研究激光對塑料模具鋼表面的處理

王京成， 候 平， 王 澤， 譚文勝

（1.江蘇理工學院 材料工程學院， 江蘇 常州 213001；2.常州信息職業技術學院 機電工程學院， 江蘇 常州 213164）

0 引 言

隨著塑料制品的需求增加，塑料模具鋼[1-3]也得到了快速的發展。隨著塑料模具鋼使用的增加，其弊端也逐漸暴露，主要包括兩方面：一方面塑料制品受溫度的影響，會分解大量的氟化物和氯化物等氣體，對模具鋼的型腔表面造成腐蝕；另一方面，塑料會導致模具鋼產生氧化磨損和磨粒磨損[4-7]，同時伴隨粘著磨損，破壞模具鋼表面，影響塑料制品的成型質量，并且容易使塑料模失效[8-13]，導致其使用壽命縮短，成本提高，效益降低。因此，提高模具鋼的表面性能具有重要的現實意義。

在塑料模的應用中，鑒于塑料模的種類眾多、形態復雜且精度要求高，傳統的熱處理方法不能滿足這些需求，為了解決上述問題，國內外許多學者[14-17]對激光表面改性技術在材料表面工程領域的應用進行了研究。研究發現，采用激光表面改性技術，不僅可以保持基體的原有優勢不變，而且可以顯著提高材料表面的硬度、耐蝕性和耐磨性，有效延長材料的使用壽命，提高模具鋼的利用價值。因此，激光表面處理技術越來越受到行業內的重視，近幾年，塑料模表面強化已逐漸成為模具研究領域的焦點[18]。激光表面改性能顯著提高塑料模具鋼的綜合性能，并使之達到新的性能水平。與微弧氧化[19-20]、氣相沉積[21]、熱噴涂[22-23]、電鍍[24]、化學鍍[25]等技術相比，激光表面處理工藝以非接觸加工、快速加熱和能量密度高等諸多優勢而被廣泛使用。因此，利用激光表面處理工藝可快速有效地對塑料模進行表面改性處理，延長模具使用壽命。現主要探討激光表面熔凝[26]（LSM）技術、激光表面熔覆[27]（LSC）技術、激光表面合金化[28-29]（LSA）技術以及激光淬火[30]（LH）技術對模具鋼改性處理后的表面微觀結構和性能特性[31]的變化，總結激光在塑料模具鋼表面處理方面的優點和存在的問題，并提出未來研究的方向和思路。

1 激光熔凝技術

1.1 微觀組織結構

激光熔凝技術是常見的材料表面強化方式之一，以高功率密度的激光在極短的時間內與金屬交互作用，使金屬表面局部區域在瞬間被加熱到相當高的溫度使之熔化，隨后借助液態金屬基體的吸熱和傳導作用，使已經熔化的表層金屬快速凝固，得到聚集且較為細小的鑄態組織。SONG Z 等[32]通過掃描電鏡（SEM）和光學顯微鏡（OM）觀察激光熔凝處理后17-4PH 鋼的表面顯微組織，結果表明：表面顯微組織由馬氏體基體、鐵素體和殘余奧氏體組成；與基體相比，激光熔凝處理后的表面組織較為致密均勻。M CABEZA 等[33]通過對熔凝后的表面組織進行研究，結果表明：在試樣熱影響區的狹窄層中除了發現少數較小的奧氏體池外，還產生了與研究該鋼低鎳含量相一致的奧氏體逆轉現象，由于表面組織比較細小，容易造成顆粒聚集。陳禹希[34]通過對激光熔凝處理后9Cr-ODS鋼的表面組織與性能方面的影響進行研究，熱處理后熔凝層組織如圖1所示[34]，晶粒變大且趨于等軸化，熔凝層的納米彌散相尺寸變小，并且轉變為大面積聚集的小顆粒，導致第二相的顆粒較多、界面能較高，為了降低自身界面能，第二相粒子進行擴散，發生聚集。因此，使用激光熔凝技術可使表面的組織變得致密細小，使基體表面性能得到強化。

