激光加热表面淬火简介
表面淬火技术及其应用
表面淬火技术及其应用
表面淬火技术是一种通过对工件表面进行加热、快速冷却的方式，来改变工件表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能的热处理工艺。
以下是表面淬火技术及其应用的一些介绍：
1.感应加热表面淬火技术：感应加热是通过电磁感应来加热工件
表面的一种方式，适用于各种形状的工件，如轴、齿轮、带轮
等。
该技术可提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时
保持心部材料的韧性。
2.火焰加热表面淬火技术：火焰加热是通过氧气和乙炔等可燃气
体燃烧后对工件表面进行加热的一种方式，适用于大型工件和
批量生产的工件，如齿轮、轴等。
该技术可提高工件表面的硬
度、耐磨性和耐腐蚀性。
3.电接触加热表面淬火技术：电接触加热是通过电极与工件表面
接触，通过电流加热工件表面的一种方式，适用于小型工件，
如轴、齿轮等。
该技术可提高工件表面的硬度、耐磨性和耐腐
蚀性。
4.电解液加热表面淬火技术：电解液加热是通过将工件作为阴极
插入电解液中，利用电解反应来加热工件表面的一种方式，适
用于小型工件，如轴、齿轮等。
该技术可提高工件表面的硬度、
耐磨性和耐腐蚀性。
表面淬火技术的应用广泛，可应用于汽车、航空航天、机械制造等领域中的各种工件，如轴、齿轮、曲轴、连杆等。
通过表面淬火处理，可以提高工件的使用寿命和可靠性，降低维修成本，提高生产效率。
激光淬火技术工艺介绍及应用
激光淬火技术是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。
激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。
激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm 范围之间。
对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。
激光淬火现已成功地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效益，近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。
一：激光淬火的特点
1．淬火零件不变形、激光淬火的热循环过程快、中碳钢、大型轴类；
2．几乎不破坏表面粗糙度、采用防氧化保护薄涂层、模具钢、各种模具；
3．激光淬火不开裂、精确定量的数控淬火、冷作模具钢、模具、刃具；
4．对局部、沟、槽淬火、定位精确的数控淬火、中碳合金钢、减振器；
5．激光、淬火清洁、高效、不需要水或油等冷却介质、铸铁材料、发动机汽缸；
6．淬火硬度比常规方法高、淬火层组织细密、强韧性好、高碳合金钢、大型轧辊。
二：激光淬火工业应用实例
激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。
适用材料为中、高碳钢，铸铁。
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激光表面淬火-李凤辉
激光表面淬火1 引言激光淬火又称为激光相变硬化，是指以高能密度的激光束照射工件表面，使其需要硬化部位瞬间吸收光能并立即转化为热能，从而使激光作用区的温度急剧上升形成奥氏体，经随后的快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织的高硬化层的一种热处理技术。
热量从工件表面向基体内部快速传导，表面得以急剧冷却（冷却速度可达104℃∕ｓ甚至106℃∕ｓ），实现自冷淬火。
2 激光表面淬火的优缺点由于激光相变硬化加热及冷却都是在快速下进行的，所以使得激光相变硬化与常规热处理有许多不同之处。
⑴激光淬火比普通淬火硬度高，耐磨性好，对于低、中碳钢效果更为明显。
⑵激光淬火变形小，热影响区小。
⑶由于激光淬火是自冷，因而不用淬火介质，不必清洗，无污染，生产环境好。
⑷硬化层深度可以控制。
⑸因为光的传递方便，所以可实现自动化生产。
⑹可任意选淬火部位，对零件任一局部可施行淬火，只要光照到的部位均可处理。
尽管激光是一先进技术，有许多优点，但也存在一些不利因素和一定局限性。
⑴设备较贵，一次投资大，对操作人员要求较高。
⑵淬火前表面要增加一预处理工序。
⑶大面积淬火时，扫描带之间有软带，硬度不连续。
⑷光电转化效率还较低。
⑸硬化层深度较浅。
