專(zhuān)利名稱(chēng)：激光淬火方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光表面改性技術(shù)，尤其涉及一種鋼材表面的激光淬火技術(shù)。
背景技術(shù)：
自激光器問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)在很多行業(yè)都獲得重要的應(yīng)用，激光加工已不再僅是一種科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。激光淬火是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，并取得了一定的成果。激光淬火能強(qiáng)化零件的表面，可以提高金屬材料的表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強(qiáng)度和高溫性能；同時(shí)可使零件心部仍保持較好的韌性，使的機(jī)械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)。激光淬火就是利用聚焦后的高能量密度大的激光束快速掃描鋼鐵材料表面，熱能通過(guò)傳導(dǎo)使周?chē)牧霞彼偕郎刂翃W氏體相變點(diǎn)以上、熔點(diǎn)以下的溫度，停止加熱后因材料基體的自冷作用，使被加熱的表層材料以超過(guò)馬氏體相變臨界冷卻速度急速冷卻，從而完成相變硬化.激光淬火過(guò)程中存在很大的過(guò)熱度和過(guò)冷度，使得淬硬層的晶粒超細(xì)、位錯(cuò)密度極高且在表層形成壓應(yīng)力，從而提高了工件的耐磨性、抗疲勞、耐腐蝕及抗氧化等性能，延長(zhǎng)了工件的使用壽命。激光淬火技術(shù)與傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)相比，得到的硬化層組織較細(xì)，硬度高于常規(guī)淬火的硬度。激光淬火得到的馬氏體是由針狀馬氏體和板條狀馬氏體混合組成的，位錯(cuò)密度比傳統(tǒng)的表面淬火要高，位錯(cuò)強(qiáng)化作用也會(huì)增強(qiáng)。淬火效果比常規(guī)淬火大大增強(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)生的激光光波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生的光波不僅光波能量較少，而且工件對(duì)光波的吸收要比固體激光機(jī)少很多，所以一般用二氧化碳激光機(jī)需要在工件表面涂覆一層吸光涂層，這樣會(huì)在淬透層引入雜質(zhì)，同時(shí)也使被加工表面變得粗糙。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明提供一種激光淬火方法，能大大提高被加工工件表面質(zhì)量，其步驟包括:(I)采用激光機(jī)淬火；(2)淬火后進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火，將工件加熱到500°C之后保溫，再隨爐冷卻。本發(fā)明使用的是脈沖激光機(jī)，激光的波形是不連續(xù)的，所以要調(diào)節(jié)合適的激光工藝參數(shù)為:淬火的功率為300W-400W，電流大小為65A-80A，頻率為45Hz_50Hz，脈寬5ms，掃描速度為20mm/s。適當(dāng)提高激光的頻率和脈寬，減少激光的電流，能使激光功率波形變得平整，從而能提高工件表面粗糙度，同時(shí)也能得到合適的淬透層深度。進(jìn)一步地，激光的掃描搭接率為40% 50%。本發(fā)明方法采用兩到三次淬火的方法，每次掃描速度方向都不相同。進(jìn)一步地,第二次掃描速度為30mm/s以上,第三次掃描速度比第二次掃描速度大5 10mm/so
進(jìn)一步地，第二次、第三次掃描的搭接率為30% 40%。本發(fā)明的淬火工件厚度不能低于5mm。激光功率很大，能使工件表面瞬間奧氏體化，要是工件厚度太低，是激光能量不能順利從表面?zhèn)鲗?dǎo)下去，從而使工件表面熔化，不但改變工件的尺寸，工件的質(zhì)量變差。本發(fā)明使用的是脈沖固體Nd =YAG激光機(jī)，選用的是瑞通公司生產(chǎn)的LWS-500型激光焊接機(jī)，這種激光機(jī)的產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為1.064微米，比二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)要短一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以這種激光機(jī)產(chǎn)生的激光能量高，而且工件對(duì)激光的吸收率要比二氧化碳激光機(jī)高很多，使用這種激光機(jī)淬火，工件表面不需要涂覆吸光材料，能使淬透層沒(méi)有雜質(zhì)。本發(fā)明使用的激光機(jī)的聚焦鏡采用聚焦鏡的焦距為16mm，聚焦鏡離工件的加工表面距離為16mm。這樣方便加工，同時(shí)能使激光的能量都匯聚到一個(gè)3mm的光斑上，得到很高的激光密度，加工質(zhì)量得到很大提高。工作臺(tái)放上導(dǎo)熱能力強(qiáng)的金屬，有利于工件傳熱，避免在大規(guī)模淬火時(shí)，工件的溫度過(guò)高，燒蝕工件，并且能增加工件的冷卻速度，得到更細(xì)的淬透層組織。實(shí)施本發(fā)明，具有如下有益效果:
