1 激光表面硬化機(jī)理

與傳統(tǒng)淬火后馬氏體形成的機(jī)理類似，都是通 過加熱和迅速冷卻，但激光淬火的熱循環(huán)過程有所 不同，常規(guī)淬火后的組織是通過冷卻介質(zhì)（水或油） 快速冷卻，而激光淬火是鐵基合金在激光停止照射后，利用金屬本身的熱傳導(dǎo)發(fā)生“自淬火”而得到馬氏體組織。激光表面硬化（激光淬火）主要有 CO2 激光和 YAG 激光，前者多用于黑色金屬大面積零件的表面改性，后者多用于有色金屬或小面 積零件的表面改性。它是通過高能密度的激光束以非接觸的方式掃描需要改性部位的金屬表面上， 使其吸收光能后溫度以 104～105 ℃/s 的速度瞬間 升高到奧氏體相變溫度以上，熔點(diǎn)溫度以下。如此快的升溫過程有益于奧氏體形核，得到細(xì)小的奧氏體晶粒，隨后自身又以大于 104 ℃/s 冷卻速度進(jìn)行熱傳遞急速冷卻，由于加熱時(shí)間短，冷卻速度過快使奧氏體來不及均勻化，導(dǎo)致碳和合金元素分布不均，晶粒細(xì)小的奧氏體和奧氏體組織成分的差異都有利于最終獲得細(xì)小的馬氏體。板條狀馬氏體和孿 晶馬氏體是在經(jīng)激光淬火后常見的組織，其具有很高的位錯(cuò)密度，一般可達(dá) 1012 cm2。研究表明晶粒細(xì)小、極大的位錯(cuò)密度是獲得超高硬度馬氏體的重要條件。激光相變硬化是通過迅速升溫與迅速冷卻的加工方式，使工件表面產(chǎn)生極大的壓應(yīng)力， 大小一般可達(dá) 750 MPa 以上，在很大程度上改善了材料的疲勞強(qiáng)度，而且 C. Soriano 在研究激光淬火對(duì)球墨鑄鐵的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)淬火后的殘余應(yīng)力與組織的顯微硬度、顯微組織轉(zhuǎn)變有很大關(guān)系。

2 激光淬火區(qū)不同深度的組織類型

激光束照射在金屬表面會(huì)形成較高的溫度梯度，從而引起材料中的原子遷移現(xiàn)象，在一定深度范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)的組織層的形成與溫度有關(guān)，主要表現(xiàn)為隨溫度梯度分布的變化，組織的耐磨性、 硬度以及其他性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，激光淬火后，金屬材料可按其組織層的不同可以分成三層。 第一層：相變硬化層。該層直接受到激光束的照射，溫度升高和降低最快，過熱度和過冷度最大， 在非平衡狀態(tài)下，基體組織以瞬間切變的形式轉(zhuǎn)為奧氏體組織，并伴隨著碳及各種合金元素進(jìn)行擴(kuò)散和遷移。元素原子時(shí)刻進(jìn)行著熱振動(dòng)，振動(dòng)的能量與溫度有密切關(guān)系，當(dāng)溫度較低時(shí)，原子所具有的能量不足以克服周圍原子對(duì)其束縛；當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，原子可跨越勢(shì)壘，由原來的位置躍遷 到其他位置，合金等元素由高濃度向低濃度擴(kuò)散和遷移。為了探究合金元素的擴(kuò)散情況，人們通常采用動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序 DICTRA 來模擬。上海交通大 學(xué)何燕霖等對(duì) Fe、Al、Si 合金中的元素進(jìn)行了不同溫度下元素?cái)U(kuò)散和遷移實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。盡管有元素?cái)U(kuò)散和遷移，但是與常規(guī)的淬火相比，其擴(kuò)散時(shí)間非常有限， 使元素分布很不均勻，最終冷卻后得到的組織非常細(xì)小，位錯(cuò)密度極高，而且在該層中的組織也不盡相同。

3 材料表面預(yù)處理與影響相變硬化 層性能的主要工藝參數(shù)

金屬材料表面吸收光能的效率主要取決于材料的表面狀態(tài)，經(jīng)過機(jī)械加工后的模具，其表面粗 糙度很小，其反射率高達(dá) 80%～90%。通常用磷化法、噴涂涂料法對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，以提高 金屬表面對(duì)激光的吸收效率。通過磷化法可以在材料表面生成均勻、細(xì)致的磷化酸金屬鹽磷化膜，其對(duì)材料表面的影響較小。噴涂涂料法是在金屬表面涂上能夠很好吸收激光的涂層，在高功率激光的照射下，涂層具有很好的熱穩(wěn)定性，且導(dǎo)熱性高。 噴涂法工藝在金屬表面預(yù)處理中具有更大的優(yōu)越 性，主要是涂料價(jià)格低廉、容易清除，在涂敷及激 光處理過程中，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染[44]。例如納米 氧化物涂料，在溫度達(dá)到 873 K 時(shí)仍能保持高而穩(wěn)定的吸收率，通常納米氧化物涂料對(duì) CO2 激光吸收 率達(dá) 93.57%。 模具表面的顯微硬度、耐磨性與材料的顯微結(jié)構(gòu)、晶粒大小、表面狀態(tài)等因素有關(guān)，而這些因素直接受到工藝參數(shù)的影響，吸收激光能量的程度最 終決定淬火后的組織性能。主要工藝參數(shù)有：激光輸出功率（P）、掃描速度（v）和作用在材料表面 上的光斑尺寸（D）。三個(gè)參數(shù)對(duì)激光淬火后的硬 化層深度（H）的影響關(guān)系式為： H∝P/(D×v) (1) 由式（1）可知，激光相變硬化層的深度與激 光輸出功率成正比，與掃描速度和作用在材料表面 上的光斑尺寸成反比。而且材料對(duì)激光的吸收率隨 著溫度的升高而增加，關(guān)系式為 TT=T20 ℃[1+ U(T20)]，其中 TT 為材料對(duì)激光的吸收率，T20 ℃ 為室溫條件下材料的吸收率，U 為常數(shù)，T 為材料 的溫度。為了使激光淬火效果達(dá)到最佳，必須考慮 P、v、D 等因素影響，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)量，可以通過 正交試驗(yàn)法分析各參數(shù)之間的相關(guān)性。江蘇廣播電 視大學(xué)吳健[46]對(duì) 4Cr13 不銹鋼進(jìn)行了正交試驗(yàn)，結(jié)果見表 1。

