钢或铸铁的激光淬火原理

钢本质上是铁和碳的合金，通常还含有各种其他物质，如铬、钒或钛。根据化学成分和温度的不同，处于热平衡状态的钢有多种不同的变体，而且钢的非平衡状态在技术上也非常重要。通过各种过程，通常涉及快速加热和冷却，钢可以转化为具有其他微观结构和在硬度、强度、延展性、密度、化学强度等方面具有显着不同性质的其他形式。特别是，通过将富含碳的钢（至少含有 0.8% 的碳）加热到大约 1000 °C（低于熔点），然后以适当的速度冷却，可以显着激光淬火。微观上发生的基本上是碳的整合变化。在 1000 °C 时，具有面心立方 (FCC) 晶格的奥氏体形式，可以整合大量的碳，基本上是碳化铁。如果随后将钢缓慢冷却，则铁会转变为体心立方 (BCC) 晶格（铁素体）。由于可以容纳较少的碳，碳以孤立的 Fe 3 C颗粒的形式沉淀，称为渗碳体。铁素体和渗碳体的混合物称为珠光体。然而，在更快速冷却的情况下，碳原子没有足够的时间迁移到渗碳体晶粒，因此更分散在铁素体中。因此，（迄今为止占主导地位的）铁素体晶粒内的晶体缺陷不再那么容易滑动，并且材料（以这种形式称为马氏体）相应地更硬。同时，钢表面变得更耐化学。

激光淬火工艺

激光淬火过程只是用中等强度的激光束加热表面一小会；然后热量向下传导。当激光束关闭或移开时，表面会迅速冷却，主要是通过热传导到大块材料中（自淬火）。在某些情况下，激光淬火应用于一个小的有限区域，在其他情况下，它应用于长条纹，或通过扫描到更大的区域。在后一种情况下，激光淬火是通过移动激光加工头顺序完成的。激光淬火过程比传统激光淬火方法快得多。根据工艺细节，钢可能会发生激光淬火至约 3 毫米的深度，或在铸铁中发生的激光淬火程度稍低。在材料内部，温度偏移不足以导致激光淬火。可以以非常有针对性和可控的方式施加热量是非常有利的。因此，可以在火焰激光淬火等无法正常工作的情况下应用激光淬火。通常，在此过程后需要较少或无需返工，因为可以直接获得质量好的零件。处理过的机器零件的形状几乎没有变化。快速处理，有时甚至是“即时”（在运动期间），是另一个重要优势。

吸收效率可以相当高，至少在应用一些适当的预处理时是这样。根据情况，应用大约在 0.1 kW 和 10 kW 之间的完全不同的激光功率。由于光束质量要求相当适中，现在普遍使用直接二极管激光器——一种特别低成本和高能效的解决方案：这种激光源的壁挂效率通常约为 50%，甚至约为 70 %。不幸的是，吸收的的激光光-通常在波长介于 0.8 μm 和 1 μm 之间 - 由于该光谱区域中金属表面的高反射率，因此效率不高。因此，在某些情况下，首先将吸收涂层（例如石墨）施加到表面，例如将吸收率增加到约85%。它还可以帮助产生合适的表面微观结构，例如通过氧化铝喷砂。原则上，人们可以将其他类型的激光二极管用于具有更好吸收的其他光谱区域，但通常只有使用基于砷化镓技术的器件才能获得足够高的输出功率和光束质量，该技术仅限于上述波长范围。

在直接二极管激光器得到充分发展之前，二极管泵浦固体激光器被广泛使用，很容易达到所需的光束质量。稍微好一点的光束质量实际上有助于通过快速扫描获得理想的强度分布