激光表面淬火的应用
工业激光淬火知识
工业激光淬火知识激光淬火是一种应用激光技术进行材料表面淬火处理的工艺。
它通过激光束的高能量浓缩作用，将材料表面迅速加热至临界温度以上，然后通过快速冷却，使材料表面形成高硬度的淬硬层，从而提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
激光淬火相比传统淬火技术具有许多优势。
首先，激光淬火的加热速度非常快，通常在毫秒级别。
这种快速加热可以减少热量在材料内部的传导，从而减少了变形和应力的产生，有效地避免了裂纹和变形等缺陷。
其次，激光淬火能够实现局部淬火，只对需要处理的部分进行加热，避免了对整个零件进行加热的浪费。
此外，激光淬火还可以实现在线自动化生产，提高生产效率和产品质量。
激光淬火的应用范围非常广泛。
首先，它可以用于各种金属材料的淬火处理，包括钢、铝、铜等。
这些材料经过激光淬火后，可以大大提高其硬度和耐磨性，延长使用寿命。
其次，激光淬火还可以用于各种工件的表面改性，例如汽车发动机缸体、航空发动机叶片等。
通过激光淬火，可以在工件表面形成坚硬的淬硬层，提高其抗疲劳性和耐磨性。
激光淬火的工艺参数对于淬火效果至关重要。
首先是激光功率的选择。
激光功率过低会导致加热速度过慢，淬硬层的厚度不够，影响硬度的提高；而激光功率过高则会导致加热速度过快，容易产生裂纹和变形。
其次是激光束的聚焦方式和聚焦深度。
不同材料的淬火效果会受到激光束聚焦深度的影响，需要根据具体材料的特性来选择合适的聚焦方式和深度。
此外，激光淬火还需要考虑淬火介质的选择和冷却速度的控制，以确保淬硬层的形成和稳定性。
激光淬火技术在工业领域的应用不断扩大。
它不仅可以提高材料的硬度和耐磨性，还可以改善材料的表面质量和功能。
例如，通过激光淬火可以实现零件的表面增韧，提高其抗冲击性和抗疲劳性；还可以实现零件的表面改色，增加其美观性和附加值。
此外，激光淬火还可以用于微细零件的淬火处理，如微型齿轮、微型弹簧等。
工业激光淬火是一种高效、精准的表面处理技术，具有广泛的应用前景。
随着激光技术的不断发展和创新，相信激光淬火技术将在未来的工业生产中发挥越来越重要的作用，为各行各业提供更加优质和可靠的产品。
激光淬火的应用案例
激光淬火的应用案例激光淬火是一种利用激光加热材料表面的工艺，通过快速冷却来改善材料性能的方法。
激光淬火具有局部加热、快速冷却、精准控制和环保节能等优点，被广泛应用于工业制造领域。
下面是几个激光淬火的应用案例。
首先，激光淬火在金属加工领域有着广泛的应用。
金属零件在制造过程中，通常需要具备高强度和耐磨性的特性。
激光淬火可以提高金属零件的硬度和耐磨性，使其更加耐用。
例如，汽车发动机缸体和曲轴等关键零件，采用激光淬火可以延长使用寿命，并提高整车的性能和可靠性。
其次，激光淬火在航空航天领域也有重要应用。
航空航天零部件通常需要具备高韧性和高强度，以应对极端环境和复杂载荷。
激光淬火可以提高零部件的表面硬度和强度，提高其抗疲劳和抗裂纹能力。
例如，航空发动机叶片、航天器导航系统部件等，都可以通过激光淬火来提高其使用寿命和可靠性。
此外，激光淬火还被应用于工具制造领域。
工具通常需要具备高硬度和耐磨性，以应对高强度和高温的工作环境。
激光淬火可以在工具表面形成坚硬的淬火层，提高其硬度和耐磨性。
例如，钻头、刀具、磨料等工具，在制造过程中可以采用激光淬火来增强其工作性能和寿命。
此外，激光淬火还被广泛应用于模具制造领域。
模具通常需要具备高硬度、高耐磨性和高精度，以保证产品质量和生产效率。
激光淬火可以在模具表面形成细小的组织结构和高硬度的淬火层，使其具备出色的耐磨性和抗腐蚀性。
例如，注塑模具、压铸模具和冲压模具等，在制造过程中可以采用激光淬火来提高其工作性能和寿命。
最后，激光淬火还被应用于刀具涂层技术。
刀具涂层可以在刀具表面形成耐磨、耐蚀和低摩擦的保护层，提高切削性能和使用寿命。
激光淬火可以为刀具提供高温、高能量的局部加热，使刀具表面易于镀层，提高涂层的附着力和均匀性。
例如，刀具涂层过程中的预热和后淬火技术，可以通过激光淬火来实现，提高刀具的综合性能和生产效率。
综上所述，激光淬火在金属加工、航空航天、工具制造、模具制造和刀具涂层等领域具有广泛的应用。
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。
激光淬火
一、概述激光淬火技术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。
激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。
与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。
尤其重要的是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。
激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。
获得的熔凝淬火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。
激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。
该技术的不足之处在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。
为了降低激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。
现在进行激光熔凝处理的冶金行业各种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。