圖1 熱處理后熔凝層組織

1.2 性能特點

激光熔凝后細小的鑄態組織使表面耐磨性和腐蝕性得到了提升，同時激光表面熔凝可與其他強化方式配合，提高模具鋼的表面性能。張春華等[35]研究H13 模具鋼激光熔凝層的性能，研究表明：H13鋼經激光熔凝處理后自腐蝕電位正移，維鈍電流明顯減小，耐腐蝕性能得到改善，且激光處理后提高了材料的抗磨損性能，延長了模具的潛在使用壽命。? ROMAN 等[36]研究預熱后激光表面熔凝技術對富釩冷作工具鋼的性能影響，結果表明：使用350 ℃的預熱溫度，在激光熔化過程中形成的微觀結構變得略粗，殘余奧氏體的體積分數降低，在激光熔化層實現了最高的顯微硬度值，耐磨性也明顯提升。YAN G H 等[37]通過研究氣體滲氮和激光表面工程復合處理對P20塑料模具鋼表面耐磨性和耐蝕性的影響，結果表明：在550 ℃、氮勢為0.18 的條件下進行20 h 氣體滲氮，生成了無氮化物的滲氮層，提高了模具鋼的耐磨性，同時對模具鋼的耐蝕性也有一定的改善，之后對模具鋼進行激光表面熔凝，其表面硬度和耐磨性得到了二次提高。

表1 所示為激光表面熔凝改性的6 種模具鋼的組織性能[32-37]，熔凝后的模具鋼組織大部分為馬氏體，晶粒變小、晶界變多。因此，硬度、耐磨、耐蝕性能明顯提升，硬度提高195 HV，耐磨性為基體的1.8倍。部分模具鋼由于溫度問題存在奧氏體，對性能有影響，但整體性能仍可達到預期使用要求。由于熔凝過程中可能改變基體表面平整度，后期需要對表面進行二次處理。

表1 激光表面熔凝改性的模具鋼組織性能

2 激光表面熔覆技術

2.1 微觀組織結構

激光熔覆技術是一種實用性強、應用靈活的材料表面改性方法，可在模具鋼表面形成與基體材料冶金結合、組織致密的表面涂層。黃尚猛[38]研究了激光熔覆技術對Cr12 模具鋼的影響，結果表明：在適當的激光工藝條件下，激光熔覆技術下的Ni基合金和Co基合金都可以與界面形成冶金結合，形成組織致密的表面層。趙棟等[39]研究了12CrNi3A 鋼激光熔覆后的組織，如圖2所示，激光熔覆區主要由枝狀晶組織和彌散分布的WC 硬質顆粒構成，使試樣熔覆層形成較為致密細小的表面組織。除此之外，激光熔覆技術還可以通過改變元素成分和激光參數改變涂層中的相組織。LIU R 等[40]采用激光表面熔覆技術在低碳鋼表面制備了CoCrNiMox 合金涂層，結果表明：所有涂層中CoCrNi 三元化合物生成單相面心立方（FCC）結構，σ相和μ相富集Cr和Mo，并以Mo 為起源呈現片層結構，涂層中FCC 單相結構的含量隨著Mo 含量的增加而逐漸減少，這是因為Mo 的加入可以促進σ相和μ相的析出。A HUS?SEIN 等[41]采用機械合金化和激光熔覆工藝在H13熱作模具鋼基體上制備了組織致密的AlCoCrFeNiTi高熵合金涂層，并研究了合金粉末和HEACs 的顯微組織和相的演變過程[41-42]，結果表明：最終球磨的Al?CoCrFeNiTi 涂層粉末為簡單的體心立方（BCC）相，平均顆粒尺寸小于4 μm，隨著激光熱輸入的增加，熔覆過程中部分BCC相轉變為少量面心立方（FCC）相。由上述可知，激光熔覆技術可通過改變涂層中的相結構，使基體得到致密細小的表面組織。

