作者：金榮植，特邀專家
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志，江蘇激光聯(lián)盟陳長軍轉(zhuǎn)載
目前，隨著高精密加工中心（MC）、數(shù)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(zhì)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并投入工業(yè)生產(chǎn)，激光加工技術得到迅速發(fā)展。激光淬火是其中研究最早、應用面最廣、技術最為成熟的激光表面改性技術。圖1為激光熱處理示意。
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(jīng)預處理的工件，從而使工件表面以105~106℃/s加熱溫度迅速上升至相變點以上，在組織奧氏體化、奧氏體晶粒未來得及長大的情況下，一旦激光停止照射，通過基體的自身熱傳導作用迅速冷卻（冷卻速度可達104~106℃/s），實現(xiàn)自激淬火，形成表面相變硬化層。
與普通淬火相比，激光淬火后淬硬層組織細化，硬度普遍提高15%~20%，耐磨性能提高1~10倍；淬火后表面產(chǎn)生約4000MPa的殘余壓應力，使表層強度及抗疲勞性能得到明顯改善；由于激光加熱、淬火速度極快，硬化層薄（0.3~0.5mm），熱影響區(qū)小，故淬火畸變微??；因自冷淬火，無淬火冷卻介質(zhì)的污染。
（2）激光淬火適用范圍
激光淬火通常是對一些不要求整體淬火，尺寸精度要求較高，或采用其他方法難以處理，以及形狀復雜或需進一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表面硬化處理。
（3）激光淬火設備
通常包括產(chǎn)生激光束的激光器（CO2激光器、YAG激光器），引導光束傳輸?shù)膶Ч饩劢瓜到y(tǒng)（光閘、可見光同軸瞄準、光束傳輸及轉(zhuǎn)向、聚焦等裝置），承載工件并使其運動的激光加工機（二維、多維的自動或數(shù)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）表面預處理
為增強工件對激光輻射能量的吸收，在激光淬火前需在其表面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涂覆含有各種吸光物質(zhì)的涂料（如粒度＜1μm細石墨粉+丙烯酸樹脂+云母粉+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(shù)（見表2）。
表2 激光淬火工藝參數(shù)
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
搭接系數(shù)
5%~20%
（7）幾種材料激光淬火工藝參數(shù)及效果（見表3）。
表3 幾種材料激光淬火工藝參數(shù)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(zhì)量要求及檢測
按GB/T18683—2002《鋼鐵件激光表面淬火》標準執(zhí)行。
激光淬火技術在機床零件上的應用
1.數(shù)控機床電主軸激光淬火技術應用
實例 數(shù)控機床電主軸（見圖2），主軸轉(zhuǎn)速8~10× 10 5r/min，材料為40Cr鋼，先進行調(diào)質(zhì)處理，激光淬火后的安裝軸承處及主要表面硬度為52~56HRC。
圖2 數(shù)控機床主軸簡圖
（1）主軸及隨機附帶4個試樣，試樣直徑80mm，壁厚20mm，兩端磨平。在采用CO2激光器進行激光硬化前，分別在主軸和試樣表面上涂覆一層特別涂料，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(zhuǎn)速n＝30r/min，掃描寬度2~3.5mm。并采用微機控制淬火機床（工作臺），配備靈活通用的工裝夾具，固定淬火工件作平行移動、轉(zhuǎn)動或合成運動。圖3為機床主軸激光淬火示意。
圖3 機床主軸激光淬火示意
