激光淬火技術

2024年3月29日發(作者：天馬山)

激光淬火技術

激光淬火技術，是利用聚焦后的激光束快速加熱鋼鐵材料表面，使其發生相變，形成

馬氏體淬硬層的過程。激光淬火的功率密度高，冷卻速度快，不需要水或油等冷卻介質，

是清潔、快速的淬火工藝。與感應淬火、火焰淬火、滲碳淬火工藝相比，激光淬火淬硬層

均勻，硬度高（一般比感應淬火高1-3HRC），工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡容易控

制，易于實現自動化，不需要象感應淬火那樣根據不同的零件尺寸設計相應的感應線圈，

對大型零件的加工也無須受到滲碳淬火等化學熱處理時爐膛尺寸的限制，因此在很多工業

領域中正逐步取代感應淬火和化學熱處理等傳統工藝。尤其重要的是激光淬火前后工件的

變形幾乎可以忽略，因此特別適合高精度要求的零件表面處理。激光淬硬層的深度依照零

件成分、尺寸與形狀以及激光工藝參數的不同，一般在0.3~2.0mm范圍之間。對大型齒

輪的齒面、大型軸類零件的軸頸進行淬火，表面粗糙度基本不變，不需要后續機械加工就

可以滿足實際工況的需求。激光熔凝淬火技術是利用激光束將基材表面加熱到熔化溫度以

上,由于基材內部導熱冷卻而使熔化層表面快速冷卻并凝固結晶的工藝過程。獲得的熔凝淬

火組織非常致密，沿深度方向的組織依次為熔化-凝固層、相變硬化層、熱影響區和基材。

激光熔凝層比激光淬火層的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。該技術的不足之處

在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破壞，一般需要后續機械加工才能恢復。為了降低

激光熔凝處理后零件表面的粗糙度，減少后續加工量，華中科技大學配制了專門的激光熔

凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝層的表面粗糙度。現在進行激光熔凝處理的冶金行業各

種材料的軋輥、導衛等工件，其表面粗糙度已經接近激光淬火的水平。激光淬火現已成功

地應用到冶金行業、機械行業、石油化工行業中易損件的表面強化，特別是在提高軋輥、

導衛、齒輪、剪刃等易損件的使用壽命方面，效果顯著，取得了很大的經濟效益與社會效

益。近年來在模具、齒輪等零部件表面強化方面也得到越來越廣泛的應用。

1.1 激光淬火的特點

質量優勢 技術特質 適用材料 實際應用

1．淬火零件不變形 激光淬火的熱循環過程快 中碳鋼 大型軸類

2．幾乎不破壞表面粗糙度 采用防氧化保護薄涂層 模具鋼 各種模具

3．激光淬火不開裂 精確定量的數控淬火 冷作模具鋼 模具、刃具

4．對局部、溝、槽淬火 定位精確的數控淬火 中碳合金鋼 減振器

5．激光 淬火清潔、高效 不需要水或油等冷卻介質 鑄鐵材料 發動機汽缸

激光合金化技術

激光合金化(Lar Surface Alloying，LSA)是金屬材料表面局部改性處理的一種新方

法，激光合金化工藝屬于材料表面改性處理的范疇。它是指在高能量激光束的照射下，使

基體材料表面的一薄層與根據需要加入的合金元素同時快速熔化、混合，形成厚度為10~l

000 um的表面熔化層，熔化層在凝固時獲得的冷卻速度可達l0

5

-10

8

℃／s，相當于急冷

淬火技術所能達到的冷卻速度，又由于熔化層液體內存在著擴散作用和表面張力效應等物

理現象，使材料表面僅僅在報短時間內(50us-2ms)形成具有要求深度和化學成分的表面合

金化層，快速熔化非平衡過程可使合金元素在凝固后的組織達到很高的過飽和度，從而形

成普通合金化方法不容易得到的化合物、介穩相和新相，還能在合化元素消耗量很低的倩

況下獲得具有特殊性能的表面合金。這種合金化層由于具有高于基材的某些性能，所以就

達到了表而改性處理的目的。

激光表面合金化工藝的最大特點，是只在熔化區和很小的影響區內發生了成分、組織

和性能的變化，對基體的熱效應可減少到最低限度，引起的變形也極小。它既可滿足表面

的使用需要，同時又不犧牲結構的整體特性。由于合金元素是完全溶解于表層內，因此所

獲得的薄層成分是很均勻的，對開裂和剝落等傾向也不敏感。其另一顯著特點是所用的激

光功率密度很高(10

4

-10

8

W/cm

2

)。熔化深度由激光功率和照射時間來控制，在基體金屬

表面可形成深度為0.01~2mm的合金層。由于冷卻速度高，所以偏析極小，并且細化晶

粒效果顯著。

利用激光合金化技術可使廉價的普通材料表面獲得有益的耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能，

