激光淬火就是激光器制造高能量激光束，激光照射锻件表面，锻件表面吸收激光能量并迅速加热，加热速度可达104～109℃/s，冷却速度达104℃/s，表面在短时间内发生奥氏体化及马氏体相变，获得一定深度的硬化层，且只强化激光扫描区域，对于周边区域几乎没有影响。因为激光淬火快速、精确，强化效果好，越来越多的被用于各类金属工件。

一批30#钢锻件的强化任务，要求强化硬度35～45HRC。采用传统热处理工艺淬火+低温回火，强化后硬度35～40HRC，满足强化要求；采用激光淬火强化，强化后硬度30～35HRC，无法满足强化要求。针对上述问题，进行研究分析，寻求激光淬火无法淬硬的原因。

激光淬火过程

30#钢锻件化学成分见表1。

表1 30#钢化学成分

30#钢锻件初始硬度15～20HRC，状态：退火态，组织为珠光体+55%铁素体，珠光体显微硬度298HV，铁素体显微硬度196HV。30#钢锻件原始组织如图1所示。

图1 30#钢锻件原始组织

激光淬火前，使用着色探伤，确认30#钢锻件无表面缺陷后使用酒精清洗表面，去除油污等表面附着物，将锻件放在工作台上，调整激光器焦距。

激光器采用Laserline半导体光纤激光器，自然冷却（环境温度25～35℃），不使用保护气氛，采用KUKA机器人执行激光淬火程序。激光淬火主要工艺参数为：激光功率、光斑尺寸、扫描速度等。激光淬火后，采用HL-300便携式里氏硬度计检测其表面硬度；使用ZESSI显微镜和显微硬度计检测激光强化区的金相组织和显微硬度。激光淬火工艺参数见表2。

表2 激光淬火工艺参数

淬火结果

1. 激光淬火后金相组织

30#钢锻件激光淬火后，表面组织为马氏体、残留奥氏体+铁素体，马氏体显微硬度412～536HV，铁素体显微硬度208HV。30#钢激光淬火后组织如图2所示。

图2 30#钢激光淬火后组织

2. 传统热处理工艺淬火后金相组织

30#钢锻件采用传统热处理炉加热至860℃，保温3小时后水冷至室温，淬火后，表面组织为马氏体、残留奥氏体+铁素体，马氏体显微硬度414HV。30#钢传统热处理工艺淬火后组织如图3所示。

图3 30#钢传统热处理工艺淬火后组织

淬火组织的对比分析

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

传统淬火保温时间长，碳化物的溶解和合金元素扩散再分布均匀，能够获得相对均匀的奥氏体，即使原始组织粗大，也能通过调整加热温度和保温时间获得相对均匀的淬火组织。30#钢原始组织中铁素体占55%，传统热处理淬火后，铁素体含量迅速减少，不到10%，淬火后终了组织为低碳马氏体+少量铁素体。

与传统淬火相比，激光淬火的奥氏体化时间极短，冷却速度极快。激光加热时，金属材料中碳化物分解而溶入奥氏体过程不一致，通常与激光加热前的原始状态有关，并与原始组织中的各种组织的均匀性、弥散度和复杂碳化物的大小有直接的关系。原始组织的不同直接影响激光淬火后材料所获得的硬度、硬化层深和组织的均匀性。

30#钢的原始组织中存在大量的铁素体，激光淬火时奥氏体化的不均匀性导致淬火后终了组织很不均匀。原珠光体区域碳含量比较高，奥氏体化时碳原子来不及扩散，被保留在奥氏体内，冷却后终了组织为高碳马氏体；原铁素体区域碳含量极少，无法发生马氏体相变，淬火后组织依然为铁素体；珠光体与铁素体交界区域，珠光体减碳，铁素体增碳，淬火后形成低碳马氏体。因此，30#钢激光淬火后终了组织为高碳马氏体+低碳马氏体+铁素体。

宏观硬度的对比分析

传统热处理淬火，组织中为低碳马氏体+少量铁素体，虽然低碳马氏体显微硬度低，但比重大，基体能够获得较高的宏观硬度；激光淬火，组织为高碳马氏体+低碳马氏体+铁素体，虽然高碳马氏体显微硬度高，但比重小，大量铁素体造成宏观硬度很低。

激光淬火硬度与激光淬火工艺参数的关系

淬硬性主要与钢中的含碳量有关，更确切的说，它决定于淬火加热时固溶在钢的奥氏体中的碳含量，其碳含量越高，淬火后的硬度也越高。

激光淬火工艺参数主要是激光器输出功率、扫描速度的快慢和作用在材料表面上光斑尺寸的大小，三者综合作用直接反映了强化过程的温度及其保温时间。奥氏体温度越高，保温时间越长，碳在奥氏体中的溶解越充分，高碳马氏体的显微硬度越高，激光的淬硬效果越好。因此，控制激光淬火工艺参数的重点是提高奥氏体化温度和延长保温时间。光斑尺寸不变，提高激光功率或者降低扫描速度，均能达到上述目的。表2中，对比序号1和序号2，可以看出提高激光功率，能够提高淬火硬度；对比2和4，可以看出降低扫描速度，能够提高淬火硬度。

但是对于原始组织确定的金属，随着温度的提高和保温时间的延长，加热温度将接近金属液相线，表面出现微熔现象，此时淬火硬度反而出现下降的现象，随着熔化现象的加重，淬火硬度迅速下降。表2中，对比2和3、4和5，可以发现淬火硬度已经开始下降。激光淬火存在极限淬火效果，超过此硬度后，进一步调整工艺参数，淬火硬度反而下降。达到极限淬火硬度，如果想进一步提高淬火硬度，只能从原始组织方向入手，细化原始组织，提高材料的均匀性和碳化物的弥散性，才能进一步提高激光淬火硬度。

解决办法

微细粒状碳化物较易变为均匀的奥氏体，片状珠光体则较难转变，但又比粗大的粒状碳化物转变得快些，越是粗粒状碳化物，转变为奥氏体所需的温度越高，所需时间也越长，因而会直接影响硬化层的硬度和深度，并且组织也不均匀。总之，原始组织晶粒越细小，奥氏体化速度越快，在激光快速加热、快速冷却的条件下，激光淬硬效果才越好。因此，为了发挥激光淬火的最佳效果，激光淬火前将30#钢锻件调质，获得索氏体+少量铁素体组织，然后进行激光淬火，淬火后组织为马氏体+少量铁素体。马氏体显微硬度456HV，宏观硬度43HRC，显微硬度和宏观硬度均高于传统热处理工艺。30#钢调质后激光淬火组织如图4所示。

图4 30#钢调质后激光淬火组织

结论

1. 激光淬火不适于铁素体较多的亚共析钢，淬硬效果比传统热处理工艺方式差。

2. 对于亚共析钢，需要进行预备热处理，获得均匀的组织和弥散的微粒状碳化物，才能发挥激光淬火的最佳效果。

3. 激光淬火存在极限淬火硬度，达到极限硬度后，进一步调整工艺参数，会出现硬度下降的问题。