激光硬化是對金屬零件表面快速地進行局部淬火的一種高新技術(shù)。這種工藝方法用于強化零件的表面，可以顯著地提高金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性、疲勞性能及強度和高溫性能；同時可使零件心部保持良好的韌性，以使零件的力學性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高的特點。激光硬化可以提高產(chǎn)品的服役能力和成倍地延長其使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟特點，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于齒輪、模具、發(fā)動機缸套、軋輥、曲軸等行業(yè)。

根據(jù)激光與材料相互作用時激光能量密度的不同，激光硬化一般分為3種工藝：激光相變硬化（功率密度為104～105W/cm2）、激光熔化凝固硬化（功率密度為105～107W/cm2）、激光沖擊硬化（功率密度為108W/cm2以上）。目前，在國內(nèi)工業(yè)界應(yīng)用較多的是激光相變硬化。

一、激光相變硬化的原理簡介

激光相變硬化是以高能量（104～105W/cm2）的激光束快速地掃描工件，使被照射的金屬材料零件表面溫度以極快的速度（104～109℃/s）升到高于相變點（對鋼件而言：Ac1或Ac3）而低于熔化溫度，當激光束離開被照射部位時，由于熱傳導(dǎo)的作用，處于冷態(tài)的基體以104～106℃/s的冷卻速度極快地對所加熱的表面進行自冷淬火，從而實現(xiàn)零件表面的相變淬火硬化。

二、激光表面硬化比常規(guī)硬化處理的優(yōu)勢

激光表面硬化處理適用于常規(guī)硬化處理（滲碳和碳氮共滲淬火、氮化及高中頻感應(yīng)淬火等）所不能完成或難于實現(xiàn)的某些零件及其局部位置的表面強化處理，概括起來有以下主要特點：

（1）金屬材料零件表面的高速加熱與快速冷卻，有利于提高掃描速度和提高生產(chǎn)效率。

（2）激光硬化依靠熱量由表至里的熱傳導(dǎo)進行自冷淬火，無須冷卻介質(zhì)和相關(guān)配套裝置，生產(chǎn)成本極低，且對環(huán)境無污染。

（3）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規(guī)淬火硬度提高15%~20%；同時可獲得極細的硬化層組織，硬化層深度通常為0.3～0.5mm，若采用更大功率的激光器，其硬化層深度可達1mm左右。

（4）激光硬化的熱影響區(qū)小，淬火應(yīng)力及變形小，工件熱變形可由加工工藝控制到極小的程度，后續(xù)加工余量小。有些工件經(jīng)激光處理后，甚至可直接投入使用。

（5）激光束的能量可連續(xù)調(diào)整，并且沒有慣性，配合數(shù)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)柔性加工?？梢詫π螤顝?fù)雜的零件和其它常規(guī)方法難以處理的零件進行局部硬化處理，也可以在零件的不同部位進行不同的激光硬化處理。

（6）采用激光硬化，可在零件表面形成細小均勻、層深可控、含有多種介穩(wěn)相和金屬間化合物的高質(zhì)量表面強化層?？纱蠓忍岣弑砻嬗捕?、耐磨性和抗接觸疲勞的能力以及制備特殊的耐腐蝕功能的表層。

（7）配有計算機控制的多維空間運動工作臺的現(xiàn)代大功率激光器，特別適用于生產(chǎn)率高的機械化、自動化生產(chǎn)。

（8）激光是一種清潔的綠色能源，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低，經(jīng)濟效益和社會效益好。

三、激光硬化工藝及裝備簡介

1.激光相變硬化工藝簡介

（1）激光與材料相互作用的幾個階段激光硬化時，根據(jù)激光輻照作用的強度和持續(xù)的時間，將激光與材料的相互作用分為以下幾個階段：①導(dǎo)光：把激光輻照引向材料。②吸收涂層預(yù)處理、熱傳導(dǎo)：吸收激光能量并把光能傳給材料。③光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽簩⒘慵焖偌訜峒翱焖倮鋮s。
（2）激光作用時的表面溫度、時間和硬化層深度的簡便估算激光光束垂直照射到金屬表面上，t時刻射在表面上光斑中心z軸上一點的溫度用T0，t表示：

式中 r——金屬表面反射率；

P——激光功率（W）；

α——激光光斑半徑（m）；

k——系數(shù)；

t——激光作用時間（s）。

對于碳素或合金結(jié)構(gòu)鋼，其硬化層深度（金屬加熱到900℃的那層深度）z為：

若已知激光硬化層深度z，也可近似地估算出激光束作用的時間t。

（3）激光硬化工藝參數(shù)與硬化層深度激光器的輸出功率P、掃描速度υ和作用在零件材料表面上光斑尺寸D等是激光硬化處理的主要工藝參數(shù)，其3個工藝參數(shù)對激光硬化層深度的影響作用如下：

