一种激光回火淬火方法
文献发布时间：2023-06-19 16:06:26
技术领域
本发明涉及表面热处理方法，具体涉及一种激光回火淬火方法。
背景技术
金属表面热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺；由于传统热处理工艺如感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺存在很多局限性，近几年又出现了激光淬火。
激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺，与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高(一般比感应淬火高1-3HRC)，工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要像感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺；尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。
但是激光淬火仍然有自己的局限性，例如会存在一些原本表面经过热处理后但工艺要求仍未达标的零件，或者一些粉末冶金、磨具铸件等因为基体本身密度或硬度存在差异时，激光淬火后的表面硬度会出现极其不均匀的现象。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的因为热处理不到位或者自身基体本身密度或硬度存在差异的原因，在热处理后，仍然出现淬火表面硬度极其不均匀的技术问题，而提供了一种激光回火淬火方法。
本发明的发明构思是：采用气体辅助，两次不等速扫描，来达到待淬火零件强化的目的；其两次扫描速度不一致，第一次扫描速度较快，第二次扫描速度较慢，且两次扫描过程中功率保持一致，气体流量保持不变，淬火过程中任意时刻气体以固定角度吹向待淬火面激光光斑位置处，来达到淬火面表面硬度均匀的目的。
为完成上述构思，本发明所采用的技术方案为：
一种激光回火淬火方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1加工前准备；
在零件上确定加工区域以及加工区域的起始位置和终止位置；
步骤2一次扫描激光回火；
2.1设置激光淬火装置的淬火工艺参数：
设置气体输送管与零件加工区域之间的角度、气体输送管出气端最低点与光斑中心点之间的距离、激光器的工作距离、激光器的功率、光斑面积、激光器的扫描速度以及气体输送管内的气体流量；
所述激光器的功率、光斑面积以及扫描速度需满足计算所得线功率密度大于等于5ws/mm
2.2激光回火；
开启激光器，使激光器从加工区域的起始位置移动至终止位置，对零件进行一次扫描激光回火；
步骤3自然冷却；
在完成步骤2后，暂停激光器出光，使零件自然冷却2秒以上；
步骤4二次扫描激光淬火；
再次启动激光器，保持步骤2中除激光器扫描速度以外的其他参数不变；使激光器以1/3～3/4步骤2中的扫描速度从加工区域的终止位置移动至起始位置或从起始位置移动至终止位置，对零件进行二次扫描激光淬火，完成后，暂停激光器出光；
步骤5检测；
完成步骤4后，对零件进行检测：
若零件的硬度、硬化层深度、金相组织、硬度分布的均匀性以及硬化层深度的均匀性符合工艺要求，则工作完成；
若零件的硬度、硬化层深度和金相组织其中任一项不符合要求，则返回步骤4并重新调整扫描速度，直至零件的硬度、硬化层深度、金相组织均符合要求；
若零件表面的硬度分布的均匀性、硬化层深度的均匀性其中任一项不符合要求，则返回步骤2，并调整部分淬火工艺参数，直至零件的硬度分布的均匀性、硬化层深度的均匀性符合要求；
所述部分淬火工艺参数包括激光器的扫描速度、激光器功率以及气体流量。
进一步地，所述激光器的扫描速度大于等于8mm/s且小于等于20mm/s；
所述光斑面积大于等于4mm
所述气体输送管内的气体流量大于等于5L/min且小于等于30L/min。
进一步地，步骤2中，所述气体输送管与零件之间的角度为大于等于20°且小于等于70°；
所述气体输送管出气端最低点与光斑中心点距离大于3mm且小于3/4激光器的焦距。
进一步地，步骤2中，所述气体输送管内的气体为干燥的空气、氮气或惰性气体；本发明中气体输送管在淬火过程吹出的为干燥的空气、氮气或惰性保护气体，由于此气体的存在，一方面吹走油烟，免除了油烟灰尘等对激光束能量的影响，另一方面在一定程度上加快了淬火冷却速度，显著提高了淬火硬度与均匀性。