（3）激光淬火化后的主軸及試樣檢驗 淬硬層深度0.5~1.2mm；表面淬火硬度60~66HRC；組織為最外層極細馬氏體+少量殘留奧氏體，過渡層馬氏體+鐵素體+滲碳體，內(nèi)層為原始組織，即回火索氏體。
表5為40Cr鋼激光淬火與常規(guī)熱處理后相對耐磨性比較。圖4為40Cr鋼激光淬火與調(diào)質(zhì)處理耐磨性比較。通過結(jié)果可知，機床主軸經(jīng)激光淬火后，主軸磨損量比普通的40Cr鋼調(diào)質(zhì)處理的磨量少77%~79%。
表5 40Cr鋼激光淬火與常規(guī)熱處理后相對耐磨性比較
處理方法
硬度HRC
相對耐磨性
對磨材料
調(diào)質(zhì)
54~60
0.98
鑄鐵
調(diào)質(zhì) + 激光淬火
60~66
1.78
鑄鐵
圖4 40Cr鋼激光淬火與調(diào)質(zhì)處理耐磨性比較
2.數(shù)控機床鑲鋼導軌的激光淬火技術應用
實例 數(shù)控機床鑲鋼導軌，材料為45鋼，要求激光淬火。
（1）預備熱處理
導軌經(jīng)鍛造后，進行常規(guī)的正火及調(diào)質(zhì)處理，以細化晶粒，改善組織結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)應力，并為后續(xù)激光淬火做好組織準備。
（2）激光淬火設備及工藝參數(shù)
采用國產(chǎn)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4mm，離焦量d＝240mm，掃描速度v＝10m/s。
經(jīng)上述工藝處理后的導軌，淬火區(qū)淬硬層深度為0.58mm，硬化帶寬為4.47mm，硬化層組織為細針狀馬氏體+部分殘留奧氏體，表面硬度為724~797HV0.1，相當于61~64HRC。
（3）磨損試驗
磨損試驗結(jié)果表明，當激光掃描淬火花紋為45°斜線（與導軌棱邊成45°斜線，見圖5），（棱形）硬化面積為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、硬化面積及激光淬火工藝參數(shù)，在如圖6所示的機床導軌的四個面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(jīng)低溫時效），而整體淬火最大畸變（中間位置）0.20mm。結(jié)果表明，導軌經(jīng)激光淬火后的畸變遠小于整體淬火或感應淬火。
圖6 數(shù)控機床導軌示意
3.機床離合器聯(lián)結(jié)、花鍵套、磁軛和齒環(huán)的激光淬火技術應用
機床離合器聯(lián)結(jié)、花鍵套、磁軛和齒環(huán)等經(jīng)激光淬火后，其質(zhì)量明顯優(yōu)于普通鹽浴或感應淬火，解決了聯(lián)結(jié)爪部工作面硬度低、卡爪內(nèi)側(cè)畸變大，花鍵套鍵側(cè)面硬度低、內(nèi)孔畸變超差、小孔處開裂，磁軛和齒環(huán)滲碳淬火畸變大、發(fā)生斷齒、兩者嚙合不良、傳遞力矩不足及發(fā)生打滑等缺陷。
實例1 電磁離合器聯(lián)結(jié)（見圖7），材料為45鋼，技術要求：硬度≥55HRC，淬硬層深度≥0.3mm，爪部直徑畸變≤0.1mm，硬化面積≥80%。
圖7 電磁離合器聯(lián)結(jié)
（1）工藝流程
全部機械加工后，在數(shù)控激光熱處理機上自動進行六個爪的12個側(cè)面激光掃描淬火。
（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(chǎn)節(jié)拍t＝45s/件。
（3）檢驗結(jié)果
硬度為57~60HRC，淬硬層深度0.3~0.6mm，直徑畸變≤±0.03mm，爪側(cè)面100%淬硬。
實例2 花鍵套（見圖8），材料為45鋼，技術要求：硬度≥55HRC，個別點允許≥50HRC，淬硬層深度≥0.3mm，內(nèi)徑畸變≤0.05mm，硬化面積≥80%。
圖8 花鍵套
（1）工藝流程
全部機械加工后，在數(shù)控激光熱處理機上自動進行六個花鍵的12個側(cè)面激光掃描淬火。