圖2 激光熔覆層組織

2.2 性能特點

激光表面熔覆技術在基體表面形成稀釋度極低并與基體材料呈冶金結合的表面涂層，激光表面熔覆輸入熱量少，工件變形小，而且整體鑄件粗糙度有較大的改善，組織更致密和極少偏析，表面平整光滑，提高了基體材料表面的耐磨性、耐蝕性及韌性。M K NAYAK 等[43]研究了低碳鋼表面粗糙度對激光熔覆層力學性能的影響，結果表明：在碳鋼上沉積的熔覆層經過砂帶磨削后硬度提高了約40%，磨損率降低了67%；此外，砂帶打磨后熔覆層的耐蝕性也略有提高。HUANG C C 等[44]采用激光表面熔覆工藝在碳鋼表面引入高鉻氮合金以提高其耐蝕性，結果表明：隨著熔覆層中鉻氮含量的增加，鈍化膜電阻增大，鈍化電流密度減小，通過電化學阻抗譜（EIS）測量電解質，發現樣品表面由氮、氧化鉻、氮化鉻組成，同時還發現了氨和氧化硅，因此LSC合金的鈍化膜電阻可能部分歸因于氨在表面的形成和吸附；此外，與氧化鉻混合的氮化鉻、氧化硅也可能會改變鈍化膜，提高耐蝕性。CUI W H 等[45]研究了激光參數對45 鋼熔覆層的影響，結果表明：激光熔覆技術處理45鋼基體后，基體與熔覆層的結合較好，結合層[46]和熔覆層的抗拉強度均大于基體的抗拉強度，耐磨性也得到改善。杜佳俊等[47]采用同軸送粉激光熔覆技術以不同比例的ZrO2、MoS2和Ni基粉末為熔覆材料在18CrNiMo7-6齒輪材料表面制備2種激光熔覆層，結果表明：利用激光熔覆技術可以提高18CrNiMo7-6鋼的膠合承載性能，2種熔覆試樣的臨界失效載荷較滲碳試樣分別提高了8.41%和44.86%，在經過激光表面熔覆處理后，熔覆層的各項性能得到了提高，延長了模具鋼的使用壽命。

表2所示為激光表面熔覆改性的各種模具鋼的組織性能[38-47]，通過加入涂層成分，改變了基體材料的微觀組織和整體的性能，組織大部分為樹枝狀基體，晶粒細化，組織致密，位錯密度增加，各項性能優異。硬度得到大幅度提高，對于部分基體，硬度可提高3 倍，磨損率降低67%，同時基體材料的耐蝕性和抗拉強度也得到強化。對比熔凝技術，由于加入性能較好的涂層，對材料基體改善的性能更加全面，改善的參數也更多，但是其準備工作和成本也在增加，需要投入更多的精力去探索合適的參數選擇。

表2 激光表面熔覆改性的模具鋼組織性能

3 激光表面合金化技術

3.1 微觀組織結構

激光表面合金化是用激光將合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固，在表面獲得合金層的方法。這種方法既改變了材料表面的化學成分，又改變了表面的結構物理狀態，可使廉價基材得到優異的表面性能。激光合金化技術可在材料表面獲得組織致密、晶粒細化、深度深且與基體結合牢固的強化層[48]。趙龍志等[49]通過激光合金化技術對20鋼W-Cu 材料表面進行研究，結果表明：在光斑直徑為φ2 mm 條件下，當激光功率為700 W、掃描速度為10 mm/s 時，合金化層的組織最為均勻致密。佟鑫等[50]通過對激光表面合金化后的中碳鋼進行研究，由圖3可知，不同預制層的厚度下，激光表面合金化層形成了一種精細、典型的快速凝固的顯微組織，以樹枝狀主相和在晶界處的萊氏體組織為其主要特征。S A CHAUS 等[51]描述了激光表面合金化時硼和氮對17-4PH 鋼最終組織演變的影響，結果表明：在激光表面合金化過程中，表面形貌特征對微觀組織的發展起主要作用，在光滑樣品的激光熔化區中觀察到枝晶間有少量共晶的固溶體枝晶組織，在粗糙樣品中發現了完全共晶組織。相較于其他合金化技術，激光表面合金化組織更加致密均勻，具有較低的氣孔率，工件變形和熱影響范圍小，對基體影響也相對較小。

圖3 激光表面合金化層橫截面的SEM

3.2 性能特點

激光表面合金化技術是通過合金化改善材料的性能，不同合金成分提升的效果不同，因此對模具鋼進行性能強化時需要選擇合適的合金。ZHOU R 等[52]使用Mn+Cr3C2 和Mn+NiCr-C 粉末激光表面合金化技術改善1Cr18Ni9Ti 鋼的耐磨損和耐腐蝕性能，結果表明：激光表面合金化形成了具有奧氏體枝晶、共晶和松針狀團簇的高錳鋼基復合材料，2種合金化層基體中的平均顯微硬度都得到了提高[53]，并且Mn+NiCr-C 合金化層表現出較佳的耐磨耐蝕性能[54]。Z BRYTAN[55]用硬質粉末（SiC、Si3N4）和元素合金化粉末（Cr、FeCr、FeNi）對不同組織的燒結鋼（奧氏體、鐵素體和雙相）進行激光表面合金化處理，結果表明：燒結鋼在激光表面合金化處理后，獲得的復合鋼組織性能提高；激光表面合金化技術使用Si3N4缺少析出物并且形成柔軟且韌性的奧氏體組織，在所研究的沖蝕角度下，柔軟而韌性的奧氏體鋼比硬的鐵素體和雙相鋼材料具有更好的抗沖蝕性能。C AMITESH 等[56]利用WC-Co-NiCr（質量比為20∶40∶40）對AISI304[57]鋼進行激光表面合金化研究，結果表明：由于晶粒細化，WC、W2C、CoC 作為析出相以及溶液中存在的Cr、Ni，使鋼表面的耐磨性顯著提高。

