激光強(qiáng)化模具的材料替換技術(shù)

激光強(qiáng)化模具的材料替換技術(shù)
模具制造工藝根據(jù)工況要求，由材料選用、熱加工成坯、冷加工成型、熱處理強(qiáng)化、精加工、裝配構(gòu)成工藝體系。當(dāng)工作環(huán)境有新的要求，或廠家為了降低本錢，上述工藝環(huán)節(jié)可進(jìn)行重組，形成新的工藝體系。 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗(yàn)機(jī)|

在模具制造工藝體系中存在諸多無耐之舉。為了進(jìn)步大型模具的淬透性，必須采用高淬透性材料，以便淬硬模具工作層。高淬透性材料只有高合金鋼，該材料冶金、熱加工、熱處理工藝都很復(fù)雜，冷加工也有較大難度，造成模具制造本錢進(jìn)步。為了減輕這些因素的影響，某些只需局部強(qiáng)化的模具便采用高合金鋼鑲嵌模塊，基體則采用普通材料，做成組合模具，這樣一來便帶來模具精度的降低。

一、激光相變強(qiáng)化的金屬材料學(xué)

激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表層相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能量密度處于高端時(shí)，工件表面光斑處相當(dāng)于一個(gè)移動的坩堝，可完成一系列的冶金過程，包括表層重熔、表層增碳、表層合金化和表面熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替換技術(shù)，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

所謂激光相變強(qiáng)化，是以激光束快速掃描工件，受熱層在光斑移開時(shí)，由于工件基體的熱傳導(dǎo)作用使溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上的受熱層發(fā)生相變，完成相變強(qiáng)化過程。
相變強(qiáng)化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同材質(zhì)、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)硬度、層深可控。強(qiáng)化層深度，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測，鋼為0.7-lmm，鑄鐵為0.35—O.65mm。

在傳統(tǒng)熱處理工藝中影。向強(qiáng)化效果的技術(shù)因素，在激光相變強(qiáng)化中所起的作用發(fā)生很大變化。

1．淬透性

淬透性對于傳統(tǒng)整體淬火工藝來說是個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)指標(biāo)，它決定該材料是否能夠得到淬火組織，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化目的；而對于激光表面相變強(qiáng)化來說，該指標(biāo)無關(guān)緊要。

以大量使用的結(jié)構(gòu)鋼45鋼和高速工具鋼W18Cr4V為例，45鋼奧氏體最不穩(wěn)定的溫度是550℃左右，此時(shí)孕育時(shí)間約1s，如在1s之內(nèi)沒能越過550℃，奧氏體便開始分解并轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；W18Cr4V鋼奧氏體最不穩(wěn)定的溫度是750℃左右，此時(shí)孕育時(shí)間約8min左右，如在8min之內(nèi)能越過750℃，奧氏體便可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體。

在激光淬火中，當(dāng)用D＝5mm的光斑，υ＝1200mm／min速度掃描時(shí)，一個(gè)固定點(diǎn)的加熱時(shí)間是0.2s。

據(jù)現(xiàn)場測試，鋼質(zhì)件經(jīng)0.2s加熱可使距表面O.7—1mm處的溫度升到Ac3臨界溫度以上；反過來，當(dāng)工件的熱容量足夠大時(shí)，被加熱工件將以104—100℃／s的冷卻速度從Ac3臨界點(diǎn)溫度冷卻到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms以下。

所以不要說W18Cr4V的480s左右的孕育時(shí)間，就是45鋼的1s左右孕育時(shí)間，對于奧氏體越過珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域，完成馬氏體相變也綽綽有余。所以說，淬透性對于激光表面相變強(qiáng)化來說無關(guān)緊要。

