鋼鐵件激光表面淬火 編制說(shuō)明

1《鋼鐵件激光表面淬火》編制說(shuō)明（征求意見(jiàn)稿）1.1任務(wù)來(lái)源根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2023年12月28日發(fā)布2023年第17號(hào)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公告“關(guān)于修訂《傳染病暴發(fā)流行期間疫區(qū)郵件及處理系統(tǒng)預(yù)防控制規(guī)范》等1471項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的公告”，本項(xiàng)目名稱：鋼鐵件激光表面淬火，計(jì)劃號(hào)：20233968-T-469，計(jì)劃完成時(shí)間為2025年4月28日。1.2標(biāo)準(zhǔn)起草單位和起草成員本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：浙江工業(yè)大學(xué)，中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)北京機(jī)電研究所有限公司等。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：姚建華等。1.3主要工作過(guò)程（1）起草階段1）2022年2月18日，全國(guó)熱標(biāo)委會(huì)接到國(guó)標(biāo)委發(fā)[2022]10號(hào)“關(guān)于開(kāi)展推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)復(fù)審工作的通知”，按要求對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的適用性、規(guī)范性、時(shí)效性、協(xié)調(diào)性和實(shí)施效果進(jìn)行審查。熱標(biāo)委會(huì)根據(jù)熱處理領(lǐng)域的特點(diǎn)，提出GB/T18683-2002《鋼鐵件激光表面淬火》進(jìn)行修訂的方案，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歸口問(wèn)題進(jìn)行協(xié)調(diào)，并提交計(jì)劃申請(qǐng)。2）2022年5月-2023年12月，進(jìn)行企業(yè)調(diào)研，落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)起草單位，并組織相關(guān)單位對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案稿進(jìn)行完善。3）2024年3月2-3日，在常州召開(kāi)工作會(huì)議，成立起草工作組，對(duì)草案稿進(jìn)行審4）2024年3月19日，標(biāo)準(zhǔn)起草小組召開(kāi)了專題研討會(huì)議，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)修訂的內(nèi)容進(jìn)行5）2024年5月10日，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組通過(guò)騰訊會(huì)議對(duì)修改后的6）2024年6月29日，在北京機(jī)電所召開(kāi)征求意見(jiàn)稿討論會(huì)，并再次修改。7）2024年7月27日，通過(guò)騰訊會(huì)議再次對(duì)征求意見(jiàn)稿進(jìn)行了統(tǒng)一，形成征求意見(jiàn)2制定本標(biāo)準(zhǔn)的目的和意義激光技術(shù)在改善金屬材料的表面性能、突破傳統(tǒng)改性技術(shù)應(yīng)用約束等方面潛力突出，被視為現(xiàn)代工業(yè)的“萬(wàn)能加工工具”、“未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段”。激光淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束作為熱源照射在待處理工件表面，將材料表面溫度加熱到相變點(diǎn)以上溫度，隨后經(jīng)基體自冷作用快速冷卻獲得高度細(xì)化的馬氏體淬硬層組織，顯著提高材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨損性能、抗疲勞性能等，延長(zhǎng)零部件的使用壽命。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，以航空航天、能源動(dòng)力、軌道交通、石油化工等領(lǐng)域的高端裝備關(guān)鍵部件的表面性能要求日益增高。傳統(tǒng)的感應(yīng)、電鍍、噴涂、噴丸、滾壓等2表面強(qiáng)化方法已經(jīng)難以滿足高性能裝備的應(yīng)用需求，同時(shí)面臨著能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。節(jié)能減排、新能源、碳捕獲技術(shù)是低碳戰(zhàn)略的三個(gè)階段，現(xiàn)階段，降低能耗、減少碳排放是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的重中之重。在新時(shí)代碳達(dá)峰、碳中和（雙碳）戰(zhàn)略背景下，我國(guó)制造業(yè)正在向綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)。