激光表面淬火工艺在某装置中的应用研究

颜少平

（海军驻武汉四六一厂军事代表室，武汉 430084）

0 引言

某止动装置的两止动挡板动作的同步性通过安装在同步轴上的曲柄带动实现，同步轴上安装有两件同步曲柄和四件释放曲柄，每个曲柄有滑槽，滑槽内有轴承滑动。该设计及制造的核心是两止动挡板的同步释放性能要求高。设计要求每个曲柄滑槽的两内表面粗糙度要求不大于 Ra3.2。为保证滑槽具有一定的耐磨和抗冲击性，要求滑槽两内表面进行淬火处理，硬度为 HRC45～HRC48，淬深1.0mm～1.5mm；每个曲柄加工后滑槽两内表面的平行度不大于0.2mm；安装后所有曲柄滑槽对称中分面的共面度不大于0.2mm（两端曲柄之间的跨度约5m），所有曲柄滑槽两内表面的平行度不大于0.2mm，形位精度高；曲柄淬火后两内侧表面的硬度高且无法检测、无法再加工；滑槽的内表面外形尺寸大，变形控制困难。针对上述特点，如何保证该止动装置的制造、安装技术要求，合理确定曲柄内侧表面淬火工艺是该工程的关键技术。

1 各种淬火方法的对比分析

对该止动装置的曲柄而言，较常使用的淬火方法主要有渗碳淬火、感应淬火、火焰淬火以及激光淬火等。

渗碳淬火[1]是使工件表面通过渗碳来获得很高的硬度，渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢。该曲柄的材料为40Cr，渗碳时如果温度控制不好，随着碳浓度过高，工件表面易出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。这种组织硬脆，韧性较低，容易产生裂纹，曲柄在工作时承受冲击荷载，淬硬是致命的缺陷。

感应淬火[1]是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面并迅速淬火的一种热处理方法。由于感应电流具有集肤效应，可使工件表面迅速加热，表面温度在几秒钟内上升到800～℃1000℃，而心部温度升高很小，因此感应淬火具有表面质量好、脆性小、淬火表面不易氧化脱碳、变形小等优点。与常规热处理中的“淬火+低温回火”方式相比，零件表面的硬度要提高20%。另外，中频感应硬化层有大量的碳化物析出，且碳化物颗粒大，残余奥氏体多。

火焰淬火[1]是一种用乙炔-氧火焰（最高温度达3100℃）或煤气-氧火焰（最高温度达 2000℃）将工件表面快速加热，随后喷液（水或有机冷却液）冷却的一种表面淬火方法。火焰淬火设备简单，但淬火质量稳定性差，不易控制。火焰加热的均匀性难保证，工件表面容易烧化、过热，对中高碳和合金钢的表面淬火时易发生开裂，很难达到均匀的淬火层与高的表面硬度。

激光表面淬火[1]是一种利用高能量激光束扫射工件使被扫射工件表面区域硬化的技术，其基本原理是用高能量密度的激光束照射工件，使被照射的表面区域急速加热至相变点温度以上、熔点温度以下[1]。当激光束停止照射时，由于热传导作用，加热区会急速冷却而发生马氏体转变，使工件表层实现相变硬化。加热区受热并与基体之间存在很大的温度梯度，基体基本处于冷态。激光表面淬火，使零件表面形成细小均匀、含有多种介稳相合金化合物的高质量表面强化层，淬硬层深度一般在0.3mm～2.0mm范围之间，大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳能力。

根据以上分析，渗碳淬火和火焰淬火均有一定的技术、质量风险，感应淬火和激光淬火比较适合该曲柄滑槽的淬火。

2 曲柄淬火工艺的试验研究

控制工件的淬火变形是当今热处理行业的一大难题。零件的设计、钢材品种及其质量、冷热加工、热处理的各个细节都可能成为淬火变形的影响因素。一般情况下，为消除零件淬火后的变形量，为保证零件的形位公差，淬火后通常会再磨削加工。由于该曲柄滑槽的结构限制，滑槽内表面淬火后根本无法加工。一是硬度高（HRC45～HRC48），无法通过刀具再加工；二是空间太小，无法磨削加工。因此，在满足表面硬化性能的前提下，控制工件的淬火变形工艺至关重要。

为确定最佳的淬火工艺[2,3]，按1:1比例制造两件样品进行淬火试验验证。为使具有可比性，两件试样材料毛坯制作时取自同一块钢坯、采用相同的锻造工艺、同炉热处理、材料组织性能基本一致。加工时按“三定”要求，以保证操作人员、装夹方式、加工切削参数相同。为体现试验效果的直观，两件试样加工后尺寸精度、表面粗糙度等参数基本一致。试验数据记录如表1所示。

