金属材料的激光表面改性技术分类及应用探究

金属材料的激光表面改性技术是20世纪70年代中期发展起来的一项高新技术。激光具有高辐射亮度、高方向性和高单色性三大特点，它作为一种精密可控的高能量密度的热源，可实现材料表面的快速加热和冷却，其热影响区的范围很窄。若将激光束作用在金属表面上，选择合适的工艺参数，可对金属表面进行多种强化处理，能显著改善其表面性能，如提高金属表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能。

目前，金属的激光表面改性技术分类如图1-4所示。

图1-4　金属的激光表面改性技术

其中，激光表面相变硬化是目前应用最成功的激光表面改性技术，已经应用或正在开发的还有激光表面非晶化、熔覆、合金化和冲击硬化等。近年来，把其他金属表面涂层技术和激光相结合进行的表面改性，也获得了成功。本节仅论述相变硬化。

1.激光相变硬化工艺

激光相变硬化（也称激光表面淬火）为激光表面改性技术中研究最多、最为成熟、在生产中行之有效的一种技术。

它是利用高功率密度激光束扫描金属材料表面，材料表面吸收光束能量而迅速升温到相变点以上，然后移开激光束，热量从材料表面向内部传导发散而迅速冷却，从而实现快速自冷的淬火方式。

激光表面相变硬化层较浅，通常为0.3～0.5mm。采用4～5kW的大功率激光器，能使硬化层的深度达3mm。由于激光加热速度特别快，工件表面的相变是在很大过冷度下进行的，因而得到不均匀的奥氏体细晶粒，冷却后转变成隐晶或细针马氏体。

2.激光相变硬化的特点与应用

（1）特点

激光相变硬化主要应用于表面处理，与其他表面处理方法相比，有以下特点：(www.xing528.com)

①相变硬化层的硬度比常规淬火的硬度高15%以上，可显著提高钢的耐磨性。

②相变硬化层造成较大的压应力，有助于其疲劳强度的提高。

③仅对工件表层金属加热，耗能少，几乎不发生热变形，可以省去矫直及精磨等工序，便于进行精密件局部表面淬火。

④能进行内孔或沟槽的侧面及底部的淬火以及复杂工件表面局部淬火，而用其他方法很难解决。

⑤由于聚焦光束焦深相当大，可以容许工件表面有较大的平面度误差，便于进行花键轴及齿轮的淬火。

⑥硬化深度和面积可以得到精密控制。

⑦激光相变硬化除薄件外一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火剂，无公害。

⑧工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线内。

⑨由于金属对波长为16.6㎛的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率，须作表面涂层或其他处理。

（2）应用

激光相变硬化适用于多种铸铁、碳钢、低合金高强度钢、工具钢、高合金钢的淬火，特别适用于高精度零件的表面处理，尤其是体积较大、要求表面硬化面积小、整体淬火变形难以解决的零件，采用激光淬火效益最高。例如，汽车转向齿轮箱内壁、柴油机气缸套内壁、内燃机弹性联轴器主簧片激光淬火，机床电磁离合器连接件的激光淬火，梳棉机金属针激光淬火等。