模具材料激光表面強化處理應用與發展

何將宏 向超 王文哲（玉門油田公司機械廠 甘肅省 玉門市 735200）

模具作為一項重要的工藝裝備，被廣泛使用到機械、冶金、輕工、電子、國防等工業領域。對高效率生產、減少生產成本及提高產品質量具有重大的作用。在機電工業中，采用模具加工的零件高達70℅，而大部分的塑料、陶瓷制品也是通過模具加工成型的。對零件、工件的耐磨、耐蝕等一系列性能進行完善。文章重點對激光表面淬火、表面合金化、表面熔覆等方法進行介紹，討論模具材料中應用激光表面強化技術的效果。

一、激光表面淬火

在激光表面強化領域內，應用最早的技術之一就是激光表面淬火技術，這技術目前已經非常成熟。激光表面淬火指的是用激光照射固態鐵基合金，使其表面溫度上升到特定高度的時候，形成奧氏體，然后移開激光束，再經過金屬自身活躍的熱傳導性產生自淬火現象，形成馬氏體組織的技術工藝。和其它熱處理技術相比，該技術具有以下特點：①材料的加熱速度與冷卻速度相當高，對掃描速度及生產效率的提升有顯著的促進作用。②激光表面淬火件其硬度非常高，高出常規淬火硬件的10℅左右。③因為高效的加熱、冷卻速度，其熱影響區就相對的小，可以說激光表面淬火處理基本不會使原物變形。④激光表面淬火僅在局部進行，因此激光束可以被聚集得很細小，尤其適宜于小件的特殊部位及局部部位的淬火。⑤激光表面淬火不需要對介質進行冷卻處理，不會污染環境。⑥在工藝合理的前提下，其表面基本上不存在無氧化脫碳現象，也不改變粗糙程度，質量較高。

二、激光表面合金化

激光表面合金化對基體進行加熱處理，使其融化。在這一過程中，添加定量的合金元素，融合于基體成分中，使基體的表面形成一層含有合金成分的合金層的應用技術。可以在那些表面性能較差、但廉價的基體金屬表面運用激光合金化技術生產出大量高溫、耐磨的合金表面，可以取代昂貴的純合金，減少了貴重金屬材料的消耗，同時也提高了廉價基體材料的使用量，大大降低了成本。和一般的熱處理工藝相比，該技術的不足之處在于只能對表面局部進行處理，但其優勢在于工件的變形量較小、冷卻速度高、對合金元素的利用消耗小，無需淬火介質、環保無污染等優點，發展應用前景非常廣闊。

該技術在應用中，添加合金元素的方式非常多樣，包含預制材料法、送粉法及激光氣體合金化法。現階段，預制材料法的應用是最為廣泛的，而送粉法在自動化生產工藝中比較適用，對能量能夠進行充分利用，且生產效率較高，所生產的工件表面質量較高。在進行合金化材料的選擇時，首先要對合金化表層的性能方面進行考慮，其次要對合金化元素的特點著重考慮，同時也要對母材冶金間及表面合金層之間的牢固性、合金層的抗彎曲、抗壓、韌性等方面進行考慮。

三、激光表面熔覆

該方法是一種通過激光掃描，將金屬粉末或陶瓷粉末在基體表面迅速加熱升溫，最短的時間內與基體熔合的技術。在基體的表面會形成一層覆蓋層，并且與基體能夠良好的結合在一起。這項技術歷經三十年的發展，現在已經成為材料表面工程中最熱門的話題之一。該技術的實現主要通過兩種形式：第一，預先將一些松散的粉末涂層放置在工件的表面，然后用激光進行升溫熔化；第二，先進行激光處理，在處理的過程中，采用氣動噴注法將粉末噴入熔池中。寬帶激光自動涂抹系統是由楊洗塵等人言之而成的，該系統主要有自動噴粉機與寬帶掃描轉鏡兩個部分構成，激光功率適用范圍為1～10kW，不但可以直接進行聚焦窄帶涂敷，也能夠進行寬帶涂敷。單道一次涂敷寬度調節在10～35mm的范圍內，涂敷厚度控制在0.2～8mm的范圍內；送粉量在0.5"一200g／min范圍中連續精密可調，送粉的精度通常低于2%。對于普通送粉而言比較適合，對于一些微量送粉或大量送粉的特殊情況也是使用的。

近年來，激光熔覆技術取得很大的發展。但是該技術在我國的起步時間尚短，因此實際應用中還存在一些問題：首先，覆層開裂的趨勢較大，對于一些體積較大的工件來說，難以實現大面積激光熔覆；其次，作為一種新興技術，目前還欠缺一些成熟的激光處理工藝參數作為參考進行設計，還需要在實際應用中不斷的總結額研究。因而今后還需要做許多細致的工作，來更好地解決大面積熔覆存在的工藝問題，使熔覆層的表面質量得到進一步的提高。

結語

在模具的表面強化領域，激光表面處理已經被廣泛地應用于其中。且應用范圍在不斷地擴大。甚至在一些非金屬材料表面處理的時候也會用到，因此其發展的前景非常好。盡管當前激光表面處理技術的應用中或多或少還存在一些問題，但隨著人們日后對激光處理的深入研究，相信模具材料激光表面強化處理一定會有效發揮出其巨大的潛能，從而更好地貢獻社會。

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