激光淬火技術(shù)在模具表面處理中的應(yīng)用

模具行業(yè)作為當(dāng)今工業(yè)制造的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其制造技術(shù)的高低直接影響著國(guó)家制造業(yè)的水平，通過(guò)模具生產(chǎn)產(chǎn)品，具有效率高、質(zhì)量好、成本低、節(jié)省原材料等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此模具行業(yè)發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視。在實(shí)際應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)模具失效的主要形式是表面損傷，由于表面損傷而縮短了模具的使用壽命，在很大程度上影響著模具的經(jīng)濟(jì)效益，通常人們主要從模具材料和表面改性兩個(gè)方面探索改善模具質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)模具表面的硬度、耐磨性、耐疲勞等性能的改善做了許多的研究，同時(shí)也獲得了許多成就。傳統(tǒng)的表面處理工藝有滲碳、滲氮、氮碳共滲、噴丸與硬化膜沉淀等技術(shù)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，特別是激光淬火硬化技術(shù)對(duì)提高模具的使用壽命起到了很大的作用。激光硬化處理后的工件表面硬度高，比常規(guī)淬火高 15%～20%，可獲得極細(xì)的硬化組織，耐磨性也得到很大的提高，而且激光加熱速度快，因而熱影響區(qū)小、變形小、表面光潔度高，故可作為最后的加工工序。激光主要的改性方式有：激光表面淬火、激光表面熔覆、激光表面合金化、激光熔凝。其中激光表 面淬火技術(shù)開(kāi)始于 20 世紀(jì) 70 年代中期，與傳統(tǒng)熱處理激光淬火技術(shù)相比，具有加工時(shí)間短、操作靈活 和精度高等優(yōu)點(diǎn)。如今激光相變技術(shù)在用于提高金屬材料的表面硬度、耐磨性、疲勞壽命等方面已經(jīng)基本成熟，在機(jī)械行業(yè)也得到日益廣泛的應(yīng)用。

1 激光表面硬化機(jī)理 

與傳統(tǒng)淬火后馬氏體形成的機(jī)理類似，都是通 過(guò)加熱和迅速冷卻，但激光淬火的熱循環(huán)過(guò)程有所 不同，常規(guī)淬火后的組織是通過(guò)冷卻介質(zhì)（水或油） 快速冷卻，而激光淬火是鐵基合金在激光停止照射后，利用金屬本身的熱傳導(dǎo)發(fā)生“自淬火”而得到馬氏體組織。激光表面硬化（激光淬火）主要有 CO2 激光和 YAG 激光，前者多用于黑色金屬大面積零件的表面改性，后者多用于有色金屬或小面 積零件的表面改性。它是通過(guò)高能密度的激光束以非接觸的方式掃描需要改性部位的金屬表面上， 使其吸收光能后溫度以 104～105 ℃/s 的速度瞬間 升高到奧氏體相變溫度以上，熔點(diǎn)溫度以下。如此快的升溫過(guò)程有益于奧氏體形核，得到細(xì)小的奧氏體晶粒，隨后自身又以大于 104 ℃/s 冷卻速度進(jìn)行熱傳遞急速冷卻，由于加熱時(shí)間短，冷卻速度過(guò)快使奧氏體來(lái)不及均勻化，導(dǎo)致碳和合金元素分布不均，晶粒細(xì)小的奧氏體和奧氏體組織成分的差異都有利于最終獲得細(xì)小的馬氏體。板條狀馬氏體和孿 晶馬氏體是在經(jīng)激光淬火后常見(jiàn)的組織，其具有很高的位錯(cuò)密度，一般可達(dá) 1012 cm?2。研究表明晶粒細(xì)小、極大的位錯(cuò)密度是獲得超高硬度馬氏體的重要條件。激光相變硬化是通過(guò)迅速升溫與迅速冷卻的加工方式，使工件表面產(chǎn)生極大的壓應(yīng)力， 大小一般可達(dá) 750 MPa 以上，在很大程度上改善了材料的疲勞強(qiáng)度，而且 C. Soriano 在研究激光淬火對(duì)球墨鑄鐵的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)淬火后的殘余應(yīng)力與組織的顯微硬度、顯微組織轉(zhuǎn)變有很大關(guān)系。 

