激光技术在金属针布齿条淬火中的应用

王　军，陶　伟，马海波

(南通金轮研发中心有限公司，江苏 南通　226009)



激光技术在金属针布齿条淬火中的应用

王军，陶伟，马海波

(南通金轮研发中心有限公司，江苏 南通226009)

摘要：为了提高金属针布使用寿命，从激光淬火硬化层形成机理、传热及激光淬火硬化层特性两部分阐述了激光淬火的基本原理，详细介绍了自主设计的金属针布齿条激光淬火试验定位装置的设备参数、装置设计及试验方法，通过对金属针布齿条进行激光淬火试验，测定其齿尖硬度、金相组织，并与火焰淬火进行对比。指出：激光淬火试验装置定位精度可达0.03 mm，相比火焰淬火采用激光淬火后金属针布齿条第1点硬度值提高约6%，第2点硬度值提高约17.9%，且可控性较高，淬火质量更加均匀稳定；激光淬火使金属针布齿条齿尖硬化层组织得到细化，晶粒平均直径约2 μm，优于平均直径约为15 μm的火焰淬火晶粒；激光淬火工艺可节约可燃气体和淬火油，淬火过程基本无环境污染，应用前景较好。

关键词：金属针布；激光淬火；定位装置；耐磨性；硬化层；硬度；使用寿命

金属针布是梳棉机的关键器材，纺纱时针布的齿尖与纤维之间产生剧烈摩擦，因此需要齿尖有较高的硬度、基部有足够的韧性。相关研究表明：齿尖锋利度及耐磨性影响其使用寿命，直接关系到梳棉机的生产效率及成本[1-2]。国内外提高金属针布使用寿命采取的技术措施主要分为两大趋势：一是改进原材料提高耐磨性能；二是改进热处理工艺。目前，国内高端系列针布基本采用高碳低合金钢材料。在国内材料技术发展的瓶颈下，对针布热处理工艺进行研究，尤为重要[3-4]。

1激光热处理

目前国内外针布公司采用的齿尖热处理工艺为液化气—氧气火焰加热淬火，由于生产中存在氧气，该加热方式易导致针布齿条整个表面产生薄层氧化皮。如工艺控制不当，齿尖易脱碳，造成硬度和锋利度下降；其次火焰能量不集中，加热温度和加热区难以精准控制，淬火均匀性差，容易对针布齿条基部产生影响，导致基部硬度不稳定，满足不了针布齿条的韧性要求。

激光热处理作为一种涉及光学、材料力学、机械等多学科的高新技术，以其功率密度大、加热速度快、冷却速度高、变形小、无环境污染、易于实现自动化控制、适用于精密局部热处理等特有的优越性，备受瞩目，被广泛应用于机械、电子、汽车、航空航天、军工等行业，该技术已经成为时代的需求[5-6]。

激光淬火硬化层硬度比常规淬火提高15%～20%，耐磨性、抗疲劳强度也显著提高，同时获得的硬化层组织性能优于常规淬火[7-8]。笔者将应用激光技术对金属针布齿条齿尖进行激光淬火试验研究，设计淬火试验装置，测定其硬度和金相组织并进行分析，为激光淬火在金属针布局部淬火的应用提供依据。

2激光淬火原理

在激光淬火的研究与应用中，淬火硬化层深度是评判淬火质量的一项重要指标。淬火能否满足金属针布齿条硬度要求，达到提高耐磨性的目的，与其硬化层性能与层深直接相关。硬化层的形成主要受激光功率、扫描速度、光束分布、光斑大小以及材料表面对激光的吸收率等诸多因素影响，从根本而言，就是材料表面吸收激光能量后迅速升温并在针布齿条内部进行热传导的结果。

2.1激光淬火硬化层形成机理与传热

激光淬火是通过扫描方式，实现激光对金属材料的相互作用；材料表面吸收激光能量后迅速升温，使表面迅速达到相变温度以上熔点以下，并通过材料快速导热而冷却，以此达到材料表面相变硬化的目的。激光淬火过程中不同程度上存在热传导、热对流、热辐射3种传热方式，其对激光淬火过程的影响也相当复杂。

激光淬火过程中，工件表面吸收激光能量后迅速升温，高温表面向基体的热传导是激光淬火最主要的传热方式，也是激光淬火相变硬化的关键所在。假设时刻t物体内部的温度分布为T(x,y,z,t),根据傅里叶定律，温度分布应满足基本导热微分方程：

其中：

λx,λy,λz——材料导热系数/(W·(m·℃)-1);

