激光强化模具的材料替代技术

　　模具制造工艺根据工况要求，由材料选用、热加工成坯、冷加工成型、热处理强化、精加工、装配构成工艺体系。当工作环境有新的要求，或厂家为了降低成本，上述工艺环节可进行重组，形成新的工艺体系。

　　在模具制造工艺体系中存在诸多无耐之举。为了提高大型模具的淬透性，必须采用高淬透性材料，以便淬硬模具工作层。高淬透性材料只有高合金钢，该材料冶金、热加工、热处理工艺都很复杂，冷加工也有较大难度，造成模具制造成本提高。为了减轻这些因素的影响，某些只需局部强化的模具便采用高合金钢镶嵌模块，基体则采用普通材料，做成组合模具，这样一来便带来模具精度的降低。

　　一、激光相变强化的金属材料学

　　激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表层相变强化，当激光束能量密度处于高端时，工件表面光斑处相当于一个移动的坩埚，可完成一系列的冶金过程，包括表层重熔、表层增碳、表层合金化和表面熔覆。这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带来巨大的经济效益。

　　所谓激光相变强化，是以激光束快速扫描工件，受热层在光斑移开时，由于工件基体的热传导作用使温度达到临界点以上的受热层发生相变，完成相变强化过程。

　　相变强化工艺具有表面质量好的优点，可根据不同材质、工件热容量大小、以及激光处理工艺参数的不同，实现硬度、层深可控。强化层深度，根据试验实测，钢为0.7-lmm，铸铁为0.35—O.65mm。

　　在传统热处理工艺中影。向强化效果的技术因素，在激光相变强化中所起的作用发生很大变化。

　　1．淬透性

　　淬透性对于传统整体淬火工艺来说是个至关重要的技术指标，它决定该材料是否能够得到淬火组织，实现强化目的；而对于激光表面相变强化来说，该指标无关紧要。

　　以大量使用的结构钢45钢和高速工具钢W18Cr4V为例，45钢奥氏体最不稳定的温度是550℃左右，此时孕育时间约1s，如在1s之内没能越过550℃，奥氏体便开始分解并转变为珠光体；W18Cr4V钢奥氏体最不稳定的温度是750℃左右，此时孕育时间约8min左右，如在8min之内能越过750℃，奥氏体便可转变为马氏体或贝氏体。

　　在激光淬火中，当用D＝5mm的光斑，υ＝1200mm／min速度扫描时，一个固定点的加热时间是0.2s。

　　据现场测试，钢质件经0.2s加热可使距表面O.7—1mm处的温度升到Ac3临界温度以上；反过来，当工件的热容量足够大时，被加热工件将以104—100℃／s的冷却速度从Ac3临界点温度冷却到马氏体开始转变温度Ms以下。

　　所以不要说W18Cr4V的480s左右的孕育时间，就是45钢的1s左右孕育时间，对于奥氏体越过珠光体转变区域，完成马氏体相变也绰绰有余。所以说，淬透性对于激光表面相变强化来说无关紧要。

　　2．弥散强化和畸变强化

　　激光相变强化是以高能量密度的激光束照射工件表面，使需要强化的部位瞬间吸收光能，温度急剧上升，形成奥氏体，此时基体处于冷态，与加热区之间有极高的温度梯度，当停止激光照射，加热区因急冷而发生淬火，使金属表面发生马氏体转变。

　　在此工艺环境下形成的奥氏体，表面层的奥氏体化时间约o.2s，最里层则是瞬间的，不管是表层,还是里层，奥氏体晶粒都没有孕育长大的机会。弥散的奥氏体晶粒，形成弥散的马氏体相，使马氏体具有晶格强化的同时具有弥散强化效果。

　　而且，在激冷条件下形成的马氏体晶格，比常规淬火有更高的缺陷密度。与此同时，残余奥氏体也获得极高的位错密度，从而使金属材料具有畸变强化效果，强度大大提高。

　　3．无氧化脱碳淬火

　　在传统热处理中，模具在加热过程如没有保护措施，便会发生氧化、脱碳现象，使模具的硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。

　　激光相变强化所使用的吸光涂料具有保护工件表面免遭氧化的性能。

　　4．激光强化的抗疲劳机理

　　影响金属材料抗疲劳性能的原因之一是疲劳裂纹的萌生时间。磨损和疲劳在材料损伤过程交互促进，磨损沟痕可成为疲劳裂纹的萌生点，加速疲劳裂纹的萌生，材料表面出现疲劳裂纹后，表面粗糙度严重恶化，磨损也将加剧。

