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

在模具制造工藝體系中存在諸多無(wú)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、熱處理工藝都很復雜，冷加工也有較大難度，造成模具制造本錢(qián)進(jìn)步。為了減輕這些因素的影響，某些只需局部強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(lái)便帶來(lái)模具精度的降低。

一、激光相變強化的金屬材料學(xué)

激光表面強化技術(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(guò)程，在金屬材料激光表面強化中，當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化，當激光束能量密度處于高端時(shí)，工件表面光斑處相當于一個(gè)移動(dòng)的坩堝，可完成一系列的冶金過(guò)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)際應用中引發(fā)的材料替換技術(shù)，將給制造業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。

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

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

1．淬透性

淬透性對于傳統整體淬火工藝來(lái)說(shuō)是個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)指標，它決定該材料是否能夠得到淬火組織，實(shí)現強化目的；而對于激光表面相變強化來(lái)說(shuō)，該指標無(wú)關(guān)緊要。

以大量使用的結構鋼45鋼和高速工具鋼W18Cr4V為例，45鋼奧氏體最不穩定的溫度是550℃左右，此時(shí)孕育時(shí)間約1s，如在1s之內沒(méi)能越過(guò)550℃，奧氏體便開(kāi)始分解并轉變?yōu)橹楣怏w；W18Cr4V鋼奧氏體最不穩定的溫度是750℃左右，此時(shí)孕育時(shí)間約8min左右，如在8min之內能越過(guò)750℃，奧氏體便可轉變?yōu)轳R氏體或貝氏體。

在激光淬火中，當用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。

據現場(chǎng)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(guò)來(lái)，當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(kāi)始轉變溫度Ms以下。

所以不要說(shuō)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(guò)珠光體轉變區域，完成馬氏體相變也綽綽有余。所以說(shuō)，淬透性對于激光表面相變強化來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)緊要。

2．彌散強化和畸變強化

激光相變強化是以高能量密度的激光束照射工件表面，使需要強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)，與加熱區之間有極高的溫度梯度，當停止激光照射，加熱區因急冷而發(fā)生淬火，使金屬表面發(fā)生馬氏體轉變。

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(méi)有孕育長(cháng)大的機會(huì )。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化的同時(shí)具有彌散強化效果。

而且，在激冷條件下形成的馬氏體晶格，比常規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密度，從而使金屬材料具有畸變強化效果，強度大大進(jìn)步。

3．無(wú)氧化脫碳淬火

在傳統熱處理中，模具在加熱過(guò)程如沒(méi)有保護措施，便會(huì )發(fā)生氧化、脫碳現象，使模具的硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。

激光相變強化所使用的吸光涂料具有保護工件表面免遭氧化的性能。

4．激光強化的抗疲憊機理

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(guò)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，材料表面出現疲憊裂紋后，表面粗糙度嚴重惡化，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，發(fā)現激光處理試樣表面比較光滑、犁溝較淺、粘著(zhù)現象較輕；而未經(jīng)激光處理的試樣磨損表面損傷嚴重，有明顯的犁溝和表面粘著(zhù)斑痕，因此激光強化層具有較強的抗塑性變形和抗粘著(zhù)磨損能力。

彌散強化、畸變強化和激光強化抗疲憊機理彌補了高合金材料中的碳化物耐磨因素。

5．等強工作層

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

常規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(cháng)，可達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，但畸變強化和彌散強化更強烈。

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

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(chǎng)中的鑄鐵模具的使用效果差異極大。

鑄鐵模具強化是通過(guò)基體的相變強化實(shí)現的，鑄鐵模具的淬硬性也取決于基體的組織�；�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(guò)程石墨化動(dòng)力太強，基體則會(huì )出現區域的碳被完全石墨化，使基體中的這個(gè)區域出現鐵素體，甚至使整個(gè)基體出現50％以上的鐵素體。此類(lèi)牌號的鑄鐵模具是不耐磨的，通過(guò)相變強化進(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(chǎng)上便有大量簡(jiǎn)易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來(lái)的鑄鐵模具。簡(jiǎn)易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來(lái)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(wú)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化技術(shù)可用于金屬材料的表面強化，解決整體強化和其他表面強化手段難以克服的矛盾；激光表面強化技術(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)激光相變強化后代替用傳統工藝的高等級材料，存在廣泛的技術(shù)應用空間，固然冷作模具廣泛采用的高合金鋼具有合金碳化物的獨特耐磨效果，但是激光相變強化因其彌散強化、畸變強化、加工過(guò)程和熱處理過(guò)程無(wú)氧化無(wú)脫碳和具有等強工作層，可以彌補高合金鋼具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光強化的工藝靈活上風(fēng)在材料替換技術(shù)領(lǐng)域可得到更廣泛應用。

(1)大型件

在傳統工藝體系中，大型模具有兩條工藝路線(xiàn)：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(qián)的重要因素。

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

廣州某模具廠(chǎng)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(qián)約41.7％，同時(shí)降低加工本錢(qián)35.8％。

(2)局部強化件

大部分模具并不要求整個(gè)模面都必須強化，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(mǎn)足了使用要求，但Crl2MoV成型工藝和熱處理工藝復雜，本錢(qián)高。改用普通碳素鋼50鋼，并只對凸塊邊沿進(jìn)行激光強化，滿(mǎn)足了使用要求，也降低了本錢(qián)。

(3)鑄鐵模具

鑄鐵模具的強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)步強化潛力為目標。以國家標準為依據，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(chǎng)大量存在HTl50模具，這類(lèi)模具采用相變強化效果不佳。

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合，這種修復處理不僅僅對模具形貌進(jìn)行修補，而且進(jìn)步了修復部位的性能，是一種增強型修復。我們把這種業(yè)已用于模具修復的激光表面熔覆稱(chēng)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(lái)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”集光機電一體化，可對大型模具(1100mmx8000mm)進(jìn)行激光表面相變強化和激光熔覆。

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備：

(1)合金粉末和合金焊絲
目前國內外生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基，鉆基和鐵基三大類(lèi)。WC型自熔性合金粉末，是在上述三大類(lèi)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備完成激光熔覆的送料系統，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”可配合富通激光加工設備使用，是送料系統的一種。

四、結論

由于激光相變強化具有彌散強化、畸變強化無(wú)氧化脫碳淬火、獨特的抗疲憊機理和等強工作層等強化機制，加之對材料的淬透性適應性極強，可以克服大型模具和需要局部強化的模具的諸多技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)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(qián)。

通過(guò)模具再制造技術(shù)和激光熔覆實(shí)現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(qián)。

目前我國用于激光相變強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化工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，具備產(chǎn)業(yè)化條件。