钢铁件激光表面淬火 编制说明

1《钢铁件激光表面淬火》编制说明（征求意见稿）1.1任务来源根据国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2023年12月28日发布2023年第17号中国国家标准公告“关于修订《传染病暴发流行期间疫区邮件及处理系统预防控制规范》等1471项国家标准的公告”，本项目名称：钢铁件激光表面淬火，计划号：20233968-T-469，计划完成时间为2025年4月28日。1.2标准起草单位和起草成员本标准起草单位：浙江工业大学，中国机械总院集团北京机电研究所有限公司等。本标准主要起草人：姚建华等。1.3主要工作过程（1）起草阶段1）2022年2月18日，全国热标委会接到国标委发[2022]10号“关于开展推荐性国家标准复审工作的通知”，按要求对标准的适用性、规范性、时效性、协调性和实施效果进行审查。热标委会根据热处理领域的特点，提出GB/T18683-2002《钢铁件激光表面淬火》进行修订的方案，同时对标准归口问题进行协调，并提交计划申请。2）2022年5月-2023年12月，进行企业调研，落实标准起草单位，并组织相关单位对标准草案稿进行完善。3）2024年3月2-3日，在常州召开工作会议，成立起草工作组，对草案稿进行审4）2024年3月19日，标准起草小组召开了专题研讨会议，对标准修订的内容进行5）2024年5月10日，标准起草工作组通过腾讯会议对修改后的6）2024年6月29日，在北京机电所召开征求意见稿讨论会，并再次修改。7）2024年7月27日，通过腾讯会议再次对征求意见稿进行了统一，形成征求意见2制定本标准的目的和意义激光技术在改善金属材料的表面性能、突破传统改性技术应用约束等方面潜力突出，被视为现代工业的“万能加工工具”、“未来制造系统共同的加工手段”。激光淬火技术是利用聚焦后的激光束作为热源照射在待处理工件表面，将材料表面温度加热到相变点以上温度，随后经基体自冷作用快速冷却获得高度细化的马氏体淬硬层组织，显著提高材料的强度、硬度、耐磨损性能、抗疲劳性能等，延长零部件的使用寿命。随着现代工业的快速发展，以航空航天、能源动力、轨道交通、石油化工等领域的高端装备关键部件的表面性能要求日益增高。传统的感应、电镀、喷涂、喷丸、滚压等2表面强化方法已经难以满足高性能装备的应用需求，同时面临着能耗高、环境污染严重等问题。节能减排、新能源、碳捕获技术是低碳战略的三个阶段，现阶段，降低能耗、减少碳排放是我国制造业发展的重中之重。在新时代碳达峰、碳中和（双碳）战略背景下，我国制造业正在向绿色低碳转型升级。激光淬火技术生产效率高，易实现自动化操作，无需冷却介质，能耗低，对环境无污染，符合国家可持续发展战略，是国家“双碳战略”下激光表面处理领域中最具代表性的绿色制造技术，同时也是一种表面工程普适性技术，已广泛应用于汽车、航空航天、能源、石化、冶金等工业领域，对各种轴体类、套筒类、齿轮类、叶片类、工模具等零部件进行表面强化，均取得了良好的强化效果，逐步取代原有的火焰淬火、感应淬火工艺，获得了显著的经济与社会效益。为了进一步推广应用激光淬火技术，需规范激光淬火的相关术语、提出对激光淬火设备和工艺及质量检验的要求，因此相关国家标准的建立尤为重要。随着激光光源技术及光学处理技术的快速发展，激光淬火技术正在向大面积、高效率、大深度、复合强化等方向发展。GB/T18683—2002版无法在现代高标准高要求的工业生产作业中继续发挥指导作用，因此迫切需要对原有标准进行修订，以便进一步统一、规范我国激光淬火设备、工艺和产品质量检验方面的要求，更好地指导钢铁件激光淬火技术在工业领域中3国内外情况说明目前国外尚未见激光淬火技术相关的标准。我国钢铁件激光表面淬火国家标准只有这1项，其余与激光技术相关的标准还有GB/T7247.1《激光产品的安全第1部分：设我国于2004和2014年分别发布了机械行业标准JB/T5082.6-2014《内燃机气缸套第6部分:激光淬火气缸套技术条件》和JB/T10406-2004《内燃机激光淬火气缸套技术条件》，规定了内燃机激光淬火铸铁气缸套的技术要求、检验规则与检验方法，标志、包装、运输和贮存。