激光淬火就是激光器制造高能量激光束，激光照射鍛件表面，鍛件表面吸收激光能量并迅速加熱，加熱速度可達104～109℃/s，冷卻速度達104℃/s，表面在短時間內發生奧氏體化及馬氏體相變，獲得一定深度的硬化層，且只強化激光掃描區域，對于周邊區域幾乎沒有影響。因為激光淬火快速、精確，強化效果好，越來越多的被用于各類金屬工件。

一批30#鋼鍛件的強化任務，要求強化硬度35～45HRC。采用傳統熱處理工藝淬火+低溫回火，強化后硬度35～40HRC，滿足強化要求；采用激光淬火強化，強化后硬度30～35HRC，無法滿足強化要求。針對上述問題，進行研究分析，尋求激光淬火無法淬硬的原因。

激光淬火過程

30#鋼鍛件化學成分見表1。

表1 30#鋼化學成分

30#鋼鍛件初始硬度15～20HRC，狀態：退火態，組織為珠光體+55%鐵素體，珠光體顯微硬度298HV，鐵素體顯微硬度196HV。30#鋼鍛件原始組織如圖1所示。

圖1 30#鋼鍛件原始組織

激光淬火前，使用著色探傷，確認30#鋼鍛件無表面缺陷后使用酒精清洗表面，去除油污等表面附著物，將鍛件放在工作臺上，調整激光器焦距。

激光器采用Laserline半導體光纖激光器，自然冷卻（環境溫度25～35℃），不使用保護氣氛，采用KUKA機器人執行激光淬火程序。激光淬火主要工藝參數為：激光功率、光斑尺寸、掃描速度等。激光淬火后，采用HL-300便攜式里氏硬度計檢測其表面硬度；使用ZESSI顯微鏡和顯微硬度計檢測激光強化區的金相組織和顯微硬度。激光淬火工藝參數見表2。

表2 激光淬火工藝參數

淬火結果

⑴激光淬火后金相組織。

30#鋼鍛件激光淬火后，表面組織為馬氏體、殘留奧氏體+鐵素體，馬氏體顯微硬度412～536HV，鐵素體顯微硬度208HV。30#鋼激光淬火后組織如圖2所示。

圖2 30#鋼激光淬火后組織

⑵傳統熱處理工藝淬火后金相組織。

30#鋼鍛件采用傳統熱處理爐加熱至860℃，保溫3小時后水冷至室溫，淬火后，表面組織為馬氏體、殘留奧氏體+鐵素體，馬氏體顯微硬度414HV。30#鋼傳統熱處理工藝淬火后組織如圖3所示。

圖3 30#鋼傳統熱處理工藝淬火后組織

淬火組織的對比分析

鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。

傳統淬火保溫時間長，碳化物的溶解和合金元素擴散再分布均勻，能夠獲得相對均勻的奧氏體，即使原始組織粗大，也能通過調整加熱溫度和保溫時間獲得相對均勻的淬火組織。30#鋼原始組織中鐵素體占55%，傳統熱處理淬火后，鐵素體含量迅速減少，不到10%，淬火后終了組織為低碳馬氏體+少量鐵素體。

與傳統淬火相比，激光淬火的奧氏體化時間極短，冷卻速度極快。激光加熱時，金屬材料中碳化物分解而溶入奧氏體過程不一致，通常與激光加熱前的原始狀態有關，并與原始組織中的各種組織的均勻性、彌散度和復雜碳化物的大小有直接的關系。原始組織的不同直接影響激光淬火后材料所獲得的硬度、硬化層深和組織的均勻性。

30#鋼的原始組織中存在大量的鐵素體，激光淬火時奧氏體化的不均勻性導致淬火后終了組織很不均勻。原珠光體區域碳含量比較高，奧氏體化時碳原子來不及擴散，被保留在奧氏體內，冷卻后終了組織為高碳馬氏體；原鐵素體區域碳含量極少，無法發生馬氏體相變，淬火后組織依然為鐵素體；珠光體與鐵素體交界區域，珠光體減碳，鐵素體增碳，淬火后形成低碳馬氏體。因此，30#鋼激光淬火后終了組織為高碳馬氏體+低碳馬氏體+鐵素體。

宏觀硬度的對比分析

傳統熱處理淬火，組織中為低碳馬氏體+少量鐵素體，雖然低碳馬氏體顯微硬度低，但比重大，基體能夠獲得較高的宏觀硬度；激光淬火，組織為高碳馬氏體+低碳馬氏體+鐵素體，雖然高碳馬氏體顯微硬度高，但比重小，大量鐵素體造成宏觀硬度很低。

激光淬火硬度與激光淬火工藝參數的關系

淬硬性主要與鋼中的含碳量有關，更確切的說，它決定于淬火加熱時固溶在鋼的奧氏體中的碳含量，其碳含量越高，淬火后的硬度也越高。

激光淬火工藝參數主要是激光器輸出功率、掃描速度的快慢和作用在材料表面上光斑尺寸的大小，三者綜合作用直接反映了強化過程的溫度及其保溫時間。奧氏體溫度越高，保溫時間越長，碳在奧氏體中的溶解越充分，高碳馬氏體的顯微硬度越高，激光的淬硬效果越好。因此，控制激光淬火工藝參數的重點是提高奧氏體化溫度和延長保溫時間。光斑尺寸不變，提高激光功率或者降低掃描速度，均能達到上述目的。表2中，對比序號1和序號2，可以看出提高激光功率，能夠提高淬火硬度；對比2和4，可以看出降低掃描速度，能夠提高淬火硬度。

但是對于原始組織確定的金屬，隨著溫度的提高和保溫時間的延長，加熱溫度將接近金屬液相線，表面出現微熔現象，此時淬火硬度反而出現下降的現象，隨著熔化現象的加重，淬火硬度迅速下降。表2中，對比2和3、4和5，可以發現淬火硬度已經開始下降。激光淬火存在極限淬火效果，超過此硬度后，進一步調整工藝參數，淬火硬度反而下降。達到極限淬火硬度，如果想進一步提高淬火硬度，只能從原始組織方向入手，細化原始組織，提高材料的均勻性和碳化物的彌散性，才能進一步提高激光淬火硬度。

解決辦法

微細粒狀碳化物較易變為均勻的奧氏體，片狀珠光體則較難轉變，但又比粗大的粒狀碳化物轉變得快些，越是粗粒狀碳化物，轉變為奧氏體所需的溫度越高，所需時間也越長，因而會直接影響硬化層的硬度和深度，并且組織也不均勻?？傊?，原始組織晶粒越細小，奧氏體化速度越快，在激光快速加熱、快速冷卻的條件下，激光淬硬效果才越好。因此，為了發揮激光淬火的最佳效果，激光淬火前將30#鋼鍛件調質，獲得索氏體+少量鐵素體組織，然后進行激光淬火，淬火后組織為馬氏體+少量鐵素體。馬氏體顯微硬度456HV，宏觀硬度43HRC，顯微硬度和宏觀硬度均高于傳統熱處理工藝。30#鋼調質后激光淬火組織如圖4所示。

圖4 30#鋼調質后激光淬火組織

結論

⑴激光淬火不適于鐵素體較多的亞共析鋼，淬硬效果比傳統熱處理工藝方式差。

⑵對于亞共析鋼，需要進行預備熱處理，獲得均勻的組織和彌散的微粒狀碳化物，才能發揮激光淬火的最佳效果。

⑶激光淬火存在極限淬火硬度，達到極限硬度后，進一步調整工藝參數，會出現硬度下降的問題。