李 昌，張大成，陳正威，于志斌，韓 興

（遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

表面熱處理是先進材料和機械制造的核心技術、關鍵技術、共性技術和基礎技術，屬于國家核心競爭力。淬火是將奧氏體化的高溫金屬通過特定介質進行快速冷卻以提高工件硬度和耐磨性能的熱處理工藝。淬火介質的冷卻能力和對冷卻速度的控制是決定淬火質量的關鍵因素［1］。激光淬火目前已發(fā)展成為一種重要的表面強化技術，它以激光作為熱源，被處理工件吸收激光能量，表面溫度迅速升至奧氏體溫度區(qū)間，通過基體的迅速自然冷卻使金屬表面發(fā)生相變，可獲取組織細小、位錯密度較高的馬氏體組織，實現(xiàn)淬火強化。激光淬火過程中零件熱變形量小，工藝過程實施不受零件形狀限制，工藝周期相對短，質量穩(wěn)定可靠，不需要中間冷卻介質。與傳統(tǒng)的金屬強化處理方式相比，能極大地提高材料的強韌性、硬度、耐磨性及耐腐蝕性，被廣泛用于金屬局部硬化，尺寸精度要求高，傳統(tǒng)硬化技術難以處理的場合，尤其在汽車制造、模具及重型機械領域均有加速推廣應用的趨勢［2］。

1 激光淬火技術原理

1916年，愛因斯坦提出激光為受激輻射光，該概念的提出代表了激光的產(chǎn)生。1960年，美國加利福尼亞實驗室誕生了世界上第一臺激光器——紅寶石激光器，從此激光開始進入人類生活，極大地促進了產(chǎn)品加工制造、科技創(chuàng)新的發(fā)展。

激光強化是激光表面處理的重要分支，激光淬火是重要的表面強化方式。激光淬火起源于70年代，主要利用激光淬火工藝對鑄鐵表面進行強化提高其硬度，隨著技術的更新與發(fā)展，激光淬火材料涉及碳鋼、工具鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高速鋼、不銹鋼及耐熱鋼。經(jīng)激光淬火處理后的工件壽命成倍提升，呈現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟效益優(yōu)勢，激光淬火技術在冶金、機械制造、交通運輸、航空航天等領域具有廣闊的市場前景。

激光淬火即激光相變硬化，該工藝適用于鋼鐵和鑄鐵。如圖1是利用激光對齒條進行淬火強化處理。激光淬火借助于極高能量密度的激光束使強化表面快速加熱，表面溫度瞬間升溫到相變點與熔點之間，促使材料發(fā)生固態(tài)相變。激光束掃描以后，基體因熱傳導作用使表面快速急冷，進而獲得細化組織和高性能表面層。由表層至工件內的激光淬火層可分為完全淬火區(qū)、不完全淬火過渡區(qū)和基體三部分，如圖2。完全淬火區(qū)顯微組織主要為板條馬氏體；不完全淬火區(qū)顯微組織為馬氏體和鐵素體；基體顯微組織主要是珠光體和鐵素體。淬火層可達1.3 mm，硬度達到512HRC以上，比基體硬度提高2倍以上，耐磨性提高90倍，甚至更高。

圖1 激光淬火對齒條的強化處理Fig.1 Strengthened racks by laser quenching

圖2 金屬表面激光淬火的整體形貌Fig.2 Overall appearance of laser-quenched metal surface

傳統(tǒng)表面強化工藝較多，如高頻感應淬火、化學熱處理、電鍍、噴涂等，與這些傳統(tǒng)工藝相比，激光淬火具有獨特的優(yōu)勢：

（1）激光淬火工藝實施迅速、生產(chǎn)率相對較高。激光淬火過程產(chǎn)生急熱急冷，升溫和降溫速度達104～106℃/s，固態(tài)相變在不到1 s的極短瞬間發(fā)生。