相比一般的淬火方法，本發(fā)明能使工件的硬度提高5%-15%，表面質(zhì)量更好，更平整；能很好的消除搭接帶的回火軟化問(wèn)題，使工件的硬度更均勻，淬透層深度更加均勻；在淬火后進(jìn)行去應(yīng)力退火，使淬透層的組織更加均勻，能消除由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而引起的裂縫和組織不均勻，同時(shí)工件的硬度下降較?。皇褂霉腆wNd:YAG激光機(jī)不僅光波能量高，工件對(duì)它的吸收率也高，一般不需要涂覆吸光層，效率得到了提高。


圖1是激光淬火裝置的示意 圖2是單道激光掃描后，718模具鋼試塊截面的掃描電子顯微鏡的BES 圖3是718模具鋼淬透層的顯微組織(400+)。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明的淬火裝置包括激光器1、反射燈2、激光頭3及工作臺(tái)4，工件5放置于工作臺(tái)4上。反射燈2將所述激光器I發(fā)出的激光束改變方向送入激光頭3中，并由激光頭3將光束匯聚對(duì)放置于所述工作臺(tái)4上的工件5進(jìn)行淬火加工。圖2為單道激光掃描后試塊截面的SEM圖，由圖可知試塊淬透層的截面形狀為月彎形。這是因?yàn)楣獍叩哪芰糠植荚趶较虺矢咚狗植迹瑥亩构獍叩闹虚g能量高，邊緣能量較低，從而使淬透層兩邊的深度較淺，中間比較深。當(dāng)兩道搭接時(shí)，在兩邊會(huì)出現(xiàn)回火軟化帶，回火軟化帶使工件硬度、耐磨性和耐腐蝕性能變得不均勻。本發(fā)明為了最大限度減少大面積淬火時(shí)出現(xiàn)的回火軟 化區(qū)，總共進(jìn)行兩到三次淬火，每次淬火的掃描速度方向都不相同，適當(dāng)增大第二次和第三次的掃描速度，減少搭接率，這樣不僅能大大減少回火軟化帶，同時(shí)使工件淬透層深度變均勻，提高了淬火的硬度，使工件淬火表面變的更加光滑平整。多次淬火能為了避免多次掃描對(duì)工件表層的熔化和燒蝕，適當(dāng)增大掃描速度，減少搭接率。淬火完成后718模具鋼的淬透層顯微組織如圖3所示。下面結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明方案做進(jìn)一步闡述。實(shí)施例1
首先用線切割機(jī)把718模具鋼材料切成的試塊，用砂紙打磨被加工表面，是被加工表面變得平整，并去掉表面的銹，然后用酒精放入超聲波清洗機(jī)，用超聲波清洗機(jī)去掉試塊表面的油潰,清洗好后晾干備用。調(diào)節(jié)激光的工藝參數(shù)為:電流75A，頻率為50Hz脈寬為5ms，調(diào)節(jié)激光頭的高度，使工件表面到聚焦鏡距離為16mm，激光的掃描速度為20mm/s。然后用相同的功率，搭接率為30%，用30mm/s的掃描速度，沿與第一次掃描速度垂直的方向?qū)υ噳K再進(jìn)行一次掃描。把淬火后的試塊放進(jìn)加熱爐中，快速升溫到520度，保溫半小時(shí)，再隨爐冷卻，然后再對(duì)工件進(jìn)行后續(xù)處理。把淬火后的試塊先在硬度計(jì)上測(cè)量硬度，測(cè)量五次，取平均值。在光學(xué)顯微鏡下觀察淬透層的顯微組織如圖3。淬火后試塊的硬度達(dá)到了 60HR，硬度得到很大的提高，淬透層深度達(dá)到394微米。由顯微組織圖可以看出，淬火后的組織均勻，得到了細(xì)小的馬氏體組織。

激光淬火相比常規(guī)淬火不僅硬度高，能得到組織細(xì)小的晶粒，而且加工時(shí)熱處理區(qū)域小，淬火應(yīng)力較少；另一方面還可以對(duì)形狀復(fù)雜的零件和不能用其他常規(guī)方法處理的零件進(jìn)行局部硬化。本發(fā)明對(duì)試塊進(jìn)行兩次淬火，比常規(guī)的激光淬火方法得到的硬度更高，表面粗糙度更好，淬透層深度更加均勻，能消除回火軟化帶對(duì)工件質(zhì)量的影響。在進(jìn)行淬火后，對(duì)試塊進(jìn)行去應(yīng)力退火，比常規(guī)的激光淬火方法效果更好，不僅硬度更高，組織更加均勻致密，能大大消除內(nèi)應(yīng)力弓I起的微觀裂紋。實(shí)施例2
