激光淬火的原理與應用

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在使用閥門的過程中，因為一些工況的實際要求，有時會需要對基體進行一些硬度提升，即硬化處理。常規的硬化處理，根據不同的材料原理，有不同的方法。一些常用的方法，如熱處理硬化、離子滲入強化、表面氧化處理、增材類等。熱處理硬化含淬火、退火等；離子滲入強化含滲氮、滲碳等；表面氧化處理含微弧氧化；增材類含涂層硬化等。針對不用的材質，硬化要求以及硬化方式的可行性需要通盤考慮，選擇最適合的硬化方式，才可以達到工藝與成本的最優配置。

1 淬火的原理

(1)淬火是最常見的一種熱處理方式，以碳鋼為例，鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等溫)進行馬氏體(或貝氏體)轉變的熱處理工藝。通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。火焰加熱表面淬火示意見圖1。

圖1 火焰加熱表面淬火示意

傳統的淬火，需要把工件置于一個由惰性氣體保護的爐子中，進行加熱及保溫步驟，最后選擇適宜的介質來冷卻(水、油等)。這種做法適用于大規格或者是小規格批量性的工件，且會改變工件的整體性能。因此，為了適應越來越特異的設計要求，衍生發展出了表面淬火技術。

(2)表面淬火技術是僅使鋼鐵工件的表面被淬火的一種表面熱處理工藝，目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強度，而芯部仍具有較高的韌性，常用于軸類、齒輪類等零件。 操作時，利用快速加熱的方法使工件表層奧氏體化，然后立即淬火使表層組織轉變為馬氏體，芯部組織基本不變。表面淬火后一般還需要進行低溫回火去應力。根據加熱方法不同，可分為感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火等，其中以前兩種方法應用最廣。

原子受激輻射的光，故名“激光”：原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘(激發)出來的光子束(激光)，其中的光子光學特性高度一致。因此，相比普通光源激光單色性、方向性好，亮度更高。

2 激光淬火應用

隨著科學技術的快速發展，更多新的能量形式被發現，其中，激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之后的人類又一重大發明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。激光的原理早在1916年已被著名的猶太裔物理學家愛因斯坦發現，英文名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“通過受激輻射光擴大”。激光的英文全名已經完全表達了制造激光的主要過程。

(1)將高能量的激光用于表面淬火是一種嘗試，利用激光的功率可控性，可以較為精準地對工件表面進行淬火。相對于高頻淬火的電圈加熱，厚度更為可控，硬化后的表面更加穩定，不會出現由表即里的強度急劇衰減，獲得的硬化組織也更加細密均勻。這是采用激光作為淬火可控熱源帶來的優勢。

(2)表面硬化，顧名思義就是靠表面處理的手段來提高基體材質的硬度，以最常見的鑄件WCB為例，其本體硬度與淬火后硬度實測對比見圖2。

圖2 表面淬火后硬度與基體硬度對比

激光淬火使WCB材質表面硬度從160～180HB提高到了480～550HB，極大地提高了材質的表面硬度，從而實現表面改性。

(3)除了表面硬度，還應該關注硬度的有效深度，因為太薄的硬度深度并不能保證長時間的磨損工況需求。將淬火試樣橫向剖開，從表面開始每隔0.1mm向芯部測量硬度值，表面淬火后工件硬度梯度見圖2。

圖3 表面淬火后工件硬度梯度

從圖3中可以了解到，激光淬火后的工件存在硬度衰減，在表面深度為0.1～0.6mm時，衰減較為平緩，當表面深度為0.6mm以后，硬度已低于22HRC，洛氏硬度值已不具備參考價值，趨近于WCB本體的硬度。因此可以認為，激光淬火的有效深度可以達到0.5～0.6mm。

(4)當然，硬度測試是作為評價一個工件是否耐磨最容易的方法，但不是最科學的方式，因為一個工件的耐磨除了和硬度有關系，也和實際摩擦磨損情況有關。特別是很多工件工作的環境是動摩擦，因此如果材料能夠有很好的摩擦磨損性能，其實也是比較耐磨的。摩擦磨損性能通常采用摩擦磨損試驗來測試，收集摩擦磨損系數來對比。理論上，摩擦磨損系數越小，說明工件越耐磨。

