激光淬火与等离子淬火的比较分析

第 2 9卷第 2 期 2 0 0 9年 4月 应 用 激 光 APPLJ ED LASER VoI |2 9， NO 2 Apr i l 2 00 9 激光淬火 与等离子淬火 的比较分析 温 宗胤 ， 李 宝灵 ， 冯树 强。 ( 广西交通职业技 术学 院， 广西 南宁 5 3 0 0 2 3 ； 广西_ 学院机械工程 系， 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 ) 提要通过激光淬火与等离子淬火 在最佳 艺参数下 的淬火效果、 淬火层状态 、 显微组织及两种淬火 方法的使用特点 和应用 范围进行比较分析 ， 以便能更好的选用两种淬火方式 。 关键词激光淬火 ； 等 离子淬火 ； 比较分析 Co mp a r a t i v e An a l y s i s o f L a s e r Qu e n c h i n g a n d P l a s ma Qu e n c h i n g W e n Zo ng yi n，Li Ba ol i ng， Fe ng Shu qi a n g ( Gu a n g i C o rnmu n i a t i o n Pr o f e s s i o n a l a n d Te c h n i c a l Co l l e ge ，Na n n i n g，Gu a n g xi 5 3 0 0 2 3 ，Ch i n a； 。 De p a r t me n t o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g o f Gu a n g xi t e c h n i c a l c o l l e g e ， I i u z h o u，Gu a n g a i 5 4 5 0 0 6 ，C h i n a ) Ab s t r a c t Co mpa r a t i ve a na l y s i s o f q ue n c hi ng e f f e c t ，qu e nc h i n g l a y e r s t a t us，mi e r o s t r u c t ur e u s i ng l a s e r q u e nc h i n g or pl a s ma q ue n c hi ng wi t h t h e op t i mum t e c h no l ogi c a l p a r a me t er s i s d on e Co mpa r a t ive a na l y s i s of t he a p pl i c a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s a n d r a n ge o f t wo q ue n c hi ng me t ho d i s al s o d on e S O a s t o s e l e c t be t t e r Ke y wor d s I a s e r q ue n c hi ng；pl a s ma qu e nc hi ng； c o mp a r a t i ve a na l ys i s 0 前 言 近年来 ， 表 面热处 理发生 了 巨大的变 化 ， 加 热源 正朝 着能量 高 、 热 量 集 中、 自动化 程 度 高 的 方 向发 展 ， 激光淬火 、 等离子 淬 火 具 有这 方 面 优势 ， 且 具 有 质量 高 、 无 污染 、 绿色 环保 、 高 效率 等优点 。 等离子 表面 淬火技 术 的机 理是 采用高 能量 密度 的等 离子束 为热 源 ， 形 成 超 音 速 射 流 ， 扫描 金 属 表 面 ， 使其 以极快 的速度 达到奥 氏体 化温度 ， 热源 随 即 移 开 ， 热量 立 即向工件 深处 和未加热 部分传 导 ， 被加 热 的工件 局部表 层迅 速 冷 却 ， 该 区域 的奥 氏体 便 转 变成 马 氏体并被 强化 ， 硬度大 幅度提 高 ， 这 就是 集 中 热源淬火 ， 也就是等离子加热淬火的原理 。