從面可以取代昂貴的整體合金；并可改善不銹鋼，鋁合金和鈦合金的耐磨性能；亦可制備

傳統治金方法無法得到的某些特殊材料，如超導合金，表面金屬玻璃等。與普通電弧表面

硬化和等離子噴涂相比，激光合金化有下列優越性。

① 激光輻射能量高度集中，通過空氣可以進行遠距離傳播。

② 是一種快速處理方法，能有效利用能量。

③ 能準確地控制功率密度與加熱速度，從而變形小，而電弧硬化與等離子噴涂采用的

是不均勻加熱和冷卻，在急冷過程中有熱沖擊，造成交形和開裂，往往需要校直和打磨加

工。

④ 能使難以接近的和局部的區域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不規則的零件上

可得到均勻的合金化深度。

基于上述特點，激光合金化在金屬加工工業中逐漸開始獲得各種應用。迄今適合于激

光合金化的基材有普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、鈷合金和鋁合金，合金化元素包括

Cr、Ni、W、Ti、Mn、B、V、Co、Mo等。

激光毛化技術

激光毛化技術是采用高能量、高重復頻率的脈沖激光束在聚焦后的負離焦照射到軋輥

表面實施預熱和強化，在聚焦后的聚焦點入射到軋輥表面形成微小熔池，同時由側吹裝置

對微小熔池施于設定壓力和流量的輔助氣體，使熔池中的熔融物按指定要求盡量堆積到融

池邊緣形成圓弧形凸臺（峰值數）。 激光毛化是一種用于軋鋼生產的現代高新技術。激光

毛化是世界上新近發展起來的冷軋鋼輥毛化新技術。激光毛化軋輥具有比噴丸毛化螺絲更

長的使用壽命，在軋板過程中能提高軋制速度，減少版面擦傷，改善版型，在板卷退火中

防止粘連，能顯著提高工廠的生產率和產品質量。

YAG激光毛化設備及加工方法已經成熟運用在鋼鐵、冶金的精密帶鋼、冷軋薄板、鍍

鋅板、鍍錫板、不銹鋼板帶上。應用激光毛化技術對軋輥能夠提高軋輥使用壽命、減少輥

耗，降低退火粘連缺陷，對板、帶能夠提高產品沖壓性能、改善表面涂漆附著力，增加光

亮度，減少黑帶現象產生等。

激光毛化技術目前已經廣泛應用于汽車、建筑、家電及電子、輕工及國防等領域，為

國家和企業創造了數十億元的經濟效益，應用我所技術的企業不僅提高了其產品檔次和競

爭力，而且多家的毛化板帶實現出口創匯。 激光毛化冷軋輥技術是八十年代在世界上才發

展起來的生產優質冷軋薄鋼板新技術。由于激光毛化技術在加工方法上、在提高成型性能

和涂鍍后光亮度以及綜合生產成 本方面都比其它毛化方法具有更大優越性，因此激光毛化

技術一問世便受到鋼鐵企業和使用部門的高度重視， 優質冷軋薄板和薄帶不僅需要優良的

材質，而且對薄板表面質量（如表面粗糙度和形貌）有嚴格的要求，才能確保薄板優良的

成形性能和表面涂鍍性能。激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國外被稱為

“鏡面鋼板”，是生產高級轎車面板的優質板材。因此，激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、

家電、電子和輕工業生產需求的重要原材料。

激光毛化技術基本原理

其特點是利用經過特殊調制的高能量密度（104~106W/cm2）、高重復頻率（每秒數

千至上萬）的脈沖激光束在聚焦后入射到軋輥表面實施預熱和強化，在聚焦點處軋輥表面

形成微小溶池，同時由側吹裝置對微小溶池施以設定壓力、流量、方向的輔助氣體，使溶

池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺。這些預熱區、微坑、凸臺

在軋輥自導熱的作用下迅速冷卻形成硬度強化區。然后在薄板軋制或平整過程中，軋輥表

面上的凸臺在板面上再形成若干變形硬化質點（微坑），以形成激光毛化板。這種新型表面

