激光表面淬火與常規表面淬火在模具應用上的研究分析

薛 滔

（新鄉北方車輛儀表有限公司，河南 新鄉 453000）

1 激光表面淬火與常規表面淬火方法說明

隨著工業的快速發展，對模具行業也提出了更高的要求。如何提高模具的加工質量和壽命，始終是一個研究的新課題。采用表面強化處理是提高模具質量和使用壽命的重要途徑。它對模具的綜合性能以及提高效率降低成本挖掘模具的潛力具有重要的意義。目前常規的模具表面強化處理方法有：感應淬火、火焰淬火、化學熱處理(如滲碳、碳氮共滲)等。這些方法大多工藝較為復雜，處理周期較長，處理后存在較大形變。近年來，隨著大功率激光器的出現及激光加工技術在工業上的應用日趨廣泛、成熟，為模具表面的強化提供了一種新途徑。

常規表面淬火有：感應淬火、火焰淬火、滲碳淬火等。a.感應淬火是將工件置于感應圈中，由感應圈通以交變電流產生高頻交變磁場將工件加熱到Acs或Acm以上，經快速冷卻在工件表面形成馬氏體組織。由于工件的大小尺寸各不相同，所以需根據不同工件設計相應的感應圈。工件加熱時由于集膚效應，工件棱邊易過熱，處理后會出現裂紋、硬度不均勻、變形等缺陷。b.火焰淬火是用火焰加熱工件表面上某些部位，使零件表面迅速被加熱到淬火溫度并將冷卻介質噴射到工件表面，達到表面淬火的目的。工作時需要配套相應的冷卻系統。由于加熱時溫度均勻性差，難以控溫，工件表面淬硬深度不易控制，會造成硬度不均或不足，易畸變開裂，表面易熔化呈“汗珠狀”。由于淬火時需要經驗判斷，僅適用于單件和小批量生產。c.滲碳淬火對大型零件處理時會受到爐膛尺寸的限制，工件在滲碳后會嚴重影響到零件的表面質量，由于受到形狀因素的影響還存在表面硬度不均勻等現象，滲碳淬火僅適用于單件和小批量生產。以上常規淬火方法對形狀復雜的模具會使加工工藝繁雜、加工難度加大、增加加工成本，尤其是對模具還需要反復拆裝。

激光表面淬火（激光相變硬化）是將104-106w/cm2高功率密度激光束照射在金屬表面，使其表面以1010℃/s速度迅速達到相變溫度而形成奧氏體，當激光束離開后，不需冷卻介質，利用金屬本身熱傳導而發生“自淬火”，在工件有足夠質量前提下，冷速可達1023℃/s。使金屬表面發生馬氏體轉變。與傳統淬火方法相比，激光淬火是在急熱、急冷過程中進行的，溫度梯度高，從而在表面形成了一層硬度極高的特殊淬火組織，如晶粒細化、高位錯密度等。其淬火層的硬度比普通淬火的硬度高15%～30%。淬硬層深度可達0.1～3mm，模具表面經激光淬火后耐磨性提高3-10倍，有效延長了模具的使用壽命。圖1是相同材質激光淬火與常規淬火硬度比較。

圖1 激光淬火與常規淬火硬度比較

2 激光強化加工系統的組成

圖2一個具有多軸聯動的激光強化加工系統工作原理示意圖。它由三部分組成：第一部分為激光器系統，由激光頭、激勵電源、冷卻系統和諧振腔參數變換裝置組成；第二部分為光束傳輸與變換裝置，把激光束按加工要求引導到待處理零件表面，同時對激光束進行空間強度分布的變換，以滿足對模具表面不同受力部位進行有效的強化處理。光束經變換后即可在模具表面產生所需的強化單元，通過多軸聯動的數控系統即可對模具的三維曲面進行可控的、快速和有效的強化處理；第三部分為計算機數控系統，控制激光工作頭和數控工作臺等多軸運動，其激光束相對于工件的運動軌跡決定了強化的帶形狀，以實現復雜模具表面的激光強化處理

