CN105331778B - 一种激光淬火处理方法及淬火工件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光淬火处理方法及淬火工件，属于热处理技术领域。本发明的激光淬火处理方法包括：将经过调质、发蓝处理的工件进行激光淬火处理，所述激光淬火处理的功率为550‑650瓦、激光扫描速度为1.2‑1.8m/min、焦距为300mm、离焦量为30‑40mm。本发明的激光淬火处理方法处理过的工件表面不出现熔凝现象，金属表面硬度可达到HV700以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光淬火处理方法及淬火工件，属于热处理技术领域。
背景技术
为了提高金属材料的综合性能，通常采用热处理的方式对材料进行加工处理。淬火是最常用的热处理方式之一，能够提高材料的硬度和强度。在机械制造中许多重要的结构零件如轴类、齿轮等都需要具有非常高的硬度，大多都需要进行淬火、回火处理。
公开号为CN102952926A的中国发明专利公开了一种材料为35CrMo的压力机偏心体的调质处理方法，采用将待处理工件先加热保温后淬火，再经过高温回火处理的方法，这种方法能够消除工件内部的应力，提高了工件内部的综合力学性能。
但是，上述方法对工件表面的硬度提升有限。而且在实际应用中发现，金属零部件通常需要进行局部淬火或者对零部件的特定部位进行淬火，这就需要一种能够对金属零部件进行局部加热淬火的工艺方法，激光硬化(或称激光淬火)就是这样一种方法。与传统的金属表面强化技术相比，激光硬化可处理零件的特定部位或者采用其他方法难以处理的部位，而且激光硬化导致的金属材料变形轻微可控，还具有低碳环保，生产效率高等一系列优点。
激光硬化分为两种方式，激光相变硬化和激光熔覆硬化。激光相变硬化是以高能量的激光束快速扫描，使被照射的金属或合金表面温度以极快的速度升高到相变点以上同时又低于熔化温度，这时使激光束离开被照射部位，处于冷态的基体能够使被照射部位快速冷却而进行自冷淬火，实现工件表面的相变硬化。这种激光相变硬化得到的工件的表面硬化层组织较细，硬度高于常规淬火。激光熔覆硬化是以较高功率的激光在极端的时间内与金属交互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到熔点以上而熔化，然后在冷态的基体的吸热和传导作用下，使已熔化的表层金属快速凝固，使金属表面获得极细或者超细的铸状组织，表面成分偏析减少，金属表层的缺陷和微裂纹也可以被熔合，从而使金属表面的硬度和耐磨性都得到大幅度的提高。但是，现有技术中的激光硬化或者淬火方法所处理材料表面硬度较小，无法满足高硬度工件的性能需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高工件表面硬度的激光淬火处理方法。本发明的目的还在于提供一种采用上述方法处理过的淬火工件。
为了实现以上目的，本发明的激光淬火处理方法的技术方案如下：
一种激光淬火处理方法，包括：将经过调质、发蓝处理的工件进行激光淬火处理，所述激光淬火处理的功率为550-650瓦、激光扫描速度为1.2-1.8m/min、焦距为300mm、离焦量为30-40mm。
本发明通过将调质、发蓝后的工件进行激光淬火处理，能够充分提高工件表面的硬度，并通过合适的激光处理工艺设置，使工件在激光淬火过程中表面不出现熔凝，而仅发生相变硬化，形成由马氏体和残余奥氏体组成的激光相变硬化区，提高工件表面待处理区域的硬度。
本发明的激光淬火处理方法对35CrMo材料制备的工件具有良好的淬火效果，优选的，所述步骤1)中待处理工件的材质为35CrMo。进一步优选为具有如下化学成分的35CrMo材料：C 0.32～0.40％、Si 0.17～0.37％、Mn 0.40～0.70％、Cr 0.80～1.10％、Mo 0.15～0.25％、S≤0.035％、P≤0.035％、Cu≤0.30％、Ni≤0.30％。这种材料的密度为7.87g/cm3，熔点为1403℃，导热系数为44W/(m·℃)，比热为460J/(kg/℃)。
所述调质可以使用现有技术中常用的调质处理方法，也可以采用包括如下步骤的调质处理方法：将待处理工件加热到850-870℃，在油中冷却，再加热到550-570℃回火40-180min，回火后出炉冷却，得到调制后的工件。所述回火后的冷却为油中冷却至室温。
所述发蓝可以使用现有技术中的发蓝处理方法，也可以采用包括如下步骤的发蓝处理方法：将调质后的工件放入发蓝处理液中，135-145℃下保温40-60min，得到经过调质、发蓝处理的工件；
所述发蓝处理液为含氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸钠的水溶液，其中氢氧化钠的浓度为13-17mol/L，亚硝酸钠的浓度为2-4mol/L，硝酸钠的浓度为0.4-0.7mol/L。