除本修订标准外，未见相关激光淬火的通用标准。4标准主要内容和适用范围本标准规定了钢铁件激光表面淬火的相关术语、激光表面淬火常用材料及原始状态、激光淬火设备要求、激光淬火工艺规范、质量检验及安全防护要求。本标准适用于钢铁件激光表面淬火。本文件是关于钢铁件激光表面淬火的推荐性国家标准，主要标准化对象包括当前应用最广泛、产业化及应用规模较大的钢铁件激光表面淬火技术，因此在界定术语时，以钢铁件激光表面淬火术语标准作为基础，同时列出了“激光功率密度”“扫描速度”“搭接率”“硬化层深度”“单道淬火硬化层宽度”等术语，便于规范使用。本文件在其后的各章中，分别针对钢铁件激光表面淬火技术的工件材料及原始状态、设备要求、工艺规范要求、质量检验及要求及安全防护提出了要求，主要包括：——钢铁件激光表面淬火采用的工件材料以及材料的原始状态；——钢铁件激光表面淬火采用的设备及设备要求；3——钢铁件激光表面淬火采用的工艺指定原则、工件表面预处理方法和程序编制运——钢铁件激光表面淬火后工件的外观、硬度检测要求及金相检测要求。5主要修订内容及依据本标准项目按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定进行起草。在编写标准时，遵循面向市场、服务产业、自主研制、适时推出、不断完善的原则，力求与产品研发、生产试验、技术进步、产业发展、应用推广相结合，统筹推进。同时，努力使标准技术内容更加科学、实用，文字表述更加简洁、清楚，充分体现标准的经济合理性和市场适应性，以便于科研院所、激光淬火服务企业、用户和检验检测单位等使用。主要修订内容及依据本文件代替GB/T18683-2002《钢铁件激光表面淬火》。与GB/T18683-2002相比，除编辑性修改外，主要技术变化如下：增加了“搭接率”、“硬化层深度”、“单道淬火硬化层宽度”、“多道淬火硬化层总宽度”的术语及其定义，这是由于激光表面淬火在工业中经常采用搭接处理来增加表面淬火面积，而GB/T18683-2002并缺少搭接率的定义，补充标准的空缺。增加了“激光表面淬火常用激光器及特点”及相关内容，这是为了向激光表面淬火企业及相关实施方提供所采用激光器类型的指导参考。删除了“热影响区”、“表面最低硬度”、“硬度极限”、“有效硬化层深度”、“有效硬化层宽度”的术语及其定义，这是由于本标准更新了激光表面淬火的硬度测试的评判标准，删除与新评判标准无关的相关术语。删除了“表面粗糙度的检测”的相关内容，这是由于粗糙度要求与相关企业技术要求有关，粗糙度检测是否满足要求的内容移至“首件检验”中。删除了“仲裁方法”的相关内容，这是由于新的强化层深度、宽度标准更加全面，以显微硬度测量法作为硬化层深度和宽度的仲裁方法以不再适用新标准。更改了“基本技术要求及操作规范”的内容，这是为了整体标准更复合逻辑。更改了“激光加工机”为“运动平台”，并修改了相关术语的定义，这是由于目前很大范围内的激光表面淬火加工过程时采用运动平台进行控制，“激光加工机”容易产生歧义。更改了“基本技术要求及操作规范”中部分内容至“工艺规范”、移动“安全防护”及相关内容、移动“质量要求及检测”并更改为“质量检验及要求”这是为了整体标准更符合逻更改了“激光表面淬火工件的常用材质”为“工件材料”，修改了部分钢种的牌号，这是由于GB/T18683-2002中的相关材料牌号现在已不适用，更新了最新的牌号。更改了“硬化层深度与宽度的显微硬度测量方法”为“硬化层深度”和“硬化层宽度”，这是为了明确激光表面淬火后的硬化层深度、宽度的测量方法，更符合现有的激光淬火工艺，包括宽光斑淬火、强化区两侧深度不同、搭接等工艺情况。6试验验证41）地铁轴箱轴承：材质为GCr15钢，激光淬火技术要求：对轴承内圈外滚道进行激光淬火，硬化层宽度不低于7mm，硬化层深度≥0.3mm，硬度≥720HV采用Laserline公司LDF系列连续输出光纤传导半导体激光器，波长范围940nm-1060nm，最大输出功率6kW，矩形光斑，光斑尺寸8mm×3mm，光斑能量近平顶分布；配备数控机床，水冷装置，气体保护装置。制定工艺参数如下：a)激光功率密度为4000-6000W/cm2。