2．彌散強(qiáng)化和畸變強(qiáng)化

激光相變強(qiáng)化是以高能量密度的激光束照射工件表面，使需要強(qiáng)化的部位瞬間吸收光能，溫度急劇上升，形成奧氏體，此時(shí)基體處于冷態(tài)，與加熱區(qū)之間有極高的溫度梯度，當(dāng)停止激光照射，加熱區(qū)因急冷而發(fā)生淬火，使金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體，表面層的奧氏體化時(shí)間約o.2s，最里層則是瞬間的，不管是表層,還是里層，奧氏體晶粒都沒有孕育長大的機(jī)會。彌散的奧氏體晶粒，形成彌散的馬氏體相，使馬氏體具有晶格強(qiáng)化的同時(shí)具有彌散強(qiáng)化效果。

而且，在激冷條件下形成的馬氏體晶格，比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。與此同時(shí)，殘余奧氏體也獲得極高的位錯(cuò)密度，從而使金屬材料具有畸變強(qiáng)化效果，強(qiáng)度大大進(jìn)步。

3．無氧化脫碳淬火

在傳統(tǒng)熱處理中，模具在加熱過程如沒有保護(hù)措施，便會發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，使模具的硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。

激光相變強(qiáng)化所使用的吸光涂料具有保護(hù)工件表面免遭氧化的性能。

4．激光強(qiáng)化的抗疲憊機(jī)理

影響金屬材料抗疲憊性能的原因之一是疲憊裂紋的萌生時(shí)間。磨損和疲憊在材料損傷過程交互促進(jìn)，磨損溝痕可成為疲憊裂紋的萌生點(diǎn)，加速疲憊裂紋的萌生，材料表面出現(xiàn)疲憊裂紋后，表面粗糙度嚴(yán)重惡化，磨損也將加劇。

用經(jīng)激光處理和未經(jīng)激光處理的Crl2MoV試樣做磨損對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激光處理試樣表面比較光滑、犁溝較淺、粘著現(xiàn)象較輕；而未經(jīng)激光處理的試樣磨損表面損傷嚴(yán)重，有明顯的犁溝和表面粘著斑痕，因此激光強(qiáng)化層具有較強(qiáng)的抗塑性變形和抗粘著磨損能力。

彌散強(qiáng)化、畸變強(qiáng)化和激光強(qiáng)化抗疲憊機(jī)理彌補(bǔ)了高合金材料中的碳化物耐磨因素。

5．等強(qiáng)工作層

常規(guī)熱處理由表及里其硬度值有一個(gè)明顯的下降梯度，經(jīng)激光強(qiáng)化的工件，整個(gè)強(qiáng)化層的硬度幾乎一樣。

常規(guī)熱處理的冷卻方向是由表及里，表面的冷卻速度最快，由表及里冷卻速度逐漸降低，所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布。

激光相變強(qiáng)化的加熱方向由表及里，不僅表面溫度較高，而且加熱時(shí)間較長，可達(dá)0.2-0.25s，而里層奧氏體化則是瞬間完成，使得表層奧氏體中有更高的c濃度。激光淬火冷卻方向卻與常規(guī)熱處理相反，是由里及表，里層溫度雖低，但冷卻速度最快，外表溫度雖高，但冷卻速度最慢，固然里層c濃度稍低，但畸變強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化更強(qiáng)烈。

這樣在硬化層內(nèi)就形成了幾乎不變的硬度值分布。激光強(qiáng)化件等強(qiáng)工作層避免了常規(guī)熱處理件在一旦表面出現(xiàn)磨損，其磨損速度便加速的現(xiàn)象。

6．鑄鐵模具的淬硬性

鑄鐵因具有優(yōu)異的鑄造性能和耐磨性能，而被廣泛用作模具材料。但是，由于鑄鐵模具的材料性能未被全面熟悉，所以市場中的鑄鐵模具的使用效果差異極大。

鑄鐵模具強(qiáng)化是通過基體的相變強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)的，鑄鐵模具的淬硬性也取決于基體的組織。基體組織的鐵素體含量低，則鑄鐵模具的淬硬性變高；基體組織的鐵素體含量高，則鑄鐵模具的淬硬性就差。

