編者按

前段時(shí)間調(diào)研時(shí)，有讀者提出增加一些激光表面處理的文章，最近在整理過往文章時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)陳希原高工9年前在《金屬加工》上發(fā)表過一篇比較全面的介紹激光硬化的文章，降雪將至，拿來溫習(xí)一番依然能了解不少知識(shí)。

激光硬化是對(duì)金屬零件表面快速地進(jìn)行局部淬火的一種高新技術(shù)。這種工藝方法用于強(qiáng)化零件的表面，可以顯著地提高金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性、疲勞性能及強(qiáng)度和高溫性能；同時(shí)可使零件心部保持良好的韌性，以使零件的力學(xué)性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)。激光硬化可以提高產(chǎn)品的服役能力和成倍地延長其使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于齒輪、模具、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、軋輥、曲軸等行業(yè)。

根據(jù)激光與材料相互作用時(shí)激光能量密度的不同，激光硬化一般分為3種工藝：激光相變硬化（功率密度為104～105W/cm2）、激光熔化凝固硬化（功率密度為105～107W/cm2）、激光沖擊硬化（功率密度為108W/cm2以上）。目前，在國內(nèi)工業(yè)界應(yīng)用較多的是激光相變硬化。

一、激光相變硬化的原理簡介

激光相變硬化是以高能量（104～105W/cm2）的激光束快速地掃描工件，使被照射的金屬材料零件表面溫度以極快的速度（104～109℃/s）升到高于相變點(diǎn)（對(duì)鋼件而言：Ac1或Ac3）而低于熔化溫度，當(dāng)激光束離開被照射部位時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，處于冷態(tài)的基體以104～106℃/s的冷卻速度極快地對(duì)所加熱的表面進(jìn)行自冷淬火，從而實(shí)現(xiàn)零件表面的相變淬火硬化。

二、激光表面硬化比常規(guī)硬化處理的優(yōu)勢

激光表面硬化處理適用于常規(guī)硬化處理（滲碳和碳氮共滲淬火、氮化及高中頻感應(yīng)淬火等）所不能完成或難于實(shí)現(xiàn)的某些零件及其局部位置的表面強(qiáng)化處理，概括起來有以下主要特點(diǎn)：

（1）金屬材料零件表面的高速加熱與快速冷卻，有利于提高掃描速度和提高生產(chǎn)效率。

（2）激光硬化依靠熱量由表至里的熱傳導(dǎo)進(jìn)行自冷淬火，無須冷卻介質(zhì)和相關(guān)配套裝置，生產(chǎn)成本極低，且對(duì)環(huán)境無污染。

（3）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規(guī)淬火硬度提高15%~20%；同時(shí)可獲得極細(xì)的硬化層組織，硬化層深度通常為0.3～0.5mm，若采用更大功率的激光器，其硬化層深度可達(dá)1mm左右。

（4）激光硬化的熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小，工件熱變形可由加工工藝控制到極小的程度，后續(xù)加工余量小。有些工件經(jīng)激光處理后，甚至可直接投入使用。

（5）激光束的能量可連續(xù)調(diào)整，并且沒有慣性，配合數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)柔性加工。可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件和其它常規(guī)方法難以處理的零件進(jìn)行局部硬化處理，也可以在零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。

（6）采用激光硬化，可在零件表面形成細(xì)小均勻、層深可控、含有多種介穩(wěn)相和金屬間化合物的高質(zhì)量表面強(qiáng)化層。可大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能的表層。

（7）配有計(jì)算機(jī)控制的多維空間運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的現(xiàn)代大功率激光器，特別適用于生產(chǎn)率高的機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)。

（8）激光是一種清潔的綠色能源，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。

三、激光硬化工藝及裝備簡介

1.激光相變硬化工藝簡介

（1）激光與材料相互作用的幾個(gè)階段

激光硬化時(shí)，根據(jù)激光輻照作用的強(qiáng)度和持續(xù)的時(shí)間，將激光與材料的相互作用分為以下幾個(gè)階段：①導(dǎo)光：把激光輻照引向材料。②吸收涂層預(yù)處理、熱傳導(dǎo)：吸收激光能量并把光能傳給材料。③光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽簩⒘慵焖偌訜峒翱焖倮鋮s。

