激光相变硬化的分析与讨论.docx

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激光相变硬化的分析与讨论

激光相变硬化

1激光相变理论

1.1激光相变与常规淬火的区别

根据钢的淬火原理：

将钢在固态下加热到临界温度Ac3或Ac1以上一定温度（50~100℃），并在该温度下保持一段时间以后大于临界速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火，如图1中曲线2所示。

将钢加热到奥氏体转变临界温度（Ac3或Ac1）以上获得奥氏体组织，保温的目的是使组织充分奥氏体化，然后以大于临界淬火速度的冷却速度得到马氏体组织。

与常规淬火相比，激光淬火升温速度快，没有保温过程，达不到平衡时的均匀组织状态。

理想的淬火冷却过程如图2中曲线2所示：

650℃以上应当缓慢冷却，以尽量降低淬火热应力；650~400℃之间应快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。

在400℃以下Ms点附近的温度区域，应当缓慢冷却以尽量减少马氏体转变时产生的组织应力。

这样可保证在获得马氏体组织条件下，减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。

激光淬火冷却的特点是停止加热的瞬间温度达到最高，随即以104~105℃/s冷却速度冷却，远大于淬火介质为盐水或碱水的最大冷却速度（2000℃/s和2830℃/s），根据冷却速度与时间的关系可以推断激光淬火冷却曲线在钢的理想淬火冷却曲线左侧，如图2中曲线1。

图3是铁碳合金相图热力学上近于平衡时的组织状态与温度及合金成分之间的关系。

用缓慢的加热速度升温使钢奥氏体化，可以达到接衡的程度。

奥氏体是由生成核和长大而生成的，碳化物的溶解及奥氏体晶粒的长大，均受到扩散过程的支配。

在激光加热过程中，当加热速度足够高时（大于400~500℃/s），钢铁中铁素体相α在某临界温度（约900℃）可发生马氏体型转变的逆转变，以切变方式瞬间生成与其成分相同的奥氏体相γ，即遵循非扩散型转变规律【9】。

由奥氏体形成动力学可知，随着钢中奥氏体温度的增加，奥氏体的形核率和长大速度均随之增加，因而激光快速加热条件下，奥氏体的形核极高。

1.2激光相变硬化的特点

1）激光相变硬化主要应用于表面处理，与其他表面处理方法相比，有以下特点：

（1）激光束能量密度高，对工件表面加热快，冷却快、淬硬层马氏体比较细，硬度比常规淬火高5%-20%。

（2）仅对工件表层少量金属加热，耗能少，几乎不发生热变形，工件变形极小．可以省去矫直及精磨等工序，便于进行精密件局部表面淬火。

（3）能进行孔或沟槽的侧面及底部的淬火以及复杂工件表面局部淬火，而用其他方法很难解决。

（4）由于聚焦光束焦深相当大，可以容许工件表面有相当大的不平度，便于进行花键袖及齿轮的淬火。

（5）硬化深度和面积可以精密控制。

（6）激光淬火除薄件外一般均可自冷淬硬，不用油、水等淬火剂，无大害。

（7）工艺简单，淬火时间短，可以将淬火工序安排在流水线。

2）激光淬火的缺点

（1）硬化深度受限制，一般在1mm以下，目前进行的开发研究已在增大深度方面初见成效，有报导可达3mm。

（2）由于金属对波长10.6μm的激光反射率很高，为增大对激光的吸收率，须作表面涂层或其他预处理。

2激光相变硬化温度场理论

利用高能量激光器对金属表面进行处理和应用已经有20多年历史了。

激光表面改性可以提高材料一定的使用寿命。

所有的铸铁、中碳钢和工具钢都可以进行激光硬化，提高它们的耐磨性和耐腐蚀性。

激光扫描工件时，零件表面极薄一层材料吸收辐射能，形成热源。

该热源向零件基体进行热传导，引起部各点温度发生从低到高再到低的热循环过程。

随着光斑的移动，零件部垂直于扫描速度方向的各截面依次经历热循环。

应用高斯能量方程【4】：

式中T为温度，α为热扩散系数，qr为零件单位时间单位体积所输入的热能，λ为零件热传导系数，t为时间。

M.F.Ashby，K.E.Easterling1984年对激光加工热影响区的温度进行了研究，提出了激光束中心下部温度变化的数学模型【7】。

应用该模型可以从理论上计算出激光硬化层的深度，为激光相变研究打下理论基础。

T0为零件最初温度，A为零件表面吸收率，P为激光功率，a为扩散系数（a=A/cρ），ρ为材料密度，c为比热，r为激光束半径，t0（t0=r2/4a）为扩散到半个激光带宽所需时间。