由于等 离子 加热淬 火处 理时 ， 加热 和冷却 速度极 快 ， 因此 晶 粒 和 晶内组 织特别 细小 ， 所 以在强度 、 硬度 很高 的情 况 下仍保 持着相 当高 的 韧性 和 塑性 。同时 由 于能 量 集 中 ， 加热速 度快 ， 所 以对 基 材 的热 影 响 区较 窄 ， 强 韧性 弱化程 度较 轻 。它 属 于一 种 快 速 淬火 ， 无 须 冷却 介质 ， 而是 依靠 金 属本 身 的 热 传导 ， 完 成 “ 自淬 火 ” 。 激光 淬火 的热循环 过程 是 当激 光束快 速扫 描金 属材 料表 面时 ， 材 料 表 面极 薄 的一层 瞬 间 吸 收一 部 分光 能 ， 激 光辐照 区表层 温度 以极快 的速 度升 到 奥 氏体 化温 度 以上 、 熔点 以下 ， 使仍处 于冷 态的基 体与 被加 热薄 层 之 间 的温 度梯 度 高 达 1 0 。 1 0 c m。 当激 光作 用停止 后 ， 由于作 为 良导体 的金 属基 体 的 热传 导作用 ， 激光 作用 区温度 迅速 下降 ， 进 行 自冷 淬 火 ， 从而 实现工件 的表 面淬 火 。 两种 淬 火 既有 相 同处 又在 淬 火效 果 、 淬 火层 状 态 、 显微组 织及使 用特 点和应 用范 围有一 定 的差 异 ， 我们 就其 试验结 果进 行分 析对 比。 1 两种淬火方法使用的设备 等离 子淬火 使 用 C GP 2 0 0型 等 离子 发生 器 ， 特 制 的 L HQ3 0 0型 非转 移 弧喷 枪 ， 改 装 的 C Q O 1 4 0车 床 等共 同组 成等 离 子 体淬 火 装 置 ， 其原 理 和 基本 装 置结构 如 图 1 、 图 2所 示 。 激光 淬火 系统 使用 D L HL THS 0 0 0型 高 功率 横 流 C O 激光 器 、 S I ME N S数控 控 制 系统 ， 其 原理 和设备 如 图 3 、 图 4所示 。 基金项 目： 广 西区 自然科学基金项 目( 项 目编号 ： 桂科 自 0 1 4 6 0 0 4 ) ；广西柳州市科技攻关项 目( 项 目编号 ： 2 0 0 7 0 2 0 2 0 1 ) 收 稿 日期 ： 2 0 0 8 1 O 0 6 9 6 图1等 离子淬 火原理图 等离子发生器 控 制 引弧箱 和水冷却装置 图2等离子淬火 设备 图3激 光淬火 原理 图 工件 图4激 光淬 火系统 2 两种淬火 的比较 21 影响淬火的 主要因素及 效果 对等离子淬火效果 影响较 大的因素有：喷嘴 直 径、扫描速度、工作电流、喷嘴到工件的距离、等离子 气体的气压等。随着喷嘴到工件距离 的不断增 大， 等离子淬 火层的硬度、深 度、宽度都呈 下降趋势且距 离越高，淬火效果 越不理想。我们通过正交 实验 法 (对45号钢进行淬火)获 得 较理想 的淬 火工艺参 数 为：喷嘴直径D 一 45ram，扫描速度V 一 42mmin， 喷嘴到工件距离H ： ：= 8mm ，工作电 流j 一 125A ，工 作 气压 一 O075M pa；其 淬火 效果为：最高硬度 H V824，最大深度04 38mm，最大宽度4002mm【 “ 。 激光淬火 分有宽带(线性光斑 也称为矩形 光斑) 和窄带(圆形 光斑)两种扫描方 式，对激 光淬火效 果 影响较大 的因素激光功率P、扫描速度V 、光斑直径 D(B)。 用正交试验法(对 40Cr材料)获得最合适 的 工艺参数是： 在宽带扫描方式处理下，最佳的工艺参数是P 一 3000W，V 一 400ramrain，离焦量170mm，矩形 光斑B 一 3ramX17ra m ；其淬火效果：硬化层 厚06mm ，显微 平均硬度为HV768，表面平均硬度为 HV676。 