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激光淬火的方法和設(shè)備
來源:
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作者:輝銳集團(tuán)
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發(fā)布時間: 2021-05-28
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本公司公開了一種激光淬火的方法，包括以下步驟：采用激光機(jī)淬火；淬火后進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火，將工件加熱至500℃，保持溫度，并隨爐一起冷卻，其中激光機(jī)的淬火工藝參數(shù)如下：功率為300- 400W，電流為65-80A，頻率為45-50Hz，脈沖寬度為5ms，掃描速度為20mm / s。本發(fā)明還公開了該方法專用的設(shè)備。采用本發(fā)明的方法和設(shè)備，工件的硬度提高了5-15％，表面質(zhì)量更好，表面更光滑，全淬火層的結(jié)構(gòu)更均勻，裂紋和過大引起的結(jié)構(gòu)不均勻壓力可以消除。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種激光表面改性技術(shù)，尤其涉及一種鋼表面激光淬火技術(shù)。
背景技術(shù)
激光設(shè)備問世以來，在許多行業(yè)中都獲得了重要的應(yīng)用，激光加工不再只是一種科學(xué)實驗，而是進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。激光淬火是一個非常活躍的領(lǐng)域，并取得了一定的成就。淬火可以增強(qiáng)零件的表面，可以提高金屬物質(zhì)的表面硬度，耐磨性，抗腐蝕強(qiáng)度和強(qiáng)度以及高溫性能；可以使零件心部仍保持良好的韌性，制成的機(jī)械性能具有耐磨性好，沖擊強(qiáng)度高，同時疲勞強(qiáng)度高的優(yōu)點。
激光淬火正是將激光聚焦在大型表面上后，利用高能量密度對激光束進(jìn)行快速掃描的技術(shù)，熱能通過傳導(dǎo)使相鄰材料迅速升溫至奧氏體_s以上，溫度低于熔點，停止加熱。自冷由于加熱后的材料基體，被加熱的表皮材料被迅速冷卻以超過馬氏體相變的臨界冷卻速度，從而完成相變硬化。激光淬火過程中有非常高的過熱溫度和冷凝水降低，使晶粒超淬火硬化，位錯密度高，頂層形成應(yīng)力，從而提高了工件的耐磨性，抗疲勞性，抗腐蝕性能耐氧化
將激光淬火技術(shù)與傳統(tǒng)的硬質(zhì)堆焊技術(shù)進(jìn)行比較，得到的硬化層組織比較薄，硬度高于常規(guī)淬火的硬度。激光淬火得到的馬氏體由針狀馬氏體和板條馬氏體混合而成，且位錯的硬度高于傳統(tǒng)的硬質(zhì)堆焊，位錯的強(qiáng)化效果也可以增強(qiáng)。淬火效果比常規(guī)的淬火效果大大增強(qiáng)。
激光淬火一般都使用二氧化碳激光機(jī)，但是二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生的激光光波長較長，不僅二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生的光波的光能少，而且工件對光的吸收激光比固態(tài)激光機(jī)少很多，因此一般需要用二氧化碳激光機(jī)在工件表面涂一層光吸收涂層，這樣會在硬化層中引入雜質(zhì)，也使待加工的表面同時變粗糙。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種激光淬火方法，可以大大提高待加工工件的表面質(zhì)量，其步驟包括：（1）采用激光機(jī)淬火；（2）淬火后進(jìn)行低溫應(yīng)力消除退火，將工件加熱到500℃后保溫，然后爐冷卻。
