激光表面淬火在模具制造中的應(yīng)用研究

邱國(guó)旺，趙向陽(yáng)，吳浪武

（南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330029）

激光表面淬火在模具制造中的應(yīng)用研究

邱國(guó)旺，趙向陽(yáng)，吳浪武

（南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330029）

隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，將會(huì)給模具制造帶來(lái)重大變革。首先介紹了激光表面淬火的工藝特點(diǎn)，然后研究分析了激光表面淬火提高模具材料機(jī)械性能的機(jī)理，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了激光表面淬火工藝參數(shù)的優(yōu)化原則。

激光表面淬火；相變硬化；金相組織；模具制造

模具在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。在模具制造行業(yè)，模具的使用壽命是一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)。在模具的實(shí)際使用過(guò)程中，其表面狀態(tài)直接影響到模具的使用壽命。特別是模具一般都是在比較惡劣的環(huán)境條件下重復(fù)使用，模具表面承受著各種形式的復(fù)雜應(yīng)力，例如摩擦力、擠壓力等，這些因素都會(huì)降低模具的使用質(zhì)量和壽命。許多研究表明，導(dǎo)致模具的失效和疲勞損傷大都發(fā)生在模具表面。因此，為了提高模具的使用質(zhì)量和壽命，對(duì)模具的工作表面必須有較高的要求，主要是提高模具工作表面的硬度、耐磨性，從而從根本上改善模具的機(jī)械性能，提高模具的使用壽命。傳統(tǒng)的表面處理方法由于其工藝上的缺點(diǎn)已無(wú)法滿(mǎn)足模具的高性能要求?，F(xiàn)在一種新的技術(shù)工藝——激光表面淬火技術(shù)已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，將會(huì)給模具制造帶來(lái)重大變革。本文首先介紹了激光表面淬火的工藝特點(diǎn)，然后研究分析了激光表面淬火提高模具鋼機(jī)械性能的機(jī)理，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了激光熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化原則。

1 激光表面淬火的工藝特點(diǎn)

激光淬火就是利用激光作為熱源進(jìn)行加熱的熱處理工藝。首先利用激光將材料表面加熱到僅低于熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度，使其表面迅速奧氏體化，然后隨著材料自身快速冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使材料表面硬化。激光表面淬火是一種高能量密度的表面熱處理,快速加熱和快速自冷是激光熱處理的主要工藝特點(diǎn)。

1.1 傳統(tǒng)淬火存在的主要問(wèn)題

傳統(tǒng)淬火不管是感應(yīng)加熱淬火還是整體加熱淬火，一般都會(huì)存在如下一些問(wèn)題：

（1）淬火后硬度不足、硬度不均、硬化深度不夠；

（2）淬火后心部硬度過(guò)高，內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大，淬火開(kāi)裂；

（3）加熱區(qū)域過(guò)大，引起變形超差；

（4）加工件會(huì)受到尺寸、形狀限制；

（5）熱處理時(shí)需冷卻介質(zhì)，污染大，勞動(dòng)強(qiáng)度高。

1.2 激光表面淬火的主要優(yōu)勢(shì)

激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度四大特點(diǎn)，因此，其穿透能力極強(qiáng)，加熱速度和冷卻速度都極快。激光熱處理時(shí)，激光光斑上的功率密度可達(dá)到103～107w/cm2之間，加熱速度可達(dá)103～106℃/s，冷卻速度可達(dá)1.5×104℃/s，并且這些參數(shù)能靈活控制，其優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）材料表面的高速加熱和高速自冷有利于提高掃描速度及相應(yīng)的生產(chǎn)率，效率高，工藝周期短。

（2）不需要外部淬火介質(zhì)，工作環(huán)境潔凈，而且無(wú)污染，噪聲小，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

（3）通過(guò)對(duì)光斑尺寸的控制，更適合傳統(tǒng)熱處理方法無(wú)法勝任的深溝、槽壁、盲孔、夾角、小孔、和模具型腔內(nèi)壁等局部區(qū)域的硬化。