窄带 扫 描时，最佳工艺参数：功率 P 一 2500W ， 扫描速度V 一 1500ramrain，光 斑直径D 一 5ram ，离 焦 量 H 一 220mm ；在此参数下其淬火 效果：硬化层 厚04mm，显微平均硬度 为H V723，表面平 均硬度 为H V659。 22淬硬 区硬度分布 等离子淬火由表至里可分为 表面淬硬层(包 括 完全淬火区、不完全淬火区)、过渡区、基体几个区 域，如图5所示。 激光淬 火因为快速 加 热和快速冷却，基体经受 非常剧烈的变化。把淬火后的组织 ，从表面 开始依 次分为三个区：靠近表面的高硬度的完全淬火硬区 ， 一 97 次表层 硬 度陡 降的过渡区 ，接近基体硬度 的 热 影 响区。 图5等 离子淬硬带沿 深 度方向硬度值 1000 8 00 囊 60： 题200 吲 0 004o81-2 表面距离h“ E三 三 三 ji： 圄 图6激光宽带扫描 硬度沿硬化层深 分 布 1000 8 ( ) o 宝600 登 。 00 挺 200 吲 0 002040608 表面距离， m m E三 三 三 面 五； j口 图7激 光 窄 带 扫 描硬度沿 硬 化 层 深 分 布 从图5 图7可看出，等 离子淬火和激光淬 火 表层都具有较高硬 度(H V 800左右)，是由于加热 快，奥氏体颗 粒超 细化 ，导致转变 的马 氏体具有较高 的 硬度。同 时 由于等离子 弧和激光束都是局部加 热，产生极高的加热速度以及 光束 移 动过 后又以极 快的冷却速度冷却，因 而造成硬化层 与基体之间 硬 度值急剧下降。 23显微 组织 比较 如 图8所 示，工件表面通过等离子淬火后 沿着 等离子体扫描方 向垂直切取 试样 ，其 淬硬层的 剖面 经抛光后，采用 49 6的销 酸酒精 溶液腐蚀 得到 的显 微组织。它由三个区域组成，即表面淬硬 层 、过渡层 和基体。表面淬硬 层由于其离热源最近 ，原始组织 一 98 得 到完全的转变，因 此其显微组 织 主 要由板 状 的马 氏体组成，如 图8(a)所示；在 过 渡层 ，因为其 离试件 表层较远 ，离基体组织最 近，是 一 种急热 到 急冷的过 程，因此得到 的是马氏体和铁素体的混合组织 ，如 图 8 (b )所 示，其平均硬度可以达到H V614，基体的 硬 度则 为 HV 227。整个淬硬层深 度 为表面淬硬 层与 过 渡层 的深度之 和 。 ，r (a)淬火区中的板 粒 状马氏体500 (b)淬 硬层 的 过渡区300 图8等离子淬火区的显微组织 激 光 扫 描淬火区的显微组织如图 9所示，淬火 区的显微组织 是 由马 氏体和残余奥氏体组成。淬硬 区的组织 非常 -f14，晶粒 度13级 n 。从图9(a)看 出在完全淬硬区中分布着 未 熔 球状碳 化 物 ，而未熔 碳化 物有 一 层薄膜 状 的物 质包围着 ，这 层薄膜就是 残余奥氏体；过渡区的组织与完全淬硬区的组织类 似，该区有明显的黑白相间t ： tN，如图9(b)所示，淬 火后的显微组织与图 10的基体显微组织比较，激光 淬火后，组织显著细化。 ? (a)硬化层显微组织(250 ) (b )过 渡区显微组 织(100) 图9激光淬 火区的显微组织 图lO基 体显微组 织(250) 24 淬火带形状 等离子淬火带和 激光 淬硬层形 状都呈 月牙 状 。 如图1 1所示。这 是由于激 光束能 量和等 离子束能 量 光强从 光束中心向外平滑下降而使光束 能量 密度 分布不均匀，从而使被加热区瞬间温升分布不均匀 ， 导致 扫描后淬硬层剖面呈月牙状 。如工件面积较大 时需叠加扫描，叠加扫描后淬硬层剖面呈波节状 ，如 图12所 示。所以要获得均匀分 布的淬硬层深 ，需要 合适的重叠尺寸(搭接率)。 图1 1月牙状的等离子淬 火带全 第二条硬化带 a cb 第 一 条硬化带 I l 飞 。舞鼗 蟹“ ， 飞 罗 =， 0 回火带 ( d ) 图12激光 扫描淬硬层纵剖面形貌特征 25 两种淬火 方式的其它特点 3结 论 等 离子淬火与激光淬火相似，都是利用高能柬 为热源来 进行表面淬火 处理 ，其 淬硬 层都具有较高 的硬度，可维持在 HV 800左右。