本發(fā)明采用脈沖激光機(jī)，且激光的波形是不連續(xù)的，因此將調(diào)節(jié)合適的激光技術(shù)參數(shù)為：淬火功率為300W-400W，電流大小為65A-80A，頻率為45Hz-50Hz，脈寬5ms，掃描速度為20mm / s。
合適的提高激光器的頻率和脈沖寬度，減小激光器的電流，可使激光器的功率波形變得平滑，從而可以提高工件的表面粗糙度，同時也可以通過硬化層深度獲得合適的。
另外，激光的掃描重疊率是40％?50％。
本發(fā)明的方法采用兩次至三個淬火的方法，并且每個掃掠速度方向都不相同。
另外，第二次掃描速度大于30mm / s，第三次掃描速度比第二次掃描速度大5?10mm / s。
另外，對于第二次，第三次掃描的重疊率為30％?40％。
本發(fā)明的淬火工件厚度不能低于5mm。激光功率非常大，可使工件表面力矩奧氏體化，如果工件的厚度太小，則是激光能量不能從表面電導(dǎo)平穩(wěn)地下降，從而使工件表面熔化后，不僅改變了工件的尺寸，而且降解了工件。
本發(fā)明采用脈沖固態(tài)Nd：YAG激光機(jī)，選用的是Easthome公司生產(chǎn)的LWS-500型激光束焊接機(jī)，該激光機(jī)的產(chǎn)生的主激光波長為1.064微米，一個數(shù)量級。二氧化碳激光機(jī)的光激射波長較短，因此該激光機(jī)產(chǎn)生的激光能量高，并且工件比二氧化碳激光機(jī)高很多，對激光的比吸收率高，該激光機(jī)用于淬火后，工件表面不需要施加吸光材料，并且通過硬化層可以制成不含雜質(zhì)的材料。
本發(fā)明所使用的激光機(jī)的聚光鏡采用聚光鏡的焦距為16mm，且聚光鏡距工件的精加工表面距離為16mm。因此加工方便，可使激光能量全部聚光。在3mm的熱點上，獲得很高的激光強(qiáng)度，同時大大提高了加工質(zhì)量。強(qiáng)金屬具有工作臺傳熱能力，并有利于工件的傳熱，避免大范圍淬火時，工件的溫度過高，會燒蝕工件，而冷卻的速度會使工件增加，通過硬化層組織獲得更薄的材料。
實施本發(fā)明，有以下有益效果：
與一般的淬火方法相比，本發(fā)明可使工件的硬度提高5％-15％，且表面質(zhì)量更好，更光滑；很好地消除了腰帶的回火軟化問題，使工件的硬度均勻，通過淬火層的深度更均勻；淬火后進(jìn)行應(yīng)力消除退火，使貫穿淬火層的組織更加均勻，可以消除因內(nèi)應(yīng)力而引起的裂紋和微觀結(jié)構(gòu)不均過多，而工件硬度下降較少；使用固態(tài)釹：YAG激光機(jī)不僅光波能量高，而且工件對它的比吸收率也高，一般不需要施加光吸收層，效率得到提高。
隨附圖紙說明
圖1是激光淬火裝置的示意圖。
圖2是單道激光掃描后，在718模具鋼試塊截面中的掃描電子顯微鏡的BES圖。
圖3是718模具鋼通過淬火層的顯微組織（400+）。
體現(xiàn)
為了清楚地說明本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明的淬火裝置包括激光裝置1，反射燈2，激光頭3和工作臺4，并且工件5位于工作臺4上。所描述的激光設(shè)備1通過反射燈2發(fā)送的激光束改變方向并入射到激光頭3中，并且通過激光頭3，光束會聚被淬火處理，以將工件5放置在所描述的工作臺4上。圖2是單道激光掃描后測試塊橫截面的SEM圖，從圖中可以看出，穿過硬化層的測試塊的橫截面形狀為月彎，這是因為熱點的能量分布是高斯分布沿徑向分布，從而使熱點的中間能量較高，邊緣能量較低，從而使通過硬化層兩側(cè)的深度更淺，中間更深。當(dāng)兩次重疊時，兩者上都會有回火軟化帶側(cè)面，回火軟化帶使工件的硬度，耐磨性和耐蝕性變得不均勻。