激光表面淬火在模具制造中的应用研究

邱国旺，赵向阳，吴浪武

（南昌大学科学技术学院，江西 南昌 330029）

激光表面淬火在模具制造中的应用研究

邱国旺，赵向阳，吴浪武

（南昌大学科学技术学院，江西 南昌 330029）

随着激光加工技术的不断发展和日益成熟，将会给模具制造带来重大变革。首先介绍了激光表面淬火的工艺特点，然后研究分析了激光表面淬火提高模具材料机械性能的机理，最后通过实验确定了激光表面淬火工艺参数的优化原则。

激光表面淬火；相变硬化；金相组织；模具制造

模具在工业生产中占有重要的地位。在模具制造行业，模具的使用寿命是一个很重要的技术指标。在模具的实际使用过程中，其表面状态直接影响到模具的使用寿命。特别是模具一般都是在比较恶劣的环境条件下重复使用，模具表面承受着各种形式的复杂应力，例如摩擦力、挤压力等，这些因素都会降低模具的使用质量和寿命。许多研究表明，导致模具的失效和疲劳损伤大都发生在模具表面。因此，为了提高模具的使用质量和寿命，对模具的工作表面必须有较高的要求，主要是提高模具工作表面的硬度、耐磨性，从而从根本上改善模具的机械性能，提高模具的使用寿命。传统的表面处理方法由于其工艺上的缺点已无法满足模具的高性能要求。现在一种新的技术工艺——激光表面淬火技术已逐渐成为研究的热点。

随着激光加工技术的不断发展和日益成熟，将会给模具制造带来重大变革。本文首先介绍了激光表面淬火的工艺特点，然后研究分析了激光表面淬火提高模具钢机械性能的机理，最后通过实验确定了激光热处理工艺参数的优化原则。

1 激光表面淬火的工艺特点

激光淬火就是利用激光作为热源进行加热的热处理工艺。首先利用激光将材料表面加热到仅低于熔点的临界转变温度，使其表面迅速奥氏体化，然后随着材料自身快速冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化。激光表面淬火是一种高能量密度的表面热处理,快速加热和快速自冷是激光热处理的主要工艺特点。

1.1 传统淬火存在的主要问题

传统淬火不管是感应加热淬火还是整体加热淬火，一般都会存在如下一些问题：

（1）淬火后硬度不足、硬度不均、硬化深度不够；

（2）淬火后心部硬度过高，内部应力过大，淬火开裂；

（3）加热区域过大，引起变形超差；

（4）加工件会受到尺寸、形状限制；

（5）热处理时需冷却介质，污染大，劳动强度高。

1.2 激光表面淬火的主要优势

激光具有单色性、相干性、方向性和高能量密度四大特点，因此，其穿透能力极强，加热速度和冷却速度都极快。激光热处理时，激光光斑上的功率密度可达到103～107w/cm2之间，加热速度可达103～106℃/s，冷却速度可达1.5×104℃/s，并且这些参数能灵活控制，其优势主要有以下几个方面：

（1）材料表面的高速加热和高速自冷有利于提高扫描速度及相应的生产率，效率高，工艺周期短。

（2）不需要外部淬火介质，工作环境洁净，而且无污染，噪声小，劳动强度低。

（3）通过对光斑尺寸的控制，更适合传统热处理方法无法胜任的深沟、槽壁、盲孔、夹角、小孔、和模具型腔内壁等局部区域的硬化。

（4）激光可以远距离传送，实现一台激光器供多工作台同时使用，同时工艺参数也比较容易控制，调节激光辐射在金属表面上的能量密度及作用时间，可对工件进行不同方式的表面淬火，淬火硬度和淬火深度能精确控制，容易实现生产过程的自动化。

（5）淬硬层组织细化，硬度比常规淬火提高15%～20%，模具钢经淬火后耐磨性可提高3～4倍。

（6）可进行大型零件局部表面淬火及复杂零件的硬化处理。加工件不受尺寸、形状等限制。

（7）激光加热由于功率密度高，热影响区小，所以淬火应力小，几乎不产生变形。同时快热快冷，可以得到只使表层被淬硬为马氏体，而工件基体大体积仍保持较低的温度，中心仍为未淬火组织，即原来塑性和韧性较好的退火、正火或调质状态的组织，可以使材料获得外坚内韧的性能。

