摘要： 激光束表面相变硬化技术是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲劳强度。本文简要介绍了激光束表面相变硬化技术的原理以及应用。

　　Abstract： Laser beam surface phase transformation hardening technology is the first and most researched new laser heat treatment technique with rapid progress and the widest application. It is suitable for most materials and different parts of different shaped components. It can improve the abrasive resistance and fatigue strength of the components. This article mainly introduces the principle and application of laser beam surface phase transformation hardening technology.

　　关键词： 激光束；相变硬化；淬火Key words： laser beam；phase transformation hardening；quenching中图分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）29-0308-020 引言激光束表面相变硬化技术是20世纪70年代随着大功率激光器的问世发展起来的一项重要技术。激光相变硬化也遵循普通热处理同样规律，只不过激光对金属的加热是高速进行的，因此它具有超快加热相变特征，可使工件表层组织达到超细化，淬火后其硬度、耐磨性、疲劳强度显著高于常规淬火处理。它适用于其它硬化技术所不能完成或难以实现的某些零件及其局部部位的表面强化处理。目前国内外学者研究的方向着眼于汽车、机床零部件及工模具零件激光相变硬化技术。

　　1 激光束表面相变硬化原理激光束表面相变硬化是以高能密度的激光束快速照射工件，使其需要硬化的部位瞬间吸收光能并立即转化成热能，而使激光作用区的温度急剧上升，形成奥氏体。此时工件基体仍处于冷态并与加热区之间有极高的温度梯度。因此，一旦停止激光照射，加热区因急冷而实现工件的自淬火，故又叫做激光淬火。

　　激光表面强化适用的材料为珠光体灰铸铁、铁素体灰铸铁、球墨铸铁、合金钢和马氏体型不锈钢等。此外，还对铝及铝合金、铜及铜合金等进行了成功的研究和应用。

　　2 激光作用下的合金中的相变2.1 相变的热力学条件 相变的热力学条件是指相变过程必须在相平衡温度以上的温度范围内完成。与常规淬火相比，由于激光超快速的加热速度，使其相变过程的温度间隔显著增大，即相变是在大的过热度下完成的。一般认为，其过热度约为50～200℃。

　　2.2 成分特点 相变完成后奥氏体成分很不均匀，由于激光加热相变完成时间很短，同时加热区的温度梯度很大，因而碳化物的溶解及奥氏体中碳和合金元素扩散再分布的情况，在激光加热区不同部位之间有很大的差别，即奥氏体的成分很不均匀。

　　借助俄歇谱分析GCr15钢激光淬火硬化层中不同部位的化学成分，其结果见表1，它可说明激光加热时奥氏体成分的不均匀性。

　　2.3 组织特性 如前所述，由于激光加热速度极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。又因加热时间短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小而不均匀，冷却速度也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。另外，经激光辐射加热进行淬火的硬化层，从表面沿深度方向、温度呈递减分布，金属中第二相随着温度的递减，其熔解过程的特征在淬火组织中均能表现出来。

　　一般可得到下述淬火组织。对低碳钢来说可分为两层：外层是完全淬火区，组织是隐针马氏体；内层是不完全淬火区，保留有铁素体。对中碳钢来说可分为四层：外层是白亮的隐针马氏体，硬度HV达800，比一般淬火硬度高出100以上；第二层是隐针马氏体加少量屈氏体，硬度稍低；第三层是隐针马氏体加网状屈氏体，再加少量铁素体；第四层是隐针马氏体和完整的铁素体网。高碳钢也可分为两层：外层是隐针马氏体；内层是隐针马氏体加未溶碳化物。铸铁大致可分为三层：表层是熔化-凝固所得的树枝状结晶，此区随扫描速度的增大而减小；第二层是隐针马氏体加少量残留的石墨及磷共晶组织；第三层是较低温度下形成的马氏体。

　　3 激光束表面相变硬化处理前工件表面的预处理材料的反射系数和所吸收的光能取决于激光辐射的波长。由于大多数金属表面对波长为10.6微米的CO2激光的反射高达90%以上，严重影响激光处理的效率。因此在激光相变硬化处理前，一般在工件表面须预置吸收层，对工件进行预处理，通常叫做“黑化处理”，可使吸收率大幅提高。常用的黑化处理方法有磷化法、碳素法和涂覆红外能量吸收材料（如胶体石墨、含炭黑和硅酸钠或硅酸钾的涂料等）。其中磷酸盐法最好，其吸收率可达80～90%，膜厚仅为5微米，具有较好的防锈性，处理后不用清除即可用来装配。

　　4 激光束相变硬化的应用激光束相变硬化具有加热和冷却速度高，可获得较常规淬火法更高硬度的表面硬化层（约高10%～20%），且工件变形小的优点。所以对某些要求内韧外硬、变形小的机件是很适用的。激光淬火最适于小面积的局部表面，但也可用来处理复杂的和较大的零件，且无需淬火介质。表2列出了一些激光束相变硬化应用的例子。

　　5 结语激光束表面相变硬化技术主要应用于强化零件的表面，可以提高金属材料及零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和高温性能，同时可使零件心部仍保持较好的韧性，使零件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高等特点。激光束表面相变硬化技术可以大幅度提高产品质量，成倍增长产品的使用寿命，具有显著的经济效益，已经在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到应用和发展。

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