（4）激光可以遠(yuǎn)距離傳送，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光器供多工作臺(tái)同時(shí)使用，同時(shí)工藝參數(shù)也比較容易控制，調(diào)節(jié)激光輻射在金屬表面上的能量密度及作用時(shí)間，可對(duì)工件進(jìn)行不同方式的表面淬火，淬火硬度和淬火深度能精確控制，容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

（5）淬硬層組織細(xì)化，硬度比常規(guī)淬火提高15%～20%，模具鋼經(jīng)淬火后耐磨性可提高3～4倍。

（6）可進(jìn)行大型零件局部表面淬火及復(fù)雜零件的硬化處理。加工件不受尺寸、形狀等限制。

（7）激光加熱由于功率密度高，熱影響區(qū)小，所以淬火應(yīng)力小，幾乎不產(chǎn)生變形。同時(shí)快熱快冷，可以得到只使表層被淬硬為馬氏體，而工件基體大體積仍保持較低的溫度，中心仍為未淬火組織，即原來(lái)塑性和韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織，可以使材料獲得外堅(jiān)內(nèi)韌的性能。

2 激光表面淬火后的組織性能特征及機(jī)理分析

當(dāng)激光束照射到金屬表面時(shí)，激光的熱能量可以改變金屬的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)，使金屬在這個(gè)過(guò)程中得到硬化和強(qiáng)化，金屬表面的某些性能會(huì)有明顯提高，如硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。

2.1 快速加熱時(shí)金屬的組織改變及機(jī)理分析

通過(guò)加熱使鋼材發(fā)生固態(tài)相變是改變鋼材性能的前提。加熱的目的就是使材料表面的溫度達(dá)到僅低于熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度，使其表面迅速奧氏體化。奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，晶格類(lèi)型為面心立方，而珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，珠光體必須通過(guò)晶格的重構(gòu)和碳原子的重新分配才能轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。加熱是一個(gè)簡(jiǎn)單而快捷的手段，但加熱速度的快慢對(duì)奧氏體的形成會(huì)產(chǎn)生影響。一般地說(shuō)，加熱速度越快，晶粒就會(huì)越細(xì)??；金屬內(nèi)部原來(lái)的一些位錯(cuò)密度越高，固溶含碳量越高。

從理論上講，激光表面淬火的加熱時(shí)間非常短（＜0.2 s），可以使材料表面迅速達(dá)到奧氏體化溫度，原有材料中珠光體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織，在這一過(guò)程中,由于在激光超快加熱條件下，過(guò)熱度大，造成相變驅(qū)動(dòng)力很大，奧氏體成核數(shù)目劇增。同時(shí)奧氏體相變是在過(guò)熱度大的高溫區(qū)很短時(shí)間內(nèi)完成的，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，形核的臨界半徑小，如果加熱速度慢，高溫段時(shí)間長(zhǎng)，晶粒的邊界就會(huì)向另一個(gè)邊界遷移，吞并另一個(gè)晶粒從而形成大的晶粒，晶粒就會(huì)變粗大。另一方面,激光快速加熱,使得擴(kuò)散均勻化來(lái)不及進(jìn)行,碳來(lái)不及擴(kuò)散,奧氏體中的含碳量增加,在隨后的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中,就會(huì)得到高碳馬氏體,提高了硬度。再就是快速加熱時(shí)會(huì)減少金屬內(nèi)部原來(lái)的一些位錯(cuò)的回復(fù)，推遲再結(jié)晶時(shí)間。這都是快速加熱能提高強(qiáng)度和硬度的原因。

2.2 快速冷卻時(shí)金屬的組織改變及機(jī)理分析

鋼在高溫（723℃）下形成的奧氏體，在冷卻時(shí)要進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)變，在不同的冷卻條件下，奧氏體有可能轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、貝氏體、馬氏體等。要想得到高硬度，就必須使奧氏體盡可能全部轉(zhuǎn)為晶粒細(xì)小的馬氏體。欲使鋼材發(fā)生馬氏體相變需滿(mǎn)足2個(gè)基本條件：