激光能量密度为W=（Aq/s）t，这里，s=πd2/4，s为激光区的面积，而t=d/v为激光作用时间，d为激光束直径，v为扫描速度。

其中α一热扩散系数，一般不是固定值，它取决于激光涂覆层、激光扫描速度、激光功率、加工材料化学成分等。

通过该公式可以计算出激光束中心下部不同深度的温度。

对连续加热和冷却速度可以用上式对时间进行求导得到：

上式中括号的第一项代表加热速度，第二项代表冷却速度。

当材料表面的反射率为R时，表面吸收率A=（1-R）。

A是测量表面涂覆层及传递到材料中激光能量的一个重要参数，并且也是确定在激光硬化过程中产生相变的临界热量。

A一般不是常数，取决于表面涂覆层的类型、激光功率、扫描速度和被硬化材料的化学成分。

如果A值确定以后，就可以确定出激光硬化层深度，同时激光输入的辐射能也可以进行计算【8】：

式中s=πd2/4一激光处理区面积，t=d/v－激光作用材料表面时间，d一激光束直径，v－扫描速度。

而（AP/s）一激光处理表面的能量密度。

如果采用矩形光束，输入的能量密度可以写成:

式中d1和d2分别是激光束的宽度和长度。

对于矩形光斑激光输入的辐射能可按下式进行计算:

式中b一矩形光斑沿扫描速度方向的长度，v一扫描速度。

为了快速计算硬化层的深度，吴刚等人采用非稳态时热源解法，导出了描述激光淬火时部热循环过程及快速估算硬化层深度xd的近似公式【9】：

式中q一激光功率密度，a－扩散系数，k一导热系数，v一扫描速度，b一扫描长度，θAc1=TAc1-T∞－对应于相变临界温升。

K.-K.Yoon，W.-B.Kim，S.-J.Na，采用有限元法对激光加工表面产生热流动、热应力和热变形进行分析。

对于热传导问题的有限元方程可以按如下方程写出【5】：

式中[C]一热传导矩阵，[K]一刚度矩阵，[F]一热载荷向量，[T]一节点温度向量。

利用有限元模型，可以把在激光束下面的网格划分的细一些，离激光束远的网格划分的较粗一些。

3影响激光硬化效果的因素

一般而言，激光表面相变硬化的指标有：

硬化深度、硬化宽度和硬度。

对具有组织遗传性的钢，硬化指标还有高温下奥氏体的晶粒度与分布。

影响上述硬化指标的参数，主要有:

（1）激光器的输出功率及零件表面的吸收率。

（2）光斑尺寸，它决定了硬化宽度的大小。

在聚焦镜已确定的条件下，光斑尺寸通过调节离焦量（或称散焦量）来改变。

离焦量定了，光斑大小也就确定了。

（3）扫描速度（激光淬火激光束相对于工件的速度）。

（4）金属材料的热物理性能，如热传导率、热扩散率等。

（5）材料的化学成分。

（6）材料的原始热处理状态和组织状态。

工艺参数还可以通过热循环参数显示其影响。

在一定工艺参数的激光热源作用下，移动着的工件上的每一点都经历着一个升温、达到最高温度，然后降温的过程（保温阶段极短，可忽略），这一过程叫做热循环。

相变硬化区各点的热循环参数有:

加热速度、最高加热温度、保温时间、冷却速度。

3.1加热温度

热处理工作者对Fe-Fe3C状态图和常规热处理相变过程的基本原理都是很清楚的。

进行激光淬火时，材料的状态图仍然是重要的理论依据。

因为状态图决定了材料的加热温度围。

不过，在激光这样快速的加热条件下，A1、A3和ACm线比常规加热的上移幅度要大得多，而且材料在更高的温度下几乎不会出现明显的晶粒长大现象，亦即不会因过热而使随后的淬火组织性能变坏。

因此，激光固态相变的加热温度围可以宽得多。

在奥氏体区加热温度围愈宽的钢，其激光表面固态相变硬化处理的温度愈易控制，工艺参数的实施也愈容易，处理的硬化层深度也可以更大些。

文献表明，碳钢的激光固态相变硬化加热温度围以900℃~1200℃为宜。

这时零件表面的粗糙度不至改变，零件的淬硬层应是从最表面的1200℃至深处的900℃这一深度围，加热温度虽大大超过常规淬火温度，但因加热时间极短，晶粒完全来不及长大（有组织遗传性现象出现时例外）。