按實(shí)施例1的方法制備好45剛的試塊，然后調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)為:電流70A，頻率為50Hz脈寬為5ms，調(diào)節(jié)激光頭的高度，使工件表面到聚焦鏡距離為16mm，激光的掃描速度為20mm/s。因?yàn)?5鋼的奧氏體化溫度要比718模具鋼低80度左右，所以要使組織相變需要的能量要比718模具鋼的稍少，所以可以把電流調(diào)低一點(diǎn)。然后用相同的功率，搭接率為30%，用25mm/s的掃描速度，沿與第一次掃描速度垂直的方向?qū)υ噳K再進(jìn)行一次掃描。把淬火后的試塊放在加熱爐中快速升溫到520度，然后保溫半小時(shí)，然后隨爐冷卻。用洛氏硬度計(jì)測(cè)量淬火后45鋼試塊的淬透層的硬度，淬透層的硬度達(dá)到了 57HR。硬度比未淬火的45鋼的硬度高了 80%。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，條件允許的情況下，可以對(duì)淬火工件進(jìn)行噴砂處理，不僅可以使工件表面更清潔，而且可以使工件表面有一定程度的粗糙度，出現(xiàn)毛面，這樣能增加工件對(duì)激光能量的吸收。激光淬火時(shí)，還可以用氮?dú)庾霰Ｗo(hù)氣體，能有效地減少工件表面的氧化，通氮?dú)獾臍夤軕?yīng)該放在沿掃描方向的前方，而且氣流量不應(yīng)該太大，以免氮?dú)庠谌鄢厣袭a(chǎn)生氣壓，從而影響淬火后的表面質(zhì)量。通氮?dú)獾臍夤軕?yīng)沿被加工表面傾斜30到60度角，并固定在激光頭上，隨激光頭做同步運(yùn)動(dòng)。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求
1.一種激光淬火方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)采用激光機(jī)淬火； (2)淬火后進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火，將工件加熱到500°C之后保溫，再隨爐冷卻； 步驟(I)中所述激光機(jī)淬火的工藝參數(shù)為功率為30(T400W，電流為65 80A，頻率為45 50Hz,脈寬為5ms,掃描速度為20mm/s。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光淬火方法，其特征在于，所述步驟(I)中激光的掃描搭接率為40% 50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光淬火方法，其特征在于，步驟(I)中淬火的次數(shù)為2 3次。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3任意一項(xiàng)所述的激光淬火方法，其特征在于，第一次淬火之后對(duì)工件的淬火區(qū)域進(jìn)行2 3次掃描,每一次的掃描方向不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光淬火方法，其特征在于，第二次掃描速度為30mm/s以上，第三次掃描速度比第二次掃描速度大5 10mm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光淬火方法，其特征在于，第二次、第三次掃描的搭接率為309^40%。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光淬火方法，其特征在于，被加工的工件厚度大于5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光淬火方法，其特征在于，激光機(jī)聚焦鏡與被加工工件的距離為16_。
9.一種用于權(quán)利要求I所述激光淬火方法的激光機(jī)，其特征在于，所述激光機(jī)為固體Nd YAG激光機(jī)，所述激光機(jī)使用長(zhǎng)焦距鏡片。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光機(jī)，其特征在于，所述激光機(jī)聚焦鏡與被加工工件的距離為16mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光淬火方法，包括采用激光機(jī)淬火；淬火后進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火，將工件加熱到500℃之后保溫，再隨爐冷卻；所述激光機(jī)淬火的工藝參數(shù)為功率為300~400W，電流為65~80A，頻率為45~50Hz，脈寬為5ms，掃描速度為20mm/s，本發(fā)明還公開(kāi)了一種專(zhuān)門(mén)用于本發(fā)明方法的設(shè)備。采用本發(fā)明，能使工件的硬度提高5%-15%，表面質(zhì)量更好，更平整，淬透層的組織更加均勻，能消除由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而引起的裂縫和組織不均勻，同時(shí)工件的硬度下降較小。
文檔編號(hào)C21D1/30GK103255267SQ201310162268
公開(kāi)日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者賀長(zhǎng)林, 陳少克 申請(qǐng)人:汕頭大學(xué)