表3 所示為激光表面合金化改性的6 種模具鋼的組織性能[49-56]，由于所使用的材料不同，強化層的微觀結構發生了顯著變化，與熔覆技術相似，主要呈現為樹枝狀的形態。這不僅提高了其硬度，還增強了其耐磨耐蝕性能，對于中碳鋼，顯微硬度可達到715 HV。激光合金化技術的缺陷與熔覆技術有許多相似之處，如技術成本的上升，在某些應用場景中可能導致成本超過效益，與其他技術相比效益較低。

表3 激光表面合金化改性的模具鋼組織性能

4 激光淬火技術

4.1 微觀組織結構

激光淬火技術是通過激光將金屬材料表面加熱到相變點以上，通過材料冷卻讓奧氏體轉變成馬氏體，使材料表面組織發生硬化的一種方法[58]。王建軍等[59]對激光淬火后的不同區域的橫截面結構進行研究，P20 模具鋼在激光淬火前經過正火處理，過渡區域呈現良好的結合，組織未突變；淬火層細晶區的晶粒尺寸小于基體晶粒尺寸，整個淬火層為馬氏體組織，主要是針狀馬氏體和板條狀馬氏體。桑震[60]對經過激光表面淬火后的EX1 模具鋼進行研究，結果表明：熱影響區主要包括細小的板條狀馬氏體、殘留奧氏體和顆粒碳化物；由于激光淬火具有快速冷卻的特征，導致奧氏體形核來不及長大，淬火層組織呈現為細小的馬氏體，達到細晶強化的效果。

王文昌等[61]研究了激光淬火對Cr12MoV 的影響，由圖4 可見，滲硼層表面出現較多細小孔隙，且組織呈片狀層堆積。孔隙的產生是由于滲硼時溫度升高，一些不溶于硼化物的元素在硼化物晶界聚集成為孔核，同時原子熱運動更加頻繁導致空位濃度增多，在冷卻時聚集的空位坍塌，導致孔隙的形成。經激光淬火處理后試樣表面孔隙和片狀組織有所減少，這是由于激光淬火后發生了馬氏體相變，體積發生膨脹的緣故。

圖4 碳化物的顯微組織

4.2 性能特點

激光淬火技術常通過改變工藝參數來強化鋼的性能[62]，得到均勻、變形小的淬硬層。杜大明等[63]通過改變激光熱處理工藝提高40Cr鋼的硬度，結果表明：當激光功率為1 000 W，掃描速度為6 mm/s，光斑直徑為φ4 mm 時硬度最好，表面硬化層的硬度顯著提高。為了改善40CrNiMo 鋼的性能，李家漢等[64]對40CrNiMo 鋼進行激光淬火，在激光額定功率為5 000 W 時，淬硬層硬度[65]最高達950 HV，平均為600 HV 以上，耐磨能力提升為常規淬火的5 倍。LIU Y 等[66]采用CO2激光器對45 鋼表面進行淬火處理，掃描速度為1 000 mm/min，激光功率分別取1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 W，結果表明：隨著激光功率的提升，淬火層硬度的最大值先升后降，當功率為1 600 W時，硬度值最大為883 HV，磨損量最小（0.08 mm3），是未激光淬火45 鋼基體磨損量的6.4%。除此之外，還可在其他表面強化之后，進行激光淬火強化。E COLOMBINI 等[67]在離子滲氮熱化學處理后，采用激光淬火的方法提高了40CrMn?Mo7鋼的表面性能，結果表明：滲氮處理增加了鋼表面的耐磨性，同時降低了鋼表面的磨損系數。YAN M F 等[68]研究采用激光淬火技術（LQ）作為典型的離子滲氮處理工藝（PN）的后續工序來改善30CrMn?SiA 鋼的表面性能，結果表明：由于氮的引入降低了共析點，與PN和LQ處理相比，改性層的厚度和硬度得到了顯著提高。此外，經PN、LQ 工藝處理的滲層表現出比PN 處理試樣更好的耐磨性。根據X 射線衍射（XRD）分析，這主要歸因于殘余奧氏體和Fe3O4，殘余奧氏體和Fe3O4的形成，有利于提高沖擊的韌性，并在滑動過程中起到潤滑作用。激光淬火使材料發生了馬氏體相變，表面組織得到細化，達到硬化的效果，顯著提升硬度和摩擦性能。

