本文我们一起来关注利用聚集后的激光束快速加热钢铁材料表面,使其发生相变形成马氏体淬硬层的热处理工改错为激光加热表面淬火。这种热处理与普通热处理相比,具有以下几个特点: ① 加热速度极快,工件热变形极小。由于激光功率密度高,加热速度可达1010℃/s,因而热影响区小,工件热变形小,劳动条件好。 ② 其冷却速度很高,在工件有足够质量前提下,冷速可达1023℃/s;不需冷却介质,靠热量由表向里的传导自动淬火。 ③ 由于激光束扫描(加热)面积很小,可十分精确地对形状复杂的工件(如有盲孔、小孔、小槽、薄壁零件等)进行处理或局部处理,也可根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。 ④ 能精确控制其加工条件,操作简单,可实现在线加工,也易于与计算机连接,便于实现自动化生产。 ⑤ 不需要加热介质,有利于环境保护;工件经激光淬火后表面硬度高(比普通淬火硬度值高15%~~20%)、疲劳强度高(表面具有4000Mpa以上的残余压应力)。 ⑥ 节省能源,并且工件表面清洁,处理后不需修磨,可作为工件精机械加工的最后一道工序。 其不足之处在于:只改变工件表面性能,但不能改善心部性能;不能用于重负荷工件,不适用于大件。 原理:用于热处理的激光淬火装置主要是CO2气体激光器,它所发生的激光波长为10.6μm,此波长具有很好的大气透过率,很多物质对此波长的辐射线具有一定吸收率;它具有输出功率大(20~~100kW)、效率高(可达20%~~40%)、持续工件时间长等优点。 激光加热金属主要是通过光子同金属材料表面的电子和声子的能量交换,使处理层材料温度升高,在10-7~~10-9s之内就能使作用深度内达到局部热平衡,在金属材料表面形成的这层高温“热层”继而又作为内部金属的加热热源,并以热传导方式进行传热。 激光加热表面淬火就是以高能量激光作为能源以极快速度加热工件并自冷淬火的工艺。其实质就是利用激光产生的热量对工件表面进行处理的过程,它是一种新型的热处理工艺技术。 应当注意事项的是激光加热表面淬火效果与材料表面的反射率、密度和热导率等密切相关,由于所有金属都是10.6μm波长和CO2激光的良好反射体,反射率可高达70%~80%,对于反射率高的材料,激光能量不能被充分,所以激光淬火前要对金属表面施加吸光涂层(黑化处理)以增加吸收率。常用的黑化方法,主要有磷化、氧化等,或在金属表面涂覆一层可大师吸收激光的涂料(如碳素墨汁、胶体石墨、粉状金属氧化物、黑色丙烯酸、氨基屏光漆等)。 工艺参数及应用:钢铁材料进行激光淬火的主要工艺参数为:激光束的功率(P,单位:W)、激光光斑直径(Db单位:mm)、激光束的扫描速度(σ单位:cm/s)等。当涂层材料和工件的化学成分一定时,改变激光束功率密度和激光束扫描速度,可获得不同硬化层深度(H单位:mm)、硬度值及组织等,以达到所需的力学性能。它们之间的关系如下: 硬化层的组织则与工件的化学成分有关。一般碳素钢的激光硬化层组织基本上是细针状马氏体;合金钢则为板条马氏体 碳化物 少量残余奥氏体等。激光硬化层与基体交界的过渡区组织极为复杂,呈多相状态。激光束未照射部位仍为原始金相组织。表1为几种常用钢材的激光淬火工艺参数与力学性能及组织的关系,表2为45号钢激光加热表面淬火后的效果比较。
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