因此，在制定激光硬化工藝參數(shù)時，首先應(yīng)確定激光功率、光斑尺寸和掃描速度。

2.激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)簡介激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)主要有激光器系統(tǒng)（激光器、激光功率監(jiān)測、激光功率反饋裝置等）、導(dǎo)光系統(tǒng)（光路轉(zhuǎn)折調(diào)整機構(gòu)）和微機控制淬火機床，其工作系統(tǒng)分布如圖1所示。

圖1 激光硬化熱處理裝置系統(tǒng)示意圖

四、激光相變硬化后金屬材料的組織與性能

1.激光硬化后金屬材料顯微組織的主要特點激光硬化后在金屬材料的硬化區(qū)組織中具有與常規(guī)處理相同的組織結(jié)構(gòu)，但由于快速加熱和快速冷卻的作用，致使激光相變硬化后的硬化區(qū)的組織具有以下幾個特點：

（1）組織的不均勻性。亞共析鋼和過共析鋼中的不均勻性將導(dǎo)致保留鋼中的先共析相，即亞共析鋼中的鐵素體和過共析鋼中的滲碳體。在同樣的冷卻速度條件下，奧氏體中碳含量的不均勻性將導(dǎo)致低碳部分形成鐵素體-滲碳體，其高碳部分卻可形成馬氏體組織。

（2）激光相變硬化過程中的極大冷卻速度使金屬材料組織中產(chǎn)生大量的缺陷，減緩了再結(jié)晶過程，并且繼承了奧氏體中的缺陷，從而細化了亞結(jié)構(gòu)，提高了位錯密度，其幾種材料激光硬化前后的亞結(jié)構(gòu)特征如表1所示。

表1 幾種材料激光硬化前后的亞結(jié)構(gòu)特征

（3）激光硬化后金屬材料的晶粒度顯著細化。在超快速加熱的條件下，金屬材料的過熱度極高，造成相變驅(qū)動力△Gα→γ很大，從而使奧氏體的形核數(shù)目劇增；與此同時，瞬時加熱后的超細奧氏體晶粒來不及長大，隨后的超快速冷卻將其保留下來，可造成奧氏體晶粒明顯細化，細化的奧氏體晶粒在發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)化成細小的馬氏體組織。幾種材料激光相變前后的晶粒度對比如表2所示。

另外，在激光相變硬化過程中，金屬材料不同的原始組織和掃描速度的變化對晶粒度的大小有直接的影響。通常淬、回火的原始組織比調(diào)質(zhì)或正火的原始組織具有更小的晶粒尺寸，增加掃描速度有利于減小晶粒尺寸。

表2 幾種材料激光相變硬化前后的晶粒度對比

2.激光硬化后金屬材料的主要性能特點與常規(guī)熱處理相比，因激光硬化后的顯微組織具有不同的特點，使其金屬材料的性能呈現(xiàn)出以下幾個主要特點： （1）激光表面硬化處理后的零件表面硬度高，比常規(guī)淬火硬度提高15%~20%。
（2）提高材料或零件的表面耐磨性。激光硬化與常規(guī)熱處理耐磨性的對比如表3所示。

表3 激光硬化與常規(guī)熱處理的耐磨性對比

（3）提高金屬材料的疲勞性能。因激光硬化處理可細化金屬材料的顯微組織、提高表面硬度并具有殘余壓應(yīng)力、可有效地提高金屬材料的疲勞性能。以40Cr鋼材料零件為例，與常規(guī)熱處理相比，其激光相變硬化后的疲勞壽命如表4所示。

表4 相同應(yīng)力下的疲勞壽命對比

激光相變硬化后的顯微組織為極細的板條馬氏體和孿晶馬氏體，由于晶粒細化，使得在交變應(yīng)力下不均勻滑移的程度減少，推遲了疲勞裂紋源的產(chǎn)生。同時，隨著晶界數(shù)目的增多，使疲勞裂紋的擴展受到障礙，大大降低了裂紋的擴展速率。

另外，位于馬氏體板條間較多的殘余奧氏體因產(chǎn)生的塑性變形而松弛了裂紋尖端的應(yīng)力集中，而使裂紋尖端鈍化，延遲了裂紋的形成。

五、激光硬化在齒輪和模具制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.激光表面硬化技術(shù)在齒輪制造中的應(yīng)用

