的磷化膜,厚度约10μm,对CO2激光吸收率可由机加工表面的10%～15%提高到70%～95%。但这种方法仅适用于低、中碳钢和铸铁,对高合金钢(如不锈钢)效果欠佳。(2)黑色涂料法用炭素墨汁或石墨-粘结剂混合物涂覆于零件表面,形成吸光膜,吸收率可达90%左右,对材料有一定的增碳作用。这种方法可用于任何材料,也可进行局部涂覆,但涂层厚度不易控制,激光照射时会产生刺眼的亮光和烟雾,效果也不太稳定。用黑色油漆涂于零件表面,涂层吸收率与炭素涂料相近。可用于各种材料,涂层附着力强,便于涂覆且厚度均匀。但激光照射时会产生烟雾和气味,不易清除。(3)氧化物涂料法用各种成分的氧化物(如SiO2)粉末和粘结剂制成胶体涂料,涂覆于零件表面,形成吸光膜,吸收率可达95%左右。可在线或离线喷涂,对环境无污染。胶体涂料喷涂工艺比磷化工艺生产效率高,硬化层质量好,生产成本低。但目前应用尚不够广泛,配方需要进一步完善。三、激光淬火的特点(1)极快的加热和冷却速度激光表面淬火时加热速度可达(104～106)℃/s,冷却速度可达(106～108)℃/s。比感应加热的工艺周期短,通常只需要0.1s即可完成淬火过程,生产效率很高。(2)可实现自冷淬火,淬火变形小由于激光加热速度快,相变过程输入的热量少,热影响区小,因而可实现自冷淬火,淬火变形小,不需要水或油等淬火介质,既可降低消耗,又可避免环境污染。(3)淬火后硬度高,耐磨性好激光表面淬火后可获得极细小的马氏体和碳化物组织,其硬度比常规淬火硬度高15%～30%。尤其对于铸铁件,耐磨性可提高3～4倍。(4)淬火后表层产生很高的残余压应力,可大幅度提高零件的疲劳强度。(5)易实现表面局部及特殊部位的淬火激光表面淬火只发生在激光照射的部位,其他部位无须进行防护。激光束可聚焦到很细,特别适合小件的局部淬火和特殊部位的淬火,例如槽壁、小孔、深孔、腔体内壁等,只要能将激光照射到位即可。(6)淬火后表面质量高只要工艺得当,激光淬火后表面几乎无氧化脱碳现象,表面粗糙度