金屬熱處理工藝：激光淬火原理圖以及其應(yīng)用
激光淬火
激光淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束進(jìn)射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點(diǎn)以上，當(dāng)激光移開(kāi)后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使受熱表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的表面相變硬化。如大型軋輥表面激光熔凝淬火的最大淬硬層深度可以達(dá)到2毫米以上。具有加熱速度快、所得組織細(xì)密、淬硬性高、不變形等特點(diǎn)，并且技術(shù)適用性廣，不受感應(yīng)器制作難度的限制。
激光表面淬火工藝研究
一、激光表面淬火原理
激光表面淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束作為熱源照射在待處理工件表面，使其需要硬化部位溫度瞬間急劇上升而形成奧氏體，隨后經(jīng)快速冷卻獲得晶粒細(xì)的馬氏體或其他組織的淬硬層過(guò)程的熱處理加工技術(shù)。
二、激光表面淬火技術(shù)特點(diǎn)
激光淬火和工廠現(xiàn)有的中高頻淬火、滲碳淬火相比，有以下特點(diǎn)：
第一，功率密度高、加熱速度極快，零件變形極小。
第二，可以對(duì)形狀復(fù)雜零件進(jìn)行處理或局部處理，也可根據(jù)需要在同一零件的不同部位進(jìn)行不同的處理。
第三，通用性強(qiáng)。
第四，對(duì)于某些淬火溫度較高的不銹鋼零件，其淬火溫度和熔點(diǎn)溫度很接近，在使用感應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)品局部表面淬火時(shí)很容易燒傷夾角或不規(guī)則部位，導(dǎo)致零件報(bào)廢，而激光表面淬火則不受此限。
第五，激光淬火冷卻速度快。
第六，表面淬硬層組織細(xì)，硬度高，耐磨性好，能滿(mǎn)足淬硬層深度較淺(一般在0.3~2.0mm)表面淬火產(chǎn)品。
三、工藝參數(shù)及其相互關(guān)系
激光表面淬火是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的快速加熱、快速冷卻的淬火過(guò)程。激光淬硬層的尺寸參數(shù)(淬硬層寬度、淬硬層深度、表面粗糙度)和性能參數(shù)(表面硬度、耐磨性、組織變化)取決于激光功率密度(激光功率、光斑尺寸)、掃描速度、材料的特性(成分、原始狀態(tài))和材料表面預(yù)處理情況等，同時(shí)也與被處理零件的幾何形狀和尺寸以及激光作用區(qū)的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。
另外，還應(yīng)考慮各參數(shù)值的選擇范圍，D不能過(guò)大，V不能過(guò)小，以免冷卻速度過(guò)低，不能實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。反之，當(dāng)激光輸出功率過(guò)大時(shí)，容易造成表面熔化，影響表面的幾何形狀。
四、激光表面淬火掃描方式
激光淬火的掃描方式有圓形或矩形光斑的窄帶掃描和線形光斑的寬帶掃描。
五、激光表面淬火區(qū)預(yù)處理
在產(chǎn)品激光淬火前，因?yàn)楣ぜ砻娲植诙戎岛苄?，在淬火中?huì)嚴(yán)重影響材料表面對(duì)激光光能的吸收率，所以，在激光淬火前需要對(duì)待處理工件表面進(jìn)行預(yù)處理。
表1 常用黑化處理方法
缸筒局部淬火應(yīng)用情況
缸筒材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMoV，熱處理技術(shù)要求：
①外徑φ100.14mm±0.05mm處硬度≥50HRC，淬硬層深度(淬硬層深度定義為從表面以下硬度在35HRC以上的厚度)1～1.5mm。
②表面不可有熔化、裂紋、變形等缺陷。
③產(chǎn)品表面不可碰劃傷。缸筒外形形狀及尺寸如圖2所示。
圖2 缸筒外形形狀及尺寸
1.設(shè)備名稱(chēng)
激光多功能加工系統(tǒng)，設(shè)備型號(hào)為RC-LMS-4000-D-R。
2.激光淬火前準(zhǔn)備
清洗缸筒工件表面的油污、雜質(zhì)等，并確保激光淬火部位表面外觀質(zhì)量;缸筒激光淬火部位光潔度較高，表面均勻涂上SiO2激光吸光涂料，減小缸筒表面激光的發(fā)射來(lái)保證激光的吸收率;缸筒激光淬火前烘干涂層，為后續(xù)激光淬火做準(zhǔn)備;檢驗(yàn)設(shè)備的工作狀態(tài)，保證淬火過(guò)程中設(shè)備的正常運(yùn)行。
3.選定工藝參數(shù)
所使用激光加工系統(tǒng)為半導(dǎo)體激光器。工藝參數(shù)選擇為：最大輸出功率P=4kW，掃描速度V=25mm/s，光斑寬度B=10mm。
4.激光表面淬火后淬硬區(qū)的硬度
將激光表面淬火過(guò)的試樣，沿掃描中心帶切開(kāi)，制備金相試樣。用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試(載荷：200gf，保載時(shí)間10s)。經(jīng)激光表面淬火區(qū)硬度測(cè)試后，激光表面淬火硬度與深度關(guān)系如表2所示。
表2 激光表面淬火硬度與深度關(guān)系
5.缸筒表面外觀質(zhì)量
激光表面淬火后，缸筒淬火區(qū)無(wú)明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，表面粗糙度值較低，經(jīng)磁粉無(wú)損檢測(cè)后表面無(wú)微小裂紋現(xiàn)象。
激光淬火中存在的主要問(wèn)題及改進(jìn)措施
1.激光淬火生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題
出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是光斑功率密度及激光不均勻性影響淬火工藝的穩(wěn)定性;光斑形狀對(duì)淬硬層均勻性的影響;激光表面淬火中大面積淬硬層難以保證;工件初始狀態(tài)對(duì)激光淬火質(zhì)量的影響。
2.提高激光淬火生產(chǎn)的一些改進(jìn)措施
1）.必須優(yōu)化控制淬火過(guò)程中的各種因素來(lái)保證激光淬火工藝的穩(wěn)定性。
2）.將影響因素預(yù)先輸入智能監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程系統(tǒng)。
3）.操作人員根據(jù)智能系統(tǒng)控制中心顯示的各種參數(shù)變化規(guī)律信息，來(lái)實(shí)時(shí)控制激光器、光學(xué)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)的準(zhǔn)確運(yùn)行，從而完成淬火的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)激光表面淬火產(chǎn)品高質(zhì)量的目的。如圖3所示。
圖3 激光淬火過(guò)程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)
結(jié)語(yǔ)
目前，還處于上升階段。激光淬火現(xiàn)已成功地應(yīng)用到冶金行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、石油化工行業(yè)中易損件的表面強(qiáng)化，特別是在提高軋輥、導(dǎo)衛(wèi)、齒輪、剪刀等易損件的使用壽命方面，效果顯著，取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。近年來(lái)，在模具、齒輪等零部件表面強(qiáng)化方面也得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在形狀較為復(fù)雜的工件中仍存在一些問(wèn)題。但是，激光淬火是一新型的熱處理前沿技術(shù)，往后還要不斷地對(duì)激光淬火技術(shù)進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
來(lái)源：《金屬加工(熱加工)》雜志
作者：甄延波、程良、常森、岳佳宏、李玲、孟璇
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