激光淬火技術(shù)生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，無(wú)需冷卻介質(zhì)，能耗低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”下激光表面處理領(lǐng)域中最具代表性的綠色制造技術(shù)，同時(shí)也是一種表面工程普適性技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、能源、石化、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)各種軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類、工模具等零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化，均取得了良好的強(qiáng)化效果，逐步取代原有的火焰淬火、感應(yīng)淬火工藝，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。為了進(jìn)一步推廣應(yīng)用激光淬火技術(shù)，需規(guī)范激光淬火的相關(guān)術(shù)語(yǔ)、提出對(duì)激光淬火設(shè)備和工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)的要求，因此相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的建立尤為重要。隨著激光光源技術(shù)及光學(xué)處理技術(shù)的快速發(fā)展，激光淬火技術(shù)正在向大面積、高效率、大深度、復(fù)合強(qiáng)化等方向發(fā)展。GB/T18683—2002版無(wú)法在現(xiàn)代高標(biāo)準(zhǔn)高要求的工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中繼續(xù)發(fā)揮指導(dǎo)作用，因此迫切需要對(duì)原有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以便進(jìn)一步統(tǒng)一、規(guī)范我國(guó)激光淬火設(shè)備、工藝和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)方面的要求，更好地指導(dǎo)鋼鐵件激光淬火技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中3國(guó)內(nèi)外情況說(shuō)明目前國(guó)外尚未見(jiàn)激光淬火技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)鋼鐵件激光表面淬火國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只有這1項(xiàng)，其余與激光技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還有GB/T7247.1《激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)我國(guó)于2004和2014年分別發(fā)布了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5082.6-2014《內(nèi)燃機(jī)氣缸套第6部分:激光淬火氣缸套技術(shù)條件》和JB/T10406-2004《內(nèi)燃機(jī)激光淬火氣缸套技術(shù)條件》，規(guī)定了內(nèi)燃機(jī)激光淬火鑄鐵氣缸套的技術(shù)要求、檢驗(yàn)規(guī)則與檢驗(yàn)方法，標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存。除本修訂標(biāo)準(zhǔn)外，未見(jiàn)相關(guān)激光淬火的通用標(biāo)準(zhǔn)。4標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容和適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼鐵件激光表面淬火的相關(guān)術(shù)語(yǔ)、激光表面淬火常用材料及原始狀態(tài)、激光淬火設(shè)備要求、激光淬火工藝規(guī)范、質(zhì)量檢驗(yàn)及安全防護(hù)要求。本標(biāo)準(zhǔn)適用于鋼鐵件激光表面淬火。本文件是關(guān)于鋼鐵件激光表面淬火的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象包括當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用規(guī)模較大的鋼鐵件激光表面淬火技術(shù)，因此在界定術(shù)語(yǔ)時(shí)，以鋼鐵件激光表面淬火術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，同時(shí)列出了“激光功率密度”“掃描速度”“搭接率”“硬化層深度”“單道淬火硬化層寬度”等術(shù)語(yǔ)，便于規(guī)范使用。本文件在其后的各章中，分別針對(duì)鋼鐵件激光表面淬火技術(shù)的工件材料及原始狀態(tài)、設(shè)備要求、工藝規(guī)范要求、質(zhì)量檢驗(yàn)及要求及安全防護(hù)提出了要求，主要包括：——鋼鐵件激光表面淬火采用的工件材料以及材料的原始狀態(tài)；——鋼鐵件激光表面淬火采用的設(shè)備及設(shè)備要求；3——鋼鐵件激光表面淬火采用的工藝指定原則、工件表面預(yù)處理方法和程序編制運(yùn)——鋼鐵件激光表面淬火后工件的外觀、硬度檢測(cè)要求及金相檢測(cè)要求。