鑄鐵中的含碳量對于基體獲得100％珠光體有充足的碳源，但是，假如鑄造工藝過程石墨化動力太強(qiáng)，基體則會出現(xiàn)區(qū)域的碳被完全石墨化，使基體中的這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)鐵素體，甚至使整個(gè)基體出現(xiàn)50％以上的鐵素體。此類牌號的鑄鐵模具是不耐磨的，通過相變強(qiáng)化進(jìn)步耐磨性能的潛力也比較小。

此外，由于鑄鐵件生產(chǎn)裝備不需要太多的投資，市場上便有大量簡易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來的鑄鐵模具。簡易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來的鑄鐵模具有三個(gè)特點(diǎn)：

(1)鑄造缺陷多。
(2)組織粗大，尤其是石墨粗大。
(3)無法控制石墨化程度，基體鐵素體含量高。

二、材料替換方案

金屬材料激光表面強(qiáng)化技術(shù)可用于金屬材料的表面強(qiáng)化，解決整體強(qiáng)化和其他表面強(qiáng)化手段難以克服的矛盾；激光表面強(qiáng)化技術(shù)也可用于金屬材料的表面改性，獲得低等級材料的高性能表層，進(jìn)步工件的耐磨性、耐腐蝕性。

1．冷作模具的材料替換技術(shù)

冷作模具要求材料具有強(qiáng)度、韌性、耐磨、抗疲憊和咬合抗力性能。

冷作模具采用中高碳碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵經(jīng)激光相變強(qiáng)化后代替用傳統(tǒng)工藝的高等級材料，存在廣泛的技術(shù)應(yīng)用空間，固然冷作模具廣泛采用的高合金鋼具有合金碳化物的獨(dú)特耐磨效果，但是激光相變強(qiáng)化因其彌散強(qiáng)化、畸變強(qiáng)化、加工過程和熱處理過程無氧化無脫碳和具有等強(qiáng)工作層，可以彌補(bǔ)高合金鋼具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光強(qiáng)化的工藝靈活上風(fēng)在材料替換技術(shù)領(lǐng)域可得到更廣泛應(yīng)用。

(1)大型件

在傳統(tǒng)工藝體系中，大型模具有兩條工藝路線：一是采用高淬透性材質(zhì)，確保工作部位能夠淬硬；二是工作部位采用鑲嵌模塊單獨(dú)淬火，然后與基體拼裝成組合模具。

大型工件高淬透性材料除了材料本身的價(jià)格高外，材料成型的熱加2／221．藝和熱處理工藝復(fù)雜，淬火前后的組織比體積變化大，模具的體積變化自然也大，裝配精加工的工作量也大，這都是進(jìn)步制造本錢的重要因素。

組合模具方案固然材料本錢增加未幾，但成型加工和裝配本錢明顯進(jìn)步，更為嚴(yán)重的是降低了模具的精度。

廣州某模具廠燒烤爐上蓋拉伸凹模，約1.7t，原采用組合模具工藝，拉伸摩擦面采用Crl2，非摩擦面采用T10；激光強(qiáng)化工藝的模具整體選用45鋼或TIO，試用效果良好，而且降低材料本錢約41.7％，同時(shí)降低加工本錢35.8％。

(2)局部強(qiáng)化件

大部分模具并不要求整個(gè)模面都必須強(qiáng)化，如某家電企業(yè)沖壓家電外殼的模具只要求凸塊邊沿耐磨，為了保證沖壓質(zhì)量和模具使用壽命，原先采用Crl2MoV高檔模具鋼，固然滿足了使用要求，但Crl2MoV成型工藝和熱處理工藝復(fù)雜，本錢高。改用普通碳素鋼50鋼，并只對凸塊邊沿進(jìn)行激光強(qiáng)化，滿足了使用要求，也降低了本錢。

(3)鑄鐵模具

鑄鐵模具的強(qiáng)化潛力取決于基體組織是否是珠光體。假如基體組織有太多的鐵素體，將降低材料的淬硬性。所以鑄鐵模具的材料替換以進(jìn)步強(qiáng)化潛力為目標(biāo)。以國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，球墨鑄鐵需選QT600以上，蠕墨鑄鐵需選RT380以上，灰鑄鐵需選HT200以上的牌號。目前市場大量存在HTl50模具，這類模具采用相變強(qiáng)化效果不佳。