　　用经激光处理和未经激光处理的Crl2MoV试样做磨损对比试验，发现激光处理试样表面比较光滑、犁沟较浅、粘着现象较轻；而未经激光处理的试样磨损表面损伤严重，有明显的犁沟和表面粘着斑痕，因此激光强化层具有较强的抗塑性变形和抗粘着磨损能力。

　　弥散强化、畸变强化和激光强化抗疲劳机理弥补了高合金材料中的碳化物耐磨因素。

　　5．等强工作层

　　常规热处理由表及里其硬度值有一个明显的下降梯度，经激光强化的工件，整个强化层的硬度几乎一样。

　　常规热处理的冷却方向是由表及里，表面的冷却速度最快，由表及里冷却速度逐渐降低，所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布。

　　激光相变强化的加热方向由表及里，不仅表面温度较高，而且加热时间较长，可达0.2-0.25s，而里层奥氏体化则是瞬间完成，使得表层奥氏体中有更高的c浓度。激光淬火冷却方向却与常规热处理相反，是由里及表，里层温度虽低，但冷却速度最快，外表温度虽高，但冷却速度最慢，虽然里层c浓度稍低，但畸变强化和弥散强化更强烈。

　　这样在硬化层内就形成了几乎不变的硬度值分布。激光强化件等强工作层避免了常规热处理件在一旦表面出现磨损，其磨损速度便加速的现象。

　　6．铸铁模具的淬硬性

　　铸铁因具有优异的铸造性能和耐磨性能，而被广泛用作模具材料。但是，由于铸铁模具的材料性能未被全面认识，所以市场中的铸铁模具的使用效果差异极大。

　　铸铁模具强化是通过基体的相变强化实现的，铸铁模具的淬硬性也取决于基体的组织。基体组织的铁素体含量低，则铸铁模具的淬硬性变高；基体组织的铁素体含量高，则铸铁模具的淬硬性就差。

　　铸铁中的含碳量对于基体获得100％珠光体有充足的碳源，但是，如果铸造工艺过程石墨化动力太强，基体则会出现区域的碳被完全石墨化，使基体中的这个区域出现铁素体，甚至使整个基体出现50％以上的铁素体。此类牌号的铸铁模具是不耐磨的，通过相变强化提高耐磨性能的潜力也比较小。

　　此外，由于铸铁件生产装备不需要太多的投资，市场上便有大量简易生产条件下生产出来的铸铁模具。简易生产条件下生产出来的铸铁模具有三个特点：

　　(1)铸造缺陷多。

　　(2)组织粗大，尤其是石墨粗大。

　　(3)无法控制石墨化程度，基体铁素体含量高。

　　二、材料替代方案

　　金属材料激光表面强化技术可用于金属材料的表面强化，解决整体强化和其他表面强化手段难以克服的矛盾；激光表面强化技术也可用于金属材料的表面改性，获得低等级材料的高性能表层，提高工件的耐磨性、耐腐蚀性。

　　1．冷作模具的材料替代技术

　　冷作模具要求材料具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能。

　　冷作模具采用中高碳碳素钢、低合金钢或铸铁经激光相变强化后代替用传统工艺的高等级材料，存在广泛的技术应用空间，虽然冷作模具广泛采用的高合金钢具有合金碳化物的独特耐磨效果，但是激光相变强化因其弥散强化、畸变强化、加工过程和热处理过程无氧化无脱碳和具有等强工作层，可以弥补高合金钢具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光强化的工艺灵活优势在材料替代技术领域可得到更广泛应用。

　　(1)大型件

　　在传统工艺体系中，大型模具有两条工艺路线：一是采用高淬透性材质，确保工作部位能够淬硬；二是工作部位采用镶嵌模块单独淬火，然后与基体拼装成组合模具。

　　大型工件高淬透性材料除了材料本身的价格高外，材料成型的热加2／221．艺和热处理工艺复杂，淬火前后的组织比体积变化大，模具的体积变化自然也大，装配精加工的工作量也大，这都是提高制造成本的重要因素。