进一步地，步骤1中，所述零件的加工区域为平面、曲面或槽面。
进一步地，步骤1中，所述零件为粉末冶金件或磨具铸件或碳含量大于0.3的钢材。
进一步地，步骤2中，所述激光器为波长介于800～1100nm之间的光纤激光器或半导体激光器。
进一步地，步骤2中，所述激光器光斑为圆形或矩形。
本发明的有益效果是：
1.本发明一种激光回火淬火方法，采用激光回火淬火使得淬火后马氏体晶粒极细、位错密度相对于常规淬火更高，进而大大提高了待淬火零件的性能。
2.本发明一种激光回火淬火方法，通过采用先回火后淬火的方式，并且气体辅助，回火与淬火不等速扫描，来达到待淬火零件强化的目的，并且解决了激光淬火后的表面硬度不均匀的问题。
3.本发明一种激光回火淬火方法，采用的激光回火淬火处理层表面组织更为致密，与感应淬火、直接激光淬火等相比具有更均匀的硬度和耐磨性。
4.本发明一种激光回火淬火方法，激光功率密度高，与零件上某点的作用时间很短(小于1s)，故零件的热影响和变形都非常小，且不需要冷却介质，是一种清洁、快速的热处理方法。
5.本发明一种激光回火淬火方法，不仅可以用于新产品的表面热处理，而且适用于其他热处理方式导致产品表面硬度分布不均匀的不合格件的维修，易于实现产业化应用。
6.本发明一种激光回火淬火方法，待淬火零件的加工区域为平面或曲面或槽面等局部区域淬火，并且激光可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等局部区域，加入了辅助气体，吹走淬火过程中产生的气体及烟尘，使激光束不受影响，到达淬火零件表面的激光束能量一致，提高了零件激光淬火后的硬度及深度均匀性，解决了零件激光淬火后，加工区域硬度分布不均匀的问题。
7.本发明一种激光回火淬火方法，不仅降低了工件经过激光淬火后表面硬度不均匀的现象的概率，并且保留了激光淬火原本的所有优异性。
8.本发明一种激光回火淬火方法，不仅提高了产品的硬度、耐磨性、抗疲劳等性能，并且解决了由于基体硬度或密度不均匀导致经过现有方式热处理后表面硬度分布不均匀且硬度梯度很大的问题，实现了在硬度或密度呈不规则分布的产品表面得到有效且均匀的硬化层的热处理方式的应用。
具体实施方式
激光淬火是通过高能激光束扫描工件表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，然后通过热传导使周围材料温度以极快的速度升高到奥氏体相变温度以上、熔点以下，无需外界冷却介质，通过材料基体的自冷却作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度而快速冷却，从而完成相变硬化。由于激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力。
但是激光淬火仍然有自己的局限性，例如一些原本表面经过热处理后但工艺要求仍未达标的零件，或者一些粉末冶金、磨具铸件等由于基体本身密度或硬度存在差异时，激光淬火后的表面硬度依然会出现极其不均匀的现象，针对这一问题，本发明所提出的一种激光回火淬火方法，包括以下步骤：
步骤1加工前准备；
在零件上确定加工区域以及加工区域的起始位置和终止位置；考虑到使用设备检测零件的硬度或密度时，会存在一定偏差，在使用本发明的方法时，应确定加工区域内的硬度偏差大于3HRC，或密度偏差大于0.1g/cm
清理待热处理表面的油污杂质，保证待热处理表面无水渍、油污、铁锈、氧化等现象；
步骤2一次扫描激光回火；
2.1调整激光淬火装置的淬火工艺参数：
气体输送管与零件之间的角度为20～70°，气体输送管出气端最低点与光斑中心点距离大于3mm且小于3/4激光器的焦距；调整激光器的工作距离、激光器的功率、光斑面积大于等于4mm
调整后，需满足通过激光器的功率、光斑面积以及扫描速度计算出来的线功率密度大于等于5ws/mm
2.2激光回火；
开启激光器，激光器从加工区域的起始位置移动至终止位置，对零件进行一次扫描激光回火；
在进行回火与淬火时，气体输送管与激光器同步移动，用于确保淬火过程中任意时刻气体正好流向淬火面淬火光斑位置处；
步骤3自然冷却；
在完成步骤2后，暂停激光器出光，使零件自然冷却2秒以上，冷却期间保证气体不停；
步骤4二次扫描激光淬火；
再次启动激光器，保持步骤2中除激光器扫描速度以外的其他参数不变；激光器以1/3～3/4步骤2中的扫描速度从加工区域的终止位置移动至起始位置或起始位置移动到终止位置，对零件进行二次扫描激光淬火，完成后，暂停激光器出光；