塑料模具的工作溫度在350t以下時(shí)具有冷作模具相同的材料替換技術(shù)空間。

2．熱作模具的材料替換技術(shù)

熱作模具材料除了要求具有強(qiáng)度、韌性、耐磨、抗疲憊和咬合抗力性能外，對紅硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材質(zhì)激光相變強(qiáng)化代替不了高合金鋼所具有的抗高溫性能。模具再制造技術(shù)和激光熔覆可使碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵具有抗高溫性能。

(1)模具再制造技術(shù)
在模具損壞或缺陷部位采用激光熔覆工藝熔覆特定的合金材料，使其與基體金屬材料形成良好的冶金結(jié)合，這種修復(fù)處理不僅僅對模具形貌進(jìn)行修補(bǔ)，而且進(jìn)步了修復(fù)部位的性能，是一種增強(qiáng)型修復(fù)。我們把這種業(yè)已用于模具修復(fù)的激光表面熔覆稱之為模具的再制造技術(shù)。

(2)激光熔覆
采用中高碳素鋼和低合金鋼代替熱作模具鋼來制造熱作模具，在工作部位激光表面熔覆厚度可控的一層具有耐熱性能的合金，這就是熱作模具的材料替換技術(shù)。
塑料模具的工作溫度在400℃以上時(shí)可用熱作模具相同的材料替換技術(shù)。

三、模具材料替換技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化條件

冷作模具和工作溫度在350℃以下的塑料模具材料替換技術(shù)所需的產(chǎn)業(yè)化條件是：激光加工裝備；模具激光強(qiáng)化工藝技術(shù)。廣州富通光科技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的“富通多功能激光加工系統(tǒng)”集光機(jī)電一體化，可對大型模具(1100mmx8000mm)進(jìn)行激光表面相變強(qiáng)化和激光熔覆。

熱作模具和工作溫度在400℃以上的塑料模具的材料替換技術(shù)所需的產(chǎn)業(yè)化條件除了激光加工裝備外，還需激光熔覆用的材料和附屬設(shè)備：

(1)合金粉末和合金焊絲
目前國內(nèi)外生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基，鉆基和鐵基三大類。WC型自熔性合金粉末，是在上述三大類合金中加進(jìn)一定量的高硬度WC制成的。富通公司生產(chǎn)的合金粉末系列屬于鎳基合金粉末，同時(shí)還生產(chǎn)送絲堆焊合金絲。
(2)廣州駿凱電子公司研制生產(chǎn)的“FS—1型送粉器”，是配合富通激光加工設(shè)備完成激光熔覆的送料系統(tǒng)，該送粉器可配合寬帶聚焦鏡，也可配合窄帶聚焦鏡使用。
(3)廣州駿凱電子公司研制生產(chǎn)的“JRS—Ⅱ型激光熔覆送絲機(jī)”可配合富通激光加工設(shè)備使用，是送料系統(tǒng)的一種。

四、結(jié)論

由于激光相變強(qiáng)化具有彌散強(qiáng)化、畸變強(qiáng)化無氧化脫碳淬火、獨(dú)特的抗疲憊機(jī)理和等強(qiáng)工作層等強(qiáng)化機(jī)制，加之對材料的淬透性適應(yīng)性極強(qiáng)，可以克服大型模具和需要局部強(qiáng)化的模具的諸多技術(shù)難點(diǎn)，通過采用材料替換技術(shù)，進(jìn)步或不降低冷作模具和工作溫度在350℃以下的塑料模具使用性能，大幅度降低模具制造本錢。

通過模具再制造技術(shù)和激光熔覆實(shí)現(xiàn)熱作模具和工作溫度在400~C以上的塑料模具的材料替換，進(jìn)步模具的使用性能，降低模具的制造本錢。

目前我國用于激光相變強(qiáng)化和激光熔覆的激光加工裝備，以及激光熔覆用的材料和模具激光強(qiáng)化工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，具備產(chǎn)業(yè)化條件。