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激光淬火技术在模具表面处理中的应用与展望
关键词:激光淬火 模具
2021-07-10

模具行业作为当今工业制造的基础产业,其制造技术的高低直接影响着国家制造业的水平,通过模具生产产品,具有效率高、质量好、成本低、节省原材料等一系列优点,因此模具行业发展越来越受到人们的重视。在实际应用中,人们发现模具失效的主要形式是表面损伤,由于表面损伤而缩短了模具的使用寿命,在很大程度上影响着模具的经济效益,通常人们主要从模具材料和表面改性两个方面探索改善模具质量。国内外科研人员对模具表面的硬度、耐磨性、耐疲劳等性能的改善做了许多的研究,同时也获得了许多成就。传统的表面处理工艺有渗碳、渗氮、氮碳共渗、喷丸与硬化膜沉淀等技术。随着激光技术的发展,激光表面强化技术的应用越来越广,特别是硬化技术对提高模具的使用寿命起到了很大的作用。激光硬化处理后的工件表面硬度高,比常规淬火高 15%~20%,可获得极细的硬化组织,耐磨性也得到很大的提高,而且激光加热速度快,因而热影响区小、变形小、表面光洁度高,故可作为最后的加工工序。激光主要的改性方式有:激光表面淬火、激光表面熔覆、激光表面合金化、激光熔凝。其中激光表 面淬火技术开始于 20 世纪 70 年代中期,与传统热处理技术相比,具有加工时间短、操作灵活 和精度高等优点。如今激光相变技术在用于提高金属材料的表面硬度、耐磨性、疲劳寿命等方面已经基本成熟,在机械行业也得到日益广泛的应用。


塑料模具型腔面激光淬火


1 激光表面硬化机理 

与传统淬火后马氏体形成的机理类似,都是通 过加热和迅速冷却,但激光淬火的热循环过程有所 不同,常规淬火后的组织是通过冷却介质(水或油) 快速冷却,而激光淬火是铁基合金在激光停止照射后,利用金属本身的热传导发生“自淬火”而得到马氏体组织。激光表面硬化(激光淬火)主要有 co2 激光和 yag 激光,前者多用于黑色金属大面积零件的表面改性,后者多用于有色金属或小面 积零件的表面改性。它是通过高能密度的激光束以非接触的方式扫描需要改性部位的金属表面上, 使其吸收光能后温度以 104~105 ℃/s 的速度瞬间 升高到奥氏体相变温度以上,熔点温度以下。如此快的升温过程有益于奥氏体形核,得到细小的奥氏体晶粒,随后自身又以大于 104 ℃/s 冷却速度进行热传递急速冷却,由于加热时间短,冷却速度过快使奥氏体来不及均匀化,导致碳和合金元素分布不均,晶粒细小的奥氏体和奥氏体组织成分的差异都有利于最终获得细小的马氏体。板条状马氏体和孪 晶马氏体是在经激光淬火后常见的组织,其具有很高的位错密度,一般可达 1012  cm2。研究表明晶粒细小、极大的位错密度是获得超高硬度马氏体的重要条件。激光相变硬化是通过迅速升温与迅速冷却的加工方式,使工件表面产生极大的压应力, 大小一般可达 750 mpa 以上,在很大程度上改善了材料的疲劳强度,而且 c. soriano 在研究激光淬火对球墨铸铁的影响时,发现淬火后的残余应力与组织的显微硬度、显微组织转变有很大关系。 


2 激光淬火区不同深度的组织类型 

激光束照射在金属表面会形成较高的温度梯度,从而引起材料中的原子迁移现象,在一定深度范围内,不同结构的组织层的形成与温度有关,主要表现为随温度梯度分布的变化,组织的耐磨性、 硬度以及其他性能也会发生相应的变化,激光淬火后,金属材料可按其组织层的不同可以分成三层。 第一层:相变硬化层。该层直接受到激光束的照射,温度升高和降低最快,过热度和过冷度最大, 在非平衡状态下,基体组织以瞬间切变的形式转为奥氏体组织,并伴随着碳及各种合金元素进行扩散和迁移。元素原子时刻进行着热振动,振动的能量与温度有密切关系,当温度较低时,原子所具有的能量不足以克服周围原子对其束缚;当温度升高到一定程度时,原子可跨越势垒,由原来的位置跃迁 到其他位置,合金等元素由高浓度向低浓度扩散和迁移。为了探究合金元素的扩散情况,人们通常采用动力学计算程序 dictra 来模拟。上海交通大 学何燕霖等对 fe、al、si 合金中的元素进行了不同温度下元素扩散和迁移实验,结果表明,计算结果和实验结果比较吻合。尽管有元素扩散和迁移,但是与常规的淬火相比,其扩散时间非常有限, 使元素分布很不均匀,最终冷却后得到的组织非常细小,位错密度极高,而且在该层中的组织也不尽相同。