（2）激光作用時(shí)的表面溫度、時(shí)間和硬化層深度的簡便估算

激光光束垂直照射到金屬表面上，t時(shí)刻射在表面上光斑中心z軸上一點(diǎn)的溫度用T0，t表示：

式中  r——金屬表面反射率；

P——激光功率（W）；

α——激光光斑半徑（m）；

k——系數(shù)；

t——激光作用時(shí)間（s）。

對(duì)于碳素或合金結(jié)構(gòu)鋼，其硬化層深度（金屬加熱到900℃的那層深度）z為：

若已知激光硬化層深度z，也可近似地估算出激光束作用的時(shí)間t。

（3）激光硬化工藝參數(shù)與硬化層深度

激光器的輸出功率P、掃描速度υ和作用在零件材料表面上光斑尺寸D等是激光硬化處理的主要工藝參數(shù)，其3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)激光硬化層深度的影響作用如下：

因此，在制定激光硬化工藝參數(shù)時(shí)，首先應(yīng)確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。

2.激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)簡介

激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)主要有激光器系統(tǒng)（激光器、激光功率監(jiān)測、激光功率反饋裝置等）、導(dǎo)光系統(tǒng)（光路轉(zhuǎn)折調(diào)整機(jī)構(gòu)）和微機(jī)控制淬火機(jī)床，其工作系統(tǒng)分布如圖1所示。

圖1  激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)示意圖

四、激光相變硬化后金屬材料的組織與性能

1.激光硬化后金屬材料顯微組織的主要特點(diǎn)

激光硬化后在金屬材料的硬化區(qū)組織中具有與常規(guī)處理相同的組織結(jié)構(gòu)，但由于快速加熱和快速冷卻的作用，致使激光相變硬化后的硬化區(qū)的組織具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）組織的不均勻性。亞共析鋼和過共析鋼中的不均勻性將導(dǎo)致保留鋼中的先共析相，即亞共析鋼中的鐵素體和過共析鋼中的滲碳體。在同樣的冷卻速度條件下，奧氏體中碳含量的不均勻性將導(dǎo)致低碳部分形成鐵素體-滲碳體，其高碳部分卻可形成馬氏體組織。

（2）激光相變硬化過程中的極大冷卻速度使金屬材料組織中產(chǎn)生大量的缺陷，減緩了再結(jié)晶過程，并且繼承了奧氏體中的缺陷，從而細(xì)化了亞結(jié)構(gòu)，提高了位錯(cuò)密度，其幾種材料激光硬化前后的亞結(jié)構(gòu)特征如表1所示。

表1 幾種材料激光硬化前后的亞結(jié)構(gòu)特征

（3）激光硬化后金屬材料的晶粒度顯著細(xì)化。在超快速加熱的條件下，金屬材料的過熱度極高，造成相變驅(qū)動(dòng)力△Gα→γ很大，從而使奧氏體的形核數(shù)目劇增；與此同時(shí)，瞬時(shí)加熱后的超細(xì)奧氏體晶粒來不及長大，隨后的超快速冷卻將其保留下來，可造成奧氏體晶粒明顯細(xì)化，細(xì)化的奧氏體晶粒在發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)化成細(xì)小的馬氏體組織。幾種材料激光相變前后的晶粒度對(duì)比如表2所示。

   另外，在激光相變硬化過程中，金屬材料不同的原始組織和掃描速度的變化對(duì)晶粒度的大小有直接的影響。通常淬、回火的原始組織比調(diào)質(zhì)或正火的原始組織具有更小的晶粒尺寸，增加掃描速度有利于減小晶粒尺寸。

表2  幾種材料激光相變硬化前后的晶粒度對(duì)比

2.激光硬化后金屬材料的主要性能特點(diǎn)

與常規(guī)熱處理相比，因激光硬化后的顯微組織具有不同的特點(diǎn)，使其金屬材料的性能呈現(xiàn)出以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

（1）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規(guī)淬火硬度提高15%~20%。

（2）提高材料或零件的表面耐磨性。激光硬化與常規(guī)熱處理耐磨性的對(duì)比如表3所示。

表3 激光硬化與常規(guī)熱處理的耐磨性對(duì)比

（3）提高金屬材料的疲勞性能。因激光硬化處理可細(xì)化金屬材料的顯微組織、提高表面硬度并具有殘余壓應(yīng)力、可有效地提高金屬材料的疲勞性能。以40Cr鋼材料零件為例，與常規(guī)熱處理相比，其激光相變硬化后的疲勞壽命如表4所示。

