激光表面淬火工藝在某裝置中的應用研究

顏少平

（海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，武漢 430084）

0 引言

某止動裝置的兩止動擋板動作的同步性通過安裝在同步軸上的曲柄帶動實現，同步軸上安裝有兩件同步曲柄和四件釋放曲柄，每個曲柄有滑槽，滑槽內有軸承滑動。該設計及制造的核心是兩止動擋板的同步釋放性能要求高。設計要求每個曲柄滑槽的兩內表面粗糙度要求不大于 Ra3.2。為保證滑槽具有一定的耐磨和抗沖擊性，要求滑槽兩內表面進行淬火處理，硬度為 HRC45～HRC48，淬深1.0mm～1.5mm；每個曲柄加工后滑槽兩內表面的平行度不大于0.2mm；安裝后所有曲柄滑槽對稱中分面的共面度不大于0.2mm（兩端曲柄之間的跨度約5m），所有曲柄滑槽兩內表面的平行度不大于0.2mm，形位精度高；曲柄淬火后兩內側表面的硬度高且無法檢測、無法再加工；滑槽的內表面外形尺寸大，變形控制困難。針對上述特點，如何保證該止動裝置的制造、安裝技術要求，合理確定曲柄內側表面淬火工藝是該工程的關鍵技術。

1 各種淬火方法的對比分析

對該止動裝置的曲柄而言，較常使用的淬火方法主要有滲碳淬火、感應淬火、火焰淬火以及激光淬火等。

滲碳淬火[1]是使工件表面通過滲碳來獲得很高的硬度，滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼。該曲柄的材料為40Cr，滲碳時如果溫度控制不好，隨著碳濃度過高，工件表面易出現塊狀粗大的碳化物或網狀碳化物。這種組織硬脆，韌性較低，容易產生裂紋，曲柄在工作時承受沖擊荷載，淬硬是致命的缺陷。

感應淬火[1]是使工件表面產生一定的感應電流，迅速加熱零件表面并迅速淬火的一種熱處理方法。由于感應電流具有集膚效應，可使工件表面迅速加熱，表面溫度在幾秒鐘內上升到800～℃1000℃，而心部溫度升高很小，因此感應淬火具有表面質量好、脆性小、淬火表面不易氧化脫碳、變形小等優點。與常規熱處理中的“淬火+低溫回火”方式相比，零件表面的硬度要提高20%。另外，中頻感應硬化層有大量的碳化物析出，且碳化物顆粒大，殘余奧氏體多。

火焰淬火[1]是一種用乙炔-氧火焰（最高溫度達3100℃）或煤氣-氧火焰（最高溫度達 2000℃）將工件表面快速加熱，隨后噴液（水或有機冷卻液）冷卻的一種表面淬火方法。火焰淬火設備簡單，但淬火質量穩定性差，不易控制。火焰加熱的均勻性難保證，工件表面容易燒化、過熱，對中高碳和合金鋼的表面淬火時易發生開裂，很難達到均勻的淬火層與高的表面硬度。

激光表面淬火[1]是一種利用高能量激光束掃射工件使被掃射工件表面區域硬化的技術，其基本原理是用高能量密度的激光束照射工件，使被照射的表面區域急速加熱至相變點溫度以上、熔點溫度以下[1]。當激光束停止照射時，由于熱傳導作用，加熱區會急速冷卻而發生馬氏體轉變，使工件表層實現相變硬化。加熱區受熱并與基體之間存在很大的溫度梯度，基體基本處于冷態。激光表面淬火，使零件表面形成細小均勻、含有多種介穩相合金化合物的高質量表面強化層，淬硬層深度一般在0.3mm～2.0mm范圍之間，大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗疲勞能力。

根據以上分析，滲碳淬火和火焰淬火均有一定的技術、質量風險，感應淬火和激光淬火比較適合該曲柄滑槽的淬火。

2 曲柄淬火工藝的試驗研究

控制工件的淬火變形是當今熱處理行業的一大難題。零件的設計、鋼材品種及其質量、冷熱加工、熱處理的各個細節都可能成為淬火變形的影響因素。一般情況下，為消除零件淬火后的變形量，為保證零件的形位公差，淬火后通常會再磨削加工。由于該曲柄滑槽的結構限制，滑槽內表面淬火后根本無法加工。一是硬度高（HRC45～HRC48），無法通過刀具再加工；二是空間太小，無法磨削加工。因此，在滿足表面硬化性能的前提下，控制工件的淬火變形工藝至關重要。

為確定最佳的淬火工藝[2,3]，按1:1比例制造兩件樣品進行淬火試驗驗證。為使具有可比性，兩件試樣材料毛坯制作時取自同一塊鋼坯、采用相同的鍛造工藝、同爐熱處理、材料組織性能基本一致。加工時按“三定”要求，以保證操作人員、裝夾方式、加工切削參數相同。為體現試驗效果的直觀，兩件試樣加工后尺寸精度、表面粗糙度等參數基本一致。試驗數據記錄如表1所示。