等 离子淬火 的参 数及效果与窄带激 光淬火更 相近 些 ，都是圆形光斑。 宽带处理得 到 的硬度比窄 带 处理得 到 的 硬 度高 ，硬 化层厚度也较厚些，且效率高 。 等离子体表面淬火与激 光表面淬火相似 ，均获 得 月牙状的淬火带，其淬 火显微组织和材 料性 能也 非 常相似。且都具有热处理变形小 、硬度高、无污染 的优 点。 (下转1 1 5页) ? 3 结 论 镍基 合金 熔覆 层组 织 的基 本特 征是 少量 的韧性 相和 大量 的硬 质脆 性 相 ， 而 且 大 量存 在 的形 状 不 规 则多 种硬 质相 杂乱 地 分布 在少 量韧 性基 体 上 。熔覆 层 的相结 构及 其分 布 决 定 了熔 覆 层 的低 塑 性 ， 熔 覆 过程 中具 有很 大 的裂 纹 倾 向 ， 难 以 承受 熔 覆 产 生 的 较大 拉应 力 。 在激 光 感 应 复合 熔 覆 中 ， 工 艺 参 数 对 裂纹 率 和 裂纹 形态 有较 大 的影 响 ， 熔 覆 过 程 中 主要 产 生 残 余 热 应 力 ， 随着感 应 能量 的增 加 ， 熔 覆 层残余 拉 应力 明 显减 小 ， 当感 应 能 量 密 度 达 到 3 6 J r n m。时 ， 基 体 温 度约 为 6 0 0 o C， 裂 纹 完全 消除 。 在其 他 工 艺 参 数相 同 的情 况 下 ， 加 入感 应 能 量 会使 熔覆 层 、 热 影 响 区和基 体硬 度 有所 降低 ， 为 达到 既有 良好 的使 用性 能 ， 又有 效消 除裂 纹 的 目的 ， 必 须 合 理 调配 工艺 参数 。激 光感 应 复合 熔覆 中两 个热 源 都影 响加 热和 冷却 的过 程 ， 其加 热 和冷 却 速 度 可 以 通过 复合 加工 工艺 在较 大 的范 围 内进行 控制 。 参 考文 献 1 宋建丽 ， 邓琦林 ， 陈畅源宽带激光熔覆高硬度火焰 喷涂 层组织 和 裂纹 行 为 J 机 械 工 程 学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 ( 1 2 ) ： 1 69 1 7 3 2 3 S ON G Wu l i n ， E c h i g o y a J ， Z HU B e i d i ， e t a 1 E f f e c t s o f Co on t he c r a c ki ng s u s c e p t i bi l i t y a n d t he mi c r o s t r u c t ur e o f F e C r Ni l a s e r c l a d d i n g l a y e r J S u r f a c e a n d C o a t i ngs Te c hn o l o gy， 2 001， 1 3 8： 291 2 95 3 张维平 ， 刘硕 激光熔覆 Ni 基金属 陶瓷复合涂层 的裂纹 研究 J 复合材料学报 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 3 ) ： 9 8 1 0 2 4 钟敏霖 ， 刘 文今 S t e l l i t e 和 Ni C r S i B合金 激光送 粉熔 覆 裂纹倾 向的比较 研 究 J 中国激 光 ，2 0 0 2 ， A 2 9 ( 1 1 ) ： 1 O31 1 03 6 E 5 黄永俊 ， 曾晓雁 ， 胡乾午 激 光感应复 合熔覆 的稀 释率分 析模型及 实 验 研 究 J 应 用 光 学 ， 2 0 0 8 ， 2 9( 2 ) ： 2 4 8 2 52 6 田莳 金属物理性能 M 北京 ： 国防T业 出版社 ， 1 9 8 5 ： 7 9 8 2 ( 上 接9 9 负 ) 激光 淬火 比等离子 淬 火应 用范 围更 广 。等离 子 淬火 具有 设备 操作 维护 简 单 ， 价 格 相对 较低 等优 势 ， 但 等 离子 淬火 存在 等 离 子 弧 不 好 控 制 ， 喷 嘴 易 烧 坏 等情 况