b)光斑尺寸为8mm×3mm。c)根据光斑尺寸及激光功率密度，确定激光功率为1000W和1500W。d)根据工件表面硬度和硬化层深度，结合多组实验参数确定最佳扫描速度为2mm/s。e)采用氩气进行工件表面保护。初定的工艺需根据首件检验结果进行调整，直至满足工件技术要求。激光淬火后工件表面硬度测试采用HMV-2全自动维氏硬度计，载荷为2.94N，加载时间为10s。经测试，GCr15钢在两组参数下的硬度平均值分别为951HV0.3和846HV0.3。采用ZeissAxioImager2型号光学显微镜进行观察并采集图片。经测试，GCr15钢在两组参数下的硬化层宽度分别为7.65mm和7.52mm；硬化层深度分别为0.49mm和0.32mm。2）联合收割机履带轮，材质为45钢，履带轮直径160mm、宽度25mm，要求对履带轮表面进行激光淬火，淬火宽度25mm，硬化层深度1.5mm以上，硬度要求600HV采用Laserline公司LDF系列连续输出光纤传导半导体激光器，波长范围940nm-1060nm，最大输出功率6kW，矩形光斑，光斑尺寸15mm-50mm可调，能量密度近平顶分布，配备数控机床，水冷装置，气体保护装置。制定工艺参数：a)激光功率密度采用1000W/cm2。b)根据技术要求的25mm强化宽度，采用30mm×15mm的矩形光斑，一次扫描覆盖待c)根据光斑尺寸及激光功率密度确定激光功率为5000W。d)根据技术要求确定激光扫描速度为3.5mm/s。e)采用自冷却方式进行淬火。f)为避免工件表面氧化采用氮气对工件进行保护。初定的工艺需根据首件检验结果进行调整。采用南光显微硬度计进行表面硬度测试，载荷为2.94N，加载时间为10s。按标准中的规定测试，激光淬火后表面硬度平均值为736.8HV0.3，硬化层宽度为28mm，硬化层深度为1.6mm（见图1、图2和图3）。5图1表面硬度测试结果图2硬化层宽度测试结果图3硬化层深度测试结果3）机车车辆摩擦盘，材质为25Mn钢，车辆磨耗板尺寸200mm×200mm×10mm，需对表面进行激光淬火强化。激光淬火技术要求本体硬度280HV，要求淬硬层深度＞1.5mm，表面硬度＞450HV，淬硬层深度＞1mm。光束质量110mm•mrad，运动平台采用KUKA机器人，配备水冷装置，气体保护装置。制定工艺a)激光功率设定为3500W；b)光斑类型采用矩形光斑，尺寸大小为35×35mm；c)扫描速度设定为6mm/s；d)搭接率设定为25%；e)采用自冷却方式进行淬火；f)为避免工件表面氧化采用氮气对工件进行保护。激光淬火如图4。6图4工件激光淬火过程初定的工艺需根据首件检验结果进行调整，直至满足工件技术要求。采用AutoVicker1000AF全自动维氏硬度计，试验力采用200g。表面硬度测试结果为：475HV0.2、479HV0.2、471HV0.2、459HV0.2、487HV0.2、479HV0.2；硬化层宽度测试硬度层覆盖工件表面200mm×200mm范围，平均值为475HV0.2，波动大小：±16HV0.2。硬度测试结果见图5，绘制出图6所示硬度分布曲线。图5沿试样表面至基体硬度测试结果图6硬度分布曲线4）汽车覆盖件模具，材质7CrSiMnMoV钢，要求覆盖件模具拉伸型腔面，硬化层宽度19-20mm，硬化层深度0.5-1mm，硬度62±1HRC。选用光纤激光器，最大输出功率10000W，波长1070nm，矩形光斑20mm×4mm，反射式导光系统，积分式激光头，采用工业机器人作为运动机构、控制系统PLC，同轴温控系统，配备水冷装置，气体保护装置。a)光斑尺寸20mm×4mm；b)根据材料特性设置淬火温度1100℃,在试件上淬火，测试淬火区域表面硬度，根据硬度微调淬火温度；c)扫描速度为5mm/s；d)工件淬火前清除表面的锈迹、氧化层和油污，按照上述工艺参数，需根据首件检验结果进行调整，直至满足工件技术要求。采用手持式硬度计测试表面硬度。测试结果为：63.9HRC、64.4HRC、6采用显微硬度计测试硬化层宽度，测试结果为19.5mm。根据淬火工艺评定结果，采用显微硬度计对试块进行硬化层深度测试，测试结果为0.95mm。77