作者：金榮植，特邀專(zhuan) 家

來源：《金屬加工（熱加工）》雜誌，江蘇激光聯盟陳長軍(jun) 轉載

目前，隨著高精密加工中心（MC）、數控機床（CNC機床）、柔性加工單元（FMC車床）等的日益應用，對機床零件的加工精度、尺寸精度保持性及使用壽命要求進一步提高，先進的激光淬火等技術的應用，可使機床零件（如導軌、齒輪、主軸等）的質量得到很大提高。

激光淬火技術

（1）激光淬火（LHT）及其特點

隨著20世紀70年代中期大功率激光器的問世並投入工業(ye) 生產(chan) ，激光加工技術得到迅速發展。激光淬火是其中研究最早、應用麵最廣、技術最為(wei) 成熟的激光表麵改性技術。圖1為(wei) 激光熱處理示意。

圖1 激光熱處理示意

激光淬火，又稱激光相變硬化，它是以功率密度＜104W/cm2的激光束輻照經預處理的工件，從(cong) 而使工件表麵以105~106℃/s加熱溫度迅速上升至相變點以上，在組織奧氏體(ti) 化、奧氏體(ti) 晶粒未來得及長大的情況下，一旦激光停止照射，通過基體(ti) 的自身熱傳(chuan) 導作用迅速冷卻（冷卻速度可達104~106℃/s），實現自激淬火，形成表麵相變硬化層。

與(yu) 普通淬火相比，激光淬火後淬硬層組織細化，硬度普遍提高15%~20%，耐磨性能提高1~10倍；淬火後表麵產(chan) 生約4000MPa的殘餘(yu) 壓應力，使表層強度及抗疲勞性能得到明顯改善；由於(yu) 激光加熱、淬火速度極快，硬化層薄（0.3~0.5mm），熱影響區小，故淬火畸變微小；因自冷淬火，無淬火冷卻介質的汙染。

（2）激光淬火適用範圍

激光淬火通常是對一些不要求整體(ti) 淬火，尺寸精度要求較高，或采用其他方法難以處理，以及形狀複雜或需進一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表麵硬化處理。

（3）激光淬火設備

通常包括產(chan) 生激光束的激光器（CO2激光器、YAG激光器），引導光束傳(chuan) 輸的導光聚焦係統（光閘、可見光同軸瞄準、光束傳(chuan) 輸及轉向、聚焦等裝置），承載工件並使其運動的激光加工機（二維、多維的自動或數控加工機床等），以及其他輔助裝置（屏蔽裝置、對準裝置等）。

（4）激光淬火材料

激光淬火常用材料見表1。

表1 激光淬火常用材料

（5）表麵預處理

為(wei) 增強工件對激光輻射能量的吸收，在激光淬火前需在其表麵形成一層對激光有較高吸收能力的覆層，一般采用磷化處理或塗覆含有各種吸光物質的塗料（如粒度＜1μm細石墨粉+丙烯酸樹脂+雲(yun) 母粉+丙酮；磷酸錳或磷酸鋅+磷酸；碳素墨水+磷酸錳）。

（6）激光淬火工藝參數（見表2）。

表2 激光淬火工藝參數

項目

要求

激光器功率/kW

0.1~10

光斑功率密度/（W·cm-2）

1000~10000，常用1000~6000

掃描速度/（mm·min-1）

300~750

光束擺動寬度/ mm

5~20

光束射入角度（°）

＜45

搭接係數

5%~20%

（7）幾種材料激光淬火工藝參數及效果（見表3）。

表3 幾種材料激光淬火工藝參數及效果

（8）幾種材料的激光淬火層組織（見表4）。

表4 幾種材料的激光淬火層組織

（9）激光淬火質量要求及檢測

按GB/T18683—2002《鋼鐵件激光表麵淬火》標準執行。

激光淬火技術在機床零件上的應用

1.數控機床電主軸激光淬火技術應用

實例 數控機床電主軸（見圖2），主軸轉速8~10× 10 5r/min，材料為(wei) 40Cr鋼，先進行調質處理，激光淬火後的安裝軸承處及主要表麵硬度為(wei) 52~56HRC。

圖2 數控機床主軸簡圖

（1）主軸及隨機附帶4個(ge) 試樣，試樣直徑80mm，壁厚20mm，兩(liang) 端磨平。在采用CO2激光器進行激光硬化前，分別在主軸和試樣表麵上塗覆一層特別塗料，以增加對激光的吸收。

（2）用5kW的C O 2橫流式激光器對主軸及試樣進行激光淬火，其輸出功率P＝1800~2000W，掃描速度v＝5mm/s，機床轉速n＝30r/min，掃描寬度2~3.5mm。並采用微機控製淬火機床（工作台），配備靈活通用的工裝夾具，固定淬火工件作平行移動、轉動或合成運動。圖3為(wei) 機床主軸激光淬火示意。