摩擦磨損系數K按下式計算：

式中：ΔW為磨損質量，g；d為材料比重，(g·cm3)；p為試驗載荷，N；V為滑動線速度，(m·s-1)；t為磨損時間，s。

將基體與激光淬火后的工件預置同樣的條件進行摩擦磨損試驗(干摩擦，滑動摩擦)，結果見圖4。

圖4 表面淬火前后摩擦系數對比

通過比對本體與激光淬火處理后的分體式鍛造導軌筋摩擦系數，可以發現，本體摩擦系數最高值約為0.328，基本維持在0.27～0.3之間；經過激光淬火的導軌筋摩擦系數最高值就降低到了0.275附近，且隨著摩擦繼續，摩擦系數較為穩定，也反映出摩擦損耗較為均勻，不會出現某些地方磨損特別嚴重的情況。

3 如何將激光淬火應用在紐威產品上

(1)對于蘇州紐威閥門股份有限公司(以下簡稱為紐威閥門)來說，激光淬火是一個新的工藝，主要適用于一些整體硬化很困難，但是有硬化要求的工件。采用激光淬火工藝，工期短、變形小、質量穩定，價格低廉(相對于增材硬化而言)。目前，已采用激光淬火對閘閥中閥體導軌筋進行了硬化處理(見圖5)，可以防止因閥門開關摩擦導致的導軌筋拉傷。且成本相對于目前采用的噴涂STL.6/WC來說，也更加具有優勢。激光淬火與噴涂數據對比見表1。

圖5 經激光淬火后的導軌筋

(2)將噴涂STL.6作為對照組，激光淬火的導軌筋作為實驗組，進行樣機臥倒實際開關實驗，并收集開關扭矩數據(見圖6)。

表1 激光淬火與噴涂數據對比

圖6 閥門臥躺開關扭矩對照

在對比表1中數據后可以看出，無論是噴涂STL.6，還是采用激光淬火的方式，扭矩都是先降低的，然后慢慢趨于穩定的。其實這是符合理論的，在干摩擦與動摩擦的理論模型中，摩擦分為3個階段：①跑合階段，由于表面毛糙被磨平，接觸面逐漸配合，扭矩呈降低趨勢；②穩定磨損階段，會呈現一個穩定磨損的表象，在有效硬化層被磨掉之前，磨損量各個區域較為均勻；③劇烈磨損階段，一般為有效硬度被徹底磨損掉，開始磨損基體，從這個階段開始，磨損將變得不可控，甚至可導致磨穿、拉傷。摩擦磨損3個階段見圖7。

圖7 摩擦磨損的3個階段

從扭矩測試結果來看，50次開關，磨損階段尚處于Ⅰ、Ⅱ兩個階段，還沒有進入到第Ⅲ階段，因此還是可以保證耐磨性能的。

開關50次實驗結束后，觀察激光淬火導軌筋狀態，表面無任何拉傷、折疊等常見摩擦損傷(見圖8)，也能夠證明激光淬火的可靠性。

4 結語

激光淬火作為一種利用新型熱源的硬化技術，其原理可靠、成本低廉、工期配合度好、適用范圍廣，不僅能夠使用在閥體導軌筋上，對于一些在設計上就考慮硬度差的零件，也可以考慮使用激光淬火的方式來硬化，省時省力，效率很高。

圖8 激光淬火導軌筋開關50次后實際情況

激光淬火也有若干缺點，由于淬火原理的局限，淬火時對材料本身的成分要求比較高，碳元素對于馬氏體相變程度有舉足輕重的影響，所以一般來說，只有當碳含量≥0.2%時，淬火所提高的硬度才會比較可觀。對于低碳的不銹鋼等材質，則沒有什么效果。

激光淬火的瞬時熱輸出非常高，如果工藝設置不合理，會導致工件變形嚴重，甚至報廢。

因此，不銹鋼硬化方式應該另辟蹊徑，采用適用于不銹鋼原理的方式硬化會比較好，目前不銹鋼硬化也是有一些方法，如滲氮、滲碳、碳氮共滲等。