为了使进行激光淬火处理的工件表面清洁、干净，所述经过调质、发蓝处理的工件在进行激光淬火之前进行清理处理，所述清理处理包括如下步骤：
使用碱性或中性脱脂剂进行除油，之后使用循环水清洗，干燥。
为了提高激光淬火处理时的光电转换效率和光束质量并降低能耗，所述激光淬火处理使用光纤激光器。
为了避免多道扫描造成的金属表面道间性质差异过大，所述激光淬火处理时，激光扫描的方式为单道扫描。
为了保证金属表面发生相变硬化且避免金属发生熔化，所述激光淬火处理的激光的功率优选为600瓦。
所述激光的波长不易过大，以避免金属表面升温过快，激光的波长也不易过小，以避免金属表面升温过慢，一般的所述激光的波长为1070nm。
所述激光淬火处理后的工件的冷却方式是自然冷却。
本发明的淬火工件的技术方案如下：
一种使用上述激光淬火处理方法处理得到的淬火工件。
本发明的激光淬火处理方法处理过的材料表面不出现熔凝现象，形成了由马氏体和残余奥氏体组成的激光相变硬化区，使金属表面硬度可达到HV700以上，硬化层厚度最高可达650μm以上，大幅度提高了材料的硬度和强度，提高了材料的耐磨性、耐腐蚀性等综合性能。而且本发明的激光淬火处理方法与现有技术中的淬火工艺相比，达到相同的强化效果的能耗降低，使得整体工艺成本大幅度降低，具有良好的节能效果和经济效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。
下面各实施例中的激光淬火处理方法所处理的待处理工件采用35CrMo材料，该材料的具体成分如表1所示：
表1 35CrMo材料的化学成分
| C | Si | Mn | Cr | Mo | S | P | Cu | Ni |
| 0.32～0.40 | 0.17～0.37 | 0.40～0.70 | 0.80～1.10 | 0.15～0.25 | ≤0.035 | ≤0.035 | ≤0.30 | ≤0.30 |
35CrMo材料的物理性质如表2所示：
表2 35CrMo材料的物理性质
| 密度g/cm3 | 熔点℃ | 导热系数W/(m·℃) | 比热J/(kg/℃) |
| 7.87 | 1403 | 44 | 460 |
实施例1
本实施例的激光淬火处理方法包括如下步骤：
1)调质：将待处理工件加热到860℃，在油中冷却至室温，再加热到560℃回火，回火保温时间为60min，在油中冷却至室温，得到调质后的工件；
2)发蓝处理：将步骤1)得到的调质后的工件放入发蓝处理液中，140℃下保温50min，得到经过调质、发蓝处理的工件；
所述发蓝处理液为氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸钠的水溶液，其中氢氧化钠的浓度为16mol/L，亚硝酸钠的浓度为3.5mol/L，硝酸钠的浓度为0.5mol/L；
3)清理：将步骤2)得到的经过调质、发蓝处理的工件进行清理处理：使用碱性脱脂剂进行除油处理，之后使用循环清水清洗至表面水膜连续，清洗完毕后放置在烘箱中干燥；
4)激光淬火：依次打开冷却系统、压缩空气系统、光纤激光器，光纤激光器的具体参数如表3所示，将步骤3)中清理处理过的工件置于操作台上，光纤激光器的焦距为300mm，设置光纤激光器的激光发射功率为600W，设置激光扫描速度为1.5m/min。调节光纤激光器进行对焦，并调整离焦量为30mm，光斑直径为3mm，根据工件表面待处理区域的形状，设定激光束的运行轨迹，以单道扫描的方式对待处理区域进行激光淬火处理，即得本实施例的激光淬火处理后的淬火工件。
表3光纤激光器参数配置
| 机型 | YLS-4000-S2T |
| 最大激光输出功率/W | 4000 |
| 输出功率调节范围/％ | 10～105 |
| 长期功率稳定性/％ | ＜±2 |
| 波长/nm | 1070 |
| 焦距/mm | 300 |
| 光纤长度/m | 20 |
| 激光器自身冷却方式 | 水冷 |
实施例2
本实施例的激光淬火处理方法包括如下步骤：
1)调质：将待处理工件加热到850℃，在油中冷却至室温，再加热到550℃回火150min，在油中冷却至室温，得到调质后的工件；
2)发蓝处理：将步骤1)得到的调质后的工件放入发蓝处理液中，135℃下保温60min，得到经过调质、发蓝处理的工件；
所述发蓝处理液为氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸钠的水溶液，其中氢氧化钠的浓度为13mol/L，亚硝酸钠的浓度为2mol/L，硝酸钠的浓度为0.4mol/L；