从设备自动化方向出发，二次扫描激光淬火的激光扫描方向从终止位置移动至起始位置最佳；
步骤5检测；
完成步骤4后，对零件进行检测：
若零件的硬度、硬化层深度、金相组织、硬度分布的均匀性以及硬化层深度的均匀性符合工艺要求，则工作完成；
若零件的硬度、硬化层深度和金相组织其中任一项不符合要求，则返回步骤4并重新调整扫描速度，直至零件的硬度、硬化层深度、金相组织均符合要求；
若零件表面的硬度分布的均匀性、硬化层深度的均匀性其中任一项不符合要求，则返回步骤2，并调整部分淬火工艺参数，直至零件的硬度分布的均匀性、硬化层深度的均匀性符合要求；
若生产出来的零件只有个别工艺要求未满足，则在进行调整时，需要在确保其他工艺参数在合理的范围内，对参数进行调整。
部分淬火工艺参数包括调整激光器的扫描速度、激光器功率以及气体流量，调整后，同样需满足通过激光器的功率、光斑面积大于等于4mm
本发明中，所使用的激光器的焦距大于4mm。
下面以汽车DVVT排气链轮锁销孔的回火淬火工艺进行详述：
实例一：一种粉末冶金汽车DVVT排气链轮锁销孔的激光回火淬火：
汽车DVVT排气链轮是一种粉末冶金件，其化学成分为：
C-0.60％；Cu-1.80％；Ni-1.54％；Mo-0.65％；Fe-余量；
其密度为7.05g/cm
汽车DVVT链轮热处理要求为：
(1)锁销孔表面淬火硬度38～45HRC；
(2)硬化层深度≥0.80mm；
(3)硬度最大值与最小值差值不大于4HRC。
汽车DVVT排气链轮经感应淬火后，由于工艺控制不当，导致该产品批量不合格，共计688件，不合格主要体现在硬度分布不均匀，整体硬度区间在35～48HRC。
采用本发明激光回火淬火工艺返修上述不合格批次产品，调整气体输送管与链轮平面夹角为60°，激光器焦距为200mm、气体输送管最低点与光斑中心点距离为120mm；
回火淬火工艺参数是：激光器功率1750w，光斑尺寸2×12mm，气体输送管内的气体流量为25L/Min，一次扫描激光回火的扫描速度12.0mm/s，二次扫描激光淬火的扫描速度6.5mm/s，两次扫描之间零件自然冷却3.5秒；
基于上述参数，采用激光回火淬火方法对工件进行加工，待二次扫描激光淬火结束后淬火完成，取下产品，进行硬度、硬化层深度和金相组织检测，测得锁销孔及其过度面硬度为40～43HRC，硬化层深度为1.05mm，用XJP-6A金相显微镜观察其马氏体为晶粒极细的针状马氏体。硬度、硬化层深度、金相组织和硬度均匀性均达到产品要求。
实例二：一种销轴外表面激光回火淬火。
销轴材料42CrMo，属于旧件维修。热处理要求为：消除销轴外表面由于挤压导致的硬度不均匀的现象，热处理后硬度满足55～62HRC且最高硬度值与最低硬度值差值不大于4HRC。
采用本发明激光回火淬火工艺返修上述产品，调整气体输送管与销轴外表面夹角为20°，激光器焦距为160mm、气体输送管最低点与光斑中心点距离为80mm；
回火淬火工艺参数是：激光器功率2880w，光斑尺寸3×24mm，气体输送管内的气体流量为20L/Min，一次扫描激光回火的扫描速度8mm/s，二次扫描激光淬火的扫描速度5.0mm/s，两次扫描之间零件自然冷却3.5秒；
基于上述参数，采用激光回火淬火方法对工件进行加工，待二次扫描激光淬火结束后淬火完成，对产品进行硬度大小及均匀性检测，测得销轴表面硬度为58～62HRC，最高值与最低值差值为3HRC，硬度大小及均匀性均达到产品要求。
实例三：一种合金表面激光回火淬火。
合金成分：C-0.40％；Cu-0.80％；Ni-1.2％；Mo-0.65％；Cr-18.5％；Fe-余量，由于长期表面长期承受挤压测试，导致表面硬度及其不均匀，需要返修。热处理要求为：消除合金表面硬度不均匀的现象，热处理后表面硬度满足53～58。
采用本发明激光回火淬火工艺返修上述产品，调整气体输送管与合金表面平面夹角为50°，激光器焦距为25mm、气体输送管最低点与光斑中心点距离为10mm；
回火淬火工艺参数是：激光器功率640w，光斑尺寸2×2mm，气体输送管内的气体流量为15L/Min，一次扫描激光回火的扫描速度20mm/s，二次扫描激光淬火的扫描速度11.5mm/s，两次扫描之间零件自然冷却5.0秒；
基于上述参数，采用激光回火淬火方法对工件进行加工，待二次扫描激光淬火结束后淬火完成，对产品进行硬度大小及均匀性检测，测得销轴表面硬度为55～58HRC，最高值与最低值差值为3HRC，硬度大小及均匀性均达到产品要求。