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鋼或鑄鐵的激光淬火原理

鋼本質上是鐵和碳的合金，通常還含有各種其他物質，如鉻、釩或鈦。根據(jù)化學成分和溫度的不同，處于熱平衡狀態(tài)的鋼有多種不同的變體，而且鋼的非平衡狀態(tài)在技術上也非常重要。通過各種過程，通常涉及快速加熱和冷卻，鋼可以轉化為具有其他微觀結構和在硬度、強度、延展性、密度、化學強度等方面具有顯著不同性質的其他形式。特別是，通過將富含碳的鋼（至少含有 0.8% 的碳）加熱到大約 1000 °C（低于熔點），然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，可以顯著激光淬火。微觀上發(fā)生的基本上是碳的整合變化。在 1000 °C 時，具有面心立方 (FCC) 晶格的奧氏體形式，可以整合大量的碳，基本上是碳化鐵。如果隨后將鋼緩慢冷卻，則鐵會轉變?yōu)轶w心立方 (BCC) 晶格（鐵素體）。由于可以容納較少的碳，碳以孤立的 Fe 3 C顆粒的形式沉淀，稱為滲碳體。鐵素體和滲碳體的混合物稱為珠光體。然而，在更快速冷卻的情況下，碳原子沒有足夠的時間遷移到滲碳體晶粒，因此更分散在鐵素體中。因此，（迄今為止占主導地位的）鐵素體晶粒內的晶體缺陷不再那么容易滑動，并且材料（以這種形式稱為馬氏體）相應地更硬。同時，鋼表面變得更耐化學。

激光淬火工藝

激光淬火過程只是用中等強度的激光束加熱表面一小會；然后熱量向下傳導。當激光束關閉或移開時，表面會迅速冷卻，主要是通過熱傳導到大塊材料中（自淬火）。在某些情況下，激光淬火應用于一個小的有限區(qū)域，在其他情況下，它應用于長條紋，或通過掃描到更大的區(qū)域。在后一種情況下，激光淬火是通過移動激光加工頭順序完成的。激光淬火過程比傳統(tǒng)激光淬火方法快得多。根據(jù)工藝細節(jié)，鋼可能會發(fā)生激光淬火至約 3 毫米的深度，或在鑄鐵中發(fā)生的激光淬火程度稍低。在材料內部，溫度偏移不足以導致激光淬火。可以以非常有針對性和可控的方式施加熱量是非常有利的。因此，可以在火焰激光淬火等無法正常工作的情況下應用激光淬火。通常，在此過程后需要較少或無需返工，因為可以直接獲得質量好的零件。處理過的機器零件的形狀幾乎沒有變化。快速處理，有時甚至是“即時”（在運動期間），是另一個重要優(yōu)勢。

吸收效率可以相當高，至少在應用一些適當?shù)念A處理時是這樣。根據(jù)情況，應用大約在 0.1 kW 和 10 kW 之間的完全不同的激光功率。由于光束質量要求相當適中，現(xiàn)在普遍使用直接二極管激光器——一種特別低成本和高能效的解決方案：這種激光源的壁掛效率通常約為 50%，甚至約為 70 %。不幸的是，吸收的的激光光-通常在波長介于 0.8 μm 和 1 μm 之間 - 由于該光譜區(qū)域中金屬表面的高反射率，因此效率不高。因此，在某些情況下，首先將吸收涂層（例如石墨）施加到表面，例如將吸收率增加到約85%。它還可以幫助產生合適的表面微觀結構，例如通過氧化鋁噴砂。原則上，人們可以將其他類型的激光二極管用于具有更好吸收的其他光譜區(qū)域，但通常只有使用基于砷化鎵技術的器件才能獲得足夠高的輸出功率和光束質量，該技術僅限于上述波長范圍。

在直接二極管激光器得到充分發(fā)展之前，二極管泵浦固體激光器被廣泛使用，很容易達到所需的光束質量。稍微好一點的光束質量實際上有助于通過快速掃描獲得理想的強度分布