5主要修訂內(nèi)容及依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定進(jìn)行起草。在編寫標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，遵循面向市場(chǎng)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主研制、適時(shí)推出、不斷完善的原則，力求與產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)試驗(yàn)、技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、應(yīng)用推廣相結(jié)合，統(tǒng)籌推進(jìn)。同時(shí)，努力使標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容更加科學(xué)、實(shí)用，文字表述更加簡(jiǎn)潔、清楚，充分體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟(jì)合理性和市場(chǎng)適應(yīng)性，以便于科研院所、激光淬火服務(wù)企業(yè)、用戶和檢驗(yàn)檢測(cè)單位等使用。主要修訂內(nèi)容及依據(jù)本文件代替GB/T18683-2002《鋼鐵件激光表面淬火》。與GB/T18683-2002相比，除編輯性修改外，主要技術(shù)變化如下：增加了“搭接率”、“硬化層深度”、“單道淬火硬化層寬度”、“多道淬火硬化層總寬度”的術(shù)語(yǔ)及其定義，這是由于激光表面淬火在工業(yè)中經(jīng)常采用搭接處理來(lái)增加表面淬火面積，而GB/T18683-2002并缺少搭接率的定義，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的空缺。增加了“激光表面淬火常用激光器及特點(diǎn)”及相關(guān)內(nèi)容，這是為了向激光表面淬火企業(yè)及相關(guān)實(shí)施方提供所采用激光器類型的指導(dǎo)參考。刪除了“熱影響區(qū)”、“表面最低硬度”、“硬度極限”、“有效硬化層深度”、“有效硬化層寬度”的術(shù)語(yǔ)及其定義，這是由于本標(biāo)準(zhǔn)更新了激光表面淬火的硬度測(cè)試的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，刪除與新評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)。刪除了“表面粗糙度的檢測(cè)”的相關(guān)內(nèi)容，這是由于粗糙度要求與相關(guān)企業(yè)技術(shù)要求有關(guān)，粗糙度檢測(cè)是否滿足要求的內(nèi)容移至“首件檢驗(yàn)”中。刪除了“仲裁方法”的相關(guān)內(nèi)容，這是由于新的強(qiáng)化層深度、寬度標(biāo)準(zhǔn)更加全面，以顯微硬度測(cè)量法作為硬化層深度和寬度的仲裁方法以不再適用新標(biāo)準(zhǔn)。更改了“基本技術(shù)要求及操作規(guī)范”的內(nèi)容，這是為了整體標(biāo)準(zhǔn)更復(fù)合邏輯。更改了“激光加工機(jī)”為“運(yùn)動(dòng)平臺(tái)”，并修改了相關(guān)術(shù)語(yǔ)的定義，這是由于目前很大范圍內(nèi)的激光表面淬火加工過(guò)程時(shí)采用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行控制，“激光加工機(jī)”容易產(chǎn)生歧義。更改了“基本技術(shù)要求及操作規(guī)范”中部分內(nèi)容至“工藝規(guī)范”、移動(dòng)“安全防護(hù)”及相關(guān)內(nèi)容、移動(dòng)“質(zhì)量要求及檢測(cè)”并更改為“質(zhì)量檢驗(yàn)及要求”這是為了整體標(biāo)準(zhǔn)更符合邏更改了“激光表面淬火工件的常用材質(zhì)”為“工件材料”，修改了部分鋼種的牌號(hào)，這是由于GB/T18683-2002中的相關(guān)材料牌號(hào)現(xiàn)在已不適用，更新了最新的牌號(hào)。更改了“硬化層深度與寬度的顯微硬度測(cè)量方法”為“硬化層深度”和“硬化層寬度”，這是為了明確激光表面淬火后的硬化層深度、寬度的測(cè)量方法，更符合現(xiàn)有的激光淬火工藝，包括寬光斑淬火、強(qiáng)化區(qū)兩側(cè)深度不同、搭接等工藝情況。6試驗(yàn)驗(yàn)證41）地鐵軸箱軸承：材質(zhì)為GCr15鋼，激光淬火技術(shù)要求：對(duì)軸承內(nèi)圈外滾道進(jìn)行激光淬火，硬化層寬度不低于7mm，硬化層深度≥0.3mm，硬度≥720HV采用Laserline公司LDF系列連續(xù)輸出光纖傳導(dǎo)半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)范圍940nm-1060nm，最大輸出功率6kW，矩形光斑，光斑尺寸8mm×3mm，光斑能量近平頂分布；配備數(shù)控機(jī)床，水冷裝置，氣體保護(hù)裝置。制定工藝參數(shù)如下：a)激光功率密度為4000-6000W/cm2。b)光斑尺寸為8mm×3mm。c)根據(jù)光斑尺寸及激光功率密度，確定激光功率為1000W和1500W。d)根據(jù)工件表面硬度和硬化層深度，結(jié)合多組實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定最佳掃描速度為2mm/s。e)采用氬氣進(jìn)行工件表面保護(hù)。初定的工藝需根據(jù)首件檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，直至滿足工件技術(shù)要求。