激光表面硬化与常规热处理的对比(2)

因此，在制定激光硬化工艺参数时，首先应确定激光功率、光斑尺寸和扫描速度。

2.激光硬化热处理装置系统简介

激光硬化热处理装置系统主要有激光器系统（激光器、激光功率监测、激光功率反馈装置等）、导光系统（光路转折调整机构）和微机控制淬火机床，其工作系统分布如图1所示。

图1 ?激光硬化热处理装置系统示意图

四、激光相变硬化后金属材料的组织与性能

1.激光硬化后金属材料显微组织的主要特点

激光硬化后在金属材料的硬化区组织中具有与常规处理相同的组织结构，但由于快速加热和快速冷却的作用，致使激光相变硬化后的硬化区的组织具有以下几个特点：

（1）组织的不均匀性。亚共析钢和过共析钢中的不均匀性将导致保留钢中的先共析相，即亚共析钢中的铁素体和过共析钢中的渗碳体。在同样的冷却速度条件下，奥氏体中碳含量的不均匀性将导致低碳部分形成铁素体-渗碳体，其高碳部分却可形成马氏体组织。

（2）激光相变硬化过程中的极大冷却速度使金属材料组织中产生大量的缺陷，减缓了再结晶过程，并且继承了奥氏体中的缺陷，从而细化了亚结构，提高了位错密度，其几种材料激光硬化前后的亚结构特征如表1所示。

表1 几种材料激光硬化前后的亚结构特征

（3）激光硬化后金属材料的晶粒度显著细化。在超快速加热的条件下，金属材料的过热度极高，造成相变驱动力△Gα→γ很大，从而使奥氏体的形核数目剧增；与此同时，瞬时加热后的超细奥氏体晶粒来不及长大，随后的超快速冷却将其保留下来，可造成奥氏体晶粒明显细化，细化的奥氏体晶粒在发生马氏体转变时，转化成细小的马氏体组织。几种材料激光相变前后的晶粒度对比如表2所示。

? ?另外，在激光相变硬化过程中，金属材料不同的原始组织和扫描速度的变化对晶粒度的大小有直接的影响。通常淬、回火的原始组织比调质或正火的原始组织具有更小的晶粒尺寸，增加扫描速度有利于减小晶粒尺寸。

表2? 几种材料激光相变硬化前后的晶粒度对比

2.激光硬化后金属材料的主要性能特点

与常规热处理相比，因激光硬化后的显微组织具有不同的特点，使其金属材料的性能呈现出以下几个主要特点：

?

（1）激光表面硬化处理后的零件表面硬度高，比常规淬火硬度提高15%~20%。

（2）提高材料或零件的表面耐磨性。激光硬化与常规热处理耐磨性的对比如表3所示。

表3 激光硬化与常规热处理的耐磨性对比

（3）提高金属材料的疲劳性能。因激光硬化处理可细化金属材料的显微组织、提高表面硬度并具有残余压应力、可有效地提高金属材料的疲劳性能。以40Cr钢材料零件为例，与常规热处理相比，其激光相变硬化后的疲劳寿命如表4所示。

表4 相同应力下的疲劳寿命对比

激光相变硬化后的显微组织为极细的板条马氏体和孪晶马氏体，由于晶粒细化，使得在交变应力下不均匀滑移的程度减少，推迟了疲劳裂纹源的产生。同时，随着晶界数目的增多，使疲劳裂纹的扩展受到障碍，大大降低了裂纹的扩展速率。

另外，位于马氏体板条间较多的残余奥氏体因产生的塑性变形而松弛了裂纹尖端的应力集中，而使裂纹尖端钝化，延迟了裂纹的形成。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0210/491.html