作者：金荣植，特邀专家
来源：《金属加工（热加工）》杂志
目前，随着高精密加工中心（MC）、数控机床（CNC机床）、柔性加工单元（FMC车床）等的日益应用，对机床零件的加工精度、尺寸精度保持性及使用寿命要求进一步提高，先进的激光淬火等技术的应用，可使机床零件（如导轨、齿轮、主轴等）的质量得到很大提高。
激光淬火技术
（1）激光淬火（LHT）及其特点
随着20世纪70年代中期大功率激光器的问世并投入工业生产，激光加工技术得到迅速发展。激光淬火是其中研究最早、应用面最广、技术最为成熟的激光表面改性技术。图1为激光热处理示意。
图1 激光热处理示意
激光淬火，又称激光相变硬化，它是以功率密度＜104W/cm2的激光束辐照经预处理的工件，从而使工件表面以105~106℃/s加热温度迅速上升至相变点以上，在组织奥氏体化、奥氏体晶粒未来得及长大的情况下，一旦激光停止照射，通过基体的自身热传导作用迅速冷却（冷却速度可达104~106℃/s），实现自激淬火，形成表面相变硬化层。
与普通淬火相比，激光淬火后淬硬层组织细化，硬度普遍提高15%~20%，耐磨性能提高1~10倍；淬火后表面产生约4000MPa的残余压应力，使表层强度及抗疲劳性能得到明显改善；由于激光加热、淬火速度极快，硬化层薄（0.3~0.5mm），热影响区小，故淬火畸变微小；因自冷淬火，无淬火冷却介质的污染。
（2）激光淬火适用范围
激光淬火通常是对一些不要求整体淬火，尺寸精度要求较高，或采用其他方法难以处理，以及形状复杂或需进一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表面硬化处理。
（3）激光淬火设备
通常包括产生激光束的激光器（CO2激光器、YAG激光器），引导光束传输的导光聚焦系统（光闸、可见光同轴瞄准、光束传输及转向、聚焦等装置），承载工件并使其运动的激光加工机（二维、多维的自动或数控加工机床等），以及其他辅助装置（屏蔽装置、对准装置等）。
（4）激光淬火材料
激光淬火常用材料见表1。
表1 激光淬火常用材料
（5）表面预处理
为增强工件对激光辐射能量的吸收，在激光淬火前需在其表面形成一层对激光有较高吸收能力的覆层，一般采用磷化处理或涂覆含有各种吸光物质的涂料（如粒度＜1μm细石墨粉+丙烯酸树脂+云母粉+丙酮；磷酸锰或磷酸锌+磷酸；碳素墨水+磷酸锰）。
（6）激光淬火工艺参数（见表2）。
表2 激光淬火工艺参数
项目
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
扫描速度/（mm·min-1）
300~750
光束摆动宽度/ mm
5~20
光束射入角度（°）
＜45
搭接系数
5%~20%
（7）几种材料激光淬火工艺参数及效果（见表3）。
表3 几种材料激光淬火工艺参数及效果
（8）几种材料的激光淬火层组织（见表4）。
表4 几种材料的激光淬火层组织
（9）激光淬火质量要求及检测
按GB/T18683—2002《钢铁件激光表面淬火》标准执行。
激光淬火技术在机床零件上的应用
1.数控机床电主轴激光淬火技术应用
实例 数控机床电主轴（见图2），主轴转速8~10×105r/min，材料为40Cr钢，先进行调质处理，激光淬火后的安装轴承处及主要表面硬度为52~56HRC。
图2 数控机床主轴简图
（1）主轴及随机附带4个试样，试样直径80mm，壁厚20mm，两端磨平。在采用CO2激光器进行激光硬化前，分别在主轴和试样表面上涂覆一层特别涂料，以增加对激光的吸收。
