鋼鐵件激光表面淬火 編制說明

1《鋼鐵件激光表面淬火》編制說明（征求意見稿）1.1任務(wù)來源根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2023年12月28日發(fā)布2023年第17號中國國家標(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項國家標(biāo)準(zhǔn)的公告”，本項目名稱：鋼鐵件激光表面淬火，計劃號：20233968-T-469，計劃完成時間為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)，中國機械總院集團北京機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主要工作過程（1）起草階段1）2022年2月18日，全國熱標(biāo)委會接到國標(biāo)委發(fā)[2022]10號“關(guān)于開展推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)復(fù)審工作的通知”，按要求對標(biāo)準(zhǔn)的適用性、規(guī)范性、時效性、協(xié)調(diào)性和實施效果進行審查。熱標(biāo)委會根據(jù)熱處理領(lǐng)域的特點，提出GB/T18683-2002《鋼鐵件激光表面淬火》進行修訂的方案，同時對標(biāo)準(zhǔn)歸口問題進行協(xié)調(diào)，并提交計劃申請。2）2022年5月-2023年12月，進行企業(yè)調(diào)研，落實標(biāo)準(zhǔn)起草單位，并組織相關(guān)單位對標(biāo)準(zhǔn)草案稿進行完善。3）2024年3月2-3日，在常州召開工作會議，成立起草工作組，對草案稿進行審4）2024年3月19日，標(biāo)準(zhǔn)起草小組召開了專題研討會議，對標(biāo)準(zhǔn)修訂的內(nèi)容進行5）2024年5月10日，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組通過騰訊會議對修改后的6）2024年6月29日，在北京機電所召開征求意見稿討論會，并再次修改。7）2024年7月27日，通過騰訊會議再次對征求意見稿進行了統(tǒng)一，形成征求意見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“萬能加工工具”、“未來制造系統(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以上溫度，隨后經(jīng)基體自冷作用快速冷卻獲得高度細化的馬氏體淬硬層組織，顯著提高材料的強度、硬度、耐磨損性能、抗疲勞性能等，延長零部件的使用壽命。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表面強化方法已經(jīng)難以滿足高性能裝備的應(yīng)用需求，同時面臨著能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。節(jié)能減排、新能源、碳捕獲技術(shù)是低碳戰(zhàn)略的三個階段，現(xiàn)階段，降低能耗、減少碳排放是我國制造業(yè)發(fā)展的重中之重。在新時代碳達峰、碳中和（雙碳）戰(zhàn)略背景下，我國制造業(yè)正在向綠色低碳轉(zhuǎn)型升級。激光淬火技術(shù)生產(chǎn)效率高，易實現(xiàn)自動化操作，無需冷卻介質(zhì)，能耗低，對環(huán)境無污染，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是國家“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，對各種軸體類、套筒類、齒輪類、葉片類、工模具等零部件進行表面強化，均取得了良好的強化效果，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)濟與社會效益。為了進一步推廣應(yīng)用激光淬火技術(shù)，需規(guī)范激光淬火的相關(guān)術(shù)語、提出對激光淬火設(shè)備和工藝及質(zhì)量檢驗的要求，因此相關(guān)國家標(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)合強化等方向發(fā)展。GB/T18683—2002版無法在現(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，因此迫切需要對原有標(biāo)準(zhǔn)進行修訂，以便進一步統(tǒng)一、規(guī)范我國激光淬火設(shè)備、工藝和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗方面的要求，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國內(nèi)外情況說明目前國外尚未見激光淬火技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。我國鋼鐵件激光表面淬火國家標(biāo)準(zhǔn)只有這1項，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)我國于2004和2014年分別發(fā)布了機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5082.6-2014《內(nèi)燃機氣缸套第6部分:激光淬火氣缸套技術(shù)條件》和JB/T10406-2004《內(nèi)燃機激光淬火氣缸套技術(shù)條件》，規(guī)定了內(nèi)燃機激光淬火鑄鐵氣缸套的技術(shù)要求、檢驗規(guī)則與檢驗方法，標(biāo)志、包裝、運輸和貯存。除本修訂標(biāo)準(zhǔn)外，未見相關(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、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)量檢驗及安全防護要求。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家標(biāo)準(zhǔn)，主要標(biāo)準(zhǔn)化對象包括當(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)語時，以鋼鐵件激光表面淬火術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，同時列出了“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，便于規(guī)范使用。本文件在其后的各章中，分別針對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)量檢驗及要求及安全防護提出了要求，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——鋼鐵件激光表面淬火后工件的外觀、硬度檢測要求及金相檢測要求。