一是，溫度達(dá)到奧氏體相變臨界溫度Tac1以上；

二是，冷卻速度大于馬氏體相變臨界速度Vm。

在這里冷卻速度是決定相變后馬氏體含量及晶粒粗細(xì)的主要因素，金屬液體的冷卻速度愈大，過(guò)冷度便愈大，從而結(jié)晶推動(dòng)力便愈大，也就是結(jié)晶傾向愈大，晶核的形成速度愈大。那么在一定體積的金屬中，如果晶核的形成速度很大，而成長(zhǎng)時(shí)間很短，顯然，所得到的晶粒就會(huì)更多更細(xì)。同時(shí)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變和向珠光體的轉(zhuǎn)變是不一樣的，馬氏體的相變是非擴(kuò)散性的，因?yàn)檫@種相變是以極大的冷卻速度和極大的過(guò)冷度下發(fā)生的，此時(shí)，奧氏體中的碳原子已無(wú)擴(kuò)散的可能，因此奧氏體將直接變成一種含碳過(guò)飽和的固溶體——馬氏體。

對(duì)激光表面淬火而言，正是由于瞬時(shí)加熱，使鋼件表面很快地達(dá)到淬火溫度，而不等熱量傳至中心，即開(kāi)始迅速冷卻，此時(shí)工件基體仍處于冷態(tài)。由于熱傳導(dǎo)的作用，表面熱量迅速傳到工件其他部位，在瞬間可進(jìn)行自冷淬火，實(shí)現(xiàn)工件表面相變硬化。由于金屬材料有很強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，通常冷卻速度足以滿(mǎn)足要求，冷卻速度比一般熱處理淬火速度要提高約103倍。因此，奧氏體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散過(guò)程轉(zhuǎn)化為又細(xì)又多的馬氏體。

3 激光表面淬火時(shí)工藝參數(shù)選擇及優(yōu)化規(guī)律

3.1 激光表面淬火的主要工藝參數(shù)

激光熱處理工藝參數(shù)主要有激光功率、掃描速度、光斑尺寸、光束能量分布狀態(tài)、吸光涂層種類(lèi)與厚度等。其中，激光功率、掃描速度、光斑尺寸這3個(gè)參數(shù)直接決定了激光掃描下工件內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布形態(tài)，從而對(duì)相變硬化層尺寸、分布形態(tài)及其表面硬度等產(chǎn)生重要影響。激光掃描方法和掃描路徑一般根據(jù)工件形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸及要求等因素確定，目前常采用等速掃描，激光束在工件表面移動(dòng)過(guò)程中，激光功率、掃描速度均保持不變。當(dāng)掃描面積大于光斑面積時(shí)，需采取多道掃描，在制定激光掃描工藝時(shí)，必須考慮合理確定硬化帶分布型式和相鄰硬化帶間距。

3.2 工藝參數(shù)與硬化層表面硬度及層深的相互關(guān)系

目前對(duì)于激光工藝參數(shù)與表面硬度和硬化層深度之間的關(guān)系，主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基于金相結(jié)構(gòu)的理論解釋。

當(dāng)工件材料一定時(shí)，淬火后的硬度差異顯然主要是由于相變硬化層內(nèi)的晶粒細(xì)化程度和平均位錯(cuò)密度、馬氏體含量等因素造成，這些因素與激光掃描作用下工件內(nèi)部的加熱、冷卻速度及高溫段(奧氏體相變溫度以上)維持時(shí)間等密切相關(guān)。而這最終還是取決于激光加工時(shí)的激光功率、掃描速度和光斑尺寸等參數(shù)。激光功率和光斑尺寸決定了照射到工件表面的功率密度，掃描速度和光斑尺寸又決定了光束在工件表面的作用時(shí)間。

