激光硬化是對金屬零件表麵快速地進行局部淬火的一種高新技術。這種工藝方法用於(yu) 強化零件的表麵，可以顯著地提高金屬材料及零件的表麵硬度、耐磨性、耐蝕性、疲勞性能及強度和高溫性能；同時可使零件心部保持良好的韌性，以使零件的力學性能具有耐磨性好、衝(chong) 擊韌性高、疲勞強度高的特點。激光硬化可以提高產(chan) 品的服役能力和成倍地延長其使用壽命，具有顯著的經濟特點，現已廣泛地應用於(yu) 齒輪、模具、發動機缸套、軋輥、曲軸等行業(ye) 。

根據激光與(yu) 材料相互作用時激光能量密度的不同，激光硬化一般分為(wei) 3種工藝：激光相變硬化（功率密度為(wei) 104～105W/cm2）、激光熔化凝固硬化（功率密度為(wei) 105～107W/cm2）、激光衝(chong) 擊硬化（功率密度為(wei) 108W/cm2以上）。目前，在國內(nei) 工業(ye) 界應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麵溫度以極快的速度（104～109℃/s）升到高於(yu) 相變點（對鋼件而言：Ac1或Ac3）而低於(yu) 熔化溫度，當激光束離開被照射部位時，由於(yu) 熱傳(chuan) 導的作用，處於(yu) 冷態的基體(ti) 以104～106℃/s的冷卻速度極快地對所加熱的表麵進行自冷淬火，從(cong) 而實現零件表麵的相變淬火硬化。

二、激光表麵硬化比常規硬化處理的優(you) 勢

激光表麵硬化處理適用於(yu) 常規硬化處理（滲碳和碳氮共滲淬火、氮化及高中頻感應淬火等）所不能完成或難於(yu) 實現的某些零件及其局部位置的表麵強化處理，概括起來有以下主要特點：

（1）金屬材料零件表麵的高速加熱與(yu) 快速冷卻，有利於(yu) 提高掃描速度和提高生產(chan) 效率。

（2）激光硬化依靠熱量由表至裏的熱傳(chuan) 導進行自冷淬火，無須冷卻介質和相關(guan) 配套裝置，生產(chan) 成本極低，且對環境無汙染。

（3）激光表麵硬化處理後的零件表麵硬度高，比常規淬火硬度提高15%~20%；同時可獲得極細的硬化層組織，硬化層深度通常為(wei) 0.3～0.5mm，若采用更大功率的激光器，其硬化層深度可達1mm左右。

（4）激光硬化的熱影響區小，淬火應力及變形小，工件熱變形可由加工工藝控製到極小的程度，後續加工餘(yu) 量小。有些工件經激光處理後，甚至可直接投入使用。

（5）激光束的能量可連續調整，並且沒有慣性，配合數控係統，可以實現柔性加工。可以對形狀複雜的零件和其它常規方法難以處理的零件進行局部硬化處理，也可以在零件的不同部位進行不同的激光硬化處理。

（6）采用激光硬化，可在零件表麵形成細小均勻、層深可控、含有多種介穩相和金屬間化合物的高質量表麵強化層。可大幅度提高表麵硬度、耐磨性和抗接觸疲勞的能力以及製備特殊的耐腐蝕功能的表層。

（7）配有計算機控製的多維空間運動工作台的現代大功率激光器，特別適用於(yu) 生產(chan) 率高的機械化、自動化生產(chan) 。

（8）激光是一種清潔的綠色能源，生產(chan) 效率高，加工質量穩定可靠、成本低，經濟效益和社會(hui) 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(yu) 材料相互作用的幾個(ge) 階段激光硬化時，根據激光輻照作用的強度和持續的時間，將激光與(yu) 材料的相互作用分為(wei) 以下幾個(ge) 階段：①導光：把激光輻照引向材料。②吸收塗層預處理、熱傳(chuan) 導：吸收激光能量並把光能傳(chuan) 給材料。③光能轉變為(wei) 熱能：將零件快速加熱及快速冷卻。
（2）激光作用時的表麵溫度、時間和硬化層深度的簡便估算激光光束垂直照射到金屬表麵上，t時刻射在表麵上光斑中心z軸上一點的溫度用T0，t表示：