3.2加热速度

激光能在百分之几秒至千分之几秒或更短的时间，使零件表面附近加热处的温度迅速上升到1000℃以上，在加热到高温后，保温时间又极其短暂，因此加热条件与常规的加热方法有极大的区别。

对于共析钢，在常规加热速度条件下，钢加热至AC1以上时即形成奥氏体。

奥氏体的形成是通过形核及成长过程来实现的，其基本过程包括:

1）奥氏体晶核在铁素体与渗碳体相界面形成；2）奥氏体的长大；3）残余渗碳体的继续溶解；4）奥氏体的均匀化过程。

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本类似，只不过增加了过剩相的转变和溶解的特点而己。

3.3冷却速度

图2为等温冷却转变C曲线（TTT图）和连续冷却转变C曲线（CCT图）的合并示意图。

其中abc曲线为过冷奥氏体向珠光休和贝氏进行等温转变的开始线，Ms为马氏体转变的开始线，a'b'c'为奥氏体向珠光体积贝氏体等温转变的终了线。

在abc线以左及Ms线以上为过冷奥氏体区（孕育区），若奥氏体从A1温度以上迅速冷却至Ms点以下等温，而不与abc线相遇，则不会转变成珠光体或贝氏体，只能转变成马氏体。

在连续冷却的条件下，由于过冷度较大，这使得过冷奥氏体的孕育期增长，C曲线

右移且形状有所改变，中温转变部分消失，如曲线updw所示（称CCT曲线），因此，实际淬火时，只要冷却速度不与updw曲线相遇，奥氏体即可全部转变成马氏体，若冷却速度曲线刚好与updw线相切，则此冷却速度称为马氏体转变的临界冷却速度。

要想得到全马氏体，冷却速度必须大于马氏体转变的临界速度。

常规淬火时的水淬冷却速度约为600℃/S。

激光加热淬火时，由于功率密度高，加热时间短，根据计算，激光淬火的冷却速度可达每秒数千度以上，比常规热处理的最大冷却速度高一个数量级。

因此，激光加热工件很易实现自淬火。

4激光淬火表面预处理

金属材料表面对激光辐射能量吸收能力主要取决于表面状态。

一般金属材料表面经过机械加工，表面粗糙度很小，其反射率可达80~90%，影响金属材料表面吸收光能的效率。

为了提高金属表面对激光的吸收效率，在激光硬化前要进行表面预处理。

表面预处理方法很多，包括磷化法、提高表面粗糙度、氧化法、喷涂料法、镀膜法等，其中最常用有以下几种：

1）黑色涂料法

用炭素墨汁或石墨－粘结剂混合物涂覆于零件表面，形成吸收膜，吸收率可达90%左右，对材料有一定的增碳作用。

这种方法可用于任何材料，也可进行局部涂覆，但涂层厚度不易控制，激光照射时会产生刺眼的亮光和烟雾，效果也不太稳定。

用黑色油漆涂于零件表面，涂层吸收率与炭素涂料相近，涂层附着力强。

便于涂覆且厚度均匀。

但激光照射时会产生烟雾和气味，不易清楚。

近年来美国多用一种牌号Krylonl602的黑漆，其主要成份为石墨粉和硅酸钠或硅酸钾，采用喷涂法，厚度10~20μm。

国光机所研制了86-l型黑漆，已供应国市场。

2）磷化法

磷化处理分高温磷化（90~98℃）中温磷化（55~70℃）和室温磷化（约25℃）。

在激光处理过程中，因材料不同，激光处理工艺不同，三种磷化工艺的表面预处理层（磷化膜）对激光的吸收率各不相同，一般认为高中温磷化的效果更好些。

缺点：

工艺复杂，设备投资大，废水处理费用高（污染），激光处理后粗糙度增加大。

通过磷化处理在工件表面形成一层磷酸盐：

磷酸锰、磷酸锌等，其中以磷酸锰最多。

后来发现磷酸盐膜经激光处理后在工件表面晶间出现微型纹，认为磷酸锰膜经激光处理后生成低熔点化合物会沿铁基合金晶界钻入几个晶粒深度，如图5所示，所以近年来磷化预处理已为其他方法所代替。

3）喷（刷）涂料法

涂料多种多样，而且还在不断地开发出新配方和新产品，大部分吸收率可达80%~98