激光淬火技術(shù)在模具表面處理中的應(yīng)用

模具行業(yè)作為當今工業(yè)制造的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其制造技術(shù)的高低直接影響著國家制造業(yè)的水平，通過模具生產(chǎn)產(chǎn)品，具有效率高、質(zhì)量好、成本低、節(jié)省原材料等一系列優(yōu)點，因此模具行業(yè)發(fā)展越來越受到人們的重視。在實際應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)模具失效的主要形式是表面損傷，由于表面損傷而縮短了模具的使用壽命，在很大程度上影響著模具的經(jīng)濟效益，通常人們主要從模具材料和表面改性兩個方面探索改善模具質(zhì)量。國內(nèi)外科研人員對模具表面的硬度、耐磨性、耐疲勞等性能的改善做了許多的研究，同時也獲得了許多成就。傳統(tǒng)的表面處理工藝有滲碳、滲氮、氮碳共滲、噴丸與硬化膜沉淀等技術(shù)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光表面強化技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，特別是激光淬火硬化技術(shù)對提高模具的使用壽命起到了很大的作用。激光硬化處理后的工件表面硬度高，比常規(guī)淬火高 15%～20%，可獲得極細的硬化組織，耐磨性也得到很大的提高，而且激光加熱速度快，因而熱影響區(qū)小、變形小、表面光潔度高，故可作為最后的加工工序。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 面淬火技術(shù)開始于 20 世紀 70 年代中期，與傳統(tǒng)熱處理激光淬火技術(shù)相比，具有加工時間短、操作靈活 和精度高等優(yōu)點。如今激光相變技術(shù)在用于提高金屬材料的表面硬度、耐磨性、疲勞壽命等方面已經(jīng)基本成熟，在機械行業(yè)也得到日益廣泛的應(yīng)用。

1 激光表面硬化機理 

與傳統(tǒng)淬火后馬氏體形成的機理類似，都是通 過加熱和迅速冷卻，但激光淬火的熱循環(huán)過程有所 不同，常規(guī)淬火后的組織是通過冷卻介質(zhì)（水或油） 快速冷卻，而激光淬火是鐵基合金在激光停止照射后，利用金屬本身的熱傳導(dǎo)發(fā)生“自淬火”而得到馬氏體組織。激光表面硬化（激光淬火）主要有 CO2 激光和 YAG 激光，前者多用于黑色金屬大面積零件的表面改性，后者多用于有色金屬或小面 積零件的表面改性。它是通過高能密度的激光束以非接觸的方式掃描需要改性部位的金屬表面上， 使其吸收光能后溫度以 104～105 ℃/s 的速度瞬間 升高到奧氏體相變溫度以上，熔點溫度以下。如此快的升溫過程有益于奧氏體形核，得到細小的奧氏體晶粒，隨后自身又以大于 104 ℃/s 冷卻速度進行熱傳遞急速冷卻，由于加熱時間短，冷卻速度過快使奧氏體來不及均勻化，導(dǎo)致碳和合金元素分布不均，晶粒細小的奧氏體和奧氏體組織成分的差異都有利于最終獲得細小的馬氏體。板條狀馬氏體和孿 晶馬氏體是在經(jīng)激光淬火后常見的組織，其具有很高的位錯密度，一般可達 1012 cm?2。研究表明晶粒細小、極大的位錯密度是獲得超高硬度馬氏體的重要條件。激光相變硬化是通過迅速升溫與迅速冷卻的加工方式，使工件表面產(chǎn)生極大的壓應(yīng)力， 大小一般可達 750 MPa 以上，在很大程度上改善了材料的疲勞強度，而且 C. Soriano 在研究激光淬火對球墨鑄鐵的影響時，發(fā)現(xiàn)淬火后的殘余應(yīng)力與組織的顯微硬度、顯微組織轉(zhuǎn)變有很大關(guān)系。 

