激光表面改性技术及其在轴承上的应用

激光表面改性技术及其在轴承上的应用

刘红宇，张雷，黄雄荣(上海市轴承技术研究所，上海 201801)

摘要：激光表面改性是一种新兴的表面改性技术。筒要阐述了激光表面改性技术的原理和特点。重点介

绍了激光相变硬化、激光熔覆、激光重熔、激光合金化和激光冲击硬化的特点及其应用。介绍了激 光表面改性技术在轴承上应用的前景。

关键词：激光;表面改性技术;轴承

中图分类号:TG156.99

文献标识码:A

文章编号=1008-1690(2018)03-0040-04

Laser Surface Modification Technology and Its Application to Bearing

LIU Hongyu, ZHANG Lei, HUANG Xiongrong

(Shanghai Bearing Technology Research Institute, Shanghai 201801, China)

Abstract： The laser surface modification processing is an up-to-date surface modification technology. The principle

and characteristics of laser surface modification technology were briefly described. The features and applications of the laser processing

technologies ,

such

as laser transformation

hardening ,

laser

cladding ,

alloying and laser shock hardening, were emphatically introduced. Furthermore , pospect of application of lasersurface modification technology to bearings was introduced , too.

Key words ： laser ； surface modification technology ； bearing

1激光表面改性技术的原理与特点

理工艺过程进行控制和管理，实现生产过程的自动 化。

(3)

激光处理后，工件畸变小。

(4) 无需冷却介质，且无污染，噪声小。2

激光表面改性技术的发展现状激光表面改性技术是一门综合性技术，本文对 工业中应用较广泛的激光相变硬化、激光熔覆、激光 重熔、激光表面合金化以及激光表面冲击硬化技术 等作了详细介绍。

激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的

电磁波。激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可 以聚焦成很小的光斑，从而获得极高的功率密度。 激光与金属之间的相互作用可按辐照强度和辐射时 间分为几个阶段:吸收光束、能量传递、金属组织的 改变和激光作用的冷却等。激光可对材料表面加热 熔融和冲击作用。激光表面改性技术是利用高能激 光照射到金属表层，通过激光和金属的交互作用达 到改善金属表面性能的目的[13。

基于激光的特性，激光表面改性技术具有如下 特点：

(1) 工；

(2)

换，且极易与数控系统配合，便于对复杂零件进行加

能量作用集中，处理时间短，热影响区

2.1激光相变硬化

激光相变硬化也称作激光淬火，是以高能量的

激光束易于导向、聚焦，可在不同方向变 激光束快速扫描工件，使工件表层迅速加热到奥氏

体化温度，内部材料则保持冷态，随后通过热量向基

体传导，使加热的表层以很快的速度冷却，得到极细

激光可远距离传送，可以实现一台激光器 的马氏体组织，从而达到自冷淬火的目的。

在高能激光束的作用下，一定深度的表层与基

多工作台同时使用，或采用计算机编程对激光热处

收稿日期：2018-03-09

作者简介:刘红宇（19-），男，硕士，高级工程师，主要从事管理、轴承的设计与研究工作。E-mail: hyliul9

@126. com

基金项目：国家国际科技合作专项（2015DFR50750)

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《热处理》

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体之间将形成很高的温度梯度，当激光束移开后，由 于基体材料的快速传热使表层急冷，形成高硬度的 隐晶马氏体组织，其硬化机制以马氏体相变强化为 主，伴有残留奥氏体强化及晶粒超细化强化，硬度 比常规淬火的高5%〜20%，相应材料的疲劳强度 和耐磨性能也得以显著提高。随着含碳量的不同， 还有的材料存在碳化物强化[2]。激光淬火可应用 于铸铁、碳钢、合金钢以及固溶强化的铝合金、钛合 金等。淬火后，不仅使材料或零件保持整体韧性和 抗冲击性，还可获得高硬度、高耐磨的表层[]。由表 1可知，与两种常规淬火工艺相比，激光淬火具有工 件畸变小、抗氧化能力较强及可调节性良好等特点。

表1

激光表面淬火与其他表面淬火技术的比较 surface hardening technologies

项目工件畸变淬硬深度质量表面氧化复杂形状件可调节性

火焰大中等差大良好差

激光小差良好较小好好

电子束较小中等良好较小好好

ZHU等[6]使用激光熔覆技术改性镍银/碳化钛

复合涂层，其磨损试验结果表明，涂覆银的镍银/碳 化钛复合涂层具有较低的摩擦因数和良好的耐磨

性。

M0LIAN等[7]在Ti-6A1-4V合金表面激光熔覆 BN-MCrCoAlY涂层，激光熔覆层的硬度为800〜

1 200 HV，磨损率比时效硬化和激光熔凝的钛合金 降低了 1〜2个数量级。

2.3激光重熔

激光重熔是用激光束将表面熔化但不添加任何 金属元素，达到改善表面组织的目的。有些铸件在 结晶过程中常有氧化物和硫化物夹杂，以及金属化 合物及气孔等缺陷，如果这些缺陷处于表面部位将 影响疲劳强度、耐腐蚀性和耐磨性，对其进行激光表 面重熔就可以消除杂质、气孔、化合物，同时由于迅 速冷却而使晶粒得到细化。