圖2 激光強化加工系統的組成

3 激光強化處理工藝

3.1 工件表面預處理涂層

當激光器確定后，金屬材料對激光的吸收能力主要取決于其表面狀態。一般需激光處理的金屬材料表面都經過機械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可達80%～90%，使大部分激光能量被反射掉。為了提高金屬表面對激光的吸收率，在激光熱處理前要對材料表面進行表面處理(常稱黑化處理)，即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對激光有較高吸收能力的涂料。

表面預處理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴(刷)涂料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是磷化法和噴(刷)涂料法。常用的涂料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等。也有直接使用碳素墨汁和無光漆作為預處理涂料的。對于有些低碳鋼材料，在其表面用炭黑粉末處理，在進行激光淬火時可起滲碳作用。

3.2 工藝參數優化

激光相變硬化工藝參數主要有激光器輸出功率P，光斑大小D及掃描速度v，在其它條件一定的條件下，激光硬化層的深度H與P、D、v有如下關系：H=P/(D.v)。為了得到最優工藝參數，基本方法是根據已有成功的資料，確定一個工藝參數范圍，再以P、D、v三個因子，各取三個水平，做出正交試驗表在試件上進行試驗研究。圖3拉深模具常采用的材料Cr-Mo鑄鐵，在不同掃描速度下，激光功率與硬化層深的關系曲線。圖4為不同的激光功率下，掃描速度與硬化層的關系曲線。圖示表明：在一般情況下，激光功率越高，硬化層越深；掃描速度越大，硬化層越淺。圖5在激光功率P=1 200 W，掃描速度v=15 mm/s，光斑直徑D=4.5 mm的工藝參數條件下，淬火層的硬度及硬化層深之間的關系。從中可看出，經激光處理后材料表面的硬度有較為顯著的提高。

圖3 激光功率、掃描速度與硬化層關系曲線

圖4 不同激光功率下掃描速度與硬化層關系曲線

圖5 硬度沿硬化層深分布

4 硬化層殘余應力和耐磨性能

在激光硬化處理過程中，金屬材料表面組織結構的變化及表面相對于材料內部溫差的產生和消失，必將產生殘余應力。殘余應力的大小和分布狀況對模具的實用性能有很大影響，激光硬化產生的殘余應力沿淬硬層深度的分布情況如圖5。由圖6可見，激光相變硬化在模具表面產生較大的殘余壓應力，能有效地防止疲勞裂紋的產生，提高模具的疲勞壽命。

模具表面的耐磨性能直接決定了模具的使用壽命和加工質量。表1列舉了幾種常用模具材料，激光淬火與普通淬火磨損量的對比數據。從表中可以看出采用激光表面強化技術能大大提高材料的耐磨性能。

5 結論

與常規表面淬火相比，激光淬火淬硬層均勻，硬度高（一般比感應淬火高1-3HRC），還可根據模具的形狀特點和使用要求在指定區域內進行，且對表面質量沒有任何損傷。經激光處理后的模具，不需后續加工即可直接投入生產使用，從而降低了模具的制造成本。由于激光淬火加熱層深度和加熱軌跡容易控制，工藝簡單，可在線加工。還可通過編制專用的處理軟件，實現激光處理工藝參數的計算機自動優化、處理過程的計算機仿真模擬和實時監控及激光處理后表面組織結構和性能的計算機預測，實現模具的復雜形狀和人工智能化的表面處理，能滿足自動化處理的需求。因此在模具領域正逐步取代感應淬火、火焰淬火、滲碳淬火等常規工藝。尤其重要的是激光淬火后工件的變形可以忽略，因此特別適合高精度要求的工件表面處理。

通過對幾種模具材料進行常規表面淬火與激光表面淬火，在實際工作狀況下的檢查對比，表明采用激光強化技術能大幅度提高模具的使用壽命，而冷沖模的強化效果更為明顯。如對T10鋼制造的沖頭和Cr12Mo鋼制造的凹模進行激光硬化處理，激光硬化層為0.15mm，硬度為1200HV，由原來沖壓2.5萬件提高到10萬件，壽命提高3～4倍。采用激光表面淬火技術優勢明顯。

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