5主要修訂內(nèi)容及依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)項目按照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)定進行起草。在編寫標(biāo)準(zhǔn)時，遵循面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主研制、適時推出、不斷完善的原則，力求與產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)試驗、技術(shù)進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、應(yīng)用推廣相結(jié)合，統(tǒng)籌推進。同時，努力使標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容更加科學(xué)、實用，文字表述更加簡潔、清楚，充分體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)濟合理性和市場適應(yīng)性，以便于科研院所、激光淬火服務(wù)企業(yè)、用戶和檢驗檢測單位等使用。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)常采用搭接處理來增加表面淬火面積，而GB/T18683-2002并缺少搭接率的定義，補充標(biāo)準(zhǔn)的空缺。增加了“激光表面淬火常用激光器及特點”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試的評判標(biāo)準(zhǔn)，刪除與新評判標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)的相關(guān)術(shù)語。刪除了“表面粗糙度的檢測”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)，粗糙度檢測是否滿足要求的內(nèi)容移至“首件檢驗”中。刪除了“仲裁方法”的相關(guān)內(nèi)容，這是由于新的強化層深度、寬度標(biāo)準(zhǔn)更加全面，以顯微硬度測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”為“運動平臺”，并修改了相關(guān)術(shù)語的定義，這是由于目前很大范圍內(nèi)的激光表面淬火加工過程時采用運動平臺進行控制，“激光加工機”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“安全防護”及相關(guān)內(nèi)容、移動“質(zhì)量要求及檢測”并更改為“質(zhì)量檢驗及要求”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，這是由于GB/T18683-2002中的相關(guān)材料牌號現(xiàn)在已不適用，更新了最新的牌號。更改了“硬化層深度與寬度的顯微硬度測量方法”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、寬度的測量方法，更符合現(xiàn)有的激光淬火工藝，包括寬光斑淬火、強化區(qū)兩側(cè)深度不同、搭接等工藝情況。6試驗驗證41）地鐵軸箱軸承：材質(zhì)為GCr15鋼，激光淬火技術(shù)要求：對軸承內(nèi)圈外滾道進行激光淬火，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)控機床，水冷裝置，氣體保護裝置。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)合多組實驗參數(shù)確定最佳掃描速度為2mm/s。e)采用氬氣進行工件表面保護。初定的工藝需根據(jù)首件檢驗結(jié)果進行調(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試采用HMV-2全自動維氏硬度計，載荷為2.94N，加載時間為10s。經(jīng)測試，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型號光學(xué)顯微鏡進行觀察并采集圖片。經(jīng)測試，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)合收割機履帶輪，材質(zhì)為45鋼，履帶輪直徑160mm、寬度25mm，要求對履帶輪表面進行激光淬火，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)控機床，水冷裝置，氣體保護裝置。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)采用自冷卻方式進行淬火。f)為避免工件表面氧化采用氮氣對工件進行保護。初定的工藝需根據(jù)首件檢驗結(jié)果進行調(diào)整。采用南光顯微硬度計進行表面硬度測試，載荷為2.94N，加載時間為10s。按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定測試，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（見圖1、圖2和圖3）。5圖1表面硬度測試結(jié)果圖2硬化層寬度測試結(jié)果圖3硬化層深度測試結(jié)果3）機車車輛摩擦盤，材質(zhì)為25Mn鋼，車輛磨耗板尺寸200mm×200mm×10mm，需對表面進行激光淬火強化。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，運動平臺采用KUKA機器人，配備水冷裝置，氣體保護裝置。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)采用自冷卻方式進行淬火；f)為避免工件表面氧化采用氮氣對工件進行保護。激光淬火如圖4。6圖4工件激光淬火過程初定的工藝需根據(jù)首件檢驗結(jié)果進行調(diào)整，直至滿足工件技術(shù)要求。采用AutoVicker1000AF全自動維氏硬度計，試驗力采用200g。表面硬度測試結(jié)果為：475HV0.2、479HV0.2、471HV0.2、459HV0.2、487HV0.2、479HV0.2；硬化層寬度測試硬度層覆蓋工件表面200mm×200mm范圍，平均值為475HV0.2，波動大?。骸?6HV0.2。硬度測試結(jié)果見圖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)機器人作為運動機構(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)首件檢驗結(jié)果進行調(diào)整，直至滿足工件技術(shù)要求。采用手持式硬度計測試表面硬度。測試結(jié)果為：63.9HRC、64.4HRC、6采用顯微硬度計測試硬化層寬度，測試結(jié)果為19.5mm。根據(jù)淬火工藝評定結(jié)果，采用顯微硬度計對試塊進行硬化層深度測試，測試結(jié)果為0.95mm。77