依據(jù)上文的機(jī)理分析知道：功率高，加熱速度快一般能獲得較好的表面機(jī)械性能，但是如果功率過(guò)大，速度又較慢，會(huì)使工件表面熔化、燒損，硬度降低；反之，又會(huì)使硬化層達(dá)不到技術(shù)要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，激光表面淬火合適的功率密度為103～105W/cm2，作用時(shí)間為1～10-2s，在此范圍內(nèi)，隨著激光功率的提高，相變驅(qū)動(dòng)力增大，有利于增加奧氏體形核數(shù)目，從而加強(qiáng)硬化效果；但另一方面，激光功率的提高導(dǎo)致高溫段維持時(shí)間延長(zhǎng)，這對(duì)晶粒細(xì)化和提高晶格位錯(cuò)密度產(chǎn)生阻止作用。所以提高功率對(duì)硬度的影響不大，但卻可以增加硬化層深度。隨著掃描速度的提高，無(wú)論是加熱速度還是冷卻速度同時(shí)提高，且高溫段維持時(shí)間縮短，這些因素均有利于晶粒細(xì)化和馬氏體的形成，這些因素的相互影響和疊加，其結(jié)果是硬化效果增強(qiáng)。因此，表面硬度隨掃描速度的提高而增加，但硬化層深度會(huì)降低。

總的來(lái)說(shuō)，確定激光掃描工藝參數(shù)的優(yōu)化原則為：盡可能選擇高功率、高速度，以獲得既滿(mǎn)足層深要求、又具有較高表面硬度和分布較均勻的硬化層，達(dá)到整體較優(yōu)的綜合優(yōu)化目標(biāo)。

4 模具鋼應(yīng)用實(shí)例

實(shí)驗(yàn)中選用3種典型的模具鋼，它們分別為45#鋼、T8A鋼、Cr12。鋼樣的初始態(tài)為正火態(tài)，樣品加工成30×30×15mm的小塊試樣。

（1）在寬帶掃描方式下，對(duì)45#鋼進(jìn)行激光表面淬火處理，最佳的工藝參數(shù)是P=3 kW，V=1600mm/min，光斑尺寸為：3×15mm，離焦量 160mm，硬化層深達(dá)0.6mm，硬度在650～700HV之間。

（2）在寬帶掃描方式下，對(duì)C12材料進(jìn)行激光表面淬火處理，最佳的工藝參數(shù)是P=3 kW，V=1300 mm/min，光斑尺寸為：2.5×15 mm，離焦量165mm，硬化層厚達(dá)0.5mm，硬度在750～820 HV之間。

（3）在寬帶掃描方式下，對(duì)T8A材料進(jìn)行激光表面淬火處理，最佳的工藝參數(shù)是P=2.5 kW，V=1500 mm/min，光斑尺寸為：2.5×15 mm，離焦量165 mm，硬化層厚達(dá)0.5mm，硬度在860～950 HV之間。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著激光加工設(shè)備性能的提高和激光加工工藝研究的不斷深入，激光表面淬火以其變形小、適用面廣、硬度高等特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用激光表面淬火技術(shù)對(duì)模具表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，能有效提高模具表面的硬度，延長(zhǎng)模具壽命，提高模具質(zhì)量。激光表面淬火在模具制造中的應(yīng)用是激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的又一新領(lǐng)域。

[1]吳旭峰，張文珍，等.激光熱處理的工藝與機(jī)理探討[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，19(2):379-382.

[2]徐祖耀著.馬氏體相變與馬氏體[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[3]劉晉春，等.特種加工[M].第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]張光鈞.激光熱處理的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].金屬熱處理，2000，2(13):23-27.

[5]李俊昌.激光熱處理優(yōu)化控制研究[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

Application of Laser Face-quench in Mould Manufacturing

QIUGuo-wang，ZHAO Xiang-yang，WU Lang-wu
(College of Science and Technology，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330029，China)

Along with the continuous development and gradual maturity of laser process technology,it would cause significant revolution to mould manufacturing.This article firstly introduces the techniques characteristic of laser surface quenching.Then studies and analyzes the mechanism that laser surface quenching enhances mechanical performance of mould material.Lastly implementing experiment determines optimization principle of laser surface quenching technological parameters.

laser face-quench；transformation hardening；metallographic structure；mould manufacturing

TG156；TG706

B

1672-545X（2014）03-0150-03

2014-01-07

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2010ZDG01600）

邱國(guó)旺（1962—），男，江西南昌人，副教授，本科，研究方向：模具CAD/CAM、沖壓模具、注塑模具。