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激光表面硬化与常规热处理的对比

激光硬化是对金属零件表面快速地进行局部淬火的一种高新技术。这种工艺方法用于强化零件的表面,可以显著地提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性、疲劳性能及强度和高温性能;同时可使零件心部保持良好的韧性,以使零件的力学性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。激光硬化可以提高产品的服役能力和成倍地延长其使用寿命,具有显著的经济特点,现已广泛地应用于齿轮、模具、发动机缸套、轧辊、曲轴等行业。

根据激光与材料相互作用时激光能量密度的不同,激光硬化一般分为3种工艺:激光相变硬化(功率密度为104~105W/cm2)、激光熔化凝固硬化(功率密度为105~107W/cm2)、激光冲击硬化(功率密度为108W/cm2以上)。目前,在国内工业界应用较多的是激光相变硬化。

一、激光相变硬化的原理简介

激光相变硬化是以高能量(104~105W/cm2)的激光束快速地扫描工件,使被照射的金属材料零件表面温度以极快的速度(104~109℃/s)升到高于相变点(对钢件而言:Ac1或Ac3)而低于熔化温度,当激光束离开被照射部位时,由于热传导的作用,处于冷态的基体以104~106℃/s的冷却速度极快地对所加热的表面进行自冷淬火,从而实现零件表面的相变淬火硬化。

二、激光表面硬化比常规硬化处理的优势

激光表面硬化处理适用于常规硬化处理(渗碳和碳氮共渗淬火、氮化及高中频感应淬火等)所不能完成或难于实现的某些零件及其局部位置的表面强化处理,概括起来有以下主要特点:

(1)金属材料零件表面的高速加热与快速冷却,有利于提高扫描速度和提高生产效率。

(2)激光硬化依靠热量由表至里的热传导进行自冷淬火,无须冷却介质和相关配套装置,生产成本极低,且对环境无污染。

(3)激光表面硬化处理后的零件表面硬度高,比常规淬火硬度提高15%~20%;同时可获得极细的硬化层组织,硬化层深度通常为0.3~0.5mm,若采用更大功率的激光器,其硬化层深度可达1mm左右。

(4)激光硬化的热影响区小,淬火应力及变形小,工件热变形可由加工工艺控制到极小的程度,后续加工余量小。有些工件经激光处理后,甚至可直接投入使用。

(5)激光束的能量可连续调整,并且没有惯性,配合数控系统,可以实现柔性加工。可以对形状复杂的零件和其它常规方法难以处理的零件进行局部硬化处理,也可以在零件的不同部位进行不同的激光硬化处理。

(6)采用激光硬化,可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能的表层。

(7)配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器,特别适用于生产率高的机械化、自动化生产。

(8)激光是一种清洁的绿色能源,生产效率高,加工质量稳定可靠、成本低,经济效益和社会效益好。

三、激光硬化工艺及装备简介

1.激光相变硬化工艺简介

(1)激光与材料相互作用的几个阶段

激光硬化时,根据激光辐照作用的强度和持续的时间,将激光与材料的相互作用分为以下几个阶段:①导光:把激光辐照引向材料。②吸收涂层预处理、热传导:吸收激光能量并把光能传给材料。③光能转变为热能:将零件快速加热及快速冷却。

(2)激光作用时的表面温度、时间和硬化层深度的简便估算

激光光束垂直照射到金属表面上,t时刻射在表面上光斑中心z轴上一点的温度用T0,t表示:

式中 r——金属表面反射率;

P——激光功率(W);

α——激光光斑半径(m);

k——系数;

t——激光作用时间(s)。

对于碳素或合金结构钢,其硬化层深度(金属加热到900℃的那层深度)z为:

若已知激光硬化层深度z,也可近似地估算出激光束作用的时间t。

(3)激光硬化工艺参数与硬化层深度

激光器的输出功率P、扫描速度υ和作用在零件材料表面上光斑尺寸D等是激光硬化处理的主要工艺参数,其3个工艺参数对激光硬化层深度的影响作用如下:

因此,在制定激光硬化工艺参数时,首先应确定激光功率、光斑尺寸和扫描速度。

2.激光硬化热处理装置系统简介

激光硬化热处理装置系统主要有激光器系统(激光器、激光功率监测、激光功率反馈装置等)、导光系统(光路转折调整机构)和微机控制淬火机床,其工作系统分布如图1所示。

图1 激光硬化热处理装置系统示意图

四、激光相变硬化后金属材料的组织与性能

1.激光硬化后金属材料显微组织的主要特点

激光硬化后在金属材料的硬化区组织中具有与常规处理相同的组织结构,但由于快速加热和快速冷却的作用,致使激光相变硬化后的硬化区的组织具有以下几个特点:

(1)组织的不均匀性。亚共析钢和过共析钢中的不均匀性将导致保留钢中的先共析相,即亚共析钢中的铁素体和过共析钢中的渗碳体。在同样的冷却速度条件下,奥氏体中碳含量的不均匀性将导致低碳部分形成铁素体-渗碳体,其高碳部分却可形成马氏体组织。

(2)激光相变硬化过程中的极大冷却速度使金属材料组织中产生大量的缺陷,减缓了再结晶过程,并且继承了奥氏体中的缺陷,从而细化了亚结构,提高了位错密度,其几种材料激光硬化前后的亚结构特征如表1所示。

表1 几种材料激光硬化前后的亚结构特征

(3)激光硬化后金属材料的晶粒度显著细化。在超快速加热的条件下,金属材料的过热度极高,造成相变驱动力△Gα→γ很大,从而使奥氏体的形核数目剧增;与此同时,瞬时加热后的超细奥氏体晶粒来不及长大,随后的超快速冷却将其保留下来,可造成奥氏体晶粒明显细化,细化的奥氏体晶粒在发生马氏体转变时,转化成细小的马氏体组织。几种材料激光相变前后的晶粒度对比如表2所示。

另外,在激光相变硬化过程中,金属材料不同的原始组织和扫描速度的变化对晶粒度的大小有直接的影响。通常淬、回火的原始组织比调质或正火的原始组织具有更小的晶粒尺寸,增加扫描速度有利于减小晶粒尺寸。

表2 几种材料激光相变硬化前后的晶粒度对比

2.激光硬化后金属材料的主要性能特点

与常规热处理相比,因激光硬化后的显微组织具有不同的特点,使其金属材料的性能呈现出以下几个主要特点:

(1)激光表面硬化处理后的零件表面硬度高,比常规淬火硬度提高15%~20%。

(2)提高材料或零件的表面耐磨性。激光硬化与常规热处理耐磨性的对比如表3所示。

表3 激光硬化与常规热处理的耐磨性对比

(3)提高金属材料的疲劳性能。因激光硬化处理可细化金属材料的显微组织、提高表面硬度并具有残余压应力、可有效地提高金属材料的疲劳性能。以40Cr钢材料零件为例,与常规热处理相比,其激光相变硬化后的疲劳寿命如表4所示。

表4 相同应力下的疲劳寿命对比

激光相变硬化后的显微组织为极细的板条马氏体和孪晶马氏体,由于晶粒细化,使得在交变应力下不均匀滑移的程度减少,推迟了疲劳裂纹源的产生。同时,随着晶界数目的增多,使疲劳裂纹的扩展受到障碍,大大降低了裂纹的扩展速率。

另外,位于马氏体板条间较多的残余奥氏体因产生的塑性变形而松弛了裂纹尖端的应力集中,而使裂纹尖端钝化,延迟了裂纹的形成。

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