（2）用5kW的CO2横流式激光器对主轴及试样进行激光淬火，其输出功率P＝1800~2000W，扫描速度v＝5mm/s，机床转速n＝30r/min，扫描宽度2~3.5mm。并采用微机控制淬火机床（工作台），配备灵活通用的工装夹具，固定淬火工件作平行移动、转动或合成运动。图3为机床主轴激光淬火示意。
图3 机床主轴激光淬火示意
（3）激光淬火化后的主轴及试样检验 淬硬层深度0.5~1.2mm；表面淬火硬度60~66HRC；组织为最外层极细马氏体+少量残留奥氏体，过渡层马氏体+铁素体+渗碳体，内层为原始组织，即回火索氏体。
表5为40Cr钢激光淬火与常规热处理后相对耐磨性比较。图4为40Cr钢激光淬火与调质处理耐磨性比较。通过结果可知，机床主轴经激光淬火后，主轴磨损量比普通的40Cr钢调质处理的磨量少77%~79%。
表5 40Cr钢激光淬火与常规热处理后相对耐磨性比较
处理方法
硬度HRC
相对耐磨性
对磨材料
调质
54~60
0.98
铸铁
调质 + 激光淬火
60~66
1.78
铸铁
图4 40Cr钢激光淬火与调质处理耐磨性比较
2.数控机床镶钢导轨的激光淬火技术应用
实例 数控机床镶钢导轨，材料为45钢，要求激光淬火。
（1）预备热处理
导轨经锻造后，进行常规的正火及调质处理，以细化晶粒，改善组织结构，降低内应力，并为后续激光淬火做好组织准备。
（2）激光淬火设备及工艺参数
采用国产31.5kW二氧化碳激光器及激光加工机床，激光输出功率P＝900W，光斑直径为4mm，离焦量d＝240mm，扫描速度v＝10m/s。
经上述工艺处理后的导轨，淬火区淬硬层深度为0.58mm，硬化带宽为4.47mm，硬化层组织为细针状马氏体+部分残留奥氏体，表面硬度为724~797HV0.1，相当于61~64HRC。
（3）磨损试验
磨损试验结果表明，当激光扫描淬火花纹为45°斜线（与导轨棱边成45°斜线，见图5），（棱形）硬化面积为40%时，导轨耐磨性高。
图5 激光扫描淬火花纹示意
（4）导轨畸变
导轨采用上述激光淬火花纹、硬化面积及激光淬火工艺参数，在如图6所示的机床导轨的四个面均进行相同条件的激光淬火处理。激光淬火最大畸变（中间位置）－0.11mm（经低温时效），而整体淬火最大畸变（中间位置）0.20mm。结果表明，导轨经激光淬火后的畸变远小于整体淬火或感应淬火。
图6 数控机床导轨示意
3.机床离合器联结、花键套、磁轭和齿环的激光淬火技术应用
机床离合器联结、花键套、磁轭和齿环等经激光淬火后，其质量明显优于普通盐浴或感应淬火，解决了联结爪部工作面硬度低、卡爪内侧畸变大，花键套键侧面硬度低、内孔畸变超差、小孔处开裂，磁轭和齿环渗碳淬火畸变大、发生断齿、两者啮合不良、传递力矩不足及发生打滑等缺陷。
实例1 电磁离合器联结（见图7），材料为45钢，技术要求：硬度≥55HRC，淬硬层深度≥0.3mm，爪部直径畸变≤0.1mm，硬化面积≥80%。
图7 电磁离合器联结
（1）工艺流程
全部机械加工后，在数控激光热处理机上自动进行六个爪的12个侧面激光扫描淬火。
（2）激光淬火工艺
激光输出功率P＝1000W，透镜焦距f＝350mm，离焦量d＝59mm，扫描速度v＝1000mm/min，生产节拍t＝45s/件。
（3）检验结果
硬度为57~60HRC，淬硬层深度0.3~0.6mm，直径畸变≤±0.03mm，爪侧面100%淬硬。
实例2 花键套（见图8），材料为45钢，技术要求：硬度≥55HRC，个别点允许≥50HRC，淬硬层深度≥0.3mm，内径畸变≤0.05mm，硬化面积≥80%。
图8 花键套
（1）工艺流程
全部机械加工后，在数控激光热处理机上自动进行六个花键的12个侧面激光扫描淬火。
（2）激光淬火工艺