本發(fā)明的回火軟化區(qū)是為了最大程度地減少大面積淬火而發(fā)生的，一共進(jìn)行二至三次淬火，每次淬火的掃掠速度方向不相同，合適的掃掠速度第二次和第三次增加，減少重疊率，這樣不僅可以大大降低回火軟化帶，使工件通過淬火層的深度同時變得均勻，提高了淬火的硬度，使工件的淬火表面變得更光滑。為避免多次掃描而進(jìn)行的多次淬火是對工件表面的熔合和燒蝕，適當(dāng)?shù)乜梢栽黾訏呗铀俣龋档椭丿B率。為了避免多次掃描而對工件表面的熔合和燒蝕進(jìn)行多次淬火，適當(dāng)?shù)乜梢栽黾訏呗铀俣?，降低重疊率。為了避免多次掃描而對工件表面的熔合和燒蝕進(jìn)行多次淬火，適當(dāng)?shù)乜梢栽黾訏呗铀俣?，降低重疊率。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種激光表面改性技術(shù)，尤其涉及一種鋼表面激光淬火技術(shù)。
背景技術(shù)
激光設(shè)備問世以來，在許多行業(yè)中都獲得了重要的應(yīng)用，激光加工不再只是一種科學(xué)實驗，而是進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。激光淬火是一個非常活躍的領(lǐng)域，并取得了一定的成就。淬火可以增強(qiáng)零件的表面，可以提高金屬物質(zhì)的表面硬度，耐磨性，抗腐蝕強(qiáng)度和強(qiáng)度以及高溫性能；可以使零件心部仍保持良好的韌性，制成的機(jī)械性能具有耐磨性好，沖擊強(qiáng)度高，同時疲勞強(qiáng)度高的優(yōu)點。
激光淬火正是將激光聚焦在大型表面上后，利用高能量密度對激光束進(jìn)行快速掃描的技術(shù)，熱能通過傳導(dǎo)使相鄰材料迅速升溫至奧氏體_s以上，溫度低于熔點，停止加熱。自冷由于加熱后的材料基體，被加熱的表皮材料被迅速冷卻以超過馬氏體相變的臨界冷卻速度，從而完成相變硬化。激光淬火過程中有非常高的過熱溫度和冷凝水降低，使晶粒超淬火硬化，位錯密度高，頂層形成應(yīng)力，從而提高了工件的耐磨性，抗疲勞性，抗腐蝕性能耐氧化
將激光淬火技術(shù)與傳統(tǒng)的硬質(zhì)堆焊技術(shù)進(jìn)行比較，得到的硬化層組織比較薄，硬度高于常規(guī)淬火的硬度。激光淬火得到的馬氏體由針狀馬氏體和板條馬氏體混合而成，且位錯的硬度高于傳統(tǒng)的硬質(zhì)堆焊，位錯的強(qiáng)化效果也可以增強(qiáng)。淬火效果比常規(guī)的淬火效果大大增強(qiáng)。
激光淬火一般都使用二氧化碳激光機(jī)，但是二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生的激光光波長較長，不僅二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生的光波的光能少，而且工件對光的吸收激光比固態(tài)激光機(jī)少很多，因此一般需要用二氧化碳激光機(jī)在工件表面涂一層光吸收涂層，這樣會在硬化層中引入雜質(zhì)，也使待加工的表面同時變粗糙。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種激光淬火方法，可以大大提高待加工工件的表面質(zhì)量，其步驟包括：（1）采用激光機(jī)淬火；（2）淬火后進(jìn)行低溫應(yīng)力消除退火，將工件加熱到500℃后保溫，然后爐冷卻。
本發(fā)明采用脈沖激光機(jī)，且激光的波形是不連續(xù)的，因此將調(diào)節(jié)合適的激光技術(shù)參數(shù)為：淬火功率為300W-400W，電流大小為65A-80A，頻率為45Hz-50Hz，脈寬5ms，掃描速度為20mm / s。
合適的提高激光器的頻率和脈沖寬度，減小激光器的電流，可使激光器的功率波形變得平滑，從而可以提高工件的表面粗糙度，同時也可以通過硬化層深度獲得合適的。
另外，激光的掃描重疊率是40％?50％。
本發(fā)明的方法采用兩次至三個淬火的方法，并且每個掃掠速度方向都不相同。