（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(jié)果
硬度為55~63HRC，淬硬層深度0.3~0.5mm，直徑畸變?yōu)?~0.03mm。
實例3 機床牙嵌電磁離合器上磁軛及齒環(huán)（見圖9），材料為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(huán)
（1）設備
使用激光淬火設備是由數(shù)控激光熱處理機和C O 2激光器組成。數(shù)控激光熱處理機使用日本數(shù)控系統(tǒng)，淬火全過程均由微機控制完成。淬火機床最高運動速度為100m/min。
激光器采用橫流連續(xù)C O 2激光器。輸出模式為高階模，輸出額定功率1500W，最大輸出功率2000W，輸出光斑直徑為25mm。
（2）工裝夾具
設計牙嵌電磁離合器上磁軛和齒環(huán)工裝夾具。
1）數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺。由定位控制板、速度控制單元、直流伺服電機與立臥式回轉(zhuǎn)工作臺組成。整個加工過程實現(xiàn)了程序化、自動化。
2）永磁式卡盤及胎具的設計。為了便于磁軛及齒環(huán)的裝卡，設計并制造永磁式卡盤。
（3）齒環(huán)的激光淬火
齒環(huán)齒高0.6mm，齒頂寬0.8mm，齒底寬0.4mm。為保證齒頂與齒底吸收激光光束效率保持一致性，采用加熱噴涂工藝，使齒部激光淬火專用涂料的涂層厚度保持一致。
采用激光圓環(huán)形光束技術，圓環(huán)形光斑額定直徑為8mm，環(huán)帶額定寬度為2mm，以獲得均勻的圓環(huán)層深度。
針對齒部設計一套環(huán)形光斑淬火通道，避免工件表面熔化，縮小齒部兩側(cè)加熱的不均勻性，保證齒間齒根部淬硬帶的連貫性。
表6為幾種材料的激光淬火工藝參數(shù)與結(jié)果。
表6 幾種材料的激光淬火工藝參數(shù)與結(jié)果
注：掃描速度是指激光淬火時工件旋轉(zhuǎn)時齒中心的線速度。
（4）典型應用
牙嵌的磁離合器，基體厚度7mm，外徑116mm，齒高0.45mm，整個齒寬為8mm，在齒部中間有銅材。原采用高頻淬火方法，因工件較?。ê穸?mm），工件畸變較大，最大畸變量達0.5mm，齒部嚙合面積僅達到30%，且齒部脆性高、打滑等現(xiàn)象嚴重，扭矩達不到技術要求。
改用激光淬火，排除了因銅材與42CrMo鋼兩種材料吸光率不同造成對淬火效果的影響，激光淬火后的金相組織為針狀馬氏體和部分板條狀馬氏體，解決了淬硬層差、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20世紀80年代就開始齒輪激光淬火的研究，同時研制出了多種激光淬火設備，通過多年的發(fā)展和成功實踐，克服了傳統(tǒng)熱處理的一些缺點，達到齒輪成本與表面高性能、微畸變的最佳組合，現(xiàn)已成為一項實用并極有發(fā)展前景的新型表面強化技術。
（1）齒輪激光設備
橫流C O 2激光器1臺，專用配套冷水機組1套，數(shù)控加工機床1臺，光路系統(tǒng)1套。圖10為齒輪激光淬火。
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30CrMnTi鋼，齒面激光淬火后要求：齒面畸變小，表面光潔，不需磨齒。
1）齒面激光淬火工藝參數(shù)（見表7）。
表7 齒面激光淬火工藝參數(shù)
工藝參數(shù)
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
齒面離焦量/mm
8
8
激光器真空度/kPa
13.33
13.33
2）檢驗。齒面激光淬火后，表層組織由索氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧毭艿尼槧铖R氏體，硬度在870HV左右。硬化層深度約0.6~0.7mm。齒面接觸疲勞極限由淬火前的1024MPa提高至1323MPa，強化效果明顯。
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