（2）淬火效果優(yōu)勢明顯。激光能量密度較高，極快的加熱冷卻速度對基體熱影響小，熱變形小，表面粗糙度變化不大，適于高精度的零件處理。

（3）強化效果明顯。淬火硬化相變組織極細小，硬度明顯提高，且硬度分布均勻。淬火后表層組織產(chǎn)生極大的殘余壓應力分布，顯著提升了零件的疲勞和沖擊性能。

（4）能夠實現(xiàn)對復雜形狀和特殊位置的局部淬火。由于激光束聚焦光斑小，形成的淬火加熱區(qū)域相對較小，不需要對非淬火部位防護，工藝方式靈活，適用性較強。

（5）淬火工藝綠色清潔。激光屬清潔能源，淬火完全利用自冷，不需水、油等冷卻介質，避免污染。

（6）工藝操作周期短，可控性強。激光淬火設備配有數(shù)控系統(tǒng)，操作方便且自動化程度高，可控的實現(xiàn)工藝的精確度和穩(wěn)定性［3］。

2 激光淬火技術現(xiàn)狀與發(fā)展

1974年，美國通用公司利用激光淬火對汽車曲軸、轉向器和活塞環(huán)進行處理，提高其耐磨性、疲勞性能。隨后，德國、日本、意大利的汽車公司運用激光對發(fā)動機、齒輪進行淬火，強化效果顯著。美國利用該技術處理潛水艇、飛機和坦克等軍用重載齒輪，有效減少了熱處理變形過大、噪音問題。近年來，國內外學者對激光淬火進行了深入研究［4］。

2.1 激光淬火硬化層組織和性能

尹燕等［5］基于光纖激光器對GCr15軸承鋼實施了激光淬火工藝，得出了相變硬化區(qū)由細小馬氏體和極少量的球狀碳化物組成。在400 W功率、0.6 mm/s掃描速度、0離焦量的淬火工藝下，淬火硬度達960HV，相當于基體的4.4倍，耐磨性明顯提高。張亞龍等［6］利用激光淬火工藝對H13模具鋼進行處理，最終硬化層達1 mm，晶粒明顯細化，淬火的顯微組織呈現(xiàn)梯度變化，表層硬度最大，梯度變化較為平緩，顯微硬度平均提高25%，高溫條件下的耐磨性提高近3～5倍。Devgun等［7］利用激光淬火對52100軸承鋼進行了處理，極大地提升了工具鋼的硬度和耐磨性。美國ΜcDaniels進行了AISI4340的激光淬火工藝，重點分析了淬火后的疲勞和微觀組織，研究表明：激光淬火對材料疲勞強度有好的影響［8］。印度 Rana等［9］采用CO2激光器對碳鋼進行淬火，通過反復試驗，對淬火均勻性和效果進行了優(yōu)化。Safonov等［10］對鋼和鑄鐵進行了淬火處理，低、中碳鋼硬化效果較好，高碳鋼對激光淬火較為敏感。桑嘉新等［11］研究表明，通過激光淬火能有效提高材料的硬度和耐磨性，和傳統(tǒng)淬火相比優(yōu)勢明顯。

2.2 激光淬火的數(shù)值模擬

隨著計算機技術的發(fā)展，對激光淬火的計算機數(shù)值模擬取得極大進展。朱祖昌等開發(fā)了激光淬火模擬軟件，能夠模擬激光與材料之間非穩(wěn)定-準穩(wěn)定-非穩(wěn)定變化過程［12-13］?；萦埖壤肁NSYS對18CrNi8齒輪鋼的激光淬火溫度場進行求解，通過試驗進行了驗證［14］。汪舟等利用ABAQUS對AISI4140鋼進行激光淬火有限元分析，綜合各類邊界條件對工藝進行了優(yōu)化［15］。Lusquinos F利用ANSYS模擬求解了激光淬火過程溫度變化規(guī)律，以AISI1045鋼淬火實驗驗證了求解結果［16］。Yanez A針對環(huán)形零件多道次激光淬火的溫度場進行數(shù)值求解［17］。Duradundi Sawant Badkar應用響應面法對激光淬火熱影響參數(shù)進行優(yōu)化［18］。Agus Kartono認為數(shù)值模擬中Crank-Nicolson法比單一有限差分法穩(wěn)定、精確［19-21］。

