激光相变硬化热处理

激光相变硬化热处理

由琪

辽宁科技大学 , 辽宁省 鞍山市 114051

摘要：重点介绍了激光材料表面硬化的基本特性和强化原理,激光材料表面硬化工艺技术,以及材料表面预处理、激光材料表面硬化工艺技术技术参数、扫描方法等。我国激光热处理的研制、开发和应用,已有30多年的历史。可以预料,通过不懈的奋斗,技术必将有更多的新突破,而市场的开发也必定会有更大的发展。

关键词:激光;热处理;相变硬化;组织性能

0 前言

自从一九六零年激光问世以来,激光技术已经成为了一项令人瞩目的技术,几乎在各个行业中都得到了重要的运用。而近年来,激光表面处理技术不但在科学研究与技术开发方面快速进展,同时在产业应用方面也得到了很大的提高,已经形成了表面工程一个非常活跃的新应用领域。激光表面处理技术既可采用激光相变硬化(激光淬火)、表面熔凝改善基体表面物料的微观构造,也可采用微光包层、气相沉淀和合金化等处理方式,同时也改善基体表面的物理化学组成和微观构造。其中,激光相变硬化是目前各种激光材料表面处理技术中,研发和使用价值最高的方式之一。

1 强化机理及特点

激光相变硬化主要是指局部的急热急冷阶段,但因为升温持续时间极短,升温影响范围小,所以硬化层也较浅,一般只有约0.3~1.0mm。激光相变及硬化后升温时,原金属材料表层很快到达大奥氏体化温度,而原有的金属材料中珠光体组织先经过无扩散过程转换为大奥氏体组织,然后再经过自身热传导而高速淬火,大奥氏体组织再经过无扩散过程转换为更细小的马氏体组织。这是由激光在超高速升温条件下过热度大,使得相变推动力极大,奥氏体形核数量也迅速上升而引起的。它既可在原晶界和亚晶粒边界处成核,又可在相界面处和其它晶格缺陷处成核,但在高速升温下产生的瞬间奥氏体化使颗粒来未及生长,当马氏体转化时,必将转变成更细微的马氏体组织;另外,由于激光高速升温,使得弥散的一致性化过程来未及完成,奥氏体中碳和合金的元素含量不均匀性加大,奥氏体中含碳量相同的微观地区明显减少,在此后的高速冷却条件下,截然不同的微观地区马氏体形成温度有较大的差别,这也就促成了更细微马氏体组织的产生。激光淬火后的马氏体组织为板条状马氏体组织和李晶马氏体组织,位错密度极高。科学研究已经证明:颗粒细化程度,马氏体高位错密度,碳的固溶度之高是获取超高硬度的最主要因素。

2 激光硬化

2.1 激光对相变硬化的强化机制与组织功能的影响

对W18Cr4V高速钢在经激光相变性硬化后的增强机制和组织特性,做了进一步深入研究后可看出:在激光相变区的晶粒由以前的八级增加到了十二级,且残余奥氏体含量比常规淬火加热温度有了显著下降,相变性区内的马氏体为针状马氏体与板条马氏体之间的混杂组织。激光快速升温持续时间虽短,仍产生了碳化物的不充分裂解以及碳与合金中元素的不完全弥散,扩散距离大约在数百纳米数量级,而碳化物的裂解则以尖角均匀裂解机制完成。

2.2 激光相变硬化的温度场

在激光辐射效应下,材料内部结构吸收激光辐射热量的步骤以及后续向内部结构输送热量的步骤都应该遵循热力学研究的基本规律,但又很明显地具有自己的特点,如加热过程速率变化很快、温度梯度很大、激光束斑的功率密度分布并不均衡,甚至温度随时间变化还会改变:同时激光辐射作用过程也有持续和脉冲变化二个方面,在激光辐射作用过程中材料对激光能量的吸收率及其一些热力学稳定性参数随温度改变而发生变化,等等。但当然也不能忽略的是:在激光辐射效应下,各种材料自身的组成、构造、成分以及性质在热作用过程中的变化差异较大。所以,研究激光热和材料作用过程都是个非常复杂的问题。许多计算公式,及其所得出的公式都是在有限条件的情形下给出的,但如果所作的假定条件和实际状况相距甚远,那么基本上对实际热处理技术工艺的实施并没有直接的指导作用。

2.3 激光淬火用热转化为金属材料的方法研制

通常,对需要激光硬化的金属表层都进行了机械加工,由于表面粗糙度较小,且对激光的热反照率达到了百分之八十至百分之九十,所以一般选择了对激光中具有较高吸收能力的金属镀层进行预处理。通过对比磷酸化薄膜和SiO二等胶体涂层材料,可得出如下结论:SiO2等金属胶体镀层的热转化效果高于磷酸化薄膜的;因为铁基体和磷化液发生的物理化学反映导致表面粗糙度提高,而在磷和铁中间产生低温度的脆性共晶相,从而导致硬化层中间产生共晶间微裂缝。所以,SiO2等胶体的淬硬层品质高于铁磷酸化涂层材料;而SiO二等涂料的生产工艺相对简化,无化学污染,灵活性较强。

激光在相变硬化方面的工业应用还离不开选择合适的热转化材质，如何提高在大批量工业生产使用过程中所涂覆光热转换物料的稳定性、均匀和可测试性并进而减少成本,还需要做好一些管理工作。

2.4 激光加常规复合处理

激光热处理技术作为一种新兴技术,具有很大的优点,而且具有相当的适应性,把激光材料热处理技术和相应的常规高温热处理工艺技术正确的组合起来,优点相辅相成,当然是很好的发展思路。对球墨铸铁材质首先进行激光表面重熔加工,随后石墨化退火,将高速凝固的共晶渗碳体亚稳相部分地转化为多层石墨,从而实现了制备既含有较硬地耐磨高速凝固共晶渗碳体,又含有较弥散多层石墨的一种铁基多相抗磨材质。利用调整退火时机,来调整渗碳体与多层石墨之间的相应比例。由于渗碳体的较佳耐磨性加上石墨的自润滑,是较理想的摩擦学材料。由于市场经济蓬勃发展,对机械零件的特性需求也将是更加多元化的,所以选择单一热处理通常无法解决,所以对复合热处理技术的需求也会有相应程度的提高。

3 激光表面硬化扫描方式

激光的主要扫描方法有对椭圆或正方形光点的窄带扫描技术和对线形光点的宽带扫描。窄带扫描技术的硬化带长度通常与目标光点直径相同,通常在5mm之内。但针对目标的大规模硬化时,则必需逐条地加以扫描,并且各扫描带相互之间必需重合,而重合部分之间将形成回火软化带,由于回火软化带的长度与目标光点特性直接相关,通常均匀矩形光点所形成的回火软化带较小。为降低对软化带的错误危害,科学家们提出了宽带扫描工艺技术。通过宽带扫描可以使聚焦的圆形光点变为直线光斑,使一次激光扫描长度大大增加。目前,获得线光斑的工艺技术基本上包含了采用柱面镜、二元光器件,以及振荡聚焦的光束等。宽带扫描的长度可达到十几个微米,从而有效的降低了对软化带的不良影响。

4 结束语

激光表面相变硬化是以激光作为热源的热处理技术，涉及到光学、材料科学与工程、机械和电子等多学科的高新技术。虽然目前激光相变硬化技术在表面热处理行业的总产值中所占份额还不大，但其应用前景一片大好。目前，激光表面相变硬化的研究、开发和应用都处于上升阶段。

参考文献

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