激光技術在金屬針布齒條淬火中的應用

王　軍，陶　偉，馬海波

(南通金輪研發(fā)中心有限公司，江蘇 南通　226009)

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激光技術在金屬針布齒條淬火中的應用

王軍，陶偉，馬海波

(南通金輪研發(fā)中心有限公司，江蘇 南通226009)

摘要：為了提高金屬針布使用壽命，從激光淬火硬化層形成機理、傳熱及激光淬火硬化層特性兩部分闡述了激光淬火的基本原理，詳細介紹了自主設計的金屬針布齒條激光淬火試驗定位裝置的設備參數(shù)、裝置設計及試驗方法，通過對金屬針布齒條進行激光淬火試驗，測定其齒尖硬度、金相組織，并與火焰淬火進行對比。指出：激光淬火試驗裝置定位精度可達0.03 mm，相比火焰淬火采用激光淬火后金屬針布齒條第1點硬度值提高約6%，第2點硬度值提高約17.9%，且可控性較高，淬火質量更加均勻穩(wěn)定；激光淬火使金屬針布齒條齒尖硬化層組織得到細化，晶粒平均直徑約2 μm，優(yōu)于平均直徑約為15 μm的火焰淬火晶粒；激光淬火工藝可節(jié)約可燃氣體和淬火油，淬火過程基本無環(huán)境污染，應用前景較好。

關鍵詞：金屬針布；激光淬火；定位裝置；耐磨性；硬化層；硬度；使用壽命

金屬針布是梳棉機的關鍵器材，紡紗時針布的齒尖與纖維之間產(chǎn)生劇烈摩擦，因此需要齒尖有較高的硬度、基部有足夠的韌性。相關研究表明：齒尖鋒利度及耐磨性影響其使用壽命，直接關系到梳棉機的生產(chǎn)效率及成本[1-2]。國內(nèi)外提高金屬針布使用壽命采取的技術措施主要分為兩大趨勢：一是改進原材料提高耐磨性能；二是改進熱處理工藝。目前，國內(nèi)高端系列針布基本采用高碳低合金鋼材料。在國內(nèi)材料技術發(fā)展的瓶頸下，對針布熱處理工藝進行研究，尤為重要[3-4]。

1激光熱處理

目前國內(nèi)外針布公司采用的齒尖熱處理工藝為液化氣—氧氣火焰加熱淬火，由于生產(chǎn)中存在氧氣，該加熱方式易導致針布齒條整個表面產(chǎn)生薄層氧化皮。如工藝控制不當，齒尖易脫碳，造成硬度和鋒利度下降；其次火焰能量不集中，加熱溫度和加熱區(qū)難以精準控制，淬火均勻性差，容易對針布齒條基部產(chǎn)生影響，導致基部硬度不穩(wěn)定，滿足不了針布齒條的韌性要求。

激光熱處理作為一種涉及光學、材料力學、機械等多學科的高新技術，以其功率密度大、加熱速度快、冷卻速度高、變形小、無環(huán)境污染、易于實現(xiàn)自動化控制、適用于精密局部熱處理等特有的優(yōu)越性，備受矚目，被廣泛應用于機械、電子、汽車、航空航天、軍工等行業(yè)，該技術已經(jīng)成為時代的需求[5-6]。

激光淬火硬化層硬度比常規(guī)淬火提高15%～20%，耐磨性、抗疲勞強度也顯著提高，同時獲得的硬化層組織性能優(yōu)于常規(guī)淬火[7-8]。筆者將應用激光技術對金屬針布齒條齒尖進行激光淬火試驗研究，設計淬火試驗裝置，測定其硬度和金相組織并進行分析，為激光淬火在金屬針布局部淬火的應用提供依據(jù)。

2激光淬火原理

在激光淬火的研究與應用中，淬火硬化層深度是評判淬火質量的一項重要指標。淬火能否滿足金屬針布齒條硬度要求，達到提高耐磨性的目的，與其硬化層性能與層深直接相關。硬化層的形成主要受激光功率、掃描速度、光束分布、光斑大小以及材料表面對激光的吸收率等諸多因素影響，從根本而言，就是材料表面吸收激光能量后迅速升溫并在針布齒條內(nèi)部進行熱傳導的結果。