另外，第二次掃描速度大于30mm / s，第三次掃描速度比第二次掃描速度大5?10mm / s。
另外，對于第二次，第三次掃描的重疊率為30％?40％。
本發(fā)明的淬火工件厚度不能低于5mm。激光功率非常大，可使工件表面力矩奧氏體化，如果工件的厚度太小，則是激光能量不能從表面電導(dǎo)平穩(wěn)地下降，從而使工件表面熔化后，不僅改變了工件的尺寸，而且降解了工件。
本發(fā)明采用脈沖固態(tài)Nd：YAG激光機(jī)，選用的是Easthome公司生產(chǎn)的LWS-500型激光束焊接機(jī)，該激光機(jī)的產(chǎn)生的主激光波長為1.064微米，一個數(shù)量級。二氧化碳激光機(jī)的光激射波長較短，因此該激光機(jī)產(chǎn)生的激光能量高，并且工件比二氧化碳激光機(jī)高很多，對激光的比吸收率高，該激光機(jī)用于淬火后，工件表面不需要施加吸光材料，并且通過硬化層可以制成不含雜質(zhì)的材料。
本發(fā)明所使用的激光機(jī)的聚光鏡采用聚光鏡的焦距為16mm，且聚光鏡距工件的精加工表面距離為16mm。因此加工方便，可使激光能量全部聚光。在3mm的熱點上，獲得很高的激光強(qiáng)度，同時大大提高了加工質(zhì)量。強(qiáng)金屬具有工作臺傳熱能力，并有利于工件的傳熱，避免大范圍淬火時，工件的溫度過高，會燒蝕工件，而冷卻的速度會使工件增加，通過硬化層組織獲得更薄的材料。
實施本發(fā)明，有以下有益效果：
與一般的淬火方法相比，本發(fā)明可使工件的硬度提高5％-15％，且表面質(zhì)量更好，更光滑；很好地消除了腰帶的回火軟化問題，使工件的硬度均勻，通過淬火層的深度更均勻；淬火后進(jìn)行應(yīng)力消除退火，使貫穿淬火層的組織更加均勻，可以消除因內(nèi)應(yīng)力而引起的裂紋和微觀結(jié)構(gòu)不均過多，而工件硬度下降較少；使用固態(tài)釹：YAG激光機(jī)不僅光波能量高，而且工件對它的比吸收率也高，一般不需要施加光吸收層，效率得到提高。
隨附圖紙說明
圖1是激光淬火裝置的示意圖。
圖2是單道激光掃描后，在718模具鋼試塊截面中的掃描電子顯微鏡的BES圖。
圖3是718模具鋼通過淬火層的顯微組織（400+）。
體現(xiàn)
為了清楚地說明本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明的淬火裝置包括激光裝置1，反射燈2，激光頭3和工作臺4，并且工件5位于工作臺4上。所描述的激光設(shè)備1通過反射燈2發(fā)送的激光束改變方向并入射到激光頭3中，并且通過激光頭3，光束會聚被淬火處理，以將工件5放置在所描述的工作臺4上。圖2是單道激光掃描后測試塊橫截面的SEM圖，從圖中可以看出，穿過硬化層的測試塊的橫截面形狀為月彎，這是因為熱點的能量分布是高斯分布沿徑向分布，從而使熱點的中間能量較高，邊緣能量較低，從而使通過硬化層兩側(cè)的深度更淺，中間更深。當(dāng)兩次重疊時，兩者上都會有回火軟化帶側(cè)面，回火軟化帶使工件的硬度，耐磨性和耐蝕性變得不均勻。本發(fā)明的回火軟化區(qū)是為了最大程度地減少大面積淬火而發(fā)生的，一共進(jìn)行二至三次淬火，每次淬火的掃掠速度方向不相同，合適的掃掠速度第二次和第三次增加，減少重疊率，這樣不僅可以大大降低回火軟化帶，使工件通過淬火層的深度同時變得均勻，提高了淬火的硬度，使工件的淬火表面變得更光滑。為避免多次掃描而進(jìn)行的多次淬火是對工件表面的熔合和燒蝕，適當(dāng)?shù)乜梢栽黾訏呗铀俣龋档椭丿B率。為了避免多次掃描而對工件表面的熔合和燒蝕進(jìn)行多次淬火，適當(dāng)?shù)乜梢栽黾訏呗铀俣?，降低重疊率。為了避免多次掃描而對工件表面的熔合和燒蝕進(jìn)行多次淬火，適當(dāng)?shù)乜梢栽黾訏呗铀俣?，降低重疊率。
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