2 激光淬火區(qū)不同深度的組織類型 

激光束照射在金屬表面會(huì)形成較高的溫度梯度，從而引起材料中的原子遷移現(xiàn)象，在一定深度范圍內(nèi)，不同結(jié)構(gòu)的組織層的形成與溫度有關(guān)，主要表現(xiàn)為隨溫度梯度分布的變化，組織的耐磨性、 硬度以及其他性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，激光淬火后，金屬材料可按其組織層的不同可以分成三層。 一層：相變硬化層。該層直接受到激光束的照射，溫度升高和降低最快，過(guò)熱度和過(guò)冷度大， 在非平衡狀態(tài)下，基體組織以瞬間切變的形式轉(zhuǎn)為奧氏體組織，并伴隨著碳及各種合金元素進(jìn)行擴(kuò)散和遷移。元素原子時(shí)刻進(jìn)行著熱振動(dòng)，振動(dòng)的能量與溫度有密切關(guān)系，當(dāng)溫度較低時(shí)，原子所具有的能量不足以克服周圍原子對(duì)其束縛；當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，原子可跨越勢(shì)壘，由原來(lái)的位置躍遷 到其他位置，合金等元素由高濃度向低濃度擴(kuò)散和遷移。為了探究合金元素的擴(kuò)散情況，人們通常采用動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序 DICTRA 來(lái)模擬。上海交通大 學(xué)何燕霖等對(duì) Fe、Al、Si 合金中的元素進(jìn)行了不同溫度下元素?cái)U(kuò)散和遷移實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。盡管有元素?cái)U(kuò)散和遷移，但是與常規(guī)的淬火相比，其擴(kuò)散時(shí)間非常有限， 使元素分布很不均勻，最終冷卻后得到的組織非常細(xì)小，位錯(cuò)密度極高，而且在該層中的組織也不盡相同。

3 材料表面預(yù)處理與影響相變硬化 層性能的主要工藝參數(shù) 

金屬材料表面吸收光能的效率主要取決于材料的表面狀態(tài)，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的模具，其表面粗 糙度很小，其反射率高達(dá) 80%～90%。通常用磷化法、噴涂涂料法對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理，以提高 金屬表面對(duì)激光的吸收效率。通過(guò)磷化法可以在材料表面生成均勻、細(xì)致的磷化酸金屬鹽磷化膜，其對(duì)材料表面的影響較小。噴涂涂料法是在金屬表面涂上能夠很好吸收激光的涂層，在高功率激光的照射下，涂層具有很好的熱穩(wěn)定性，且導(dǎo)熱性高。 噴涂法工藝在金屬表面預(yù)處理中具有更大的優(yōu)越 性，主要是涂料價(jià)格低廉、容易清除，在涂敷及激 光處理過(guò)程中，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染[44]。例如納米 氧化物涂料，在溫度達(dá)到 873 K 時(shí)仍能保持高而穩(wěn)定的吸收率，通常納米氧化物涂料對(duì) CO2 激光吸收 率達(dá) 93.57%。 模具表面的顯微硬度、耐磨性與材料的顯微結(jié)構(gòu)、晶粒大小、表面狀態(tài)等因素有關(guān)，而這些因素直接受到工藝參數(shù)的影響，吸收激光能量的程度最 終決定淬火后的組織性能。主要工藝參數(shù)有：激光輸出功率（P）、掃描速度（v）和作用在材料表面 上的光斑尺寸（D）。三個(gè)參數(shù)對(duì)激光淬火后的硬 化層深度（H）的影響關(guān)系式為： H∝P/(D×v) (1) 由式（1）可知，激光相變硬化層的深度與激 光輸出功率成正比，與掃描速度和作用在材料表面 上的光斑尺寸成反比。而且材料對(duì)激光的吸收率隨 著溫度的升高而增加，關(guān)系式為 TT=T20 ℃[1+ U(T?20)]，其中 TT 為材料對(duì)激光的吸收率，T20 ℃ 為室溫條件下材料的吸收率，U 為常數(shù)，T 為材料 的溫度。為了使激光淬火效果達(dá)到佳，必須考慮 P、v、D 等因素影響，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)量，可以通過(guò) 正交試驗(yàn)法分析各參數(shù)之間的相關(guān)性。江蘇廣播電 視大學(xué)吳健[46]對(duì) 4Cr13 不銹鋼進(jìn)行了正交試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表 1。

表 1 激光淬火正交試驗(yàn)的因素水平 

由表 1 可知，激光淬火工藝參數(shù)中的影響效果 依次為 P→D→v→PD→Pv。激光輸出功率對(duì)硬化 效果的影響是矛盾的，當(dāng)其超過(guò)一定范圍時(shí)，金屬 表面由于溫度超過(guò)了熔化溫度會(huì)形成熔池，影響金屬表面的幾何形狀，反之激光強(qiáng)化效果將會(huì)減弱。同樣掃描速度也不能過(guò)快，雖然隨著 v 的增加，激 光淬火硬化效果增加，但是當(dāng) v 超過(guò)臨界值后，由 于加熱時(shí)間過(guò)短，激光淬火只能起到退火軟化作用。