激光淬火技术

2024年3月29日发(作者：天马山)

激光淬火技术

激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成

马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，

是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层

均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控

制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，

对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业

领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的

变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零

件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.3~2.0mm范围之间。对大型齿

轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就

可以满足实际工况的需求。激光熔凝淬火技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以

上,由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的熔凝淬

火组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。

激光熔凝层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。该技术的不足之处

在于工件表面的粗糙度受到一定程度的破坏，一般需要后续机械加工才能恢复。为了降低

激光熔凝处理后零件表面的粗糙度，减少后续加工量，华中科技大学配制了专门的激光熔

凝淬火涂料，可以大幅度降低熔凝层的表面粗糙度。现在进行激光熔凝处理的冶金行业各

种材料的轧辊、导卫等工件，其表面粗糙度已经接近激光淬火的水平。激光淬火现已成功

地应用到冶金行业、机械行业、石油化工行业中易损件的表面强化，特别是在提高轧辊、

导卫、齿轮、剪刃等易损件的使用寿命方面，效果显著，取得了很大的经济效益与社会效

益。近年来在模具、齿轮等零部件表面强化方面也得到越来越广泛的应用。

1.1 激光淬火的特点

质量优势 技术特质 适用材料 实际应用

1．淬火零件不变形 激光淬火的热循环过程快 中碳钢 大型轴类

2．几乎不破坏表面粗糙度 采用防氧化保护薄涂层 模具钢 各种模具

3．激光淬火不开裂 精确定量的数控淬火 冷作模具钢 模具、刃具

4．对局部、沟、槽淬火 定位精确的数控淬火 中碳合金钢 减振器

5．激光 淬火清洁、高效 不需要水或油等冷却介质 铸铁材料 发动机汽缸

激光合金化技术

激光合金化(Lar Surface Alloying，LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方