　　组合模具方案虽然材料成本增加不多，但成型加工和装配成本明显提高，更为严重的是降低了模具的精度。

　　广州某模具厂烧烤炉上盖拉伸凹模，约1.7t，原采用组合模具工艺，拉伸摩擦面采用Crl2，非摩擦面采用T10；激光强化工艺的模具整体选用45钢或TIO，试用效果良好，而且降低材料成本约41.7％，同时降低加工成本35.8％。

　　(2)局部强化件

　　大部分模具并不要求整个模面都必须强化，如某家电企业冲压家电外壳的模具只要求凸块边缘耐磨，为了保证冲压质量和模具使用寿命，原先采用Crl2MoV高档模具钢，虽然满足了使用要求，但Crl2MoV成型工艺和热处理工艺复杂，成本高。改用普通碳素钢50钢，并只对凸块边缘进行激光强化，满足了使用要求，也降低了成本。

　　(3)铸铁模具

　　铸铁模具的强化潜力取决于基体组织是否是珠光体。如果基体组织有太多的铁素体，将降低材料的淬硬性。所以铸铁模具的材料替代以提高强化潜力为目标。以国家标准为依据，球墨铸铁需选QT600以上，蠕墨铸铁需选RT380以上，灰铸铁需选HT200以上的牌号。目前市场大量存在HTl50模具，这类模具采用相变强化效果不佳。

　　塑料模具的工作温度在350t以下时具有冷作模具相同的材料替代技术空间。

　　2．热作模具的材料替代技术

　　热作模具材料除了要求具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能外，对红硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材质激光相变强化代替不了高合金钢所具有的抗高温性能。模具再制造技术和激光熔覆可使碳素钢、低合金钢或铸铁具有抗高温性能。

　　(1)模具再制造技术

　　在模具损坏或缺陷部位采用激光熔覆工艺熔覆特定的合金材料，使其与基体金属材料形成良好的冶金结合，这种修复处理不仅仅对模具形貌进行修补，而且提高了修复部位的性能，是一种增强型修复。我们把这种业已用于模具修复的激光表面熔覆称之为模具的再制造技术。

　　(2)激光熔覆

　　采用中高碳素钢和低合金钢代替热作模具钢来制造热作模具，在工作部位激光表面熔覆厚度可控的一层具有耐热性能的合金，这就是热作模具的材料替代技术。

　　塑料模具的工作温度在400℃以上时可用热作模具相同的材料替代技术。

　　三、模具材料替代技术的产业化条件

　　冷作模具和工作温度在350℃以下的塑料模具材料替代技术所需的产业化条件是：激光加工装备；模具激光强化工艺技术。广州富通光科技术有限公司研制生产的“富通多功能激光加工系统”集光机电一体化，可对大型模具(1100mmx8000mm)进行激光表面相变强化和激光熔覆。

　　热作模具和工作温度在400℃以上的塑料模具的材料替代技术所需的产业化条件除了激光加工装备外，还需激光熔覆用的材料和附属设备：

　　(1)合金粉末和合金焊丝

　　目前国内外生产的自熔性合金粉末可分为镍基，钻基和铁基三大类。WC型自熔性合金粉末，是在上述三大类合金中加入一定量的高硬度WC制成的。富通公司生产的合金粉末系列属于镍基合金粉末，同时还生产送丝堆焊合金丝。

　　(2)广州富通光科技术有限公司研制生产的“FS—1型送粉器”，是配合富通激光加工设备完成激光熔覆的送料系统，该送粉器可配合宽带聚焦镜，也可配合窄带聚焦镜使用。

　　(3)广州富通光科技术有限公司研制生产的“JRS—Ⅱ型激光熔覆送丝机”可配合富通激光加工设备使用，是送料系统的一种。

　　四、结论

　　由于激光相变强化具有弥散强化、畸变强化无氧化脱碳淬火、独特的抗疲劳机理和等强工作层等强化机制，加之对材料的淬透性适应性极强，可以克服大型模具和需要局部强化的模具的诸多技术难点，通过采用材料替代技术，提高或不降低冷作模具和工作温度在350℃以下的塑料模具使用性能，大幅度降低模具制造成本。

　　通过模具再制造技术和激光熔覆实现热作模具和工作温度在400~C以上的塑料模具的材料替代，提高模具的使用性能，降低模具的制造成本。

　　目前我国用于激光相变强化和激光熔覆的激光加工装备，以及激光熔覆用的材料和模具激光强化工艺技术已经成熟，具备产业化条件。

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