与激光淬火工艺相比，激光重熔处理的关键是 使材料表面发生快速熔化-凝固过程，所得到的熔 凝层为铸态组织。工件横截面沿深度方向的组织为 熔凝层、相变硬化层、热影响区和基材。

Table 1 Comparison between laser hardening and other

2.2激光熔覆

激光熔覆是根据工件的工况，首先选择相应的 涂敷材料预涂在零件表面，然后采用高能激光束对 工件进行扫描，通过控制激光参数使涂敷材料完全 熔化而基体微熔，随后凝固形成与基体成冶金结合 的涂敷层。目前更为先进的激光熔覆工艺已不采用 预涂的方法，而是采用同步送粉装置，在激光束扫描 工件表面使之熔化的同时，将涂敷材料的粉末喷注 在激光熔池内，可一次获得较厚的涂敷层。

激光熔覆处理主要应用于耐磨、耐蚀和抗氧化 性要求更高的零件，如汽轮机叶片、电厂排粉机叶片

(表面熔覆Co-Cr-Mo合金）、石油钻头和高压阀门 密封面等。此外，激光熔覆技术对磨损报废的零件 进行整体或局部修复十分有效。

表2为Q235钢表面分别进行CoCrSiB合金火 焰涂层及激光熔覆后，在不同环境下的耐腐蚀性数 据对比。由表2可知，后者的耐蚀性明显优于前者。

表2 CoCrSi合金的腐蚀深度[5]/mm

Table 2 Corroded depth of the CoCrS旧 alloy[5]/mm

腐蚀剂火焰涂层激光熔覆层

Fig. 1 Pattern of the surface subjected to laser

remelting treatment

图i为激光重熔镍基碳化钨涂层表面的形貌。 由图i可知，激光重熔的涂层表面光滑平整，未见明 显孔隙及未熔颗粒。其原因主要是，由于激光重熔 的急热骤冷，使得等离子喷涂层发生熔化和再结晶， 涂层的组织和相结构均发生了变化，晶粒得以细化， 使组织更加均勻致密，大大改善了等离子喷涂层的 疏松多孔、表面凹凸不平及微裂纹等缺陷。

图2为激光重熔的镍基碳化钨涂层的横截面形 貌。由图2可以看出，激光重熔后的涂层与AZ91D 镁合金基体没有明显的界线，经过激光重熔后，涂层 组织较等离子喷涂层更加均勻致密，大大减少了等

• 41 •

图1经过激光重熔的表面的形貌

5%硫酸

1.4520.7315%盐酸0.3730.055%6.1253.011

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离子喷涂层中的孔隙及未熔颗粒。由于冲击波持续的时间短，因而工件的畸变很 小，适合处理成品零件。如果用激光冲击硬化处理 齿轮和轴承等精加工的工作面，就可以阻止被处理 部位裂纹扩展，因此激光冲击硬化对提高材料的安 全性、可靠性和使用寿命具有重要意义。

用激光冲击波对飞机的紧固件进行处理，可使 其高频疲劳寿命比未处理的延长10倍，这对提高 飞机的性能具有决定性的作用。用激光照射铝合金 表面，在冲击硬化的作用下，铝合金疲劳寿命和焊缝 强度可得到显著的改善。

图2经激光重熔处理的镍基碳化钨涂层的横截面形貌

Fig. 2 Micrograph of cross-section of nickel-base tungstencarbide coating subjected to laser remelting treatment2.4激光合金化

激光合金化处理是利用激光作为热源，即在高 能密度的激光照射下，使预定成分的合金材料与基 材表层熔合凝固，形成具有优异性能的合金层。

激光合金化分为激光气体渗氮和激光表面粉末 合金化。

(1)

罗新民等人[9]在2012年对Ti-6A1-4V表面进

行激光强化处理，表面硬度提高了 80%，残余压应 力达到500 MPa以上。3

激光表面改性技术在轴承上的应用轴承是各类机械装备的重要基础零件，它的精 度、性能和寿命对主机的可靠性起着决定性的作用。 随着机械工业向小型化、轻量化和高效化的方向发 展，轴承的工况越来越恶化，对轴承的性能要求也越