圖3 機床主軸激光淬火示意

（3）激光淬火化後的主軸及試樣檢驗 淬硬層深度0.5~1.2mm；表麵淬火硬度60~66HRC；組織為(wei) 最外層極細馬氏體(ti) +少量殘留奧氏體(ti) ，過渡層馬氏體(ti) +鐵素體(ti) +滲碳體(ti) ，內(nei) 層為(wei) 原始組織，即回火索氏體(ti) 。

表5為(wei) 40Cr鋼激光淬火與(yu) 常規熱處理後相對耐磨性比較。圖4為(wei) 40Cr鋼激光淬火與(yu) 調質處理耐磨性比較。通過結果可知，機床主軸經激光淬火後，主軸磨損量比普通的40Cr鋼調質處理的磨量少77%~79%。

表5 40Cr鋼激光淬火與(yu) 常規熱處理後相對耐磨性比較

處理方法

硬度HRC

相對耐磨性

對磨材料

調質

54~60

0.98

鑄鐵

調質 + 激光淬火

60~66

1.78

鑄鐵

圖4 40Cr鋼激光淬火與(yu) 調質處理耐磨性比較

2.數控機床鑲鋼導軌的激光淬火技術應用

實例 數控機床鑲鋼導軌，材料為(wei) 45鋼，要求激光淬火。

（1）預備熱處理

導軌經鍛造後，進行常規的正火及調質處理，以細化晶粒，改善組織結構，降低內(nei) 應力，並為(wei) 後續激光淬火做好組織準備。

（2）激光淬火設備及工藝參數

采用國產(chan) 31.5kW二氧化碳激光器及激光加工機床，激光輸出功率P＝900W，光斑直徑為(wei) 4mm，離焦量d＝240mm，掃描速度v＝10m/s。

經上述工藝處理後的導軌，淬火區淬硬層深度為(wei) 0.58mm，硬化帶寬為(wei) 4.47mm，硬化層組織為(wei) 細針狀馬氏體(ti) +部分殘留奧氏體(ti) ，表麵硬度為(wei) 724~797HV0.1，相當於(yu) 61~64HRC。

（3）磨損試驗

磨損試驗結果表明，當激光掃描淬火花紋為(wei) 45°斜線（與(yu) 導軌棱邊成45°斜線，見圖5），（棱形）硬化麵積為(wei) 40%時，導軌耐磨性高。

圖5 激光掃描淬火花紋示意

（4）導軌畸變

導軌采用上述激光淬火花紋、硬化麵積及激光淬火工藝參數，在如圖6所示的機床導軌的四個(ge) 麵均進行相同條件的激光淬火處理。激光淬火最大畸變（中間位置）－0.11mm（經低溫時效），而整體(ti) 淬火最大畸變（中間位置）0.20mm。結果表明，導軌經激光淬火後的畸變遠小於(yu) 整體(ti) 淬火或感應淬火。

圖6 數控機床導軌示意

3.機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環的激光淬火技術應用

機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環等經激光淬火後，其質量明顯優(you) 於(yu) 普通鹽浴或感應淬火，解決(jue) 了聯結爪部工作麵硬度低、卡爪內(nei) 側(ce) 畸變大，花鍵套鍵側(ce) 麵硬度低、內(nei) 孔畸變超差、小孔處開裂，磁軛和齒環滲碳淬火畸變大、發生斷齒、兩(liang) 者齧合不良、傳(chuan) 遞力矩不足及發生打滑等缺陷。

實例1 電磁離合器聯結（見圖7），材料為(wei) 45鋼，技術要求：硬度≥55HRC，淬硬層深度≥0.3mm，爪部直徑畸變≤0.1mm，硬化麵積≥80%。

圖7 電磁離合器聯結

（1）工藝流程

全部機械加工後，在數控激光熱處理機上自動進行六個(ge) 爪的12個(ge) 側(ce) 麵激光掃描淬火。

（2）激光淬火工藝

激光輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1000mm/min，生產(chan) 節拍t＝45s/件。

（3）檢驗結果

硬度為(wei) 57~60HRC，淬硬層深度0.3~0.6mm，直徑畸變≤±0.03mm，爪側(ce) 麵100%淬硬。

實例2 花鍵套（見圖8），材料為(wei) 45鋼，技術要求：硬度≥55HRC，個(ge) 別點允許≥50HRC，淬硬層深度≥0.3mm，內(nei) 徑畸變≤0.05mm，硬化麵積≥80%。