表 1 激光淬火正交試驗(yàn)的因素水平

由表 1 可知，激光淬火工藝參數(shù)中的影響效果 依次為 P→D→v→PD→Pv。激光輸出功率對(duì)硬化 效果的影響是矛盾的，當(dāng)其超過一定范圍時(shí)，金屬 表面由于溫度超過了熔化溫度會(huì)形成熔池，影響金屬表面的幾何形狀，反之激光強(qiáng)化效果將會(huì)減弱。同樣掃描速度也不能過快，雖然隨著 v 的增加，激 光淬火硬化效果增加，但是當(dāng) v 超過臨界值后，由 于加熱時(shí)間過短，激光淬火只能起到退火軟化作用。

4 激光淬火在模具表面處理中的應(yīng)用

采用激光淬火技術(shù)對(duì)模具處理時(shí)，通常根據(jù)模具的形狀特點(diǎn)和使用要求在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行淬火。激光淬火后，模具表面的耐磨性較常規(guī)淬火、回火處理有顯著提高，從而延長(zhǎng)了模具的有效使用時(shí)間。例如福建農(nóng)林大學(xué)徐洪煙等研究了經(jīng)激光淬火后模具材料的性能變化，結(jié)果表明，模具表面組織的改變使其耐磨性增強(qiáng)，淬火后的殘余應(yīng)力也使 模具材料的抗疲勞性顯著提高。樊湘芳等對(duì) GCr15 鋼沖模的母模進(jìn)行了激光表面淬火，試驗(yàn)后，其表面硬度獲得提高，增強(qiáng)了母模型腔的抗沖擊能力，使模具壽命提高了 20%以上。常見的模具有冷作模、熱作模及塑料模，對(duì)于不同材料的模具， 經(jīng)激光淬火后，組織性能有所不同。用于加工的冷作模具材料都屬于高碳鋼，提高耐磨性和硬度是表面淬火的主要目的。經(jīng)激光淬火后的組織和性能見表 2。用于加工的熱作模具材料都屬于中碳鋼，表面淬火的目的有提高高溫耐磨性、耐熱疲勞性、抗氧化性，但是并不要求很高的表面硬度。經(jīng)激光淬火后的組織和性能見表3。 用于加工的塑料模具材料范圍較廣，從結(jié)構(gòu)鋼到工具鋼，從碳素鋼到合金鋼。塑料模具對(duì)其表面的粗糙度要求很嚴(yán)格，但不要求很高的表面硬度， 因此激光表面淬火處理多用于一些囊塊，其目的是提高囊塊的硬度。經(jīng)激光加熱表面淬火后的組織和性能見表4。

表2常用冷作模具鋼激光表面淬火工藝參數(shù)

由表 2—4 可以看出，經(jīng)激光淬火后，模具的顯微硬度均較高，激光淬火對(duì)模具表面的幾何形狀 影響很小，可以將其作為最后一道加工工藝。由于影響激光淬火過程的影響因素較多，導(dǎo)致大部分科研結(jié)論不能直接用于工業(yè)生產(chǎn)加工，一般作為參考使用。對(duì)模具而言，激光淬火工藝參數(shù)的選擇受到模具預(yù)定壽命、模具材料及模具廠房環(huán)境等因素左右，因此在利用激光淬火工藝時(shí)，需多次進(jìn)行實(shí)際 的實(shí)驗(yàn)并優(yōu)化可變參數(shù)，以達(dá)到最合理的效果。

5 總結(jié)及展望

激光淬火技術(shù)從開始應(yīng)用到現(xiàn)在，主要優(yōu)缺點(diǎn)有：

1）自身“自淬火”，不需要冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染；

2）處理后模具表面顯微硬度、耐磨性等性能獲得很大的改善；

3）加熱速度快，材料受熱影響小，表面粗糙度好；

4）影響因素較多，設(shè)備費(fèi)高；

5）溫度測(cè)試裝置的精確度不高，使激光淬火對(duì)模具表面硬化處理時(shí)的質(zhì)量不易控制。

隨著科技不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬和熱處理的數(shù) 學(xué)建模取得了很大的進(jìn)步，這有利于激光淬火技術(shù)在材料表面處理過程中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化，再者激光功率檢測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展也給激光淬火技術(shù)進(jìn)一 步應(yīng)用提供了方便。繼續(xù)優(yōu)化激光淬火技術(shù)的工藝、改進(jìn)激光的激發(fā)器和導(dǎo)光系統(tǒng)的微調(diào)裝置仍是未來要做的工作，激光淬火技術(shù)和其他表面處理技術(shù)結(jié)合也是一個(gè)發(fā)展方向。總之，隨著對(duì)激光淬火技術(shù)的理論和實(shí)踐進(jìn)行更加深入的研究，這門技術(shù)將會(huì)被人們熟練掌握，應(yīng)用也會(huì)更加廣泛。