激光淬火技术在模具表面处理中的应用与展望

　　模具行业的制造技术作为当今工业制造业的基础产业，直接影响着**制造业的水平。具有效率高、质量好、成本低、原材料节约等一系列优点。因此，模具行业的发展越来越受到重视。模具故障的主要形式是表面损伤。由于表面损坏，模具的使用寿命缩短，极大地影响了模具的经济效益。通常，人们主要从模具材料和表面改性两个方面探索和提高模具质量。国内外研究人员对提高模具表面硬度、耐磨性和耐疲劳性进行了大量研究，取得了大量成果。传统的表面处理工艺包括渗碳、渗氮、氮碳共渗、喷丸和硬化膜沉淀。随着激光技术的发展，激光表面强化技术的应用越来越广泛，特别是激光淬火硬化技术在提高模具的使用寿命方面发挥了重要作用。工件表面硬度高于常规淬火 硬化组织15%~20%，耐磨性大大提高，激光加热速度快，热影响区小，变形小，表面光洁度高，可作为更终加工工艺。激光表面淬火、激光表面熔化、激光表面合金化、激光表面合金化和激光熔化。其中激光表 表面淬火技术始于 20 世纪 70 与传统的热处理激光淬火技术相比，时间短，操作灵活 精度高。目前，激光相变技术已基本成熟，用于提高金属材料的表面硬度、耐磨性和疲劳寿命，并已广泛应用于机械行业。

　　1 激光表面硬化机理

　　类似于传统淬火后马氏体形成的机制，它们通过 过热和快速冷却，但激光淬火的热循环过程 不同的是，常规淬火后的组织是冷却介质（水或油） 激光淬火是利用激光停止照射后金属本身的热传导获得马氏体组织的铁基合金。主要有激光表面硬化(激光淬火) CO2 激光和 YAG 激光主要用于大面积黑金属零件的表面改性，后者主要用于有色金属或小面积 构件表面改性。高能密度激光束扫描需要改性的金属表面， 吸收光能后的温度 104～105 ℃/s 的速度瞬间 上升到奥氏体相变温度以上，熔点温度以下。如此快的加热过程有利于奥氏体核，获得小的奥氏体晶粒，然后大于自身 104 ℃/s 冷却速度快。由于加热时间短，冷却速度快，奥氏体时间不均匀，碳和合金元素分布不均匀。奥氏体和奥氏体组织成分的差异有利于更终获得小马氏体。马氏体和体和双胞胎 晶马氏体是激光淬火后常见的组织，位错密度高，一般可达 1012 ?cm?研究表明，超高硬度马氏体的重要条件是晶粒小，位错密度大。激光相变硬化通过快速加热和快速冷却，使工件表面产生较大的压应力， 一般可以达到大小 750 MPa 以上大大提高了材料的疲劳强度 C. Soriano 在研究激光淬火对球墨铸铁的影响时，发现淬火后的残余应力与组织的显微硬度和变化密切相关。

　　2 激光淬火区组织类型的组织类型

　　激光束在金属表面形成较高的温度梯度，导致材料中的原子迁移。不同结构组织层的形成与温度有关，主要表现为耐磨性 激光淬火后，硬度等性能也会发生相应的变化，金属材料可分为三层。 **层：相变硬化层。该层直接暴露在激光束下，温度升降更快，过热和过冷更大， 随着碳和各种合金元素的扩散和迁移，基体组织以瞬时切变的形式转化为奥氏体组织。元素原子总是热振动，振动能与温度密切相关。当温度较低时，原子的能量不足以克服周围原子的束缚；当温度上升到一定程度时，原子可以从原来的位置跳跃 从高浓度到低浓度度扩散到低浓度。动力学计算程序通常用于探索合金元素的扩散 DICTRA 来模拟。上海交通大 学何燕霖等对 Fe、Al、Si 合金中的元素在不同温度下进行扩散和迁移试验，表明计算结果与实验结果一致。虽然有元素扩散和迁移，但与传统淬火相比，扩散时间非常有限， 元素分布很不均匀，冷却后得到的组织很小，位错密度很高，层中的组织也不一样。

