Закалка с нагревом лазерным лучом

Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую. Оборудование, в котором активное вещество генерирует когерентные электромагнитные волны в результате вынужденного излучения, называется квантовым генератором. Если излучение находится в видимой или инфракрасной области (длина волны 0,4...3,0 мкм), то такой квантовый генератор называется оптическим или лазером. Высокая концентрация энергии в световом потоке лазера позволяет нагревать поверхность до температур закалки за очень короткое время (³ 10^-3с).

Механизм лазерной закалки заключается в фазовом превращении материала после скоростного нагрева с последующим охлаждением нагретого слоя путем отвода тепла за счет теплопроводности металла. Скорость охлаждения превышает 10^{3 о}С/с.

Существует два основных типа технологических лазеров: твердотельные и газовые. В твердотельных лазерах в качестве рабочего тела используют кристаллические или аморфные диэлектрические материалы: корунд (Al₂O₃), итрий-алюминиевый гранат (Y₃Al₅O₁₂), стекло. Рабочим веществом в газовых лазерах чаще всего является диоксид углерода СО₂ или смесь газов.

Лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Лазеры с использованием стекла работают лишь в импульсном режиме, газовые лазеры и твердотельные с использованием итрий-алюминиевого граната могут работать в обоих режимах.

Особенностью лазерного излучения является его локальность. Импульсное излучение действует в точке, а непрерывное – в полосе шириной до 3 мм. В связи с этим возникает необходимость сканирования луча, которое может происходить с взаимным перекрытием или без перекрытия зон упрочнения.

Лазеры непрерывного действия обеспечивают более высокую производительность обработки и равномерность упрочнения.

Процессы лазерной термической обработки определяются взаимодействием лазерного излучения с материалом, которое зависит от оптических и теплофизических свойств обрабатываемого материала: коэффициента отражения поверхности, теплопроводности, температуры плавления.

Для снижения отражения, и, соответственно, увеличения поглощения повышают шероховатость поверхности металла или наносят светопоглощающие покрытия: химические, углеродные, лакокрасочные, напыленные в вакууме и другие.

Чаще всего применяют фосфатирование солями ортофосфорной кислоты. Специально для лазерной термической обработки созданы водорастворимые краски, в состав которых входят вещества с высокими коэффициентами поглощения (0,8...0,9). Эти краски после лазерной обработки легко смываются водой.

Поверхностное лазерное упрочнение перспективно для таких деталей машин, долговечность которых определяется их износостойкостью и усталостной прочностью.

При лазерном упрочнении среднеуглеродистых сталей достигается высокая прочность и при этом заплавляются поверхностные трещины и уменьшается шероховатость поверхности, в результате чего повышается усталостная прочность.

При лазерном упрочнении углеродистых инструментальных сталей (У8...У12) твердость может возрасти до 13 000 МПа. Низколегированные инструментальные стали (Х, ХВГ, 9ХС, ХВ4) после лазерной закалки для повышения твердости подлежат обработки холодом. Например, охлаждение стали ХВГ в жидком азоте приводит к повышению твердости с 9700 до 11 200 МПа.

Лазерная закалка повышает теплостойкость быстрорежущих сталей на 70...80^оС в результате насыщения матрицы легирующими элементами при растворении карбидов и равномерного распределения этих элементов.

Лазерное упрочнение валков прокатных станов из стали Х9ВМФШ с оплавлением поверхности приводит к увеличению твердости до 65...70 НRС, что значительно превышает твердость после обычной закалки и низкого отпуска (63...64НRС).