表1 試驗數據記錄表

試驗結果表明，激光淬火優勢比較明顯。與感應淬火相比，激光淬火硬度高，硬層更均勻，淬火前后工件的相對變形量小，幾乎可以忽略，比較適合該曲柄的表面處理。同時激光淬火后曲柄表面粗糙度影響也較小，不需要后續磨削加工工序。另外，與中頻感應淬火相比，在50N～250N的載荷條件下，激光淬火試樣的耐磨性比中頻感應淬火試樣提高4%～21%。兩者的主要磨損形式均為磨粒磨損，中頻感應淬火后的摩擦系數略大于激光淬火試樣的摩擦系數，中頻感應淬火試樣磨損后表面犁溝的深度和寬度略大于激光表面淬火的深度和寬度。兩種淬火方法淬硬層均為板條馬氏體和少量針狀馬氏體的混合組織，而激光淬火的位錯密度極高。因此，激光淬火工藝可作為該曲柄表面熱處理的最佳方案。

3 曲柄激光淬火工藝參數的研究

因該曲柄滑槽內表面空間的限制，淬火后無法進行硬度檢測，有必要對曲柄激光淬火工藝和可靠性進行研究，以確保產品淬火后完全滿足技術要求。

制作兩件試樣，并記錄淬火實施前的尺寸、形位公差、表面粗糙度等。對試樣的兩個面分別進行淬火試驗，為找到最佳的淬火工藝參數，根據理論計算值不斷修正和調整激光聚焦鏡的角度、焦距、掃描速度、輸出功率等參數并記錄。淬火后對試樣表面進行MT和PT探傷檢查，確定無裂紋等致命陷發生；然后對試樣的變形量及尺寸公差、粗糙度等進行檢測并記錄；采用線切割方式剖開零件，對淬火層硬度、深度等進行檢測。

通過多次調整并優化、固定激光淬火工藝參數，試樣未出現裂紋、過熱等致命缺陷；對淬火后的試樣進行全面檢測，變形在0.05mm～0.08mm之間，硬度HRC46～HRC47，深度1.2mm～1.3mm且分布均勻，重復、可靠性高。另外，配制專門的激光熔凝淬火涂料，能大幅度降低熔凝層的表面粗糙度，試樣淬火后表面粗糙度與淬火前相當。

4 曲柄激光淬火后變形控制研究

零件淬火后變形是鋼鐵制件熱處理的必然，曲柄滑槽受設計形狀的限制，滑槽兩內側表面淬火后無法再加工，必須先精加工再進行淬火以滿足表面硬度、光潔度和耐磨性要求，但曲柄淬火后可能出現尺寸形位超差無法保證安裝精度，繼而無法保證同步性技術性能。

根據工藝試驗研究的結果，激光淬火后滑槽的變形很小，滿足制造技術要求。但曲柄安裝到同步軸上后，安裝誤差會疊加并放大曲柄的變形效果，有必要進一步研究如何縮小曲柄的變形量。根據以往的經驗，可以采用反變形措施控制曲柄的變形量。由于加工設備的計算機控制，加工零件時可以預先在程序中設定反向的變形量，激光淬火后該部分預留量可以抵消一部分變形，而最終的形位公差會保證的更好。根據以上工藝試驗結果，曲柄淬火后變形量在0.05mm～0.08mm之間，變形穩定且主要集中在滑槽的中部，成中間大兩端小的錐形變化，具有一定規律。因此，曲柄加工時可人為地將滑槽加工成縮腰形（圖 1），中間控制在80mm+0.08mm+0.05mm，兩端控制在80m+0.13mm+0.10mm。綜合曲柄淬火后的變形，滑槽最終的變形量幾乎可以控制在0.03mm以內，達到了理想的效果。

圖1 淬火前尺寸控制

通過上述對止動裝置曲柄淬火工藝的研究，有效解決了曲柄滑槽兩內側表面淬火硬度、淬硬層深度、表面光潔度、耐磨性和抗沖擊性、變形控制和形位精度的問題，保證了該止動裝置的總體技術性能。

5 總結

激光表面淬火主要特點是以非接觸方式加熱材料表面，借助于材料表面傳導冷卻，具體表現[1]為:

1）快速加熱、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，急冷速度快，無須冷卻介質而冷卻特性優異，是一種無污染、綠色環保處理工藝，很容易實行對大型模具表面進行均勻淬火。

2）加熱速度快、熱影響區域小，表面掃描加熱淬火，瞬間局部加熱淬火，與各種傳統的熱處理工藝相比，被處理的工件變形最小。

3）激光束發散角小，且有很強的指向性，能夠通過導光系統對工件表面進行精確的局部淬火，對其他方法難以處理的特定部位，以及表面有一定高度差的異性零件，可進行靈活的局部處理。

4）一般不需真空條件，即使在進行特殊的合金化處理時，也只需吹保護性氣體即可有效防止氧化和元素燒損。

5）配有計算機控制的多維空間運動工作臺的現代化大功率激光器，表面淬火淬硬層均勻，加熱層深度和加熱軌跡容易控制，通過調節相關參數，在距表面0.3mm～1.5mm范圍內進行表面淬火，效果明顯且硬化層深度可控。

6）激光淬火，能有效避免淬火變形、過燒、裂紋等致命缺陷。

7）特別適用于機械化、自動化，效率高、質量穩定可靠、成本低，經濟和社會效益好。

8）不適宜于零件內部的深層淬火，其應用受到一定的限制。

[1]中國機械工程學會熱處理學會. 熱處理手冊 工藝基礎[M]. 北京:機械工業出版社, 2001.

[2]羅玉梅. 激光淬火工藝的現狀及應用[J]. 邵陽學院學報:自然科學版, 2004(3):49-51.

[3]張宏, 鄧琦林, 余承業. 齒輪激光淬火工藝的研究[J].機械工藝師, 1997(2):9-11, 1.