（1）傳統(tǒng)工藝的弊病

常規(guī)的熱處理工藝方法多采用高中頻淬火、滲碳、碳氮共滲、氮化等方法，其優(yōu)點在于硬化層較深，可批量生產(chǎn)。但由于長時間高溫加熱齒輪，其內(nèi)部組織有長大趨勢，容易使齒面產(chǎn)生較大的變形和不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從而影響齒輪的使用壽命。同時，常規(guī)工藝加工處理的周期很長，能源消耗很大。不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層，從而影響齒輪的使用壽命。
因此，減小齒面的變形、縮短加工周期一直是齒輪齒面硬化的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。而激光熱處理變形小、周期短、無污染，為解決齒面淬火變形提供了有效的途徑；且工藝簡單，加工速度快，淬硬層深度均勻、硬度穩(wěn)定，在齒輪傳動嚙合過程中的耐磨性強，其整體的綜合性能良好。
（2）齒輪激光淬火工藝方法簡介

①表面預(yù)處理涂層：為了提高金屬表面對激光的吸收率，在激光熱處理前需要對材料表面進行表面處理(黑化處理)，即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對激光有較高吸收能力的涂料。表面預(yù)處理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴（刷）涂料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是噴（刷）涂料法。
②軸向分齒掃描：齒輪激光淬火軸向分齒掃描是利用寬帶激光束對齒輪進行激光淬火的掃描方法。寬帶激光束掃描常采用多束光組成一寬帶，激光束沿齒輪軸向移動掃描，一次可掃描1個齒面。利用分齒運動轉(zhuǎn)動1個齒距后激光束再掃描另外1個齒面，這樣逐個進行掃描直至掃完整個齒輪的所有齒面。國內(nèi)大多采用單束寬帶激光對齒面進行掃描，1次或2次掃描1個齒面，逐一分齒，當齒輪轉(zhuǎn)動1圈后，完成整個齒輪同一側(cè)齒面的淬火工作。然后移動激光束（或齒輪）位置，用同樣方法完成齒輪的另一側(cè)齒面的淬火過程，如圖2所示。

圖2　軸向分齒掃描示意圖

（3）激光淬火與常規(guī)方法處理齒輪的性能對比

激光淬火與高頻及滲碳淬火的硬度和硬度梯度變化對比如圖3所示。

（a）激光與高頻淬火

（b）激光與滲碳淬火

圖3 激光淬火與高頻及滲碳淬火的硬度變化曲線

圖3硬度曲線表明，齒輪經(jīng)激光淬火后的表面硬度高于高頻及滲碳淬火，采用CNC控制，用激光掃描齒面易實現(xiàn)全齒仿形淬火，硬化層的厚度及硬度均勻，且硬度高。
激光淬火與滲碳淬火的點蝕疲勞壽命比較如圖4所示。

圖4 點蝕疲勞壽命比較

齒輪經(jīng)激光強化后可在齒面和齒根都產(chǎn)生約640N/mm² 的殘余壓應(yīng)力，且只分布在有限的層深內(nèi)，它對提高齒輪的疲勞強度及壽命將起到較大的作用。

齒輪經(jīng)激光淬火強化后的變形極小，不影響齒面粗糙度，可作為最后工序。激光淬火前后的變形實測值對比如表5所示。

表5 激光淬火前后齒輪的變形實測值對比 （μm）

對于大多數(shù)精度等級為6、7、8級的機械傳動齒輪，經(jīng)激光淬火后，其變形量極小，沒有使原精度等級下降。齒輪經(jīng)激光淬火后無需磨齒，可直接裝機使用。同時齒輪非處理部位無需作防護處理，能耗小，無環(huán)境污染。
（4）齒輪激光淬火比傳統(tǒng)工藝方法的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)常規(guī)熱處理工藝方法（高中頻淬火、滲碳或碳氮共滲淬火、氮化等）相比，齒輪激光淬火具有很強的優(yōu)勢，其對比優(yōu)勢如表6所示。

表6 齒輪激光淬火與傳統(tǒng)工藝方法的對比

2. 激光表面硬化技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

①用抵檔模具鋼或鑄鐵替代高檔模具鋼；用國產(chǎn)模具鋼替代進口模具鋼。
②改變模具使用方式，增強性修復(fù)（再制造工程），降低模具制造成本。
③集設(shè)計、材料選擇、制模、檢驗、修復(fù)等技術(shù)于一體，大幅度縮短設(shè)計制造周期，降低生產(chǎn)成本。基于模具激光表面硬化技術(shù)的激光模具制造，無論是技術(shù)性、經(jīng)濟性及服務(wù)性，都是現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)所無法比擬的。