激光淬火未來發(fā)展方向主要是在研發(fā)激光加工設備、優(yōu)化工藝參數(shù)、復合激光加工技術等方面：

（1）構建大型激光淬火工藝數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)對不同材料的激光淬火工藝優(yōu)化。

（2）實現(xiàn)對激光淬火設備及工藝過程的精準檢測。盡管國內長期以來激光加工技術得到極大發(fā)展，但與國際先進水平還有差距。主要表現(xiàn)在國產(chǎn)中高端激光加工設備缺乏，高端裝備幾乎全部依賴進口。多功能化、自動化和小型化是激光淬火設備的主要發(fā)展方向。

（3）激光淬火與多種技術的復合。將激光淬火技術與其他常用的熱處理方法相結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補是極有潛力的發(fā)展方向。

3 激光淬火與傳統(tǒng)強化方式的比較

傳統(tǒng)的鋼表面強化方法包括氣焰性淬火、普通淬火、化學熱處理、高頻感應淬火、等離子淬火、電子束淬火等。與傳統(tǒng)鋼表面強化處理方法相比，激光淬火從熱影響周期、熱處理效果（硬度、磨損性能、表面粗糙度等方面）具有明顯的優(yōu)勢。

3.1 熱影響周期

鋼表面處理的熱周期如圖3所示。Tmax為加熱最高溫度，℃；WO為加熱和冷卻的溫度變化梯度，℃/s；在加熱時間t1、冷卻時間t2內，金屬保溫溫度超過T1。T1溫度是奧氏體顆粒增長的界限溫度值AC3；變化到奧氏體溫度間隔冷卻速度在500～800℃/s，鋼在極限冷卻速度下奧氏體變成馬氏體。

圖3 鋼加熱過程的熱周期和基本參數(shù)Fig.3 Thermal cycle and basic parameters of a steel heating process

圖4 為不同加熱方式熱周期變化曲線。激光加熱屬于急冷急熱，等離子稍有延遲，電弧加熱次之，延遲時間最長的是電熔焊接熱周期。顯然，激光處理具有瞬時大梯度加熱和冷卻的優(yōu)勢。

圖4 不同加熱方式的熱周期變化曲線Fig.4 Thermal cycle curves of different heating methods

3.2 不同熱處理方式比較

每種工藝都存在獨特的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢，但都不是多功能的，其技術經(jīng)濟指標不能滿足所有工業(yè)生產(chǎn)要求。因此有必要將這些強化方式進行比較，為工業(yè)選擇提供依據(jù)［22-24］。不同表面強化處理方式性能參數(shù)如表1。不同表面處理過程中，激光束能達到最大功率密度1010W/cm2，最大功率達到5×105W，加熱效率相對較高，達到80%，加熱和冷卻速度達到1010℃/s。氣焰加熱最大功率密度只有600 W/cm2，最大功率達到102W，加熱效率相對較低，只有0.55，加熱和冷卻速度為100℃/s。而其他方式介于二者之間。

高頻感應淬火是利用電磁感應原理在工件表面產(chǎn)生感應電流，發(fā)生集膚效應，使工件表面迅速升溫至奧氏體狀態(tài)，隨后快速冷卻獲得馬氏體組織。激光淬火與高頻感應淬火參數(shù)詳見表2。激光淬火后工件硬度比高頻感應淬火后高2～4HRC。激光淬火適用范圍較廣，碳含量大于0.1%的鋼種均可使用，高頻感應淬火適用于碳含量在0.4%～0.5%之間的鋼種。激光淬火效率高達80%，高頻感應淬火效率較低，僅為60%。激光淬火與高頻感應淬火相比工件變形量較小，且不需要冷卻介質以及回火處理。

表1 不同表面處理過程性能參數(shù)表Tab.1 Performance parameters of different surface treatment processes

表2 激光淬火與高頻淬火的比較Tab.2 Comparison between laser quenching and high frequency quenching