ρ——材料密度/(kg·m-3)；

cp——比热容/(J·(kg·℃)-1)；

qv——内热源/(W·m-3)。

假设工件材料为各向同性，在激光表面淬火过程中，初始时刻(t=0)时，材料温度假设为T0，当功率为P的激光束以速度v沿x方向扫描，则其热传导方程可转为：

由公式可以看出，被淬火物体内部的温度场T(℃)与坐标位置、时间t、激光功率P、扫描速度v以及材料特性有关。一旦材料表面发生熔融问题，则表示激光表面淬火温度过高，淬火失败，所以，以上热传导方程中的表面温度应不高于材料熔点[9]。

激光淬火过程中，由于加工区域的高温表面向基体快速导热，促使工件各表面的温度迅速升高，使其表面温度远高于环境温度，因此激光淬火过程中必然存在对流换热；同时，具有高温表面的物体必然存在热辐射，但对于金属针布齿条激光淬火而言，由于淬火区域相对针布齿条整体而言非常小，与空气接触的边界温度不会很高，所以热辐射与热传导和热对流相比，可以忽略。

激光淬火过程中，激光与金属材料的作用可分为材料表面吸收能量的加热过程和高温材料表面向基体快速导热的自淬冷却过程。因此，加热与冷却过程是激光淬火相变硬化的关键，其区别于常规淬火的明显特点是具有极快的加热与冷却速度,即在表面加热完的瞬间，开始实现自淬冷却，冷却速度为由表及里呈上升的梯度，从而形成由里向外的冷却方向，见图1。正是这些特征，使得激光淬火可以更显著地提高零件表面的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能等。

2.2激光淬火硬化层特性

激光淬火快速加热和急速冷却的特点形成了独特的硬化层组织特征和硬度特点。由于加热和冷却速度极快，使得超细晶奥氏体来不及长大，激光相变强化后的马氏体组织成为极细的板条马氏体和孪晶马氏体，从而获得超细的晶粒度和相变组织[10]。

激光淬火相变硬化，在表面可获得较高残余应力，这是由激光淬火“局部”处理的特性决定的。在开始加热时，激光作用区的金属发生强烈的体积膨胀，而膨胀量和强度由加热速度和温度决定，其局部体积的增加受到周边低温区域的制约，所以加热区域产生压应力。加热温度越高，压应力越大。激光淬火无需外界冷却介质，但并非无冷却介质，金属材料基体本身就是冷却介质。由于压应力从里层向表面扩展，结果在硬化层内形成具有应力值较高的残余压应力硬化层。

3试验装置设计及试验结果分析

3.1试验设备及参数

试验采用的设备、材料以及相应的参数见表1。

表1激光淬火工艺参数

3.2试验装置设计及试验方法

由于金属针布齿条尺寸小、线速度较快，且为齿尖局部淬火，所以试验平台的精度是保证淬火质量的关键。本试验设计用于激光淬火的装置见图2。

针布在激光淬火光斑照射处的前后位置分别采用两组定位轮装置，用于限制齿条前后位置的抖动；进入淬火位置前有一组预定位装置，用于限制针布齿条上下位置的抖动。该装置定位精度可以达到0.03 mm；激光发射器安装于具有三维度可调节的电动平台上，见图3，可对激光发射器进行y、z方向的调节以及绕x轴的转动调节，调节精度可达0.01 mm。现场试验见图4。

3.3试验结果分析

通过前期探索性试验，采用0.8 kW的激光发射功率，金属针布齿条线速度为14 m/min，三维电控平台调至工艺要求位置，试验5组样品进行硬度检测，获得的数据与目前公司火焰淬火的平均值数据对比见表2。其中，火焰淬火的测试数值为公司随机抽取50组样品的平均值。

表2激光淬火与火焰淬火硬度值比较

从表2中可以看出，激光淬火的齿尖硬度(第1点与第2点)高于常规火焰淬火。其中，第1点硬度达到约800 HV，相比火焰淬火提高了约6%，第2点硬度比火焰淬火提高了约17.9%，同时基部硬度数值(第3点与第4点)基本相似。可以看出，激光淬火的齿尖硬度比较均匀，若绘制曲线图，则可看出5组数据趋势线基本重合，相比火焰淬火稳定性更好，获得的针布齿条质量更加稳定可靠。