2 激光淬火區(qū)不同深度的組織類型 

激光束照射在金屬表面會形成較高的溫度梯度，從而引起材料中的原子遷移現(xiàn)象，在一定深度范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)的組織層的形成與溫度有關(guān)，主要表現(xiàn)為隨溫度梯度分布的變化，組織的耐磨性、 硬度以及其他性能也會發(fā)生相應(yīng)的變化，激光淬火后，金屬材料可按其組織層的不同可以分成三層。 一層：相變硬化層。該層直接受到激光束的照射，溫度升高和降低最快，過熱度和過冷度大， 在非平衡狀態(tài)下，基體組織以瞬間切變的形式轉(zhuǎn)為奧氏體組織，并伴隨著碳及各種合金元素進行擴散和遷移。元素原子時刻進行著熱振動，振動的能量與溫度有密切關(guān)系，當溫度較低時，原子所具有的能量不足以克服周圍原子對其束縛；當溫度升高到一定程度時，原子可跨越勢壘，由原來的位置躍遷 到其他位置，合金等元素由高濃度向低濃度擴散和遷移。為了探究合金元素的擴散情況，人們通常采用動力學計算程序 DICTRA 來模擬。上海交通大 學何燕霖等對 Fe、Al、Si 合金中的元素進行了不同溫度下元素擴散和遷移實驗，結(jié)果表明，計算結(jié)果和實驗結(jié)果比較吻合。盡管有元素擴散和遷移，但是與常規(guī)的淬火相比，其擴散時間非常有限， 使元素分布很不均勻，最終冷卻后得到的組織非常細小，位錯密度極高，而且在該層中的組織也不盡相同。

3 材料表面預(yù)處理與影響相變硬化 層性能的主要工藝參數(shù) 

金屬材料表面吸收光能的效率主要取決于材料的表面狀態(tài)，經(jīng)過機械加工后的模具，其表面粗 糙度很小，其反射率高達 80%～90%。通常用磷化法、噴涂涂料法對金屬表面進行預(yù)處理，以提高 金屬表面對激光的吸收效率。通過磷化法可以在材料表面生成均勻、細致的磷化酸金屬鹽磷化膜，其對材料表面的影響較小。噴涂涂料法是在金屬表面涂上能夠很好吸收激光的涂層，在高功率激光的照射下，涂層具有很好的熱穩(wěn)定性，且導(dǎo)熱性高。 噴涂法工藝在金屬表面預(yù)處理中具有更大的優(yōu)越 性，主要是涂料價格低廉、容易清除，在涂敷及激 光處理過程中，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染[44]。例如納米 氧化物涂料，在溫度達到 873 K 時仍能保持高而穩(wěn)定的吸收率，通常納米氧化物涂料對 CO2 激光吸收 率達 93.57%。 模具表面的顯微硬度、耐磨性與材料的顯微結(jié)構(gòu)、晶粒大小、表面狀態(tài)等因素有關(guān)，而這些因素直接受到工藝參數(shù)的影響，吸收激光能量的程度最 終決定淬火后的組織性能。主要工藝參數(shù)有：激光輸出功率（P）、掃描速度（v）和作用在材料表面 上的光斑尺寸（D）。三個參數(shù)對激光淬火后的硬 化層深度（H）的影響關(guān)系式為： H∝P/(D×v) (1) 由式（1）可知，激光相變硬化層的深度與激 光輸出功率成正比，與掃描速度和作用在材料表面 上的光斑尺寸成反比。而且材料對激光的吸收率隨 著溫度的升高而增加，關(guān)系式為 TT=T20 ℃[1+ U(T?20)]，其中 TT 為材料對激光的吸收率，T20 ℃ 為室溫條件下材料的吸收率，U 為常數(shù)，T 為材料 的溫度。為了使激光淬火效果達到佳，必須考慮 P、v、D 等因素影響，為了簡化試驗量，可以通過 正交試驗法分析各參數(shù)之間的相關(guān)性。江蘇廣播電 視大學吳健[46]對 4Cr13 不銹鋼進行了正交試驗，結(jié)果見表 1。

表 1 激光淬火正交試驗的因素水平 

由表 1 可知，激光淬火工藝參數(shù)中的影響效果 依次為 P→D→v→PD→Pv。激光輸出功率對硬化 效果的影響是矛盾的，當其超過一定范圍時，金屬 表面由于溫度超過了熔化溫度會形成熔池，影響金屬表面的幾何形狀，反之激光強化效果將會減弱。同樣掃描速度也不能過快，雖然隨著 v 的增加，激 光淬火硬化效果增加，但是當 v 超過臨界值后，由 于加熱時間過短，激光淬火只能起到退火軟化作用。