20081182104 激光淬火技术的应用

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1、激光硬化（激光淬火）应用一、激光硬化分类激光硬化是快速表面局部淬火工艺的一种高新技术。这种方法主要用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能；同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。激光硬化可以大幅度提高产品质量，成倍地延长产品的使用寿命，具有显著的经济效益，已广泛应用于各种行业的许多产品上。激光硬化一般分为三种工艺：激光相变硬化，激光熔化凝固硬化和激光冲击硬化。它们共同的理论基础是激光与材料相互作用的规律。三种工艺各自

2、的特点主要是作用于材料上的激光能量密度不同，并且与激光作用于材料上的时间有关。激光表面硬化与常规的硬化工艺比较，其发展历史很短，但从已取得的效果来看，激光硬化处理工艺是一种具有很多特点的表面硬化处理新工艺。其主要特点有：（1）材料表面的高速加热和高速自冷。（2）激光硬化处理后的工件表面硬度高，比常规淬火要高5-20%，可获得极细的硬化层组织。（3）由于激光加热速度快，因而热影响区小，淬火应力及变形小。（4）可以对形状复杂的零件和不能使用其他常规方法处理的零件进行局部硬化处理。同时，也可以根据需要在同一零件的不同部位进

3、行不同的激光硬化处理。（5）激光硬化工艺周期短，生产效率高，工艺过程易实现计算机控制，自动化程度高，可纳入生产流水线。（6）激光硬化靠热量由表及里的传导自冷，无需冷却介质，对环境无污染。二、激光与材料相互作用的物理过程。激光硬化时，激光与材料的相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为几个阶段：把激光辐照引向材料；吸收激光能量并把光能传给材料；光能转变为热能，加热材料达到快速加热、快速冷却、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破坏；材料在激光辐照后的相变或融化凝固或冲击产生晶格畸变及位错，最终达到硬化效果。激光与

4、材料相互作用的物理过程中，会发生几个效应：能量转换效应，物态变化效应，表面效应，内部效应。三、金属材料在激光辐照下发生变化。金属材料在激光辐照下有超快速加热相变和快速熔凝的特征。激光加热相变完成时间很短，同时加热区的温度梯度很大，因而金属材料中碳化物的溶解和溶入奥氏体中的碳以及合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区不同部位之间有很大的差异，即导致奥氏体成分的不均匀性。激光快速加热相变的极大过热度造成相变驱动力很大，使奥氏体的形核数目增多，短时间内完成相变又使得相变形核的临界半径很小，既可在原晶界的亚晶界形核，也可在相

5、界面其他晶体缺陷处形核。同时，瞬间加热后的急冷使得超细晶奥氏体来不及长大，因而激光相变的产物必将获得超细的晶粒度和相变组织。激光相变硬化后的马氏体组织形态一般为极细的板条马氏体和孪晶马氏体。其中，板条马氏体比常规热处理的多，这种组织中的位错密度相当高，且随着功率密度的增加，平均错位密度也增加，板条马氏体为位错胞状亚结构。同样由于快热快冷的原因，使得激光硬化后的残余奥氏体量增加，碳在奥氏体中的含量由于来不及扩散而滞留，随着奥氏体向马氏体的转变，获得高碳马氏体，提高了硬度。四、含碳量及合金元素的影响。激光硬化过程中，金属

6、材料的含碳量及合金元素对处理后的效果有较为明显的影响。众所周知，钢的淬硬性是指在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。淬硬性主要与钢中的含碳量有关，更确切地说，它决定于淬火加热时固溶在钢的奥氏体中的碳含量，其含碳量越多，淬火后的硬度就越高。合金元素在激光硬化过程中主要对淬硬层深度影响较大，并对表层组织及硬度的均匀性起到一定的作用。大部分合金元素加热溶于奥氏体时，均使奥氏体等温转变曲线向右移动，增大了奥氏体的稳定性而减小临界冷却速度，特别是当碳含量不高时显著降低临界冷却速度。临界冷却速

7、度越小，则奥氏体转变为珠光体的速度越慢，即成核与长大速度减低。在常用的合金元素中，对降低临界冷却速度从而使钢容易淬火的影响来说，以锰为最强烈，其次为钼、铬、铝、硅、镍，再次是其它元素，而钴却反而增加临界冷却速度从而降低淬火效果。当同时加入数种合金元素时，由于相互激发的效应更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性得到显著提高。五、激光硬化工艺。在激光硬化过程中，影响激光硬化效果的因素很多，大体可归为三类：激光器件的影响，基体材料状态的影响，硬化过程工艺参数的影响。激光器件的影响主要包括激光束模式（基模、低阶模、多模）、

8、模式稳定性、振荡方式、光斑形状、光斑能量密度分布状态、波长、输出功率的稳定性、光束的发散度等，一般情况下，激光器选定后，上述参数就基本确定。基体材料的影响主要包括基体材料的化学成分、几何形状、几何尺寸、表面状态和原始组织等。激光硬化过程工艺参数的影响主要包括光斑尺寸、功率输出、扫描速度及表面预处理状态等。激光硬化工艺主要有：连续波二氧化碳激光硬