试验中，随机抽取激光淬火与火焰淬火的针布齿条试样各1组，对其齿尖进行金相组织检测。激光淬火的齿尖晶粒组织较细，晶粒平均直径约为2 μm，见图5a)；而火焰淬火的齿尖晶粒组织较为粗大，晶粒平均直径约为15μm，见图5b)；可知激光加热速度快，使得针布齿尖奥氏体细化或残余奥氏体减少，并得到极细小的隐晶马氏体与粒状碳化物。其中，隐晶马氏体是高密度位错型和孪晶型混合的，高密度位错型马氏体具有很好的塑性和韧性，孪晶型马氏体具有较高的强度和硬度。淬火区的粒状碳化物都较细小且分布较均匀，进一步提高了淬火区的硬度和耐磨性。所以，针布齿尖激光淬火区硬度很高。

4结论

根据激光淬火原理，设计出用于针布齿条激光淬火试验的定位装置，对金属针布齿条进行激光淬火试验，测定齿尖硬度、金相组织，并与火焰淬火进行对比分析，得到如下结论：

a)文中设计的激光淬火试验装置，适用于金属针布齿条激光淬火生产线，定位可靠，定位精度可达0.03 mm。

b)采用激光淬火工艺，激光功率为0.8 kW、针布齿条线速度为14 m/min时，金属针布齿条齿尖硬度与火焰淬火相比，其第1点硬度值提高约6%，第2点硬度值提高约17.9%，且激光淬火工艺可控性较高，淬火质量更加均匀稳定。

c)采用激光淬火工艺，金属针布齿条齿尖的硬化层组织得到细化，其晶粒平均直径约2 μm，优于平均直径约15 μm的火焰淬火晶粒。

d)在淬火成本与环境方面，激光淬火工艺节约了大量可燃气体和淬火油，淬火过程中基本无环境污染，具有较好的应用前景。

参考文献：

[1] 阎毓禾,付汝廉.梳棉机金属针布激光淬火[J].纺织器材，1998,24(2):3-7.

[2] 张惠萱.梳棉机道夫金属针布激光淬火新技术试验[J].国外丝绸,2000(6):32-35.

[3] 刘宗昌,刘红飓,李茂山.我国机械类热处理现状及发展[J].包头钢铁学院学报，1998,17(3)：244-248.

[4] 宋清华,刘世锋.影响金属针布钢丝组织性能的因素[J].金属制品,2007(1):16-19.

[5] 陈绮丽,黄诗君.激光技术在材料加工中的应用现状与展望[J].机床与液压,2006(8):221-223.

[6] Golnabi H,Mahdieh M H.Trend of laser research developments in global level[J].Optics &Laser Tech.nology，2006,38(02):26-29.

[7] 王存山,关振中,石岩.40Cr钢宽带激光淬火组织和性能研究[J].金属热处理学报,1993,20(1):24-27.

[8] Pedro De La Cruz,Magnus Oden.Effect of laser hardening on the fatigue strength and fracture of a B-Mn steel[J].International Journal of Fatigue,1998,20(5):389-398.

[9] 杨慧香.齿轮的激光淬火研究及与渗碳淬火齿轮的对比[D].大连:大连理工大学,2006:7-8.

[10] 申超英,曹熹.激光淬火技术在发动机曲轴上的应用[J].料热处理技术,2010,39(18):199-201.

Application of Laser Technology in the Hardening Process of the Rack of the Metallic Card Clothing

WANG Jun,TAO Wei,MA Haibo

(Nantong Jinlun Research Center Co.,Ltd.,Nantong 226009,China)

Abstract:In order to improve the service life of metallic card clothing,the basic principle of laser hardening is described from the hardening layer,heat transferring and the characteristic of the hardening layer.Details introduction is made to the specifications of the self-developed locating device of the laser hardening tester for the metallic card clothing.Comparative test is made to the metallic card clothing with the laser hardening process and the flame hardening process regarding the tooth hardness,metallurgical structure.It is pointed out that the locating error of the locating device is within 0.03 mm,the hardness of the first point of the rack improves by 6% with the laser hardening process in contrast to the flame hardening process while the second point of the rack 17.9%.The laser hardening process is of good control with stable hardening quality.The hardening structure laser quenched is of fine grain averages 2 μm while the flame quenched structure averages 15 μm.And more,the laser hardening process is of gas economy and oil economy.It is environment friendly and has a bright future.

Key Words:metallic card clothing;laser hardening;locating device;wear resistance;hardening layer;hardness;service life

收稿日期：2015-07-26

作者简介：王军(1983—)，男，江苏南通人，工程师，主要从事纺织设备设计研发工作。

中图分类号：TS103.82+1

文献标志码：A

文章编号：1001-9634(2016)02-0006-04