 3 材料表面预处理与影响相变硬化 层性能的主要工艺参数 

金属材料表面吸收光能的效率主要取决于材料的表面状态,经过机械加工后的模具,其表面粗 糙度很小,其反射率高达 80%~90%。通常用磷化法、喷涂涂料法对金属表面进行预处理,以提高 金属表面对激光的吸收效率。通过磷化法可以在材料表面生成均匀、细致的磷化酸金属盐磷化膜,其对材料表面的影响较小。喷涂涂料法是在金属表面涂上能够很好吸收激光的涂层,在高功率激光的照射下,涂层具有很好的热稳定性,且导热性高。 喷涂法工艺在金属表面预处理中具有更大的优越 性,主要是涂料价格低廉、容易清除,在涂敷及激 光处理过程中,不会对环境产生污染[44]。例如纳米 氧化物涂料,在温度达到 873 k 时仍能保持高而稳定的吸收率,通常纳米氧化物涂料对 co2 激光吸收 率达 93.57%。 模具表面的显微硬度、耐磨性与材料的显微结构、晶粒大小、表面状态等因素有关,而这些因素直接受到工艺参数的影响,吸收激光能量的程度最 终决定淬火后的组织性能。主要工艺参数有:激光输出功率(p)、扫描速度(v)和作用在材料表面 上的光斑尺寸(d)。三个参数对激光淬火后的硬 化层深度(h)的影响关系式为: h∝p/(d×v) (1)  由式(1)可知,激光相变硬化层的深度与激 光输出功率成正比,与扫描速度和作用在材料表面 上的光斑尺寸成反比。而且材料对激光的吸收率随 着温度的升高而增加,关系式为 tt=t20 ℃[1  u(t20)],其中 tt 为材料对激光的吸收率,t20 ℃ 为室温条件下材料的吸收率,u 为常数,t 为材料 的温度。为了使激光淬火效果达到最佳,必须考虑 p、v、d 等因素影响,为了简化试验量,可以通过 正交试验法分析各参数之间的相关性。江苏广播电 视大学吴健[46]对 4cr13 不锈钢进行了正交试验,结果见表 1。

表 1 激光淬火正交试验的因素水平 

表 1 激光淬火正交试验的因素水平

由表 1 可知,激光淬火工艺参数中的影响效果 依次为 p→d→v→pd→pv。激光输出功率对硬化 效果的影响是矛盾的,当其超过一定范围时,金属 表面由于温度超过了熔化温度会形成熔池,影响金属表面的几何形状,反之激光强化效果将会减弱。同样扫描速度也不能过快,虽然随着 v 的增加,激 光淬火硬化效果增加,但是当 v 超过临界值后,由 于加热时间过短,激光淬火只能起到退火软化作用。


4 激光淬火在模具表面处理中的应用 

采用激光淬火技术对模具处理时,通常根据模具的形状特点和使用要求在指定区域内进行淬火。激光淬火后,模具表面的耐磨性较常规淬火、回火处理有显著提高,从而延长了模具的有效使用时间。例如福建农林大学徐洪烟等研究了经激光淬火后模具材料的性能变化,结果表明,模具表面组织的改变使其耐磨性增强,淬火后的残余应力也使 模具材料的抗疲劳性显著提高。樊湘芳等对 gcr15 钢冲模的母模进行了,试验后,其表面硬度获得提高,增强了母模型腔的抗冲击能力,使模具寿命提高了 20%以上。常见的模具有冷作模、热作模及塑料模,对于不同材料的模具, 经激光淬火后,组织性能有所不同。用于加工的冷作模具材料都属于高碳钢,提高耐磨性和硬度是表面淬火的主要目的。经激光淬火后的组织和性能见表 2。用于加工的热作模具材料都属于中碳钢,表面淬火的目的有提高高温耐磨性、耐热疲劳性、抗氧化性,但是并不要求很高的表面硬度。经激光淬火后的组织和性能见表3。 用于加工的塑料模具材料范围较广,从结构钢到工具钢,从碳素钢到合金钢。塑料模具对其表面的粗糙度要求很严格,但不要求很高的表面硬度, 因此处理多用于一些囊块,其目的是提高囊块的硬度。经激光加热表面淬火后的组织和性能见表4。


表2常用冷作模具钢激光表面淬火工艺参数

表2常用冷作模具钢激光表面淬火工艺参数


表3常用热作模具钢激光表面淬火工艺参数

表3常用热作模具钢激光表面淬火工艺参数


表4常用塑料模具钢激光表面淬火工艺参数

表4常用塑料模具钢激光表面淬火工艺参数


由表 2—4 可以看出,经激光淬火后,模具的显微硬度均较高,激光淬火对模具表面的几何形状 影响很小,可以将其作为最后一道加工工艺。由于影响激光淬火过程的影响因素较多,导致大部分科研结论不能直接用于工业生产加工,一般作为参考使用。对模具而言,激光淬火工艺参数的选择受到模具预定寿命、模具材料及模具厂房环境等因素左右,因此在利用激光淬火工艺时,需多次进行实际 的实验并优化可变参数,以达到最合理的效果。


5 总结及展望 

激光淬火技术从开始应用到现在,主要优缺点有:

1)自身“自淬火”,不需要冷却介质,对环境无污染;

2)处理后模具表面显微硬度、耐磨性等性能获得很大的改善;

3)加热速度快,材料受热影响小,表面粗糙度好;

4)影响因素较多,设备费高;

5)温度测试装置的精确度不高,使激光淬火对模具表面硬化处理时的质量不易控制。

随着科技不断发展,计算机模拟和热处理的数 学建模取得了很大的进步,这有利于激光淬火技术在材料表面处理过程中实现计算机自动化,再者激光功率检测自动化的发展也给激光淬火技术进一 步应用提供了方便。继续优化激光淬火技术的工艺、改进激光的激发器和导光系统的微调装置仍是未来要做的工作,激光淬火技术和其他表面处理技术结合也是一个发展方向。总之,随着对激光淬火技术的理论和实践进行更加深入的研究,这门技术将会被人们熟练掌握,应用也会更加广泛。




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