CN1603425A - 一种金属激光深层淬火工艺 - Google Patents
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Abstract
一种金属激光深层淬火工艺，通过在金属需处理区表面涂覆合金吸光涂料后，根据处理面积选择一定光斑的光束进行激光处理，同时，用一定流量的气体吹到金属表面激光局部作用区，并用液体冷却剂冷却激光作用区周围，使得金属硬化层淬火深度达到0.7～3mm。发明解决了金属感应加热时的形变，提高了金属表面硬度，同时解决了普通激光淬火硬化深度较浅的问题。
Description
技术领域
一种金属激光深层淬火工艺，适用于金属材料的表面淬火硬化加工，尤其适用于复杂形状零件局部、不允许变形的零部件，如大中型齿轮表层、大型轴承内外圈、刀具刃部的加工等。
背景技术
目前的金属加工通常采用感应加热淬火的方法以提高金属的表面硬度，虽然深度较深，可以达到1～3mm，但由于加热时表面要熔化，不但破坏了金属表面光洁度，而且工件形变较大。感应圈制作复杂，尤其是复杂形状的工件内腔局部，难于实现硬化。
激光硬化金属加工工艺在国内外也得到广泛应用，同一金属材料用激光硬化加工工艺可以比常规的感应加热淬火提高10～20％，且具有局部可选性硬化，无需冷却介质、变形小等优点，如，各类轴径、导轨、汽缸内壁、齿轮等。但在控制表面不熔化情况下，硬化深度通常在0.2～0.6mm以内，若再要增加深度，由于激光束高的能量密度，就会使激光作用区局部温度升高在短时间内传导至基体内部并出现表层过熔，破坏表面光洁度，这也是目前限制激光硬化应用的主要瓶颈。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种激光深层金属淬火硬化的加工方法，发明解决了金属感应加热时的形变，提高了金属表面硬度，同时，解决了激光淬火硬化深度偏浅的问题。
本发明的主要技术方案是：清洁金属需处理区表面，并在表面涂覆合金吸光涂料，合金吸光涂层干燥后，根据处理面积选择一种光斑的光束进行激光淬火处理，同时，将气体吹到金属表面激光局部作用区，并用液体冷却剂冷却激光作用区周围，控制激光作用区不熔或微熔，使得金属硬化层淬火深度达到0.7～3mm。
激光工艺参数：对于Fe-C合金材料，输出功率1～5KW，扫描速度0.1～1m/min，实施时应根据具体情况，对以上范围的参数进行优化搭配。
表面涂层：合金吸光涂层专用涂料，成份：混合稀土10～20％、10～20％合金、粘结剂60～80％，主要用途是提高对光的吸收以及表层合金化，其中合金组成为：W 30～50％、Co 20～40％、Cr 5～20％、Mo 1～3％、Si 1～3％、Ni 5～10％、C 1～4％、Fe 1～4％；
所述液体冷却剂与激光光束同方向同步运动，冷却剂喷射方向在激光光束的方向向外侧偏5～15°。
所述液体冷却剂是水或盐水，所述气体是空气或惰性气体，如氩气、氮气等。
附图说明
图1为本发明圆形激光光斑深层淬火示意图；
图2为本发明实施例结构示意图；
图3为图2的A-A剖面图。
具体实施方式
下面结合图1、图2和图3对本发明实施例作一详细说明，激光光斑可为矩形激光光斑，或圆形光斑如图1，1为激光束，光斑大小可以调节，冷却剂2的流量和方向是一定的，冷却剂2喷射方向为向外侧偏5～15°，距光斑距离可以调节，在处理过程中冷却剂2、气体3、激光束1同步运动。气体3为氩气，除了冷却作用外还有对激光作用区保护作用。以木工刀为例，如图2，图3所示，该刀由刀体5和刀刃4组成，原来在刀刃4用钎焊镶嵌高速钢或硬质合金的方法制造，主要问题是工序复杂，对于硬质合金刃口，由于材料本身的脆性而受到长度的限制，当长度大于300mm时，容易在制造或使用过程中出现硬质合金刃口断裂现象，同时，硬质合金虽然硬度高耐磨，但由于本身的致密性原因导致刃口不够锋利。按照本发明的方法，基体材料选用40Cr或65Mn，利用基体材料本身的硬化层作为刀刃，在刀刃4处采用激光深层强化法进行处理，得到深度为0.5～3mm的硬化层，平均硬度为HV700，金相组织为高度细化的马氏体。工艺简单，充分挖掘原有材料性能，由于晶粒高度细化使得组织致密，刃口锋利度大大提高，硬化层与基体一体化过渡，无焊接。如图2所示：4为刀刃部分的激光硬化层，5为未进行激光硬化处理的刀体。
制作步骤：以上述木工刀为例，说明如下，
1、金属板料成型(与常规工艺一样)，并留有精加工余量；
2、清洗刀具刀刃，喷砂；
3、刃口涂专用吸光涂料，成份：混合稀土10％、合金20％、粘结剂70％，其中合金组成为：W 40％、Co 30％、Cr 15％、Mo 2％、Ni 7％、Si 2％、Fe 2％、C 2％；
4、在刃口单面进行激光处理：参数如下
| 激光工艺参数 | |||||
| CO2激光 | 刀体厚度 | 功率(KW) | 速度V(m/min) | 光斑 | 表面状态 |
| ≤2mm | 4～5 | 1～3 | 10×2 | 水冷却 | |
| 1～3 | 0.1～1 | 10×2 | 水冷却 | ||
5、气体冷却剂3(空气)、液体冷却剂2(水)、激光光束1同方向同步运动，气体冷却剂3、液体冷却剂2的流量和方向是一定的，冷却剂喷射方向在激光光束方向向外侧偏5～15°。
5、开刃磨刃：对激光处理刀刃面进行精磨，对未处理刀刃面进行开刃，将来磨刃也在未处理一侧。
发明解决了金属感应加热时的形变，硬度较感应加热淬火高10～20％，同时，解决了激光淬火的深度偏浅的问题，可以实现工件灵活、局部的加工生产。
Claims (7)
1，一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于其工艺步骤如下：清洁金属需处理区表面，并在表面涂覆合金吸光涂料，合金吸光涂层干燥后，根据处理面积选择一种光斑的光束进行激光淬火处理，同时将气体吹到金属表面激光局部作用区，并用液体冷却剂冷却激光作用区周围。
2，根据权利要求1所述的一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于所述合金吸光涂料的成份为：混合稀土10～20％、合金10～20％、粘结剂60～80％，其中合金组成为：W 30～50％、Co 20～40％、Cr 5～20％、Mo 1～3％、Si 1～3％、Ni 5～10％、C 1～4％、Fe 1～4％。
3，根据权利要求1所述的一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于所述激光处理的工艺参数如下：对于Fe-C合金材料，输出功率1～5KW，扫描速度0.1～1m/min。
4，根据权利要求1所述的一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于所述液体冷却剂与激光光束同方向同步运动，冷却剂喷射方向在激光光束的方向向外侧偏5～15°。
5，根据权利要求1所述的一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于所述液体冷却剂是水或盐水。
6，根据权利要求1所述的一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于所述气体是空气。
7，根据权利要求1所述的一种金属激光深层淬火工艺，其特征在于所述气体是惰性气体。
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