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二、激光淬火的特点质量优势技术特质适用材料实际应用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三、组成部分● 激光器目前，用于激光淬火的设备主要是横流CO2激光器，该激光器的工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内有较低的气体温度，从而保证高功率输出，光束模式为多模输出。
激光淬火技术的原理与应用
激 光 加 工 技 术
§7.2
图7-12 熔覆层的截面示意图
6.激光熔覆层的宽度主要决定于光斑直径；而激光熔覆层的厚度与送粉量、扫 描速度、功率密度等参数密切相关。
激 光
7.常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、以及上述合金与
表 面 改
碳化物(WC、TiC、SiC等)，颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶 瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。
§7.2
激
光
表
面
改
性
技
术
图7-11 同步送料法激光熔覆示意图
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7.2.3 激光熔覆技术
第
5.评价激光熔覆层质量的主要指标为：熔覆层厚度、宽度、形状系数(宽度／厚
七 度)、稀释率、硬度及其沿深度分布、基板的热影响区深度及变形程度等。典型熔
章
覆层的截面示意图见图7-12
性
技
术
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7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
第
4.图7-5所示为该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线
七
章
5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为
激 光
CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。但两者 中影响淬硬性能的主要基本相同
加
1) 材料成分：是通过材料的淬硬性和淬透
性
技
术
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 表 面 改 性 技 术
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§7.2
第 七 章 激 光 加 工 技 术
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺应用
sin arccos
式中: 渐开线上 点的极径，ω为齿轮转动角速度。
如图随着激光束从齿顶到齿根移动，速度不断减小，这就可能发生齿顶与齿 根温差巨大的现象。故此，应该使扫描速度变化，使得齿顶齿根处的实际扫 描速度基本保持恒定，通过编程对其扫描速度进行改变。 c) 激光入射角
激光淬火与传统表面淬火方法的比较
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺
硬化层形成机理 激光淬火过程中存在热传导、热对流和热辐射过程。齿轮的激光淬 火过程，加热区可以分为上、中、下三层，上层为高温表层，中层 为过渡层，下层为冷基体。显然，冷却从下层向上层逐级进行，且 冷却速度越来越慢，随着此温度梯度分布的马氏体含量也不同，这 和常规淬火方式的冷却方向恰恰相反
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火工艺应用
淬火是将钢材加热到临界温度Ac 以上温度，使之奥氏体化，然后以大于临 界冷却速度的速度冷却到 以下(或 附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的 热处理工艺。激光淬火又称为激光相变硬化,激光淬火是将传统热源改为激光加 热。尽管目前激光表面淬火技术的应用还不及传统热处理技术那样广泛和成熟, 但由于其具有的独特优越性, 正日益受到人们的重视。
单光束螺旋扫描 单光束螺旋扫描示意如下图所示，加工时激光光斑照射在齿面齿宽 方向的一端并保持位置不变，齿轮安装在主轴上作回转运动，同时 工作台带动齿轮作轴向进给运动( 提供沿齿宽方向的激光淬火带搭 接宽度) ，最后得到的扫描轨迹就是带有搭接的螺旋带
单光束螺旋扫描齿轮激光淬火示意图
工艺参数
a) 齿轮偏置量
基体自淬火要求。因此应增加辅助冷却措施，加速轮齿冷却速度，使其迅速 达到临界值。同时，辅助冷却也能减弱二次回火现象，确保获得良好的硬化 效果，可根据实际生产需求设计。
激光加工4表面处理
2.5
100
2.0
Weight loss (mg)
80
Microhardness (HV0.1)
1000
800
Weight loss (mg)
1.5 1.0 0.5 0.0
60
600
40
400
20
200
Ni60+15%WC X+10%TiN
X+20%TiN
X+30%TiN
0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0.1 and 2 mm thick, while avoiding evaporation.