式中 r——金屬表麵反射率；

P——激光功率（W）；

α——激光光斑半徑（m）；

k——係數；

t——激光作用時間（s）。

對於(yu) 碳素或合金結構鋼，其硬化層深度（金屬加熱到900℃的那層深度）z為(wei) ：

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間t。

（3）激光硬化工藝參數與(yu) 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麵上光斑尺寸D等是激光硬化處理的主要工藝參數，其3個(ge) 工藝參數對激光硬化層深度的影響作用如下：

因此，在製定激光硬化工藝參數時，首先應確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。

2.激光硬化熱處理裝置係統簡介激光硬化熱處理裝置係統主要有激光器係統（激光器、激光功率監測、激光功率反饋裝置等）、導光係統（光路轉折調整機構）和微機控製淬火機床，其工作係統分布如圖1所示。

圖1 激光硬化熱處理裝置係統示意圖

四、激光相變硬化後金屬材料的組織與(yu) 性能

1.激光硬化後金屬材料顯微組織的主要特點激光硬化後在金屬材料的硬化區組織中具有與(yu) 常規處理相同的組織結構，但由於(yu) 快速加熱和快速冷卻的作用，致使激光相變硬化後的硬化區的組織具有以下幾個(ge) 特點：

（1）組織的不均勻性。亞(ya) 共析鋼和過共析鋼中的不均勻性將導致保留鋼中的先共析相，即亞(ya) 共析鋼中的鐵素體(ti) 和過共析鋼中的滲碳體(ti) 。在同樣的冷卻速度條件下，奧氏體(ti) 中碳含量的不均勻性將導致低碳部分形成鐵素體(ti) -滲碳體(ti) ，其高碳部分卻可形成馬氏體(ti) 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(chan) 生大量的缺陷，減緩了再結晶過程，並且繼承了奧氏體(ti) 中的缺陷，從(cong) 而細化了亞(ya) 結構，提高了位錯密度，其幾種材料激光硬化前後的亞(ya) 結構特征如表1所示。

表1 幾種材料激光硬化前後的亞(ya) 結構特征

（3）激光硬化後金屬材料的晶粒度顯著細化。在超快速加熱的條件下，金屬材料的過熱度極高，造成相變驅動力△Gα→γ很大，從(cong) 而使奧氏體(ti) 的形核數目劇增；與(yu) 此同時，瞬時加熱後的超細奧氏體(ti) 晶粒來不及長大，隨後的超快速冷卻將其保留下來，可造成奧氏體(ti) 晶粒明顯細化，細化的奧氏體(ti) 晶粒在發生馬氏體(ti) 轉變時，轉化成細小的馬氏體(ti) 組織。幾種材料激光相變前後的晶粒度對比如表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晶粒度的大小有直接的影響。通常淬、回火的原始組織比調質或正火的原始組織具有更小的晶粒尺寸，增加掃描速度有利於(yu) 減小晶粒尺寸。

表2 幾種材料激光相變硬化前後的晶粒度對比

2.激光硬化後金屬材料的主要性能特點與(yu) 常規熱處理相比，因激光硬化後的顯微組織具有不同的特點，使其金屬材料的性能呈現出以下幾個(ge) 主要特點： （1）激光表麵硬化處理後的零件表麵硬度高，比常規淬火硬度提高15%~20%。
（2）提高材料或零件的表麵耐磨性。激光硬化與(yu) 常規熱處理耐磨性的對比如表3所示。

表3 激光硬化與(yu) 常規熱處理的耐磨性對比

（3）提高金屬材料的疲勞性能。因激光硬化處理可細化金屬材料的顯微組織、提高表麵硬度並具有殘餘(yu) 壓應力、可有效地提高金屬材料的疲勞性能。以40Cr鋼材料零件為(wei) 例，與(yu) 常規熱處理相比，其激光相變硬化後的疲勞壽命如表4所示。

表4 相同應力下的疲勞壽命對比

激光相變硬化後的顯微組織為(wei) 極細的板條馬氏體(ti) 和孿晶馬氏體(ti) ，由於(yu) 晶粒細化，使得在交變應力下不均勻滑移的程度減少，推遲了疲勞裂紋源的產(chan) 生。同時，隨著晶界數目的增多，使疲勞裂紋的擴展受到障礙，大大降低了裂紋的擴展速率。

另外，位於(yu) 馬氏體(ti) 板條間較多的殘餘(yu) 奧氏體(ti) 因產(chan) 生的塑性變形而鬆弛了裂紋尖端的應力集中，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製造中的應用優(you) 勢