法，激光合金化工艺属于材料表面改性处理的范畴。它是指在高能量激光束的照射下，使

基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成厚度为10~l

000 um的表面熔化层，熔化层在凝固时获得的冷却速度可达l0

5

-10

8

℃／s，相当于急冷

淬火技术所能达到的冷却速度，又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物

理现象，使材料表面仅仅在报短时间内(50us-2ms)形成具有要求深度和化学成分的表面合

金化层，快速熔化非平衡过程可使合金元素在凝固后的组织达到很高的过饱和度，从而形

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

况下获得具有特殊性能的表面合金。这种合金化层由于具有高于基材的某些性能，所以就

达到了表而改性处理的目的。

激光表面合金化工艺的最大特点，是只在熔化区和很小的影响区内发生了成分、组织

和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度，引起的变形也极小。它既可满足表面

的使用需要，同时又不牺牲结构的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层内，因此所

获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也不敏感。其另一显著特点是所用的激

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时间来控制，在基体金属

表面可形成深度为0.01~2mm的合金层。由于冷却速度高，所以偏析极小，并且细化晶

粒效果显著。

利用激光合金化技术可使廉价的普通材料表面获得有益的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能，

从面可以取代昂贵的整体合金；并可改善不锈钢，铝合金和钛合金的耐磨性能；亦可制备

传统治金方法无法得到的某些特殊材料，如超导合金，表面金属玻璃等。与普通电弧表面

硬化和等离子喷涂相比，激光合金化有下列优越性。

① 激光辐射能量高度集中，通过空气可以进行远距离传播。

② 是一种快速处理方法，能有效利用能量。

③ 能准确地控制功率密度与加热速度，从而变形小，而电弧硬化与等离子喷涂采用的

是不均匀加热和冷却，在急冷过程中有热冲击，造成交形和开裂，往往需要校直和打磨加

工。

④ 能使难以接近的和局部的区域合金化，而且利用激光的深聚焦，在不规则的零件上

可得到均匀的合金化深度。

基于上述特点，激光合金化在金属加工工业中逐渐开始获得各种应用。迄今适合于激

光合金化的基材有普通碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、钴合金和铝合金，合金化元素包括

Cr、Ni、W、Ti、Mn、B、V、Co、Mo等。

激光毛化技术

激光毛化技术是采用高能量、高重复频率的脉冲激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊

表面实施预热和强化，在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小熔池，同时由侧吹装置

对微小熔池施于设定压力和流量的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到融

池边缘形成圆弧形凸台（峰值数）。 激光毛化是一种用于轧钢生产的现代高新技术。激光

毛化是世界上新近发展起来的冷轧钢辊毛化新技术。激光毛化轧辊具有比喷丸毛化螺丝更

长的使用寿命，在轧板过程中能提高轧制速度，减少版面擦伤，改善版型，在板卷退火中

防止粘连，能显著提高工厂的生产率和产品质量。

YAG激光毛化设备及加工方法已经成熟运用在钢铁、冶金的精密带钢、冷轧薄板、镀

锌板、镀锡板、不锈钢板带上。应用激光毛化技术对轧辊能够提高轧辊使用寿命、减少辊

耗，降低退火粘连缺陷，对板、带能够提高产品冲压性能、改善表面涂漆附着力，增加光

亮度，减少黑带现象产生等。

激光毛化技术目前已经广泛应用于汽车、建筑、家电及电子、轻工及国防等领域，为

国家和企业创造了数十亿元的经济效益，应用我所技术的企业不仅提高了其产品档次和竞

争力，而且多家的毛化板带实现出口创汇。 激光毛化冷轧辊技术是八十年代在世界上才发

展起来的生产优质冷轧薄钢板新技术。由于激光毛化技术在加工方法上、在提高成型性能

和涂镀后光亮度以及综合生产成 本方面都比其它毛化方法具有更大优越性，因此激光毛化

技术一问世便受到钢铁企业和使用部门的高度重视， 优质冷轧薄板和薄带不仅需要优良的

材质，而且对薄板表面质量（如表面粗糙度和形貌）有严格的要求，才能确保薄板优良的

成形性能和表面涂镀性能。激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为

“镜面钢板”，是生产高级轿车面板的优质板材。因此，激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、

家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。

激光毛化技术基本原理

其特点是利用经过特殊调制的高能量密度（104~106W/cm2）、高重复频率（每秒数

千至上万）的脉冲激光束在聚焦后入射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦点处轧辊表面

形成微小溶池，同时由侧吹装置对微小溶池施以设定压力、流量、方向的辅助气体，使溶

池中的溶融物按指定要求尽量堆积到溶池边缘形成圆弧形凸台。这些预热区、微坑、凸台

在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度强化区。然后在薄板轧制或平整过程中，轧辊表

面上的凸台在板面上再形成若干变形硬化质点（微坑），以形成激光毛化板。这种新型表面

结构是在不降低原材质表面韧性的情况下，由无数微小均布的强化点对表面实行针轧，从

而在辊、板表面实现刚柔并济的表面结构。这种表面结构的优点主要表现在以下方面：

1)激光毛化在轧辊表面形成均匀分布的圆弧形凸台，其硬度、强度都明显高于其它毛

化方式。并能有效的避免轧辊残余应力集中、韧性降低等现象，延长轧辊使用寿命。

2)在轧制过程中，改善辊与板间摩擦（增加摩擦力）和接触条件以有利于轧制工艺顺

利进行（可增大轧机压下量和轧制速度），减少擦伤和粘连，改善板型，提高板面质量。

3)在板材成型过程中，板面微坑有储油和冷却作用，改善板与磨具间的摩擦和接触条

件（减小摩擦、增加润滑），以利于材料流动，使成型工艺易于进行。同时，板面微坑可容

纳成型过程中产生的金属屑，减少成型表明划伤，提高工件质量。可增强板面对涂层的附

着力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加产品的附加值。

激光毛化的特点

激光毛化钢板表面的小凹坑不连通，有利于在后期冲压成型时储油和捕捉金属碎屑，

储油性好，防止冲压划伤，保证了钢板的深冲性。并使冲压零件表面光整，同时减少冲压

用油。

辊面的激光毛化形貌均匀、可控，平滑面占整个毛化面的60% ，使轧制出的钢板

的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。为用户增加了产品的竞争

能力，可生产激光镜面钢板 (Lar Mirror Steel) 。

激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节

范围大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，如印花板面等。

激光束在对轧辊毛化的同时还具有对其表面进行强化的作用，可提高轧辊使用寿命，

减少换辊量和轧辊消耗，提高轧机生产效率。

CO2激光毛化形貌的辊板转换状态一般是凹坑的复印率为20% ，凸台的复印率为

80% ，由于CO2激光毛化起作用的主要是凸台部分，所以激光毛化转换率高，不易堵塞，

毛化效果好，过钢量高。

毛化粗糙度调节灵活，可适应多品种开发和生产。

占地面积小，地基简单。

加工效率快。一根轧辊（φ500×1780mm）的加工时间在30－40分钟内。

自动化程度高，功能丰富。数控点加工，加工异形轧辊可先仿形后毛化。

运行稳定、加工质量高。

作业消耗的费用低，作业介质安全。

环保型生产，无“三废”污染。

激光熔覆在家用厨刀表面的应用

采用激光涂层在常用的不锈钢厨刀刃口进行薄层快速熔覆，得到涂覆层均匀、高耐磨

的刀具刃口，代替传统的刀具生产工艺，改造其产业提高刀具（厨刀）产品的内在质量和

附加值。通过对涂层材料的配比、激光涂层性能等方面的分析研究，开发出与“懒汉刀”

同等水平的厨刀并将其实用化。通过优化工艺采用预置式合金粉末得到了无裂纹、一定硬

度涂层的厚度、变形小、回火带窄的刃口。可以看出，熔覆层均匀覆盖在刀刃上。

对断面分析，从外向内可以明显的看出分为4个区域：熔覆层、硬化过渡区、回火

区和基体材料。

3.1.1 熔覆区

该区以涂层材料为主要成分，硬度较高HV990-1300，厚度0.02-0.08mm，其中

大量未熔的硬质颗粒，起到了弥散强化的作用。涂层过厚易形成裂纹，影响使用，通过优

化工艺参数，得到了既无裂纹、硬度高、表面光洁，与基体呈良好冶金结合的涂层，而这

一涂层正是提高刃口磨损性能的关键。

3.1.2 硬化过渡区

这一区域包含与熔覆层相接的合金化层，与回火区相接的淬火区，占硬化层的

80%，硬度层硬度平缓过度，组织主要是过度细化的马氏体和碳化物。

3.1.3 回火区

由于扫描速度的加快，回火区变窄，组织为索氏体及碳化物。回火区的存在有利于保

持刃口的韧性，在高硬度冲击情况下不至于断裂。

光信0802班 2 林裕