3)清理：将步骤2)得到的经过调质、发蓝处理的工件进行清理处理：使用碱性脱脂剂进行脱油处理，之后使用循环清水清洗至表面水膜连续，清洗完毕后放置在烘箱中干燥；
4)激光淬火：依次打开冷却系统、压缩空气系统、光纤激光器，将步骤3)中清理处理过的工件置于操作台上，光纤激光器的焦距为300mm，设置光纤激光器的激光发射功率为550W，设置激光扫描速度为1.2m/min。调节光纤激光器进行对焦，并调整离焦量为30mm，光斑直径为3mm，根据工件表面待处理区域的形状，设定激光束的运行轨迹，以单道扫描的方式对待处理区域进行激光淬火处理，即得本实施例的激光淬火处理后的淬火工件。
本实施例中光纤激光器的型号与实施例1相同。
实施例3
本实施例的激光淬火处理方法包括如下步骤：
1)调质：将待处理工件加热到870℃，在油中冷却至室温，再加热到570℃回火40min，在油中冷却至室温，得到调质后的工件；
2)发蓝处理：将步骤1)得到的调质后的工件放入发蓝处理液中，145℃下保温40min，得到经过调质、发蓝处理的工件；
所述发蓝处理液为含氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸钠的水溶液，其中氢氧化钠的浓度为17mol/L，亚硝酸钠的浓度为4mol/L，硝酸钠的浓度为0.7mol/L；
3)清理：将步骤2)得到的经过调质、发蓝处理的工件进行清理、除油处理：使用中性脱脂剂进行除油处理，之后使用循环清水清洗至表面水膜连续，清洗完毕后放置在烘箱干燥。
4)激光淬火：依次打开冷却系统、压缩空气系统、光纤激光器，将步骤3)中清理处理过的工件置于操作台上，光纤激光器的焦距为300mm，设置光纤激光器的激光发射功率为650W，设置激光扫描速度为1.8m/min。调节光纤激光器进行对焦，并调整离焦量为40mm，光斑直径为3.5mm，根据工件表面待处理区域的形状，设定激光束的运行轨迹，以单道扫描的方式对待处理区域进行激光淬火处理，即得本实施例的激光淬火处理后的淬火工件。
本实施例中光纤激光器的型号与实施例1相同。
对比例
本对比例的淬火处理方法包括如下步骤：
1)调质：将待处理工件加热到860℃，在油中冷却至室温，再加热到560℃回火60min，在油中冷却至室温，得到调质后的工件；
2)高频感应淬火：使用高频感应淬火设备将待处理工件表面加热到约890℃，在油中冷却至室温，再使用回火炉加热到200℃进行回火，保温60min，在油中冷却至室温，得到高频淬火表面强化的工件。
试验例
对实施例1-3及对比例中的热处理方法处理得到的淬火工件测定其硬度和硬化层深度，测定结果如表4所示。
表4实施例1-3及对比例中的淬火工件性能
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例 | |
| 处理区域的硬度 | HV722 | HV727 | HV715 | HV580 |
| 硬化层深度 | 610μm | 520μm | 650μm | 850μm |
由表4可以看出，经过本发明的激光淬火处理方法处理得到的淬火工件，金属表面硬度可达到HV710以上，硬化层厚度最高可达650μm，大幅度提高了材料的强度。
Claims (7)
1.一种激光淬火处理方法，其特征在于，包括：将经过调质、发蓝处理的工件进行激光淬火处理，所述激光淬火处理的功率为550-650瓦、激光扫描速度为1.2-1.8m/min、焦距为300mm、离焦量为30-40mm；所述工件的材质为35CrMo；所述激光淬火处理的激光的波长为1070nm。
2.如权利要求1所述的激光淬火处理方法，其特征在于，所述调质的方法包括：
将待处理工件加热到850-870℃，在油中冷却，再加热到550-570℃回火40-180min，冷却，得到调质后的工件。
3.如权利要求1所述的激光淬火处理方法，其特征在于，所述发蓝的方法包括：
将调质后的工件放入发蓝处理液中，135-145℃下保温40-60min，得到经过调质、发蓝处理的工件；
所述发蓝处理液为含氢氧化钠、亚硝酸钠、硝酸钠的水溶液，其中氢氧化钠的浓度为13-17mol/L，亚硝酸钠的浓度为2-4mol/L，硝酸钠的浓度为0.4-0.7mol/L。
4.如权利要求1所述的激光淬火处理方法，其特征在于，所述经过调质、发蓝处理的工件在进行激光淬火处理之前进行清理处理，所述清理处理包括如下步骤：
使用碱性或中性脱脂剂进行除油，用水清洗，干燥。
5.如权利要求1所述的激光淬火处理方法，其特征在于，所述激光淬火处理采用光纤激光器。
6.如权利要求1所述的激光淬火处理方法，其特征在于，所述激光淬火处理的激光扫描的方式为单道扫描。
7.一种使用如权利要求1所述的激光淬火处理方法处理得到的淬火工件。
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