2.1激光淬火硬化層形成機理與傳熱

激光淬火是通過掃描方式，實現(xiàn)激光對金屬材料的相互作用；材料表面吸收激光能量后迅速升溫，使表面迅速達到相變溫度以上熔點以下，并通過材料快速導熱而冷卻，以此達到材料表面相變硬化的目的。激光淬火過程中不同程度上存在熱傳導、熱對流、熱輻射3種傳熱方式，其對激光淬火過程的影響也相當復雜。

激光淬火過程中，工件表面吸收激光能量后迅速升溫，高溫表面向基體的熱傳導是激光淬火最主要的傳熱方式，也是激光淬火相變硬化的關鍵所在。假設時刻t物體內(nèi)部的溫度分布為T(x,y,z,t),根據(jù)傅里葉定律，溫度分布應滿足基本導熱微分方程：

其中：

λx,λy,λz——材料導熱系數(shù)/(W·(m·℃)-1);

ρ——材料密度/(kg·m-3)；

cp——比熱容/(J·(kg·℃)-1)；

qv——內(nèi)熱源/(W·m-3)。

假設工件材料為各向同性，在激光表面淬火過程中，初始時刻(t=0)時，材料溫度假設為T0，當功率為P的激光束以速度v沿x方向掃描，則其熱傳導方程可轉為：

由公式可以看出，被淬火物體內(nèi)部的溫度場T(℃)與坐標位置、時間t、激光功率P、掃描速度v以及材料特性有關。一旦材料表面發(fā)生熔融問題，則表示激光表面淬火溫度過高，淬火失敗，所以，以上熱傳導方程中的表面溫度應不高于材料熔點[9]。

激光淬火過程中，由于加工區(qū)域的高溫表面向基體快速導熱，促使工件各表面的溫度迅速升高，使其表面溫度遠高于環(huán)境溫度，因此激光淬火過程中必然存在對流換熱；同時，具有高溫表面的物體必然存在熱輻射，但對于金屬針布齒條激光淬火而言，由于淬火區(qū)域相對針布齒條整體而言非常小，與空氣接觸的邊界溫度不會很高，所以熱輻射與熱傳導和熱對流相比，可以忽略。

激光淬火過程中，激光與金屬材料的作用可分為材料表面吸收能量的加熱過程和高溫材料表面向基體快速導熱的自淬冷卻過程。因此，加熱與冷卻過程是激光淬火相變硬化的關鍵，其區(qū)別于常規(guī)淬火的明顯特點是具有極快的加熱與冷卻速度,即在表面加熱完的瞬間，開始實現(xiàn)自淬冷卻，冷卻速度為由表及里呈上升的梯度，從而形成由里向外的冷卻方向，見圖1。正是這些特征，使得激光淬火可以更顯著地提高零件表面的硬度、耐磨性以及耐腐蝕性能等。

2.2激光淬火硬化層特性

激光淬火快速加熱和急速冷卻的特點形成了獨特的硬化層組織特征和硬度特點。由于加熱和冷卻速度極快，使得超細晶奧氏體來不及長大，激光相變強化后的馬氏體組織成為極細的板條馬氏體和孿晶馬氏體，從而獲得超細的晶粒度和相變組織[10]。

激光淬火相變硬化，在表面可獲得較高殘余應力，這是由激光淬火“局部”處理的特性決定的。在開始加熱時，激光作用區(qū)的金屬發(fā)生強烈的體積膨脹，而膨脹量和強度由加熱速度和溫度決定，其局部體積的增加受到周邊低溫區(qū)域的制約，所以加熱區(qū)域產(chǎn)生壓應力。加熱溫度越高，壓應力越大。激光淬火無需外界冷卻介質，但并非無冷卻介質，金屬材料基體本身就是冷卻介質。由于壓應力從里層向表面擴展，結果在硬化層內(nèi)形成具有應力值較高的殘余壓應力硬化層。

3試驗裝置設計及試驗結果分析

3.1試驗設備及參數(shù)

試驗采用的設備、材料以及相應的參數(shù)見表1。

表1激光淬火工藝參數(shù)

