摘 要：介紹了用于模具表面的激光強(qiáng)化加工系統(tǒng)和激光強(qiáng)化工藝方法，討論了激光強(qiáng)化模具表面的硬化層深度和耐磨性能與激光強(qiáng)化工藝參數(shù)之間的關(guān)系，采用激光強(qiáng)化技術(shù)能大幅度提高模具的使用壽命。
關(guān)鍵詞：激光強(qiáng)化；模具；磨損/壽命
隨著我國(guó)汽車、家電工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)模具工業(yè)提出了更高的要求。如何提高模具的加工質(zhì)量和使用壽命，一直是人們不斷探索的課題。采用表面強(qiáng)化處理是提高模具質(zhì)量和使用壽命的重要途徑，它對(duì)于改善模具的綜合性能、大幅度降低成本、充分發(fā)揮傳統(tǒng)模具的潛力，具有十分重要的意義。常用的模具表面強(qiáng)化處理工藝有化學(xué)熱處理(如滲碳、碳氮共滲等)、表面復(fù)層處理(如堆焊、熱噴涂、電火花表面強(qiáng)化、PVD和CVD等)、表面加工強(qiáng)化處理(如噴丸等)。這些方法大多工藝較為復(fù)雜，處理周期較長(zhǎng)，處理后存在較大變形。近年來(lái)，隨著大功率激光器的出現(xiàn)及激光加工技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用日趨廣泛、成熟，為模具表面的強(qiáng)化提供了一種新的技術(shù)途徑。
1 激光表面強(qiáng)化處理方法
激光用于表面處理的方法多，其中包括：激光相變硬化(LTH)，激光表面熔化處理(LSM)，激光表面涂覆及合金化(LSC/LSA)，激光表面化學(xué)氣相沉積(LCVD)，激光物理氣相沉積(LPVD)，激光沖擊(LSH)和激光非晶化等，其中已被研究用于提高模具壽命的方法有激光相變硬化和激光表面熔覆和合金化，本文主要討論利用激光相變硬化技術(shù)提高模具壽命的機(jī)理和方法。
激光相變硬化(激光淬火)是利用激光輻照到金屬表面，使其表面以很高的升溫速度迅速達(dá)到相變溫度而形成奧氏體，當(dāng)激光束離開(kāi)后，利用金屬本身熱傳導(dǎo)而發(fā)生“自淬火”，使金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)淬火方法相比，激光淬火是在急熱、急冷過(guò)程中進(jìn)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(xì)化、高位錯(cuò)密度等。其淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15%～20%。淬硬層深度可達(dá)0.1～2.5mm，因而可大大提高模具的耐磨性，延長(zhǎng)模具的使用壽命。
2 激光強(qiáng)化加工系統(tǒng)的組成
圖1為一個(gè)具有多軸聯(lián)動(dòng)的激光強(qiáng)化加工系統(tǒng)工作原理示意圖。它由三部分組成：第一部分為激光器系統(tǒng)，由激光頭、激勵(lì)電源、冷卻系統(tǒng)和諧振腔參數(shù)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(dǎo)到待處理零件表面，同時(shí)對(duì)激光束進(jìn)行空間強(qiáng)度分布的變換，以滿足對(duì)模具表面不同受力部位進(jìn)行有效的強(qiáng)化處理。光束經(jīng)變換后即可在模具表面產(chǎn)生所需的強(qiáng)化單元，通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)即可對(duì)模具的三維曲面進(jìn)行可控的、快速和有效的強(qiáng)化處理；第三部分為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，控制激光工作頭和數(shù)控工作臺(tái)等多軸運(yùn)動(dòng)，其激光束相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡決定了強(qiáng)化的帶形狀，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模具表面的激光強(qiáng)化處理。
圖1 激光強(qiáng)化加工系統(tǒng)的組成
3 激光強(qiáng)化處理工藝
3.1 工件表面預(yù)處理涂層
當(dāng)激光器確定后，金屬材料對(duì)激光的吸收能力主要取決于其表面狀態(tài)。一般需激光處理的金屬材料表面都經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可達(dá)80%～90%，使大部分激光能量被反射掉。為了提高金屬表面對(duì)激光的吸收率，在激光熱處理前要對(duì)材料表面進(jìn)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(duì)激光有較高吸收能力的涂料。
表面預(yù)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。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等。也有直接使用碳素墨汁和無(wú)光漆作為預(yù)處理涂料的。對(duì)于有些低碳鋼材料，在其表面用炭黑粉末處理，在進(jìn)行激光淬火時(shí)可起滲碳作用。我們采用上海光機(jī)所研制的黑化溶液(86-1型)，其處理方法簡(jiǎn)單，可直接噴刷在工件表面，激光吸收率達(dá)90%以上。