3 激光表面淬火工艺3.1 激光淬火表面预处理由于一般钢铁零件是是在精加工后才强化处理的，表面光亮，对激光的反射率很高，吸收激光能量的能力很低，因此待处理工件表面必须经过表面预处理，以提高激光能量的利用率。
通常采用黑化处理，即在零件表面得到一层对光具有高吸收率的黑色薄膜。
磷化法：用磷酸锰或磷酸锌为主的溶液浸渍零件（可加温），在表面得到深灰色的绒状薄膜，膜厚约10μｍ，CO2激光吸收率可由激光表面的10％～15％提高到70％～95％。
这种黑化处理仅适用于低碳钢、中碳钢和铸铁，对高合金钢（如不锈钢）效果不好。
炭素法：用炭素墨汁或或石墨－粘结济溶液涂在零件表面。
这种方法可用在任何材料上，还可进行局部涂敷。
这种涂层吸收率为90％左右，对材料有一定增碳作用。
表面淬火定义
表面淬火定义表面淬火是一种金属材料处理技术，旨在提高金属材料的硬度和耐磨性。
在表面淬火过程中，金属材料的表面被快速加热到高温，然后迅速冷却，使其细化晶粒并形成马氏体组织，从而获得优异的机械性能。
表面淬火是一种常用的金属材料处理方法，广泛应用于机械制造、汽车制造、航空航天等领域。
通过表面淬火处理，可以显著提高金属材料的硬度和耐磨性，增加其使用寿命和耐久性。
同时，表面淬火还可以改善金属材料的表面质量，提高其抗腐蚀性能，增强其抗拉强度和抗压强度。
表面淬火的基本原理是利用金属材料的相变规律。
当金属材料被加热到一定温度时，其晶体结构会发生变化，从而产生新的组织结构。
在表面淬火过程中，金属材料的表面被加热到临界温度以上，使其达到奥氏体相区，然后迅速冷却，使其迅速转变为马氏体组织。
马氏体组织具有高硬度和优异的耐磨性，可以显著提高金属材料的机械性能。
表面淬火可以采用多种方法进行，常见的方法包括火焰淬火、电火花淬火、激光淬火等。
不同的淬火方法适用于不同的金属材料和工件形状。
火焰淬火是一种较常用的表面淬火方法，它通过将金属材料的表面加热到高温并迅速冷却，使其形成马氏体组织。
电火花淬火利用电火花放电的高温和高能量特性，将金属材料的表面加热到临界温度以上，并通过迅速冷却形成马氏体组织。
激光淬火则利用激光的高能量和高密度特性，将金属材料的表面加热到临界温度以上，并通过迅速冷却形成马氏体组织。
表面淬火不仅可以提高金属材料的硬度和耐磨性，还可以改善其表面质量。
在表面淬火过程中，金属材料的表面会发生相变，原有的晶粒会细化并形成马氏体组织。
这种细化的晶粒结构可以显著提高金属材料的表面质量，使其更加光滑、均匀，减少表面缺陷和气孔的产生。
同时，表面淬火还可以提高金属材料的抗腐蚀性能，使其更加耐腐蚀和耐磨损。
表面淬火是一种有效的金属材料处理方法，可以显著提高金属材料的硬度和耐磨性，改善其表面质量，增强其机械性能和抗腐蚀性能。
在工业生产中，表面淬火被广泛应用于各个领域，为产品的质量和性能提供了有力支撑。
激光加热表面淬火原理【详解】
表面淬火技术原理:激光淬火，也称激光热处理、激光硬化，即利用聚焦后的激光束快速加热金属材料表面，使其发生相变成马氏体淬硬层的一种高新技术，分为激光相变硬化、激光熔凝硬化和激光冲击硬化三种工艺方法。
技术特点 :1.激光淬火马氏体晶粒更细、位错密度更高，硬度更高，耐磨性更好。
2.变形极小，甚至无变形，适合于高精度零件处理，部分场合可作为材科和零件的最后处理工序。
3.无需回火，淬火表面得到压应力，不易产生裂纹。
4.如工柔牲好，适用面广，可方便地处理大尺寸工件和沟、槽、深孔、内孔、盲孔等局部区域。
5可根据需要调整硬化层深浅。
6.硬度梯度非常小，硬度基本不随激光硬化层深变化而变化。
7.适合的材料广泛，包括各种中高碳钢、工具钢、模具钢以及铸铁材料等。
8.加工过程自动化控制，工期短，质量稳定。
9.低碳环保，无需冷却介质，无废气废水排放。
技术参数 :适合材质：各类中高碳钢、铸铁淬火硬度：一般可比感应淬火高1-5HRC 淬火深度：0.1-1.2mm 应用领域激光淬火技术解决了许多常规热处理工艺无法解决的难题，已大量应用于冶金、汽车、模具、五金、轻工、机械制造等行业。
适合各类型零件的热处理：1.难以进入热处理炉的大型工件。
2.仅需对沟、槽、孔、边、刃口等局部表面进行热处理的工件。
3.常规热处理工艺难以处理到的部位。
4.对热处理变形量要求高的精密零件。
5.铸铁工件表面的热处理。
6.常规热处理工艺易产生裂纹的零件。
7.常规热处理工艺达不到硬度要求的零件。
激光表面修复技术原理通过在基材表面添加不同成分、性能的熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基材表面形成与其为冶金结合的具有特殊物理、化学或力学性能的添料熔覆层。
技术特点 :1.激光熔覆层与基体为致密冶金结合，结合强度高，不脱落。