2 激光表面淬火后的组织性能特征及机理分析

当激光束照射到金属表面时，激光的热能量可以改变金属的内部组织和结构，使金属在这个过程中得到硬化和强化，金属表面的某些性能会有明显提高，如硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。

2.1 快速加热时金属的组织改变及机理分析

通过加热使钢材发生固态相变是改变钢材性能的前提。加热的目的就是使材料表面的温度达到仅低于熔点的临界转变温度，使其表面迅速奥氏体化。奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，晶格类型为面心立方，而珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，珠光体必须通过晶格的重构和碳原子的重新分配才能转变为奥氏体。加热是一个简单而快捷的手段，但加热速度的快慢对奥氏体的形成会产生影响。一般地说，加热速度越快，晶粒就会越细小；金属内部原来的一些位错密度越高，固溶含碳量越高。

从理论上讲，激光表面淬火的加热时间非常短（＜0.2 s），可以使材料表面迅速达到奥氏体化温度，原有材料中珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织，在这一过程中,由于在激光超快加热条件下，过热度大，造成相变驱动力很大，奥氏体成核数目剧增。同时奥氏体相变是在过热度大的高温区很短时间内完成的，晶粒来不及长大，形核的临界半径小，如果加热速度慢，高温段时间长，晶粒的边界就会向另一个边界迁移，吞并另一个晶粒从而形成大的晶粒，晶粒就会变粗大。另一方面,激光快速加热,使得扩散均匀化来不及进行,碳来不及扩散,奥氏体中的含碳量增加,在随后的奥氏体向马氏体转变过程中,就会得到高碳马氏体,提高了硬度。再就是快速加热时会减少金属内部原来的一些位错的回复，推迟再结晶时间。这都是快速加热能提高强度和硬度的原因。

2.2 快速冷却时金属的组织改变及机理分析

钢在高温（723℃）下形成的奥氏体，在冷却时要进行分解和转变，在不同的冷却条件下，奥氏体有可能转变为珠光体、贝氏体、马氏体等。要想得到高硬度，就必须使奥氏体尽可能全部转为晶粒细小的马氏体。欲使钢材发生马氏体相变需满足2个基本条件：

一是，温度达到奥氏体相变临界温度Tac1以上；

二是，冷却速度大于马氏体相变临界速度Vm。

在这里冷却速度是决定相变后马氏体含量及晶粒粗细的主要因素，金属液体的冷却速度愈大，过冷度便愈大，从而结晶推动力便愈大，也就是结晶倾向愈大，晶核的形成速度愈大。那么在一定体积的金属中，如果晶核的形成速度很大，而成长时间很短，显然，所得到的晶粒就会更多更细。同时奥氏体向马氏体的转变和向珠光体的转变是不一样的，马氏体的相变是非扩散性的，因为这种相变是以极大的冷却速度和极大的过冷度下发生的，此时，奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，因此奥氏体将直接变成一种含碳过饱和的固溶体——马氏体。

对激光表面淬火而言，正是由于瞬时加热，使钢件表面很快地达到淬火温度，而不等热量传至中心，即开始迅速冷却，此时工件基体仍处于冷态。由于热传导的作用，表面热量迅速传到工件其他部位，在瞬间可进行自冷淬火，实现工件表面相变硬化。由于金属材料有很强的导热能力，通常冷却速度足以满足要求，冷却速度比一般热处理淬火速度要提高约103倍。因此，奥氏体组织通过无扩散过程转化为又细又多的马氏体。

3 激光表面淬火时工艺参数选择及优化规律

3.1 激光表面淬火的主要工艺参数

激光热处理工艺参数主要有激光功率、扫描速度、光斑尺寸、光束能量分布状态、吸光涂层种类与厚度等。其中，激光功率、扫描速度、光斑尺寸这3个参数直接决定了激光扫描下工件内部的温度场分布形态，从而对相变硬化层尺寸、分布形态及其表面硬度等产生重要影响。激光扫描方法和扫描路径一般根据工件形状、结构、尺寸及要求等因素确定，目前常采用等速扫描，激光束在工件表面移动过程中，激光功率、扫描速度均保持不变。当扫描面积大于光斑面积时，需采取多道扫描，在制定激光扫描工艺时，必须考虑合理确定硬化带分布型式和相邻硬化带间距。