1.激光表麵硬化技術在齒輪製造中的應用

（1）傳(chuan) 統工藝的弊病

常規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(you) 點在於(yu) 硬化層較深，可批量生產(chan) 。但由於(yu) 長時間高溫加熱齒輪，其內(nei) 部組織有長大趨勢，容易使齒麵產(chan) 生較大的變形和不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從(cong) 而影響齒輪的使用壽命。同時，常規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(cong) 而影響齒輪的使用壽命。
因此，減小齒麵的變形、縮短加工周期一直是齒輪齒麵硬化的關(guan) 鍵技術難題之一。而激光熱處理變形小、周期短、無汙染，為(wei) 解決(jue) 齒麵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、硬度穩定，在齒輪傳(chuan) 動齧合過程中的耐磨性強，其整體(ti) 的綜合性能良好。
（2）齒輪激光淬火工藝方法簡介

①表麵預處理塗層：為(wei) 了提高金屬表麵對激光的吸收率，在激光熱處理前需要對材料表麵進行表麵處理(黑化處理)，即在需要激光處理的金屬表麵塗上一層對激光有較高吸收能力的塗料。表麵預處理的方法包括磷化法、提高表麵粗糙度法、氧化法、噴（刷）塗料法、鍍膜法等多種方法，其中較為(wei) 常用的是噴（刷）塗料法。
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齒輪進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掃描，一次可掃描1個(ge) 齒麵。利用分齒運動轉動1個(ge) 齒距後激光束再掃描另外1個(ge) 齒麵，這樣逐個(ge) 進行掃描直至掃完整個(ge) 齒輪的所有齒麵。國內(nei) 大多采用單束寬帶激光對齒麵進行掃描，1次或2次掃描1個(ge) 齒麵，逐一分齒，當齒輪轉動1圈後，完成整個(ge) 齒輪同一側(ce) 齒麵的淬火工作。然後移動激光束（或齒輪）位置，用同樣方法完成齒輪的另一側(ce) 齒麵的淬火過程，如圖2所示。

圖2　軸向分齒掃描示意圖

（3）激光淬火與(yu) 常規方法處理齒輪的性能對比

激光淬火與(yu) 高頻及滲碳淬火的硬度和硬度梯度變化對比如圖3所示。

（a）激光與(yu) 高頻淬火

（b）激光與(yu) 滲碳淬火

圖3 激光淬火與(yu) 高頻及滲碳淬火的硬度變化曲線

圖3硬度曲線表明，齒輪經激光淬火後的表麵硬度高於(yu) 高頻及滲碳淬火，采用CNC控製，用激光掃描齒麵易實現全齒仿形淬火，硬化層的厚度及硬度均勻，且硬度高。
激光淬火與(yu) 滲碳淬火的點蝕疲勞壽命比較如圖4所示。

圖4 點蝕疲勞壽命比較

齒輪經激光強化後可在齒麵和齒根都產(chan) 生約640N/mm² 的殘餘(yu) 壓應力，且隻分布在有限的層深內(nei) ，它對提高齒輪的疲勞強度及壽命將起到較大的作用。

齒輪經激光淬火強化後的變形極小，不影響齒麵粗糙度，可作為(wei) 最後工序。激光淬火前後的變形實測值對比如表5所示。

表5 激光淬火前後齒輪的變形實測值對比 （μm）

對於(yu) 大多數精度等級為(wei) 6、7、8級的機械傳(chuan) 動齒輪，經激光淬火後，其變形量極小，沒有使原精度等級下降。齒輪經激光淬火後無需磨齒，可直接裝機使用。同時齒輪非處理部位無需作防護處理，能耗小，無環境汙染。
（4）齒輪激光淬火比傳(chuan) 統工藝方法的優(you) 勢

與(yu) 傳(chuan) 統常規熱處理工藝方法（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的優(you) 勢，其對比優(you) 勢如表6所示。

表6 齒輪激光淬火與(yu) 傳(chuan) 統工藝方法的對比

2. 激光表麵硬化技術在模具製造中的應用優(you) 勢

①用抵檔模具鋼或鑄鐵替代高檔模具鋼；用國產(chan) 模具鋼替代進口模具鋼。
②改變模具使用方式，增強性修複（再製造工程），降低模具製造成本。
③集設計、材料選擇、製模、檢驗、修複等技術於(yu) 一體(ti) ，大幅度縮短設計製造周期，降低生產(chan) 成本。基於(yu) 模具激光表麵硬化技術的激光模具製造，無論是技術性、經濟性及服務性，都是現有傳(chuan) 統技術所無法比擬的。