钢材激光加热处理技术

激光热处理穿透力极强，在工业上的应用越来越广。

1）激光热处理技术原理

激光加热表面淬火是利用高能量（功率密度为103～105 W／cm2）的激光束使工件照射处在很短时间（10－7～10－9 s）内加热到正常淬火加热温度以上，使其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，此时，金属表面迅速被强化，即发生了激光相变硬化。激光加热是局部的急冷急热过程，热影响区域小，硬化层较浅，一般只有0．3～1mm。激光加热时，表面升温速度可达104～106℃／s，使材料表面迅速达到奥氏体温度，原始珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织。由于激光超快速加热条件下过热度很大，相变驱动力很大，奥氏体形核数目急剧增加，而在快速加热条件下奥氏体晶粒来不及长大因此晶粒非常细小。随后经过自身热传递以106～108℃／s的冷却速度快速冷却，转变成非常细小的马氏体。图4－35为激光加热表面淬火示意图。

图4－35　激光热处理装置

激光热处理工艺参数主要是指激光输出功率P、光斑直径d（两者决定了功率密度）和扫描速度v（决定了激光与工件的作用时间），它们直接影响激光淬火层的深度、宽度、硬度、组织以及机械性能。图4－36为45钢激光热处理表面的马氏体组织。

图4－36　45钢激光热处理表面的马氏体组织(www.xing528.com)

2）应用

随着大功率CO2激光器的发展，用激光就可以实现各种形式的表面处理，许多汽车关键件，如缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、排气门、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以用激光热处理。美国通用汽车公司用十几台千瓦级CO2激光器，对转向器壳内壁局部硬化，日产3万套，提高工效四倍；我国采用大功率CO2激光器对汽车发动机缸孔内壁进行强化处理，可延长发动机大修里程至15万km以上；激光热处理过的缸体、缸套淬硬带的耐磨性大幅度提高，未淬硬带可增加储油，改善润滑性能。

缸体激光热处理设备及生产线激光涂覆与激光合金化工艺相似，但不同的是另外加入合金，使金属表面熔化随即冷却凝固，从而得到细微的接近均匀的表层组织，对于某些共晶合金，还可以得到非晶态表层，具有极好的耐腐蚀性能，例如，在柴油发动机铸铁阀座上进行铬基表面涂覆，可获得良好的不锈钢表面。

3）特点

高速加热、高速冷却获得的组织细密，硬度高、耐磨性好；淬火部位可获得较大的残余压应力，有助于提高疲劳强度；还可以进行局部选择性淬火，通过对多光斑尺寸的控制，更能进行其他热处理方法无法胜任的不通孔、深沟、微区、夹角和刀具刃口等局部区域的硬化处理；但是激光的高能量也容易造成表面的局部熔化，这不仅没有提高结构件的表面质量，而且可能造成结构件的损坏。激光可以远距离的传送，可以实现一台激光器多工作台同时使用，采用计算机编程实现对激光热处理工艺过程的控制与管理，可实现生产过程的自动化。如表4－5所示为低碳钢和高碳钢在普通热处理和激光热处理两种情况下的硬度对比：

表4－5　低碳钢和高碳钢的硬度对比