2. 加工过程热影响区和热变形小，不改变基材内部金属性能。
3. 可实现工件表面性能的定制，熔覆耐磨损、耐腐蚀、耐高温等特殊功能层。
表面淬火——精选推荐
表面淬火
表面淬火是将刚件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。
表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。
表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。
表面淬火采用的快速加热方法有多种，如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最广的是电感应加热法。
感应加热表面淬火就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电（有高频，中频。
工频三种），是感应圈周围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产生与感应线圈频率相同，方向相反的感应电流，这个电流叫涡流。
由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层。
由涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。
感应电流的频率愈高，集肤效应也愈强烈，故高频感应加热用途最广。
高频感应加热常用频率是200~300kHz，其加热速度极快，通常只有几秒种，淬硬层深度一般为0.5~2mm。
主要用于要求淬硬层较薄的中，小型零件，如齿轮，轴等。
扩展阅读：
1.《金属工艺学》郑文英主编高等教育出版社。
热处理--表面淬火技术
我所关注的表面工程领域——表面淬火技术一、表面淬火技术的原理和分类采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程，就称为表面淬火技术。
实际上，不仅仅是钢铁，凡是能通过整体强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。
需要注意的是，表面淬火只对工件的表面或部分表面进行热处理，所以只改变表层的组织，使其表面硬度、耐磨性和疲劳强度均高。
而心部或其它部分的组织仍保留原来的低硬度、高塑性和高韧性的性能，这样工件截面上由于组织不同性能也就不同。
表面淬火便于实现机械化、自动化，质量稳定，变形小，热处理周期短，费用少，成本低，还可用碳钢代替一些合金钢。
对于表面淬火的使用材料，原则上，碳的质量分数在0.35%--1.20%的中、高碳钢及基体相当于中碳钢的普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁均可以实现表面淬火，但中碳钢与球墨铸铁是最适宜于表面淬火的材料。
根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火、接触电阻加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。
工业上应用最多的为感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火。
这里我主要介绍了感应加热、激光加热表面淬火技术，以及感应加热表面淬火国内外的发展现状及趋势。
二、感应加热表面淬火感应加热表面淬火法是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。
生产中把工件放入由空心铜管绕成的感应线圈中，当感应线圈通以交流电时，便会在工件内部感应产生频率相同、方向相反的感应电流。
感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。
涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。
由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至800～1000℃，而心部温度仍接近室温，在随即喷水（合金钢浸油）快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。
表面淬火概念
表面淬火概念
表面淬火是一种热处理工艺，用于改善材料表面的硬度和耐磨性，同时保持内部的韧性和强度。
它主要适用于金属材料，如钢和铁。
表面淬火的过程涉及将材料加热到足够高的温度，然后迅速冷却，以产生所需的组织和性能变化。
