干货丨兰州激光淬火技术在机床零件上的应用

目前，随着高精密加工中心（MC）、数控机床（CNC机床）、柔性加工单元（FMC车床）等的日益应用，对机床零件的加工精度、尺寸精度保持性及使用寿命要求进一步提高，激光淬火等技术的应用，可使机床零件（如导轨、齿轮、主轴等）的质量得到很大提高。

激光淬火技术

（1）激光淬火（LHT）及其特点

随着20世纪70年代中期大功率激光器的问世并投入工业生产，激光加工技术得到迅速发展。激光淬火是其中研究早、应用面广、技术成熟的激光表面改性技术。

激光淬火，又称激光相变硬化，它是以功率密度＜104W/cm2的激光束辐照经预处理的工件，从而使工件表面以105~106℃/s加热温度迅速上升至相变点以上，在组织奥氏体化、奥氏体晶粒未来得及长大的情况下，一旦激光停止照射，通过基体的自身热传导作用迅速冷却（冷却速度可达104~106℃/s），实现自激淬火，形成表面相变硬化层。

与普通淬火相比，激光淬火后淬硬层组织细化，硬度普遍提高15%~20%，耐磨性能提高1~10倍；淬火后表面产生约4000MPa的残余压应力，使表层强度及抗疲劳性能得到明显改善；由于激光加热、淬火速度极快，硬化层薄（0.3~0.5mm），热影响区小，故淬火畸变微小；因自冷淬火，无淬火冷却介质的污染。

（2）激光淬火适用范围

激光淬火通常是对一些不要求整体淬火，尺寸精度要求较高，或采用其他方法难以处理，以及形状复杂或需进一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表面硬化处理。

（3）激光淬火设备

通常包括产生激光束的激光器（CO2激光器、YAG激光器），引导光束传输的导光聚焦系统（光闸、可见光同轴瞄准、光束传输及转向、聚焦等装置），承载工件并使其运动的激光加工机（二维、多维的自动或数控加工机床等），以及其他辅助装置（屏蔽装置、对准装置等）。

（4）激光淬火材料

激光淬火常用材料

（5）表面预处理

为增强工件对激光辐射能量的吸收，在激光淬火前需在其表面形成一层对激光有较高吸收能力的覆层，一般采用磷化处理或涂覆含有各种吸光物质的涂料（如粒度＜1μm细石墨粉+丙烯酸树脂+云母粉+；磷酸锰或磷酸锌+磷酸；碳素墨水+磷酸锰）。

（6）激光淬火工艺参数（见表2）

表2 激光淬火工艺参数

（7）几种材料激光淬火工艺参数及效果（见表3）

表3 几种材料激光淬火工艺参数及效果

（8）几种材料的激光淬火层组织（见表4）

表4 几种材料的激光淬火层组织

（9）激光淬火质量要求及检测

按GB/T18683—2002《钢铁件激光表面淬火》标准执行。

激光淬火技术在机床零件上的应用

1.数控机床电主轴激光淬火技术应用

实例 数控机床电主轴（见图1），主轴转速8~10×105r/min，材料为40Cr钢，行调质处理，激光淬火后的安装轴承处及主要表面硬度为52~56HRC。

图1 数控机床主轴简图

（1）主轴及随机附带4个试样，试样直径80mm，壁厚20mm，两端磨平。在采用CO2激光器进行激光硬化前，分别在主轴和试样表面上涂覆一层特别涂料，以增加对激光的吸收。

（2）用5kW的CO2横流式激光器对主轴及试样进行激光淬火，其输出功率P＝1800~2000W，扫描速度v＝5mm/s，机床转速n＝30r/min，扫描宽度2~3.5mm。并采用微机控制淬火机床（工作台），配备灵活通用的工装夹具，固定淬火工件作平行移动、转动或合成运动。图2为机床主轴激光淬火示意。