激光淬火后工件表面硬度測(cè)試采用HMV-2全自動(dòng)維氏硬度計(jì)，載荷為2.94N，加載時(shí)間為10s。經(jīng)測(cè)試，GCr15鋼在兩組參數(shù)下的硬度平均值分別為951HV0.3和846HV0.3。采用ZeissAxioImager2型號(hào)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察并采集圖片。經(jīng)測(cè)試，GCr15鋼在兩組參數(shù)下的硬化層寬度分別為7.65mm和7.52mm；硬化層深度分別為0.49mm和0.32mm。2）聯(lián)合收割機(jī)履帶輪，材質(zhì)為45鋼，履帶輪直徑160mm、寬度25mm，要求對(duì)履帶輪表面進(jìn)行激光淬火，淬火寬度25mm，硬化層深度1.5mm以上，硬度要求600HV采用Laserline公司LDF系列連續(xù)輸出光纖傳導(dǎo)半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)范圍940nm-1060nm，最大輸出功率6kW，矩形光斑，光斑尺寸15mm-50mm可調(diào)，能量密度近平頂分布，配備數(shù)控機(jī)床，水冷裝置，氣體保護(hù)裝置。制定工藝參數(shù)：a)激光功率密度采用1000W/cm2。b)根據(jù)技術(shù)要求的25mm強(qiáng)化寬度，采用30mm×15mm的矩形光斑，一次掃描覆蓋待c)根據(jù)光斑尺寸及激光功率密度確定激光功率為5000W。d)根據(jù)技術(shù)要求確定激光掃描速度為3.5mm/s。e)采用自冷卻方式進(jìn)行淬火。f)為避免工件表面氧化采用氮?dú)鈱?duì)工件進(jìn)行保護(hù)。初定的工藝需根據(jù)首件檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。采用南光顯微硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度測(cè)試，載荷為2.94N，加載時(shí)間為10s。按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定測(cè)試，激光淬火后表面硬度平均值為736.8HV0.3，硬化層寬度為28mm，硬化層深度為1.6mm（見(jiàn)圖1、圖2和圖3）。5圖1表面硬度測(cè)試結(jié)果圖2硬化層寬度測(cè)試結(jié)果圖3硬化層深度測(cè)試結(jié)果3）機(jī)車車輛摩擦盤，材質(zhì)為25Mn鋼，車輛磨耗板尺寸200mm×200mm×10mm，需對(duì)表面進(jìn)行激光淬火強(qiáng)化。激光淬火技術(shù)要求本體硬度280HV，要求淬硬層深度＞1.5mm，表面硬度＞450HV，淬硬層深度＞1mm。光束質(zhì)量110mm?mrad，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用KUKA機(jī)器人，配備水冷裝置，氣體保護(hù)裝置。制定工藝a)激光功率設(shè)定為3500W；b)光斑類型采用矩形光斑，尺寸大小為35×35mm；c)掃描速度設(shè)定為6mm/s；d)搭接率設(shè)定為25%；e)采用自冷卻方式進(jìn)行淬火；f)為避免工件表面氧化采用氮?dú)鈱?duì)工件進(jìn)行保護(hù)。激光淬火如圖4。6圖4工件激光淬火過(guò)程初定的工藝需根據(jù)首件檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，直至滿足工件技術(shù)要求。采用AutoVicker1000AF全自動(dòng)維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)力采用200g。表面硬度測(cè)試結(jié)果為：475HV0.2、479HV0.2、471HV0.2、459HV0.2、487HV0.2、479HV0.2；硬化層寬度測(cè)試硬度層覆蓋工件表面200mm×200mm范圍，平均值為475HV0.2，波動(dòng)大?。骸?6HV0.2。硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5，繪制出圖6所示硬度分布曲線。圖5沿試樣表面至基體硬度測(cè)試結(jié)果圖6硬度分布曲線4）汽車覆蓋件模具，材質(zhì)7CrSiMnMoV鋼，要求覆蓋件模具拉伸型腔面，硬化層寬度19-20mm，硬化層深度0.5-1mm，硬度62±1HRC。選用光纖激光器，最大輸出功率10000W，波長(zhǎng)1070nm，矩形光斑20mm×4mm，反射式導(dǎo)光系統(tǒng)，積分式激光頭，采用工業(yè)機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)PLC，同軸溫控系統(tǒng)，配備水冷裝置，氣體保護(hù)裝置。a)光斑尺寸20mm×4mm；b)根據(jù)材料特性設(shè)置淬火溫度1100℃,在試件上淬火，測(cè)試淬火區(qū)域表面硬度，根據(jù)硬度微調(diào)淬火溫度；c)掃描速度為5mm/s；d)工件淬火前清除表面的銹跡、氧化層和油污，按照上述工藝參數(shù)，需根據(jù)首件檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，直至滿足工件技術(shù)要求。采用手持式硬度計(jì)測(cè)試表面硬度。測(cè)試結(jié)果為：63.9HRC、64.4HRC、6采用顯微硬度計(jì)測(cè)試硬化層寬度，測(cè)試結(jié)果為19.5mm。根據(jù)淬火工藝評(píng)定結(jié)果，采用顯微硬度計(jì)對(duì)試塊進(jìn)行硬化層深度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為0.95mm。77