These requirements limit the ranges of processing parameters as well as the type of laser that can be used.
the coating material and a thin layer of the substrate to form a pore- and crack- free
coating 0.1 mm ~ 2 mm thick with low dilution that is perfectly bonded to the substrate. Advantages of Laser cladding : • Thickness: 0.1 mm ~ 2 mm
合金等；添加的合金元素有Ni、Cr、W、Ti、Co、Mn、Mo、B等。
三、表面合金化
研究重点有如下四个方面。 1）工艺研究。包括工艺方法、合金元素和工艺参数（激光光斑形状与 尺寸、功率、扫描速度等）的选配等研究工作。
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激光表面淬火在模具制造业中的应用
3、经激光热处理的 GCr15,轴承钢中的位错密度很高 ,而在残留奥氏体中也有同 样的位错密度,因此,激光淬火能获得超高硬度。
4、对W18Cr4V高速钢进行激光表面淬火,相变硬化层的硬度峰值为HV946,红硬性 比常规淬火高出 80度,经640度回火后硬度峰值达 HV1003，耐磨性比常规热处理
激光表面淬火的应用 5
应用案例
1）发动机缸体（缸套）表面淬火，热轧钢板剪切机刃口淬火，与可 使缸体耐磨性提高同等未处理的刃口相比寿命提高一倍左右； 2）钢坯切割锯片齿部淬火，65Mn材料表面硬度达50HRC；
激光表面淬火的应用 5
应用案例
3）机床导轨淬火，大幅度提高表面硬度和耐磨性； 4）齿轮齿面淬火，提高接触疲劳强度及耐磨性； 5）发动机曲轴的曲颈和凸轮部位局部淬火； 6）各种刀具刃口激光淬火。
激光表面淬火在模具制造业中的应用
激光表面热处理是一种周期短，无污染，无噪声的绿色热处理工艺，为提高 模具使用寿命创造了有利条件，并取得了较为可观的经济效益。 1）10钢激光淬火，其表面硬度大幅度提高，可以达到HV700，而常规
淬火的低碳马氏体硬度只有380HV；
2）对Cr12模具钢进行激光淬火，晶粒明显细化，经金相分析，该 材料原始组织的晶粒度为12级，而经激光淬火硬化后为15级；
提高1～2.8倍，刀具的切削性能提高2倍以上。
课程小结
1.激光表面淬火的优势。 2.激光表面淬火的应用很广泛。
作业布置
1、激光表面淬火有什么优势？ 作业 2、简述激光表面淬火的应用。
感谢您的观看！
大型齿轮的激光表面淬火
1
激光表面淬火的应用 2
激光表面淬火特别适合高精度要求零件的表面热处理。
如对大型齿轮的齿面、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加工情况的需要。
大型轴颈的激光表面淬火
激光表面淬火的应用 3
激光表面淬火适用与各类特殊零件的热处理
1.难以进入热处理炉的大型工件； 2.仅需对沟、槽、孔、边、刃口等局部表面热处理的工件；
3.常规热处理难以处理到的部位；
4.常规热处理工艺易产生裂纹的零件； 5.常规热处理达不到硬度要求的零件。
激光表面淬火的应用 4
激光表面淬火在齿轮零件热处理中的应用
1.从激光淬火齿面硬度、硬化层深度以及抗点蚀疲劳强度等性能指标
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。
激光表面淬火的优势
（1）功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质。
（2）淬硬层均匀，硬度高。
（3）工件变形小，易于实现自动化。
激光表面淬火的应用
激光淬火技术可以对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模 具等零件进行表面强化。 其适用材料为中、高碳钢，铸铁。如激光强化的铸铁发 动机汽缸，其硬度提高到 HB680 ，使用寿命提高 2 ～ 3 倍。激 光表面淬火后的潜水艇、飞机等重载大齿轮能够解决常规热 处理带来的齿轮变形过大及噪音问题。
看，激光淬火完全可以取代常规的齿轮渗碳工艺；
2.激光淬火工艺采用了常用普通中碳钢代替昂贵的合金渗碳钢，有效 地降低了生产成本，产生了良好的经济效益；
激光表面淬火的应用 4
激光表面淬火在齿轮零件热处理中的应用
3.激光淬火解决了常规齿轮渗碳工艺中存在的变形难题，省去了后面的磨 齿工艺，而且提高了成品率，进一步降低了成本。
激光表面淬火的应用
课程：工程材料基础 主讲人： 黄丽娟
教学目标
掌握激光表面淬火技术的应用。
激光表淬火
激光表面淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身 冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。
激光表面淬火
激光表面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