对于钢结构件的激光表面硬化处理,以往采用二氧化碳激光器系统能耗大,光电转换效率只有10%,因此没有流行起来。如今,随着高功率半导体激光器的发展,其光电转换效率提高到了50%,完全克服了这一缺点,且激光具有诸多优点,因此提供了一种经济有效的替代常规感应淬火硬化的方法。1.热处理原理
热处理是一种提高钢件耐磨性和抗疲劳性的常用方法。在这一过程中,热源靠近工件表面,将指定区域加热到900 ~ 1500℃,钢件中的铁素体转变为奥氏体。此时,碳原子沉积在高温晶格结构中。随后冷却到100°C以下,由于冷却速度快,碳原子不再向外扩散,结果形成了硬质马氏体。
图1 对模具表面进行激光硬化处理
2.感应淬火硬化处理
感应淬火是一种常用的热处理方法。其原理:零件通常放在一个铜线圈内,线圈内通过一定频率的交流电。线圈和零件组成一个振荡电路。这一过程导致高频磁化,然后引起工件加热。磁场耦合很大程度上取决于零件几何形状,而且加热会发生在不应该加热,或者不应该加热那么多的区域。当感应淬火对零件局部输入过高能量时,会导致材料变形。对于一些非常精细的结构,这只能通过额外的后处理工序进行纠正。此外,感应淬火件必须通过浸入淬火液来冷却。水基淬火液的循环和冷却要花费额外的能量。
感应淬火过程如此麻烦,为什么仍然经常被作为首选工艺呢?因为相比较激光表面硬化处理,感应淬火更加经济。以往采用高功率二氧化碳激光器,电光转换效率只有10%,钢表面吸收光能效率最大40%(在不使用吸收增加涂层条件下)。这种类型的激光实际上只能提供不足4%的能量转化效率,并且价格昂贵。
而感应淬火硬化过程能量转化效率在15%-63%之间,实际值取决于零件的形状。即使把后处理工序和淬火液循环冷却的成本计算进去,感应淬火总成本还是低于激光系统的投入和操作成本。因此,这就容易理解为什么如今许多用户还是喜欢感应淬火工艺。
3. 大功率半导体激光器
然而,以上观点并不能反映当前激光技术的发展。特别是如今高功率半导体激光器,其光电效率可达50%以上,明显优于二氧化碳激光器。这大大降低了能源消耗。另外,市场上半导体激光器的流行,也促使了其采购成本的降低。
对于相同的零件,基于半导体激光器的表面热处理,只需要消耗感应淬火过程10%的能量。