利用高功率、高密度激光束(一般用104~105W/c㎡)对金属进行表面处理的方法称为激光热处理。激光热处理分为激光相变硬化(表面淬火、表面非晶化及表面重熔淬火)、激光表面合金化(表面敷层合金化、硬质粒子喷射合金化、气体合金化)等表面改性工程,产生其他表面加热淬火强化达不到的表面成分、组织及性能的改变。
激光热处理为高速加热、高速冷却,获得的组织细密、硬度高、耐磨性能好,淬火部位可获得大于3920MPa的残留应力,有助于提高疲劳性能。激光热处理可以进行局部选择性淬火,通过对光斑尺寸的控制,尤其适合其他热处理方法无法处理的不通孔、沉沟、微区、夹角、圆角和刀具刃部等局部区域的硬化。激光可以远距离传送,容易实现一台激光器供若干工作台同时或单独使用,易于采用计算机对
激光热处理工艺过程进行控制和管理,实现生产过程的自动化。此外,激光热处理具有耗电低、变形极小,不需冷却介质,速度快、效率高及无工业污染等优点。
激光热处理一般采用功率为千瓦级的连续工作的CO2激光,通常的激光热处理实验装置见图3-17。激光热处理的关键设备是激光器,目前工业中应用最多的是500W级纵向直流放电CO2激光器。其性能如下:额定输出功率为200~800W,光束直径为4mm,发散角小于2mrad。
利用激光照射事先经过黑化处理的工件表面,使表面薄层快速加热到相变温度以上(低于熔点),光束移开后通过自激冷却即可实现表面淬火硬化。用于激光表面淬火的功率密度为103~105W/c㎡。由于加热工件的表面温度及穿透深度均与激光照射持续时间的平方根成正比,因此当激光束功率及光斑尺寸确定后,通过改变激光束的扫描速率,就可以控制工件表面温度与加热层深度。
激光淬火的基本工艺参数包括激光器的输出功率、光斑尺寸、扫描速度(或工件移动速度)以及材料对光的吸收率等。
激光淬火钢件表层可获得极细的马氏体,合金钢硬化区组织为极细板条或针状马氏体、未溶碳化物及少量残留奥氏体,激光硬化区与基体交界区呈现复杂的多相组织。
激光表面淬火与高频及火焰表面加热淬火相比较,前者受热及冷却区域极小,因而畸变极小、残留应力小,且由于无氧化脱碳作用,淬火表面更加光亮洁净,从而可以在最终精加工工序以后进行。利用激光表面加热淬火可改善模具表面硬度、耐磨性、热稳定性、抗疲劳性和临界断裂韧度等力学性能,是提高模具寿命的有效途径之一。例如GCr15钢制轴承保持架冲孔用的冲孔凹模,经常规处理后的使用寿命为1.12万次,经激光处理后的寿命达2.8万次。GCr15钢制挤压孔边用的压坡模,经激光处理后,可连续冲压6000件,而按常规热处理工艺处理后,最高使用寿命为3000件。
如果在工件表面涂敷硬质合金粉末,即可实现表面合金化。激光加热的优点是工件无需置于真空。表3-41所列为45钢和42CrMo钢激光加热表面淬火的效果。
从表3-41可以看出,为了提高光能的吸收率,被加工金属表面必须施行黑化处理,最好的黑化方法是磷酸盐法。