与传统的整体淬火相比，表面淬火仅对材料表面进行处理，因此能够改善表面的性能而不会对整体结构产生太大的影响。
在表面淬火过程中，常用的方法包括火焰淬火、电火花淬火、激光淬火和电子束淬火等。
这些方法都会在材料表面形成高温区域，并通过迅速冷却使表面发生相变，从而获得较高的硬度。
表面淬火可以增加材料表面的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能。
它常用于制造工业中需要经受高应力和摩擦的部件，如齿轮、刀具、轴承等。
通过表面淬火，这些部件的使用寿命可以得到显著延长。
需要注意的是，表面淬火过程需要严格控制温度和冷却速度，以确保达到所需的材料性能。
不正确的淬火过程可能导致材料变形、裂纹和不均匀的硬度分布。
因此，在进行表面淬火之前，应仔细研究材料的性质和淬火工艺，以确保最佳的处理效果。
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激光加热表面淬火简介：
（1）定义：利用聚集后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变形成马氏体淬硬层的热处理工改错为激光加热表
面淬火。
（2）特点：与普通热处理相比，它具有如下特点：
①加热速度极快，工件热变形极小。
由于激光功率密度高，加
热速度可达1010℃/s，因而热影响区小，工件热变形小，劳动条件好。
②其冷却速度很高，在工件有足够质量前提下，冷速可达1023℃
/s；不需冷却介质，靠热量由表向里的传导自动淬火。
③由于激光束扫描（加热）面积很小，可十分精确地对形状复
杂的工件（如有盲孔、小孔、小槽、薄壁零件等）进行处理或局部处理，也可根据需要在同一零件的不同部位进行不同的处理。
④能精确控制其加工条件，操作简单，可实现在线加工，也易
于与计算机连接，便于实现自动化生产。
⑤不需要加热介质，有利于环境保护；工件经激光淬火后表面
硬度高（比普通淬火硬度值高15%~~20%）、疲劳强度高（表面具有4000Mpa以上的残余压应力）。
⑥节省能源，并且工件表面清洁，处理后不需修磨，可作为工
件精机械加工的最后一道工序。
其不足之处在于：只能改变工件表面性能，但不能改善心部
性能；不能用于重负荷工件，也不适用于大型工件。
（3）原理：用于热处理的激光淬火装置主要是CO2气体激光器，它所发生的激光波长为10.6μm，此波长具有很好的大气透过率，很多物质对此波长的辐射线具有一定吸收率；它具有输出功率大（20~~100kW）、效率高（可达20%~~40%）、持续工件时间长等优点。
激光加热金属主要是通过光子同金属材料表面的电子和声子的能量交换，使处理层材料温度升高，在10-7~~10-9s之内就能使作用深度内达到局部热平衡，在金属材料表面形成的这层高温“热层”继而又作为内部金属的加热热源，并以热传导方式进行传热。
激光加热表面淬火就是以高能量激光作为能源以极快速度加热工件并自冷淬火的工艺。
其实质就是利用激光产生的热量对工件表面进行处理的过程，它是一种新型的热处理工艺技术。
应当注意事项的是激光加热表面淬火效果与材料表面的反射率、密度和热导率等密切相关，由于所有金属都是10.6μm波长和CO2激光的良好反射体，反射率可高达70%~80%，对于反射率高的材料，激光能量不能被充分，所以激光淬火前要对金属表面施加吸光涂层（黑化处理）以增加吸收率。
常用的黑化方法，主要有磷化、氧化等，或在金属表面涂覆一层可大师吸收激光的涂料（如碳素墨汁、胶体石墨、粉状金属氧化物、黑色丙烯酸、氨基屏光漆等）。
（3）工艺参数及应用：钢铁材料进行激光淬火的主要工艺参数
为：激光束的功率（P，单位：W）、激光光斑直径（Db单
位：mm）、激光束的扫描速度（σ单位：cm/s）等。
当涂
层材料和工件的化学成分一定时，改变激光束功率密度和
激光束扫描速度，可获得不同硬化层深度（H单位：mm）、硬度值及组织等，以达到所需的力学性能。
它们之间的关
系如下：
H∝P Dbσ
硬化层的组织则与工件的化学成分有关。
一般碳素钢的激光硬化层组织基本上是细针状马氏体；合金钢则为板条马氏体+碳化物+少量残余奥氏体等。
激光硬化层与基体交界的过渡区组织极为复杂，呈多相状态。
激光束未照射部位仍为原始金相组织。
表1为几种常用钢材的激光淬火工艺参数与力学性能及组织的关系，表2为45号钢激光加热表面淬火后的效果比较。
表1 几种常见钢材的激光淬火工艺参数与力学性能及组织的关系
表2 15号钢激光加热表面淬火后的效果比较
激光加热表面淬火，虽然开发时间较短，但进展较快，已在一些机械产品的生产中获得成功应用，例如变速箱齿轮，发动机气缸套，轴承圈和导轨等。