表4 相同應(yīng)力下的疲勞壽命對(duì)比

激光相變硬化后的顯微組織為極細(xì)的板條馬氏體和孿晶馬氏體，由于晶粒細(xì)化，使得在交變應(yīng)力下不均勻滑移的程度減少，推遲了疲勞裂紋源的產(chǎn)生。同時(shí)，隨著晶界數(shù)目的增多，使疲勞裂紋的擴(kuò)展受到障礙，大大降低了裂紋的擴(kuò)展速率。

另外，位于馬氏體板條間較多的殘余奧氏體因產(chǎn)生的塑性變形而松弛了裂紋尖端的應(yīng)力集中，而使裂紋尖端鈍化，延遲了裂紋的形成。

五、激光硬化在齒輪和模具制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.激光表面硬化技術(shù)在齒輪制造中的應(yīng)用

（1）傳統(tǒng)工藝的弊病

常規(guī)的熱處理工藝方法多采用高中頻淬火、滲碳、碳氮共滲、氮化等方法，其優(yōu)點(diǎn)在于硬化層較深，可批量生產(chǎn)。但由于長時(shí)間高溫加熱齒輪，其內(nèi)部組織有長大趨勢，容易使齒面產(chǎn)生較大的變形和不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從而影響齒輪的使用壽命。同時(shí)，常規(guī)工藝加工處理的周期很長，能源消耗很大。不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從而影響齒輪的使用壽命。

因此，減小齒面的變形、縮短加工周期一直是齒輪齒面硬化的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。而激光熱處理變形小、周期短、無污染，為解決齒面淬火變形提供了有效的途徑；且工藝簡單，加工速度快，淬硬層深度均勻、硬度穩(wěn)定，在齒輪傳動(dòng)嚙合過程中的耐磨性強(qiáng)，其整體的綜合性能良好。

（2）齒輪激光淬火工藝方法簡介

①表面預(yù)處理涂層：為了提高金屬表面對(duì)激光的吸收率，在激光熱處理前需要對(duì)材料表面進(jìn)行表面處理（黑化處理），即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對(duì)激光有較高吸收能力的涂料。表面預(yù)處理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴（刷）涂料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是噴（刷）涂料法。

②軸向分齒掃描：齒輪激光淬火軸向分齒掃描是利用寬帶激光束對(duì)齒輪進(jìn)行激光淬火的掃描方法。寬帶激光束掃描常采用多束光組成一寬帶，激光束沿齒輪軸向移動(dòng)掃描，一次可掃描1個(gè)齒面。利用分齒運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)齒距后激光束再掃描另外1個(gè)齒面，這樣逐個(gè)進(jìn)行掃描直至掃完整個(gè)齒輪的所有齒面。國內(nèi)大多采用單束寬帶激光對(duì)齒面進(jìn)行掃描，1次或2次掃描1個(gè)齒面，逐一分齒，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈后，完成整個(gè)齒輪同一側(cè)齒面的淬火工作。然后移動(dòng)激光束（或齒輪）位置，用同樣方法完成齒輪的另一側(cè)齒面的淬火過程，如圖2所示。

圖2　軸向分齒掃描示意圖

（3）激光淬火與常規(guī)方法處理齒輪的性能對(duì)比

激光淬火與高頻及滲碳淬火的硬度和硬度梯度變化對(duì)比如圖3所示。

（a）激光與高頻淬火

（b）激光與滲碳淬火

圖3  激光淬火與高頻及滲碳淬火的硬度變化曲線

圖3硬度曲線表明，齒輪經(jīng)激光淬火后的表面硬度高于高頻及滲碳淬火，采用CNC控制，用激光掃描齒面易實(shí)現(xiàn)全齒仿形淬火，硬化層的厚度及硬度均勻，且硬度高。

激光淬火與滲碳淬火的點(diǎn)蝕疲勞壽命比較如圖4所示。

圖4  點(diǎn)蝕疲勞壽命比較

齒輪經(jīng)激光強(qiáng)化后可在齒面和齒根都產(chǎn)生約640N/mm2 的殘余壓應(yīng)力，且只分布在有限的層深內(nèi)，它對(duì)提高齒輪的疲勞強(qiáng)度及壽命將起到較大的作用。

齒輪經(jīng)激光淬火強(qiáng)化后的變形極小，不影響齒面粗糙度，可作為最后工序。激光淬火前后的變形實(shí)測值對(duì)比如表5所示。

表5  激光淬火前后齒輪的變形實(shí)測值對(duì)比   （μm）

對(duì)于大多數(shù)精度等級(jí)為6、7、8級(jí)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪，經(jīng)激光淬火后，其變形量極小，沒有使原精度等級(jí)下降。齒輪經(jīng)激光淬火后無需磨齒，可直接裝機(jī)使用。同時(shí)齒輪非處理部位無需作防護(hù)處理，能耗小，無環(huán)境污染。

