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淬火工藝說明
[2018-07-13]
 目前,隨著高精密加工中心(MC)、數控機床(CNC機床)、柔性加工單元(FMC車床)等的日益應用,對機床零件的加工精度、尺寸精度保持性及使用壽命要求進一步提高,先進的激光淬火等技術的應用,可使機床零件(如導軌、齒輪、主軸等)的質量得到很大提高。

 

激光淬火技術


(1)激光淬火(LHT)及其特點

隨著20世紀70年代中期大功率激光器的問世并投入工業生產,激光加工技術得到迅速發展。激光淬火是其中研究最早、應用面最廣、技術最為成熟的激光表面改性技術。圖1為激光熱處理示意。

圖1  激光熱處理示意


激光淬火,又稱激光相變硬化,它是以功率密度<104W/cm2的激光束輻照經預處理的工件,從而使工件表面以105~106/s加熱溫度迅速上升至相變點以上,在組織奧氏體化、奧氏體晶粒未來得及長大的情況下,一旦激光停止照射,通過基體的自身熱傳導作用迅速冷卻(冷卻速度可達104~106/s),實現自激淬火,形成表面相變硬化層。


與普通淬火相比,激光淬火后淬硬層組織細化,硬度普遍提高15%~20%,耐磨性能提高1~10倍;淬火后表面產生約4000MPa的殘余壓應力,使表層強度及抗疲勞性能得到明顯改善;由于激光加熱、淬火速度極快,硬化層。0.3~0.5mm),熱影響區小,故淬火畸變微;因自冷淬火,無淬火冷卻介質的污染。


(2)激光淬火適用范圍

激光淬火通常是對一些不要求整體淬火,尺寸精度要求較高,或采用其他方法難以處理,以及形狀復雜或需進一步提高硬度、耐磨性等性能的工件表面硬化處理。

 

(3)激光淬火設備

通常包括產生激光束的激光器(CO2激光器、YAG激光器),引導光束傳輸的導光聚焦系統(光閘、可見光同軸瞄準、光束傳輸及轉向、聚焦等裝置),承載工件并使其運動的激光加工機(二維、多維的自動或數控加工機床等),以及其他輔助裝置(屏蔽裝置、對準裝置等)。


(4)激光淬火材料

激光淬火常用材料見表1。

激光淬火常用材料

(5)表面預處理

為增強工件對激光輻射能量的吸收,在激光淬火前需在其表面形成一層對激光有較高吸收能力的覆層,一般采用磷化處理或涂覆含有各種吸光物質的涂料(如粒度<1μm細石墨粉+丙烯酸樹脂+云母粉+丙酮;磷酸錳或磷酸鋅+磷酸;碳素墨水+磷酸錳)。


(6)激光淬火工藝參數(見表2)。

激光淬火工藝參數

項目

要求

激光器功率/kW

0.1~10

光斑功率密度/W·cm-2

1000~10000,常用1000~6000

掃描速度/mm·min-1

300~750

光束擺動寬度/ mm

5~20

光束射入角度(°

45

搭接系數

5%~20%

(7)幾種材料激光淬火工藝參數及效果(見表3)。

幾種材料激光淬火工藝參數及效果

(8)幾種材料的激光淬火層組織(見表4)。

幾種材料的激光淬火層組織

(9)激光淬火質量要求及檢測

按GB/T18683—2002《鋼鐵件激光表面淬火》標準執行。

 

激光淬火技術在機床零件上的應用

 

1.數控機床電主軸激光淬火技術應用

實例  數控機床電主軸(見圖2),主軸轉速8~10×105r/min,材料為40Cr鋼,先進行調質處理,激光淬火后的安裝軸承處及主要表面硬度為52~56HRC。

圖2  數控機床主軸簡圖


(1)主軸及隨機附帶4個試樣,試樣直徑80mm,壁厚20mm,兩端磨平。在采用CO2激光器進行激光硬化前,分別在主軸和試樣表面上涂覆一層特別涂料,以增加對激光的吸收。