表1 试验数据记录表

试验结果表明，激光淬火优势比较明显。与感应淬火相比，激光淬火硬度高，硬层更均匀，淬火前后工件的相对变形量小，几乎可以忽略，比较适合该曲柄的表面处理。同时激光淬火后曲柄表面粗糙度影响也较小，不需要后续磨削加工工序。另外，与中频感应淬火相比，在50N～250N的载荷条件下，激光淬火试样的耐磨性比中频感应淬火试样提高4%～21%。两者的主要磨损形式均为磨粒磨损，中频感应淬火后的摩擦系数略大于激光淬火试样的摩擦系数，中频感应淬火试样磨损后表面犁沟的深度和宽度略大于激光表面淬火的深度和宽度。两种淬火方法淬硬层均为板条马氏体和少量针状马氏体的混合组织，而激光淬火的位错密度极高。因此，激光淬火工艺可作为该曲柄表面热处理的最佳方案。

3 曲柄激光淬火工艺参数的研究

因该曲柄滑槽内表面空间的限制，淬火后无法进行硬度检测，有必要对曲柄激光淬火工艺和可靠性进行研究，以确保产品淬火后完全满足技术要求。

制作两件试样，并记录淬火实施前的尺寸、形位公差、表面粗糙度等。对试样的两个面分别进行淬火试验，为找到最佳的淬火工艺参数，根据理论计算值不断修正和调整激光聚焦镜的角度、焦距、扫描速度、输出功率等参数并记录。淬火后对试样表面进行MT和PT探伤检查，确定无裂纹等致命陷发生；然后对试样的变形量及尺寸公差、粗糙度等进行检测并记录；采用线切割方式剖开零件，对淬火层硬度、深度等进行检测。

通过多次调整并优化、固定激光淬火工艺参数，试样未出现裂纹、过热等致命缺陷；对淬火后的试样进行全面检测，变形在0.05mm～0.08mm之间，硬度HRC46～HRC47，深度1.2mm～1.3mm且分布均匀，重复、可靠性高。另外，配制专门的激光熔凝淬火涂料，能大幅度降低熔凝层的表面粗糙度，试样淬火后表面粗糙度与淬火前相当。

4 曲柄激光淬火后变形控制研究

零件淬火后变形是钢铁制件热处理的必然，曲柄滑槽受设计形状的限制，滑槽两内侧表面淬火后无法再加工，必须先精加工再进行淬火以满足表面硬度、光洁度和耐磨性要求，但曲柄淬火后可能出现尺寸形位超差无法保证安装精度，继而无法保证同步性技术性能。

根据工艺试验研究的结果，激光淬火后滑槽的变形很小，满足制造技术要求。但曲柄安装到同步轴上后，安装误差会叠加并放大曲柄的变形效果，有必要进一步研究如何缩小曲柄的变形量。根据以往的经验，可以采用反变形措施控制曲柄的变形量。由于加工设备的计算机控制，加工零件时可以预先在程序中设定反向的变形量，激光淬火后该部分预留量可以抵消一部分变形，而最终的形位公差会保证的更好。根据以上工艺试验结果，曲柄淬火后变形量在0.05mm～0.08mm之间，变形稳定且主要集中在滑槽的中部，成中间大两端小的锥形变化，具有一定规律。因此，曲柄加工时可人为地将滑槽加工成缩腰形（图 1），中间控制在80mm+0.08mm+0.05mm，两端控制在80m+0.13mm+0.10mm。综合曲柄淬火后的变形，滑槽最终的变形量几乎可以控制在0.03mm以内，达到了理想的效果。

图1 淬火前尺寸控制

通过上述对止动装置曲柄淬火工艺的研究，有效解决了曲柄滑槽两内侧表面淬火硬度、淬硬层深度、表面光洁度、耐磨性和抗冲击性、变形控制和形位精度的问题，保证了该止动装置的总体技术性能。

5 总结

激光表面淬火主要特点是以非接触方式加热材料表面，借助于材料表面传导冷却，具体表现[1]为:

1）快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，急冷速度快，无须冷却介质而冷却特性优异，是一种无污染、绿色环保处理工艺，很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。

2）加热速度快、热影响区域小，表面扫描加热淬火，瞬间局部加热淬火，与各种传统的热处理工艺相比，被处理的工件变形最小。

3）激光束发散角小，且有很强的指向性，能够通过导光系统对工件表面进行精确的局部淬火，对其他方法难以处理的特定部位，以及表面有一定高度差的异性零件，可进行灵活的局部处理。

4）一般不需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化和元素烧损。

5）配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代化大功率激光器，表面淬火淬硬层均匀，加热层深度和加热轨迹容易控制，通过调节相关参数，在距表面0.3mm～1.5mm范围内进行表面淬火，效果明显且硬化层深度可控。

6）激光淬火，能有效避免淬火变形、过烧、裂纹等致命缺陷。

7）特别适用于机械化、自动化，效率高、质量稳定可靠、成本低，经济和社会效益好。

8）不适宜于零件内部的深层淬火，其应用受到一定的限制。

[1]中国机械工程学会热处理学会. 热处理手册 工艺基础[M]. 北京:机械工业出版社, 2001.

[2]罗玉梅. 激光淬火工艺的现状及应用[J]. 邵阳学院学报:自然科学版, 2004(3):49-51.

[3]张宏, 邓琦林, 余承业. 齿轮激光淬火工艺的研究[J].机械工艺师, 1997(2):9-11, 1.