3.2 工艺参数与硬化层表面硬度及层深的相互关系

目前对于激光工艺参数与表面硬度和硬化层深度之间的关系，主要是根据实验结果和基于金相结构的理论解释。

当工件材料一定时，淬火后的硬度差异显然主要是由于相变硬化层内的晶粒细化程度和平均位错密度、马氏体含量等因素造成，这些因素与激光扫描作用下工件内部的加热、冷却速度及高温段(奥氏体相变温度以上)维持时间等密切相关。而这最终还是取决于激光加工时的激光功率、扫描速度和光斑尺寸等参数。激光功率和光斑尺寸决定了照射到工件表面的功率密度，扫描速度和光斑尺寸又决定了光束在工件表面的作用时间。

依据上文的机理分析知道：功率高，加热速度快一般能获得较好的表面机械性能，但是如果功率过大，速度又较慢，会使工件表面熔化、烧损，硬度降低；反之，又会使硬化层达不到技术要求。经实验，激光表面淬火合适的功率密度为103～105W/cm2，作用时间为1～10-2s，在此范围内，随着激光功率的提高，相变驱动力增大，有利于增加奥氏体形核数目，从而加强硬化效果；但另一方面，激光功率的提高导致高温段维持时间延长，这对晶粒细化和提高晶格位错密度产生阻止作用。所以提高功率对硬度的影响不大，但却可以增加硬化层深度。随着扫描速度的提高，无论是加热速度还是冷却速度同时提高，且高温段维持时间缩短，这些因素均有利于晶粒细化和马氏体的形成，这些因素的相互影响和叠加，其结果是硬化效果增强。因此，表面硬度随扫描速度的提高而增加，但硬化层深度会降低。

总的来说，确定激光扫描工艺参数的优化原则为：尽可能选择高功率、高速度，以获得既满足层深要求、又具有较高表面硬度和分布较均匀的硬化层，达到整体较优的综合优化目标。

4 模具钢应用实例

实验中选用3种典型的模具钢，它们分别为45#钢、T8A钢、Cr12。钢样的初始态为正火态，样品加工成30×30×15mm的小块试样。

（1）在宽带扫描方式下，对45#钢进行激光表面淬火处理，最佳的工艺参数是P=3 kW，V=1600mm/min，光斑尺寸为：3×15mm，离焦量 160mm，硬化层深达0.6mm，硬度在650～700HV之间。

（2）在宽带扫描方式下，对C12材料进行激光表面淬火处理，最佳的工艺参数是P=3 kW，V=1300 mm/min，光斑尺寸为：2.5×15 mm，离焦量165mm，硬化层厚达0.5mm，硬度在750～820 HV之间。

（3）在宽带扫描方式下，对T8A材料进行激光表面淬火处理，最佳的工艺参数是P=2.5 kW，V=1500 mm/min，光斑尺寸为：2.5×15 mm，离焦量165 mm，硬化层厚达0.5mm，硬度在860～950 HV之间。

5 结束语

随着激光加工设备性能的提高和激光加工工艺研究的不断深入，激光表面淬火以其变形小、适用面广、硬度高等特点，在实际生产中得到越来越广泛的应用。应用激光表面淬火技术对模具表面进行强化处理，能有效提高模具表面的硬度，延长模具寿命，提高模具质量。激光表面淬火在模具制造中的应用是激光表面强化技术应用的又一新领域。

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[4]张光钧.激光热处理的现状及进展[J].金属热处理，2000，2(13):23-27.

[5]李俊昌.激光热处理优化控制研究[M].北京：冶金工业出版社，1995.

Application of Laser Face-quench in Mould Manufacturing

QIUGuo-wang，ZHAO Xiang-yang，WU Lang-wu
(College of Science and Technology，Nanchang University，Nanchang Jiangxi330029，China)

Along with the continuous development and gradual maturity of laser process technology,it would cause significant revolution to mould manufacturing.This article firstly introduces the techniques characteristic of laser surface quenching.Then studies and analyzes the mechanism that laser surface quenching enhances mechanical performance of mould material.Lastly implementing experiment determines optimization principle of laser surface quenching technological parameters.

laser face-quench；transformation hardening；metallographic structure；mould manufacturing

TG156；TG706

B

1672-545X（2014）03-0150-03

2014-01-07

江西省科技支撑计划项目（编号：2010ZDG01600）

邱国旺（1962—），男，江西南昌人，副教授，本科，研究方向：模具CAD/CAM、冲压模具、注塑模具。