圖8 花鍵套

（1）工藝流程

全部機械加工後，在數控激光熱處理機上自動進行六個(ge) 花鍵的12個(ge) 側(ce) 麵激光掃描淬火。

（2）激光淬火工藝

激光輸出功率P＝1000W，透鏡焦距f＝350mm，離焦量d＝59mm，掃描速度v＝1200mm/min。

（3）檢驗結果

硬度為(wei) 55~63HRC，淬硬層深度0.3~0.5mm，直徑畸變為(wei) 0~0.03mm。

實例3 機床牙嵌電磁離合器上磁軛及齒環（見圖9），材料為(wei) 20、45、20CrMnTi、42CrMo鋼，要求激光淬火。

圖9 牙嵌式電磁離合器的磁軛和齒環

（1）設備

使用激光淬火設備是由數控激光熱處理機和C O 2激光器組成。數控激光熱處理機使用日本數控係統，淬火全過程均由微機控製完成。淬火機床最高運動速度為(wei) 100m/min。

激光器采用橫流連續C O 2激光器。輸出模式為(wei) 高階模，輸出額定功率1500W，最大輸出功率2000W，輸出光斑直徑為(wei) 25mm。

（2）工裝夾具

設計牙嵌電磁離合器上磁軛和齒環工裝夾具。

1）數控分度轉台。由定位控製板、速度控製單元、直流伺服電機與(yu) 立臥式回轉工作台組成。整個(ge) 加工過程實現了程序化、自動化。

2）永磁式卡盤及胎具的設計。為(wei) 了便於(yu) 磁軛及齒環的裝卡，設計並製造永磁式卡盤。

（3）齒環的激光淬火

齒環齒高0.6mm，齒頂寬0.8mm，齒底寬0.4mm。為(wei) 保證齒頂與(yu) 齒底吸收激光光束效率保持一致性，采用加熱噴塗工藝，使齒部激光淬火專(zhuan) 用塗料的塗層厚度保持一致。

采用激光圓環形光束技術，圓環形光斑額定直徑為(wei) 8mm，環帶額定寬度為(wei) 2mm，以獲得均勻的圓環層深度。

針對齒部設計一套環形光斑淬火通道，避免工件表麵熔化，縮小齒部兩(liang) 側(ce) 加熱的不均勻性，保證齒間齒根部淬硬帶的連貫性。

表6為(wei) 幾種材料的激光淬火工藝參數與(yu) 結果。

表6 幾種材料的激光淬火工藝參數與(yu) 結果

注：掃描速度是指激光淬火時工件旋轉時齒中心的線速度。

（4）典型應用

牙嵌的磁離合器，基體(ti) 厚度7mm，外徑116mm，齒高0.45mm，整個(ge) 齒寬為(wei) 8mm，在齒部中間有銅材。原采用高頻淬火方法，因工件較薄（厚度7mm），工件畸變較大，最大畸變量達0.5mm，齒部齧合麵積僅(jin) 達到30%，且齒部脆性高、打滑等現象嚴(yan) 重，扭矩達不到技術要求。

改用激光淬火，排除了因銅材與(yu) 42CrMo鋼兩(liang) 種材料吸光率不同造成對淬火效果的影響，激光淬火後的金相組織為(wei) 針狀馬氏體(ti) 和部分板條狀馬氏體(ti) ，解決(jue) 了淬硬層差、齒頂熔化、畸變大等問題，獲得了良好的淬火效果。

4.齒輪的激光淬火技術應用

我國從(cong) 20世紀80年代就開始齒輪激光淬火的研究，同時研製出了多種激光淬火設備，通過多年的發展和成功實踐，克服了傳(chuan) 統熱處理的一些缺點，達到齒輪成本與(yu) 表麵高性能、微畸變的最佳組合，現已成為(wei) 一項實用並極有發展前景的新型表麵強化技術。

（1）齒輪激光設備

橫流C O 2激光器1台，專(zhuan) 用配套冷水機組1套，數控加工機床1台，光路係統1套。圖10為(wei) 齒輪激光淬火。

圖10 齒輪激光淬火

（2）齒輪的激光淬火技術應用實例。

實例 齒輪，材料為(wei) 30CrMnTi鋼，齒麵激光淬火後要求：齒麵畸變小，表麵光潔，不需磨齒。

1）齒麵激光淬火工藝參數（見表7）。

表7 齒麵激光淬火工藝參數

工藝參數

強化齒頂部

強化齒根部

激光輸出功率/W

1000

1020

光斑直徑/mm

4.2

4.2

光斑移動速度/mm·s-1

20

20

入射角（°）

80

62

透鏡焦距/mm

112

112

齒麵離焦量/mm

8

8

激光器真空度/kPa

13.33

13.33

2）檢驗。齒麵激光淬火後，表層組織由索氏體(ti) 轉變為(wei) 細密的針狀馬氏體(ti) ，硬度在870HV左右。硬化層深度約0.6~0.7mm。齒麵接觸疲勞極限由淬火前的1024MPa提高至1323MPa，強化效果明顯。