Лазерная закалка

Лазерная закалка — процесс поверхностной термической обработки, при котором лазерный луч локально нагревает металл выше температуры аустенитизации. Затем поверхность быстро охлаждается за счёт отвода тепла в более холодные внутренние слои детали. Этот процесс называется самозакалкой.

Принцип работы

• Поглощение излучения: для максимального поглощения энергии лазера на поверхность может наноситься специальное поглощающее покрытие, например графитовое или фосфатное. Современные диодные лазеры часто позволяют работать без такого покрытия.
• Локальный нагрев: сканирующий лазерный луч — широкий прямоугольный пучок или быстро колеблющееся пятно — нагревает поверхностный слой глубиной 0,2–2,0 мм до 900–1 400 °C без плавления.
• Аустенитизация: в нагретой зоне структура стали или чугуна преобразуется в аустенит. Время выдержки составляет лишь доли секунды.
• Самозакалка: по мере перемещения лазерного луча тепло из тонкого нагретого слоя быстро отводится в более холодную массу детали. Скорость охлаждения превышает критическое значение и может достигать более 1 000 °C/с.
• Мартенситное превращение: быстрое охлаждение превращает аустенит в мартенсит высокой твёрдости без использования закалочных сред — воды, масла или газа.

Преимущества лазерной закалки

• Минимальные деформации: тепловое воздействие строго локализовано. Даже крупногабаритные детали практически не коробятся, что исключает необходимость последующей правки.
• Избирательная обработка: можно закаливать только рабочие поверхности, например вершины зубьев шестерён или радиусные кромки гибочных штампов.
• Исключительно высокая твёрдость: благодаря чрезвычайно высокой скорости охлаждения твёрдость мартенсита после лазерной закалки часто на 2–5 HRC выше, чем после объёмной или индукционной закалки.
• Экологичность: не требуются закалочные ванны, масла или полимеры. Процесс полностью сухой и чистый.
• Интеграция в производственную линию: роботизированную лазерную головку можно встроить непосредственно в линию механической обработки или производства.

Недостатки и ограничения

• Ограниченная глубина закалки: эффективная глубина закалённого слоя обычно составляет 0,3–1,5 мм и лишь в редких случаях достигает 2,5 мм.
• Требования к содержанию углерода: процесс эффективен только для сталей и чугунов с содержанием углерода более 0,3 %. Низкоуглеродистые стали нельзя закаливать лазером напрямую.
• Зоны отпуска: при перекрытии параллельных проходов лазера на их границах могут образовываться узкие участки повторного нагрева или отпуска с пониженной твёрдостью.
• Капитальные затраты: роботизированные лазерные системы требуют значительных первоначальных вложений.

Области применения

• Штамповая оснастка: закалка кромок крупногабаритных вырубных и гибочных штампов, используемых в автомобильном производстве.
• Станкостроение: закалка направляющих станин для снижения износа при трении.
• Автомобилестроение и тяжёлое машиностроение: избирательная закалка распределительных валов, шестерён, шлицевых соединений и коленчатых валов.
• Производство инструмента: повышение стойкости режущих кромок промышленных ножей и пил.