　　3 预处理材料表面影响相变硬化 层层性能的主要工艺参数

　　金属材料表面吸收光能的效率主要取决于材料的表面状态，加工后的模具表面较厚 粗糙度小，反射率高达 80%~90%。通常用于改善金属表面 激光金属表面的吸收效率。磷化法能在材料表面产生均匀细致的磷化酸金属盐磷化膜，对材料表面影响不大。喷涂一种能很好地吸收金属表面激光的涂层。涂层具有良好的热稳定性和高导热性。 金属表面预处理具有更大的优势 性，主要是涂料价格低，易于去除，涂料和激励 在光处理过程中，境[44]。例如纳米 氧化物涂料的温度达到 873 K 通常纳米氧化物涂层是正确的，它仍然可以保持高而稳定的吸收率 CO2 激光吸收 率达 93.57%。 模具表面的显微硬度和耐磨性直接受工艺参数的影响，以及材料的显微结构、晶粒尺寸和表面状态 淬火后的组织性能更终决定。主要工艺参数为：激光输出功率（P）、扫描速度（v）并作用于材料表面 上光斑尺寸（D）。激光淬火后三个参数的硬度 化层深度（H）影响如下： H∝P/(D×v) (1) ?激光相变硬化层的深度、深度和激度 光输出功率与材料表面的扫描速度和作用成正比 上光斑尺寸成反比。材料对激光的吸收率随之而来 随着温度的升高，关系是 TT=T20 ℃[1 ?U(T?20)]，其中 TT 激光材料的吸收率，T20 ℃ 材料在室温下的吸收率，U 为常数，T 为材料 的温度。必须考虑激光淬火的更佳效果 P、v、D 通过其他因素简化试验量 分析参数之间的相关性。江苏广播电视 吴健[46] 4Cr13 结果见表 1。

　　表 1 激光淬火正交试验的因素水平

　　由表 1 激光淬火工艺参数参数的影响 依次为 P→D→v→PD→Pv。硬化激光输出功率 当金属超过一定范围时，影响是矛盾的 熔池会形成表面温度超过熔化温度，影响金属表面的几何形状，否则激光强化效果会减弱。同样的扫描速度不能太快，尽管有 v 的增加，激 光淬火硬化效果增加，但当 v 超过临界值后，由 如果加热时间过短，激光淬火只能起到退火软化的作用。

　　4 激光淬火在模具表面处理中的应用

　　在处理模具时，激光淬火技术通常根据模具的形状特性和使用要求在指定区域内淬火。激光淬火后，模具表面的耐磨性明显高于传统的淬火和回火处理，从而延长了模具的有效使用时间。例如，福建农林大学徐洪烟研究了激光淬火后模具材料的性能变化。结果表明，模具表面组织的变化增强了其耐磨性和淬火后的残余应力 模具材料的抗疲劳性显著提高。樊湘芳等对 GCr15 激光表面淬火后，钢冲模母模表面硬度提高，母模腔抗冲击性提高，模具使用寿命提高 超过20%。常见的模具包括冷作模、热作模和塑料模， 激光淬火后，组织性能不同。表面淬火的主要目的是提高耐磨性和硬度。激光淬火后的组织和性能见表 2.用于加工的热模材料属于中碳钢。表面淬火的目的是提高高温耐磨性、耐热疲劳性和抗氧化性，但不需要高表面硬度。激光淬火后的组织和性能见表3。 从结构钢到工具钢，从碳钢到合金钢，塑料模具材料种类繁多。塑料模具对其表

　　钢激光表面淬火工艺参数常用于表2

　　钢激光表面淬火工艺参数常用于表3

　　表4常用的塑料模具钢激光表面淬火工艺参数

　　由表 2—4 激光淬火后，模具的显微硬度较高，模具表面激光淬火的几何形状 影响很小，可作为更终加工工艺。由于影响激光淬火过程的因素很多，大部分科研结论不能直接用于工业生产加工，一般作为参考。由于影响激光淬火过程的因素很多，大部分科研结论不能直接用于工业生产加工，一般作为参考。激光淬火工艺参数的选择受模具预定寿命、模具材料、模具厂环境等因素的影响。因此，激光淬火工艺的使用需要多次实践 实验和优化可变参数，以达到更合理的效果。

　　5 总结及展望

　　激光淬火技术的主要优缺点是：

　　1)自淬，不需要冷却介质，对环境无污染；

　　2)处理后，模具表面的显微硬度和耐磨性大大提高；

　　3)加热速度快，材料受热影响小，表面粗糙度好；

　　4)影响因素多，设备成本高；

　　5)温度试验装置精度低，使激光淬火难以控制模具表面硬化。

　　随着科学技术的不断发展，计算机模拟和热处理的数量 学习建模取得了很大进展，有利于激光淬火技术在材料表面处理过程中实现计算机自动化。

　　随着科学技术的不断发展，计算机模拟和热处理的数量 学习建模取得了很大进展，有利于激光淬火技术在材料表面处理过程中实现计算机自动化。

　　随着科学技术的不断发展，计算机模拟和热处理的数量 学习建模取得了很大进展，有利于激光淬火技术在材料表面处理过程中实现计算机自动化。此外，激光功率检测自动化的发展也进一步发展了激光淬火技术 步骤应用提供了便利。未来将继续优化激光淬火技术的过程，改进激光淬火技术与其它表面处理技术的结合。简而言之，随着激光淬火技术理论和实践的深入研究，该技术将得到更广泛的掌握和应用。