結構是在不降低原材質表面韌性的情況下，由無數微小均布的強化點對表面實行針軋，從

而在輥、板表面實現剛柔并濟的表面結構。這種表面結構的優點主要表現在以下方面：

1)激光毛化在軋輥表面形成均勻分布的圓弧形凸臺，其硬度、強度都明顯高于其它毛

化方式。并能有效的避免軋輥殘余應力集中、韌性降低等現象，延長軋輥使用壽命。

2)在軋制過程中，改善輥與板間摩擦（增加摩擦力）和接觸條件以有利于軋制工藝順

利進行（可增大軋機壓下量和軋制速度），減少擦傷和粘連，改善板型，提高板面質量。

3)在板材成型過程中，板面微坑有儲油和冷卻作用，改善板與磨具間的摩擦和接觸條

件（減小摩擦、增加潤滑），以利于材料流動，使成型工藝易于進行。同時，板面微坑可容

納成型過程中產生的金屬屑，減少成型表明劃傷，提高工件質量。可增強板面對涂層的附

著力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加產品的附加值。

激光毛化的特點

激光毛化鋼板表面的小凹坑不連通，有利于在后期沖壓成型時儲油和捕捉金屬碎屑，

儲油性好，防止沖壓劃傷，保證了鋼板的深沖性。并使沖壓零件表面光整，同時減少沖壓

用油。

輥面的激光毛化形貌均勻、可控，平滑面占整個毛化面的60% ，使軋制出的鋼板

的板面平坦度高，提高了帶鋼表面的光潔度和涂漆后的鮮映度。為用戶增加了產品的競爭

能力，可生產激光鏡面鋼板 (Lar Mirror Steel) 。

激光毛化鋼板表面粗糙度均勻、排列規則、形貌可以預控、重復性好、粗糙度調節

范圍大。可以根據用戶需要做特殊設計，開發新品種，如印花板面等。

激光束在對軋輥毛化的同時還具有對其表面進行強化的作用，可提高軋輥使用壽命，

減少換輥量和軋輥消耗，提高軋機生產效率。

CO2激光毛化形貌的輥板轉換狀態一般是凹坑的復印率為20% ，凸臺的復印率為

80% ，由于CO2激光毛化起作用的主要是凸臺部分，所以激光毛化轉換率高，不易堵塞，

毛化效果好，過鋼量高。

毛化粗糙度調節靈活，可適應多品種開發和生產。

占地面積小，地基簡單。

加工效率快。一根軋輥（φ500×1780mm）的加工時間在30－40分鐘內。

自動化程度高，功能豐富。數控點加工，加工異形軋輥可先仿形后毛化。

運行穩定、加工質量高。

作業消耗的費用低，作業介質安全。

環保型生產，無“三廢”污染。

激光熔覆在家用廚刀表面的應用

采用激光涂層在常用的不銹鋼廚刀刃口進行薄層快速熔覆，得到涂覆層均勻、高耐磨

的刀具刃口，代替傳統的刀具生產工藝，改造其產業提高刀具（廚刀）產品的內在質量和

附加值。通過對涂層材料的配比、激光涂層性能等方面的分析研究，開發出與“懶漢刀”

同等水平的廚刀并將其實用化。通過優化工藝采用預置式合金粉末得到了無裂紋、一定硬

度涂層的厚度、變形小、回火帶窄的刃口。可以看出，熔覆層均勻覆蓋在刀刃上。

對斷面分析，從外向內可以明顯的看出分為4個區域：熔覆層、硬化過渡區、回火

區和基體材料。

3.1.1 熔覆區

該區以涂層材料為主要成分，硬度較高HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中

大量未熔的硬質顆粒，起到了彌散強化的作用。涂層過厚易形成裂紋，影響使用，通過優

化工藝參數，得到了既無裂紋、硬度高、表面光潔，與基體呈良好冶金結合的涂層，而這

一涂層正是提高刃口磨損性能的關鍵。

3.1.2 硬化過渡區

這一區域包含與熔覆層相接的合金化層，與回火區相接的淬火區，占硬化層的

80%，硬度層硬度平緩過度，組織主要是過度細化的馬氏體和碳化物。

3.1.3 回火區

由于掃描速度的加快，回火區變窄，組織為索氏體及碳化物。回火區的存在有利于保

持刃口的韌性，在高硬度沖擊情況下不至于斷裂。

光信0802班 2 林裕