来越高，利用激光表面改性技术可提高轴承表面的

激光气体渗氮是利用高能激光束在高纯氮

耐磨性及改善轴承表面的摩擦特性等。

气气氛中对钛及钛合金进行表面熔化。氮气在高能 雷声等[10]采用C〇2激光器对GCrl5钢轴承滚 激光束辐照下与熔池中高温钛及钛合金熔液发生强

道表面进行了激光强化处理试验。用光学显微镜和

烈的化学-冶金交互作用，从而显著改变熔池中金属

扫描电镜对经激光表面改性后的显微组织和形貌进

液的化学成分和组成，快速凝固后获得以硬质金属

行分析。结果表明，选择合适的激光淬火工艺参数，

氮化物为增强相的氮化层。可确保激光表面改性层有足够的硬化层深度 激光表面粉末合金化是采用激光将待处理 (0.8〜0.9 mm)高的硬度及更加细小的马氏体组 材料表面加热，基材与外加合金元素粉末一起熔化 织。黄雄荣[11]等利用固态激光器对G95C18轴承 混合，形成熔池，随后迅速凝固，在基材表面形成新 的合金层。钛及钛合金激光固体粉末合金化添加粉 末的种类较多，添加方法主要有同步送粉法和预置 涂层法两种，大多采用涂刷、火焰及等离子喷涂等预 置涂层的方法。

MAJUMDAR等[以对MEZ镁合金进行了激光表

(2)

钢进行了激光淬火，结果表明：经过激光淬火的

G95C18钢试样硬化层最高硬度较真空油淬的硬度 提高了 22. 3%。

王森等[2]采用激光表面织构处理技术试验研 究了脂润滑条件下激光微造型表面对球面轴承摩擦 特性的影响，并对球面轴承的接触特性进行了数值 模拟。通过光纤激光打标机对球面轴承内圈球面进 行激光微造型，得到四组表面高度算数平均值相同、 表面微凹坑面积占有率分别为7%、10%、15%、 21%的球面轴承内圈表面。对比未激光微造型表面 和四种具有相同的激光微造型表面在锂基脂润滑条 件下的摩擦因数发现，微凹坑面积占有率为21%的 表面在载荷小于400 N、转速为0.1〜0. 6 ms的情 况下起到了改善球面轴承摩擦特性的作用。4

前景展望

激光表面改性技术的最大特点是在提高材料表

面合金化A1+粉末处理，发现改性层的组织是在亚 共晶的Mg-Al合金中均勻弥散着颗粒，改性层硬度 较基体约高10倍，耐磨性约高2个数量级，耐腐蚀 性能也有所提高。

2.5

激光表面冲击硬化

激光表面冲击硬化是以高功率密度的脉冲在极 短的时间内照射到金属表面，使金属表面剧烈气化， 产生机械冲击波和应力波，使材料表面硬化。与爆 炸冲击、喷丸强化效果相似，它能提高金属材料的强 度，改善耐磨和耐腐蚀性能，特别是能有效提高金属 材料的疲劳寿命。

•42. 《热处理》 2018年第33卷第3期

面性能的同时不改变基体的组织和性能。但与传统 的表面处理技术相比，激光表面改性技术的成本较 高，且不同材料的零件表面需要不同粉末和不同的 工艺参数。与国外激光表面改性技术的研究相比， 国内相关的理论和试验研究起步较晚，实际应用相 对较少，在装备、工艺、材料和基础研究等方面与国 外都存在较大的差距。为进一步扩大激光表面改性 技术的应用，亟待开展相关技术的试验研究。

参考文献

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响[D].合肥:合肥工业大学,013.

[知识园地]

冷轧取向和无取向电工钢带（片）知识简介

比总损耗:当磁极化强度随时间按正弦规律变化，其峰值为某一标定值，变化频率为某一标定频率时，单 位质量的铁芯所消耗的功率为比总损耗。

磁极化强度:铁芯试样从退磁状态，在标定频率下磁极化强度按正弦规律变化，当交流磁场的峰值达到 某一标定值时，铁芯试样所达到的磁极化强度的峰值。

冷轧取向和无取向电工钢带（片）牌号表示法分为：(1)以mm为单位，材料公称厚度的100倍。

()(

3)

特征字符:Q为普通级取向电工钢、QG为高磁导率取向电工钢、W为无取向电工钢。

取向电工钢，磁极化强度在1.7 T和频率50 Hz，以瓦特每千克为单位及对应厚度产品的最大比

损耗值的100倍。(4) 无取向电工钢，磁极化强度在1.5 T和频率50 Hz，以瓦特每千克为单位及对应厚度产品的最大总损耗值的100倍。

例如:30Q130表示公称厚度0.30 mm，比总损耗在磁极化强度1.7 T和频率50 Hz下为1.3 W/kg的普 通级取向电工钢;30QG110表示公称厚度0.30 mm，比总损耗在磁极化强度1.7 T和频率50 Hz下为1.1 W/kg 的高磁导率级取向电工钢;50W400表示公称厚度0. 50 mm，比总损耗在磁极化强度1.5 T和频率50 Hz下 为4. 0 W/kg的普通级无取向电工钢。

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薄鑫涛.

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2018年

第

33

卷第

3期 ，43,