(2)用5kW的CO2橫流式激光器對主軸及試樣進行激光淬火,其輸出功率P=1800~2000W,掃描速度v=5mm/s,機床轉速n=30r/min,掃描寬度2~3.5mm。并采用微機控制淬火機床(工作臺),配備靈活通用的工裝夾具,固定淬火工件作平行移動、轉動或合成運動。圖3為機床主軸激光淬火示意。

圖3  機床主軸激光淬火示意


(3)激光淬火化后的主軸及試樣檢驗  淬硬層深度0.5~1.2mm;表面淬火硬度60~66HRC;組織為最外層極細馬氏體+少量殘留奧氏體,過渡層馬氏體+鐵素體+滲碳體,內層為原始組織,即回火索氏體。


表5為40Cr鋼激光淬火與常規熱處理后相對耐磨性比較。圖4為40Cr鋼激光淬火與調質處理耐磨性比較。通過結果可知,機床主軸經激光淬火后,主軸磨損量比普通的40Cr鋼調質處理的磨量少77%~79%。

5 40Cr鋼激光淬火與常規熱處理后相對耐磨性比較

處理方法

硬度HRC

相對耐磨性

對磨材料

調質

54~60

0.98

鑄鐵

調質 + 激光淬火

60~66

1.78

鑄鐵

 圖4  40Cr鋼激光淬火與調質處理耐磨性比較

 

2.數控機床鑲鋼導軌的激光淬火技術應用

實例  數控機床鑲鋼導軌,材料為45鋼,要求激光淬火。


(1)預備熱處理

導軌經鍛造后,進行常規的正火及調質處理,以細化晶粒,改善組織結構,降低內應力,并為后續激光淬火做好組織準備。


(2)激光淬火設備及工藝參數

采用國產31.5kW二氧化碳激光器及激光加工機床,激光輸出功率P=900W,光斑直徑為4mm,離焦量d=240mm,掃描速度v=10m/s。


經上述工藝處理后的導軌,淬火區淬硬層深度為0.58mm,硬化帶寬為4.47mm,硬化層組織為細針狀馬氏體+部分殘留奧氏體,表面硬度為724~797HV0.1,相當于61~64HRC。


(3)磨損試驗

磨損試驗結果表明,當激光掃描淬火花紋為45°斜線(與導軌棱邊成45°斜線,見圖5),(棱形)硬化面積為40%時,導軌耐磨性高。

圖5  激光掃描淬火花紋示意


(4)導軌畸變

導軌采用上述激光淬火花紋、硬化面積及激光淬火工藝參數,在如圖6所示的機床導軌的四個面均進行相同條件的激光淬火處理。激光淬火最大畸變(中間位置)-0.11mm(經低溫時效),而整體淬火最大畸變(中間位置)0.20mm。結果表明,導軌經激光淬火后的畸變遠小于整體淬火或感應淬火。

圖6  數控機床導軌示意


3.機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環的激光淬火技術應用

機床離合器聯結、花鍵套、磁軛和齒環等經激光淬火后,其質量明顯優于普通鹽浴或感應淬火,解決了聯結爪部工作面硬度低、卡爪內側畸變大,花鍵套鍵側面硬度低、內孔畸變超差、小孔處開裂,磁軛和齒環滲碳淬火畸變大、發生斷齒、兩者嚙合不良、傳遞力矩不足及發生打滑等缺陷。


實例1  電磁離合器聯結(見圖7),材料為45鋼,技術要求:硬度≥55HRC,淬硬層深度≥0.3mm,爪部直徑畸變≤0.1mm,硬化面積≥80%。

圖7  電磁離合器聯結


(1)工藝流程

全部機械加工后,在數控激光熱處理機上自動進行六個爪的12個側面激光掃描淬火。


(2)激光淬火工藝

激光輸出功率P=1000W,透鏡焦距f=350mm,離焦量d=59mm,掃描速度v=1000mm/min,生產節拍t=45s/件。


(3)檢驗結果

硬度為57~60HRC,淬硬層深度0.3~0.6mm,直徑畸變≤±0.03mm,爪側面100%淬硬。


實例2  花鍵套(見圖8),材料為45鋼,技術要求:硬度≥55HRC,個別點允許≥50HRC,淬硬層深度≥0.3mm,內徑畸變≤0.05mm,硬化面積≥80%。