3.2試驗裝置設計及試驗方法

由于金屬針布齒條尺寸小、線速度較快，且為齒尖局部淬火，所以試驗平臺的精度是保證淬火質量的關鍵。本試驗設計用于激光淬火的裝置見圖2。

針布在激光淬火光斑照射處的前后位置分別采用兩組定位輪裝置，用于限制齒條前后位置的抖動；進入淬火位置前有一組預定位裝置，用于限制針布齒條上下位置的抖動。該裝置定位精度可以達到0.03 mm；激光發(fā)射器安裝于具有三維度可調節(jié)的電動平臺上，見圖3，可對激光發(fā)射器進行y、z方向的調節(jié)以及繞x軸的轉動調節(jié)，調節(jié)精度可達0.01 mm?，F(xiàn)場試驗見圖4。

3.3試驗結果分析

通過前期探索性試驗，采用0.8 kW的激光發(fā)射功率，金屬針布齒條線速度為14 m/min，三維電控平臺調至工藝要求位置，試驗5組樣品進行硬度檢測，獲得的數(shù)據(jù)與目前公司火焰淬火的平均值數(shù)據(jù)對比見表2。其中，火焰淬火的測試數(shù)值為公司隨機抽取50組樣品的平均值。

表2激光淬火與火焰淬火硬度值比較

從表2中可以看出，激光淬火的齒尖硬度(第1點與第2點)高于常規(guī)火焰淬火。其中，第1點硬度達到約800 HV，相比火焰淬火提高了約6%，第2點硬度比火焰淬火提高了約17.9%，同時基部硬度數(shù)值(第3點與第4點)基本相似。可以看出，激光淬火的齒尖硬度比較均勻，若繪制曲線圖，則可看出5組數(shù)據(jù)趨勢線基本重合，相比火焰淬火穩(wěn)定性更好，獲得的針布齒條質量更加穩(wěn)定可靠。

試驗中，隨機抽取激光淬火與火焰淬火的針布齒條試樣各1組，對其齒尖進行金相組織檢測。激光淬火的齒尖晶粒組織較細，晶粒平均直徑約為2 μm，見圖5a)；而火焰淬火的齒尖晶粒組織較為粗大，晶粒平均直徑約為15μm，見圖5b)；可知激光加熱速度快，使得針布齒尖奧氏體細化或殘余奧氏體減少，并得到極細小的隱晶馬氏體與粒狀碳化物。其中，隱晶馬氏體是高密度位錯型和孿晶型混合的，高密度位錯型馬氏體具有很好的塑性和韌性，孿晶型馬氏體具有較高的強度和硬度。淬火區(qū)的粒狀碳化物都較細小且分布較均勻，進一步提高了淬火區(qū)的硬度和耐磨性。所以，針布齒尖激光淬火區(qū)硬度很高。

4結論

根據(jù)激光淬火原理，設計出用于針布齒條激光淬火試驗的定位裝置，對金屬針布齒條進行激光淬火試驗，測定齒尖硬度、金相組織，并與火焰淬火進行對比分析，得到如下結論：

a)文中設計的激光淬火試驗裝置，適用于金屬針布齒條激光淬火生產(chǎn)線，定位可靠，定位精度可達0.03 mm。

b)采用激光淬火工藝，激光功率為0.8 kW、針布齒條線速度為14 m/min時，金屬針布齒條齒尖硬度與火焰淬火相比，其第1點硬度值提高約6%，第2點硬度值提高約17.9%，且激光淬火工藝可控性較高，淬火質量更加均勻穩(wěn)定。

c)采用激光淬火工藝，金屬針布齒條齒尖的硬化層組織得到細化，其晶粒平均直徑約2 μm，優(yōu)于平均直徑約15 μm的火焰淬火晶粒。

d)在淬火成本與環(huán)境方面，激光淬火工藝節(jié)約了大量可燃氣體和淬火油，淬火過程中基本無環(huán)境污染，具有較好的應用前景。

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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

作者簡介：王軍(1983—)，男，江蘇南通人，工程師，主要從事紡織設備設計研發(fā)工作。

中圖分類號：TS103.82+1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9634(2016)02-0006-04