表4 所示為激光淬火改性的8 種模具鋼的組織性能[59-68]，與其他技術不同，激光淬火的本質就是將微觀組織轉變為細小的馬氏體組織，這是因為馬氏體組織變密、位錯變大，因此硬度和耐磨性強化明顯，45鋼的硬度可達到883 HV。同時淬火技術不依賴其他涂層，通過基體材料進行強化，表面平整，不需要再多次加工處理，深度和面積可控。但是通過淬火進行強化有上限，如果需要的性能超過淬火強化的極限，只能改用其他技術或材料。

5 結束語

隨著國內外學者不斷深入研究激光對塑料模具鋼的表面處理，激光表面處理技術得到了發展，激光表面處理后，模具鋼表面的晶粒得以細化，同時提升了模具鋼的耐磨耐蝕性能。通過試驗研究不同工藝參數下激光表面處理對模具鋼耐磨性能的影響，并與傳統熱處理方法進行比較，激光表面處理技術存在以下優勢。

（1）通過運用激光表面熔凝技術，制備微晶改性層，可提升材料表面的耐磨性和疲勞抗性，對于一些共晶合金，其表面呈現非晶態，展現出卓越的抗腐蝕特性。

（2）由于其涂層少被基體材料稀釋，激光熔覆技術和激光合金化技術在保持原有成分完整性方面表現出色。相對于激光合金化技術，激光熔覆技術能夠更加精準地控制表面的成分和厚度，獲得與基體完全不同的表面涂層，以實現耐磨耐腐蝕的效果。

（3）利用激光進行表面合金化處理，可有效細化基體組織結構，優化顯微硬度分布，降低殘余應力。

（4）激光淬火技術以其低成本、高效率、無污染等優點脫穎而出。激光淬火是一種高精度的工件表面處理方法，其淬硬層均勻、硬度高、變形微小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制和自動化，同時工件變形可忽略不計。

隨著研究的深入，發現激光表面處理目前存在以下問題。

（1）在熔凝過程中，基體表面的平面度可能會發生變化，因此在后續階段需要對其進行二次加工處理。

（2）在激光表面熔凝技術和激光表面合金化技術的加工過程中，由于添加了具有卓越性能的涂層，這種材料的價格昂貴，增加了強化成本；另一方面，激光表面合金化過程是復雜的物理化學綜合作用的過程，隨著時間的推移，該參數的選擇變得越來越復雜，需要投入更多的精力探索適合的參數，這也導致準備工作和成本的不斷增加。

（3）在高性能要求的環境下，激光淬火技術需要選用更為優質的材料，因為其依賴于基體材料，強化也存在一定的上限。通常情況下，對零件表面進行激光淬火處理后再進行淬火處理不可能達到提高耐磨性的目的，這樣會導致組織惡化而使硬度下降。如果要超越淬火強化的極限，只能通過采用其他技術或材料實現。

為了滿足塑料模具鋼在惡劣環境下表面改性的需求，激光表面強化技術得到了進一步的推廣和發展，為該技術的廣泛應用和未來發展奠定了基礎。在未來的研究領域中，可以從多個角度對激光表面強化技術進行探究，以期獲得更為全面和深刻的認識。

（1）尋求更為卓越的材料，以達到更高的品質。無論是針對基體材質還是其他添加材料都可以進行研究，利用激光表面強化技術對表面改性材料進行優化，提升強化性能。

（2）探究不同的強化技術組合，以期達到更高效的效果。針對特定的鋼材，激光表面技術的使用可能會帶來負面影響，但采用其他強化技術則能有效降低或消除這種影響，因此需要將不同的強化技術進行兼容，并在更高的水平上持續強化，以達到更好的效果。

（3）為了應對工件處理面積更大、形狀更復雜的需求，應致力于研發新型激光器，同時開發相關輔助設備。在未來的研究中，必須重視能源的節約和環境的保護。

（4）研究激光表面改性的機理，并對工藝參數進行研究，以進一步提升其性能。當前的工藝參數種類有限，然而對于強化效果，其他參數的影響也不可忽視，因此，有必要在現有基礎上，研究其他參數組合對強化效果的影響。