等離子淬火也是一種常見的表面強化方式，與激光淬火的性能參數(shù)對比如表3所示。二者效率相同，但激光淬火生產(chǎn)率是等離子淬火的10倍。激光淬火后工件硬度比等離子淬火后高2～4HRC。激光淬火強化區(qū)為圓形或直線，圓形光斑外緣或直線光斑兩端激光功率密度較高。等離子淬火強化區(qū)中心處功率密度最高，為過熱區(qū)，強化區(qū)外緣功率密度最低，為回火區(qū)，其余區(qū)域功率密度適中，為最優(yōu)硬化區(qū)。激光淬火后工件表面粗糙度為0.5～5 μm，等離子淬火后工件表面較粗糙，粗糙度為5～80 μm。

3.3 與化學強化處理方式比較

與激光淬火相比，化學強化處理是造成表層化學成分改變的熱影響，需要在專業(yè)化學環(huán)境中實現(xiàn)，主要有滲碳、滲氮、碳氮共滲。其熱周期達到幾十個小時，耗費大量人力成本，工藝過程加熱大型零件需要較高的耗電量，較大的變形量（翹曲）必須進行下一次機械加工，工藝過程不能自動化。不同種類的化學熱處理方式性能比較如表4所示。

表3 激光淬火與等離子淬火的比較Tab.3 Comparison between laser quenching and plasma quenching

表4 不同種化學熱處理方式性能表Tab.4 Performance of different chemical heat treatment methods

3.4 磨損性能的比較

激光淬火后的磨損性能明顯優(yōu)于其他強化處理方式。將常規(guī)熱處理與激光熱處理從總的磨損量、摩擦系數(shù)兩個方面進行比較，同等條件下激光淬火磨損量為0.96 μm，常規(guī)熱處理達到8.4 μm，激光淬火的摩擦系數(shù)為0.39，常規(guī)熱處理的摩擦系數(shù)為0.68，明顯激光淬火比常規(guī)熱處理耐磨性要好。

圖5是激光淬火與1 040℃淬火、560℃回火熱處理磨損量變化曲線［25-26］。激光淬火磨損量明顯小于常規(guī)處理，且磨損量近乎一條直線，變化均勻。45鋼在接觸壓力10 ΜPa，循環(huán)次數(shù)2.1×105h條件下，普通淬火的殘余應力為（190±60）ΜPa，磨損強度為6.58×10-7，普通淬火+回火的殘余應力為（57±55）ΜPa，磨損強度為4.77×10-7，激光淬火殘余應力為（-380±80）ΜPa，磨損強度為1.5×10-7［27-28］。普通淬火與普通淬火+回火的熱處理方式均產(chǎn)生一定的殘余應力，且磨損強度較大，而激光淬火產(chǎn)生的是參與壓應力效果，磨損強度較小。45鋼經(jīng)過無熔化激光加工、有熔化激光加工、常規(guī)淬火、正火處理后的磨損強度分別為0.43×10-10、0.64×10-10、0.69×10-10和1.2×10-10。無熔化激光加工方式磨損強度最小。

圖5 激光淬火與常規(guī)熱處理鋼耐磨量比較Fig.5 Comparison of abrasion resistance between laser quenching and conventional heat treatment

4 結論

與多種傳統(tǒng)表面強化方式對比表明，激光淬火具有明顯的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢，減小了能源的消耗，極大地減小了過程工件變形，能夠獲得較高的表面硬度和耐磨性，不用中間介質，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，是一種綠色且前景廣闊的表面強化方式。激光淬火技術日趨成熟，但還存在較大的發(fā)展空間：（1）在激光淬火工藝參數(shù)優(yōu)化方面，針對不同材料明確最優(yōu)工藝參數(shù)等具體理論工作仍需繼續(xù)加強；（2）針對表面形狀不規(guī)則、非常規(guī)材料的零件，如何進行高效激光淬火問題有待進一步研究；（3）激光器價格相對偏高、淬火效率低問題仍然是限制激光淬火規(guī)?；瘧玫钠款i；（4）針對激光淬火過程工藝參數(shù)相互影響進行量化評估分析，進而指導實踐。如何積極改善這些問題成為激光淬火工藝快速推廣的關鍵。