激光输出功率P＝1000W，透镜焦距f＝350mm，离焦量d＝59mm，扫描速度v＝1200mm/min。
（3）检验结果
硬度为55~63HRC，淬硬层深度0.3~0.5mm，直径畸变为0~0.03mm。
实例3 机床牙嵌电磁离合器上磁轭及齿环（见图9），材料为20、45、20CrMnTi、42CrMo钢，要求激光淬火。
图9 牙嵌式电磁离合器的磁轭和齿环
（1）设备
使用激光淬火设备是由数控激光热处理机和CO2激光器组成。数控激光热处理机使用日本数控系统，淬火全过程均由微机控制完成。淬火机床最高运动速度为100m/min。
激光器采用横流连续CO2激光器。输出模式为高阶模，输出额定功率1500W，最大输出功率2000W，输出光斑直径为25mm。
（2）工装夹具
设计牙嵌电磁离合器上磁轭和齿环工装夹具。
1）数控分度转台。由定位控制板、速度控制单元、直流伺服电机与立卧式回转工作台组成。整个加工过程实现了程序化、自动化。
2）永磁式卡盘及胎具的设计。为了便于磁轭及齿环的装卡，设计并制造永磁式卡盘。
（3）齿环的激光淬火
齿环齿高0.6mm，齿顶宽0.8mm，齿底宽0.4mm。为保证齿顶与齿底吸收激光光束效率保持一致性，采用加热喷涂工艺，使齿部激光淬火专用涂料的涂层厚度保持一致。
采用激光圆环形光束技术，圆环形光斑额定直径为8mm，环带额定宽度为2mm，以获得均匀的圆环层深度。
针对齿部设计一套环形光斑淬火通道，避免工件表面熔化，缩小齿部两侧加热的不均匀性，保证齿间齿根部淬硬带的连贯性。
表6为几种材料的激光淬火工艺参数与结果。
表6 几种材料的激光淬火工艺参数与结果
注：扫描速度是指激光淬火时工件旋转时齿中心的线速度。
（4）典型应用
牙嵌的磁离合器，基体厚度7mm，外径116mm，齿高0.45mm，整个齿宽为8mm，在齿部中间有铜材。原采用高频淬火方法，因工件较薄（厚度7mm），工件畸变较大，最大畸变量达0.5mm，齿部啮合面积仅达到30%，且齿部脆性高、打滑等现象严重，扭矩达不到技术要求。
改用激光淬火，排除了因铜材与42CrMo钢两种材料吸光率不同造成对淬火效果的影响，激光淬火后的金相组织为针状马氏体和部分板条状马氏体，解决了淬硬层差、齿顶熔化、畸变大等问题，获得了良好的淬火效果。
4.齿轮的激光淬火技术应用
我国从20世纪80年代就开始齿轮激光淬火的研究，同时研制出了多种激光淬火设备，通过多年的发展和成功实践，克服了传统热处理的一些缺点，达到齿轮成本与表面高性能、微畸变的最佳组合，现已成为一项实用并极有发展前景的新型表面强化技术。
（1）齿轮激光设备
横流CO2激光器1台，专用配套冷水机组1套，数控加工机床1台，光路系统1套。图10为齿轮激光淬火。
图10 齿轮激光淬火
（2）齿轮的激光淬火技术应用实例。
实例 齿轮，材料为30CrMnTi钢，齿面激光淬火后要求：齿面畸变小，表面光洁，不需磨齿。
1）齿面激光淬火工艺参数（见表7）。
表7 齿面激光淬火工艺参数
工艺参数
强化齿顶部
强化齿根部
激光输出功率/W
1000
1020
光斑直径/mm
4.2
4.2
光斑移动速度/mm·s-1
20
20
入射角（°）
80
62
透镜焦距/mm
112
112
齿面离焦量/mm
8
8
激光器真空度/kPa
13.33
13.33
2）检验。齿面激光淬火后，表层组织由索氏体转变为细密的针状马氏体，硬度在870HV左右。硬化层深度约0.6~0.7mm。齿面接触疲劳极限由淬火前的1024MPa提高至1323MPa，强化效果明显。
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