图2 机床主轴激光淬火示意

（3）激光淬火化后的主轴及试样检验 淬硬层深度0.5~1.2mm；表面淬火硬度60~66HRC；组织为外层极细马氏体+少量残留奥氏体，过渡层马氏体+铁素体+渗碳体，内层为原始组织，即回火索氏体。

表5为40Cr钢激光淬火与常规热处理后相对耐磨性比较。图3为40Cr钢激光淬火与调质处理耐磨性比较。通过结果可知，机床主轴经激光淬火后，主轴磨损量比普通的40Cr钢调质处理的磨量少77%~79%。

表5 40Cr钢激光淬火与常规热处理后相对耐磨性比较

图3 40Cr钢激光淬火与调质处理耐磨性比较

2.数控机床镶钢导轨的激光淬火技术应用

实例 数控机床镶钢导轨，材料为45钢，要求激光淬火。

（1）预备热处理

导轨经锻造后，进行常规的正火及调质处理，以细化晶粒，改善组织结构，降低内应力，并为后续激光淬火做好组织准备。

（2）激光淬火设备及工艺参数

采用国产31.5kW二氧化碳激光器及激光加工机床，激光输出功率P＝900W，光斑直径为4mm，离焦量d＝240mm，扫描速度v＝10m/s。

经上述工艺处理后的导轨，淬火区淬硬层深度为0.58mm，硬化带宽为4.47mm，硬化层组织为细针状马氏体+部分残留奥氏体，表面硬度为724~797HV0.1，相当于61~64HRC。

（3）磨损试验

磨损试验结果表明，当激光扫描淬火花纹为45°斜线（与导轨棱边成45°斜线，见图4），（棱形）硬化面积为40%时，导轨耐磨性高。

图4 激光扫描淬火花纹示意

（4）导轨畸变

导轨采用上述激光淬火花纹、硬化面积及激光淬火工艺参数，在如图5所示的机床导轨的四个面均进行相同条件的激光淬火处理。激光淬火畸变（中间位置）－0.11mm（经低温时效），而整体淬火畸变（中间位置）0.20mm。结果表明，导轨经激光淬火后的畸变远小于整体淬火或感应淬火。

图5 数控机床导轨示意

3.机床离合器联结、花键套、磁轭和齿环的激光淬火技术应用

机床离合器联结、花键套、磁轭和齿环等经激光淬火后，其质量明显优于普通盐浴或感应淬火，解决了联结爪部工作面硬度低、卡爪内侧畸变大，花键套键侧面硬度低、内孔畸变超差、小孔处开裂，磁轭和齿环渗碳淬火畸变大、发生断齿、两者啮合不良、传递力矩不足及发生打滑等缺陷。

实例1 电磁离合器联结（见图6），材料为45钢，技术要求：硬度≥55HRC，淬硬层深度≥0.3mm，爪部直径畸变≤0.1mm，硬化面积≥80%。

图6 电磁离合器联结

（1）工艺流程

全部机械加工后，在数控激光热处理机上自动进行六个爪的12个侧面激光扫描淬火。

（2）激光淬火工艺

激光输出功率P＝1000W，透镜焦距f＝350mm，离焦量d＝59mm，扫描速度v＝1000mm/min，生产节拍t＝45s/件。

（3）检验结果

硬度为57~60HRC，淬硬层深度0.3~0.6mm，直径畸变≤±0.03mm，爪侧面100%淬硬。

实例2 花键套（见图7），材料为45钢，技术要求：硬度≥55HRC，个别点允许≥50HRC，淬硬层深度≥0.3mm，内径畸变≤0.05mm，硬化面积≥80%。

图7 花键套

（1）工艺流程

全部机械加工后，在数控激光热处理机上自动进行六个花键的12个侧面激光扫描淬火。

（2）激光淬火工艺

激光输出功率P＝1000W，透镜焦距f＝350mm，离焦量d＝59mm，扫描速度v＝1200mm/min。

（3）检验结果

硬度为55~63HRC，淬硬层深度0.3~0.5mm，直径畸变为0~0.03mm。