（4）齒輪激光淬火比傳統(tǒng)工藝方法的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)常規(guī)熱處理工藝方法（高中頻淬火、滲碳或碳氮共滲淬火、氮化等）相比，齒輪激光淬火具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，其對(duì)比優(yōu)勢如表6所示。

表6  齒輪激光淬火與傳統(tǒng)工藝方法的對(duì)比

2.激光表面硬化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

（1）應(yīng)用優(yōu)勢

①用抵檔模具鋼或鑄鐵替代高檔模具鋼；用國產(chǎn)模具鋼替代進(jìn)口模具鋼。

②改變模具使用方式，增強(qiáng)性修復(fù)（再制造工程），降低模具制造成本。

③集設(shè)計(jì)、材料選擇、制模、檢驗(yàn)、修復(fù)等技術(shù)于一體，大幅度縮短設(shè)計(jì)制造周期，降低生產(chǎn)成本。基于模具激光表面硬化技術(shù)的激光模具制造，無論是技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性及服務(wù)性，都是現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)所無法比擬的，其模具激光制造技術(shù)優(yōu)勢如表7所示。

表7  模具激光制造技術(shù)的優(yōu)勢

（2）應(yīng)用實(shí)例

實(shí)例一：生產(chǎn)SC6350微車縱梁前段厚板材拉延模一直是采用Cr12MoV材料制造，由12個(gè)鑲塊組合而成，由于鑲塊制造時(shí)的淬火變形較大，需要進(jìn)行二次加工，同時(shí)因鑲塊“接縫”處的影響，造成該模具的制造生產(chǎn)加工費(fèi)用高、周期長，零件易出現(xiàn)“拉燒”的現(xiàn)象，一直無法解決。

對(duì)模具表面進(jìn)行激光淬火處理，由原Cr12MoV等材料的12個(gè)鑲塊改用球墨鑄鐵QT600－2整體鑄造成型，對(duì)型面采用激光強(qiáng)化處理，其硬度達(dá)58～62HRC，淬火后模具無變形，只需對(duì)表面稍作打磨，即可投入使用。

與原制造工藝相比，模具采用激光處理后，其材料節(jié)約40%～60％，加工工時(shí)和刀具費(fèi)用降低30％，使用壽命大幅提高。

厚板材拉延模使零件“拉燒”的技術(shù)難題，在國際上均無很好的解決辦法。對(duì)厚板材拉延模具采用激光表面強(qiáng)化工藝處理，解決了零件“拉燒”等技術(shù)難題，提高了沖壓件的表面質(zhì)量和尺寸精度，達(dá)到厚板材拉延模的使用要求， 使其在模具設(shè)計(jì)上的材料選擇更加廣泛。

實(shí)例二：微車覆蓋沖壓件原使用灰口鑄鐵HT300，硬度僅有28～32HRC。模具使用時(shí)只沖壓幾十件甚至幾件就需進(jìn)行修模，嚴(yán)重影響了加工進(jìn)度和增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。

經(jīng)激光對(duì)模具型面進(jìn)行淬火強(qiáng)化處理后，硬度可達(dá)58HRC以上，大大提高了模具的使用壽命，連續(xù)沖壓5000個(gè)沖次換下模具檢查，無須“油光”仍可繼續(xù)再進(jìn)行沖壓。

六、結(jié)束語

光表面硬化工程技術(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)等多方面的成果與知識(shí)結(jié)合起來的高新技術(shù)。利用激光表面工程技術(shù)能使低等級(jí)材料實(shí)現(xiàn)高性能表面改性，達(dá)到零件制造低成本與工作表面高性能的最佳組合，為解決整體強(qiáng)化和其它表面強(qiáng)化手段難以克服的矛盾帶來了可能性，對(duì)重要構(gòu)件材質(zhì)與性能的選擇匹配、設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)生重要的有利影響，也創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。可以毫不夸張的說，激光熱處理幾乎可以解決金屬表面熱處理的所有問題，只是工藝要不斷的摸索、探討、實(shí)驗(yàn)。

激光熱處理已經(jīng)取得較好的應(yīng)用效果。可以預(yù)言，激光加工技術(shù)，特別是激光硬化熱處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用必將加速我國的激光產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。