3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化
激光相變硬化工藝參數(shù)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(guān)系：H=P/(D．v)。為了得到最優(yōu)工藝參數(shù)，基本方法是根據(jù)已有成功的資料，確定一個(gè)工藝參數(shù)范圍，再以P、D、v三個(gè)因子，各取三個(gè)水平，做出正交試驗(yàn)表在試件上進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖2為汽車尾燈支架拉深模具所采用的材料Cr-Mo鑄鐵，在不同掃描速度下，激光功率與硬化層深的關(guān)系曲線。圖3為不同的激光功率下，掃描速度與硬化層的關(guān)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4為在激光功率P=1200W，掃描速度v=15mm/s，光斑直徑D=4.5mm的工藝參數(shù)條件下，淬火層的硬度及硬化層深之間的關(guān)系。從中可看出，經(jīng)激光處理后材料表面的硬度有較為顯著的提高。
圖2 激光功率、掃描速度與硬化層關(guān)系曲線
1——6mm/s 2——15mm/s 3——25mm/s
圖3 不同激光功率下掃描速度與硬化層關(guān)系曲線
1——600W 2——1000W 3——1500W
圖4 硬度沿硬化層深分布
4 硬化層殘余應(yīng)力和耐磨性能
在激光硬化處理過(guò)程中，金屬材料表面組織結(jié)構(gòu)的變化及表面相對(duì)于材料內(nèi)部溫差的產(chǎn)生和消失，必將產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小和分布狀況對(duì)模具的實(shí)用性能有很大影響，激光硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力沿淬硬層深的分布情況如圖5。由圖5可見(jiàn)，激光相變硬化在模具表面產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，能有效地防止疲勞裂紋的產(chǎn)生，提高模具的疲勞壽命。
圖5 殘余應(yīng)力沿硬化層深分布
模具表面的耐磨性能與材料的顯微結(jié)構(gòu)、晶粒大小、硬度高低、表面狀態(tài)等多種因素有關(guān)，而這些因素又受處理工藝參數(shù)的影響，因而激光強(qiáng)化的工藝參數(shù)直接影響模具的耐磨性能。圖6和圖7為激光功率及掃描速度對(duì)35CrMn鋼耐磨性能的影響。由圖可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)掃描速度一定時(shí)，提高功率耐磨性有所增加；在功率一定時(shí)，掃描速度的提高也有助于提高耐磨性。圖8為42CrMo材料經(jīng)激光處理(P=1200W,v=55mm/s,D=3.5mm)后與常規(guī)處理之間的磨損對(duì)比，可見(jiàn)采用激光強(qiáng)化技術(shù)能大大提高材料的耐磨性能。
圖6 激光功率的影響(v=20mm/s)
圖7 掃描速度的影響(P=1800W)
圖8 耐磨性對(duì)比
5 結(jié)論
通過(guò)對(duì)幾種不同的模具材料所進(jìn)行的激光強(qiáng)化處理，并與實(shí)際工作情況進(jìn)行檢查對(duì)比，表明采用激光強(qiáng)化技術(shù)能大幅度提高模具的使用壽命，而冷沖模的強(qiáng)化效果更為明顯。如對(duì)T8A鋼制造的沖頭和Cr12Mo鋼制造的凹模進(jìn)行激光硬化處理，激光硬化層為0.15mm，硬度為1200HV，使用壽命明顯增加，由沖壓2.5萬(wàn)件提高到10萬(wàn)件，即壽命提高3～4倍。采用激光強(qiáng)化技術(shù)，其優(yōu)越性在于：
(1)可根據(jù)模具的形狀特點(diǎn)、使用要求在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，且對(duì)表面質(zhì)量沒(méi)有任何損傷。經(jīng)激光處理后的模具，不需后續(xù)加工即可直接投入生產(chǎn)使用，從而降低了模具的制造成本。
(2)通過(guò)編制專用的激光強(qiáng)化處理軟件，可實(shí)現(xiàn)激光處理工藝參數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化、處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)控及激光處理后表面組織結(jié)構(gòu)和性能的計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)模具的復(fù)雜形狀和人工智能化的表面處理。
(3)采用激光熔覆和合金化等技術(shù)，可在廉價(jià)金屬材料表層得到任意成分的合金和相應(yīng)的微觀組織，從而獲得良好的綜合機(jī)械性能，改善和提高材料表面的耐磨、耐蝕和耐熱性能。這些技術(shù)用于報(bào)廢模具的修復(fù)和強(qiáng)化，具有較為廣泛的市場(chǎng)前景
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