激光强化技术提高模具使用寿命

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激光强化技术提高模具使用寿命
, E, M6 s8 z# I, ]% x+ J摘 要：介绍了用于模具表面的激光强化加工系统和激光强化工艺方法，讨论了激光强化模具表面的硬化层深度和耐磨性能与激光强化工艺参数之间的关系，采用激光强化技术能大幅度提高模具的使用寿命。
关键词：激光强化；模具；磨损/寿命

2 C- [! z& E' t9 c7 Z随着我国汽车、家电工业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。如何提高模具的加工质量和使用寿命，一直是人们不断探索的课题。采用表面强化处理是提高模具质量和使用寿命的重要途径，它对于改善模具的综合性能、大幅度降低成本、充分发挥传统模具的潜力，具有十分重要的意义。常用的模具表面强化处理工艺有化学热处理(如渗碳、碳氮共渗等)、表面复层处理(如堆焊、热喷涂、电火花表面强化、PVD和CVD等)、表面加工强化处理(如喷丸等)。这些方法大多工艺较为复杂，处理周期较长，处理后存在较大变形。近年来，随着大功率激光器的出现及激光加工技术在工业上的应用日趋广泛、成熟，为模具表面的强化提供了一种新的技术途径。
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1 激光表面强化处理方法
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激光用于表面处理的方法多，其中包括：激光相变硬化(LTH)，激光表面熔化处理(LSM)，激光表面涂覆及合金化(LSC/LSA)，激光表面化学气相沉积(LCVD)，激光物理气相沉积(LPVD)，激光冲击(LSH)和激光非晶化等，其中已被研究用于提高模具寿命的方法有激光相变硬化和激光表面熔覆和合金化，本文主要讨论利用激光相变硬化技术提高模具寿命的机理和方法。
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激光相变硬化(激光淬火)是利用激光辐照到金属表面，使其表面以很高的升温速度迅速达到相变温度而形成奥氏体，当激光束离开后，利用金属本身热传导而发生“自淬火”，使金属表面发生马氏体转变。与传统淬火方法相比，激光淬火是在急热、急冷过程中进行的，温度梯度高，从而在表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织，如晶粒细化、高位错密度等。其淬火层的硬度比普通淬火的硬度还高15%～20%。淬硬层深度可达0.1～2.5mm，因而可大大提高模具的耐磨性，延长模具的使用寿命。

2 激光强化加工系统的组成

图1为一个具有多轴联动的激光强化加工系统工作原理示意图。它由三部分组成：第一部分为激光器系统，由激光头、激励电源、冷却系统和谐振腔参数变换装置组成；第二部分为光束传输与变换装置，把激光束按加工要求引导到待处理零件表面，同时对激光束进行空间强度分布的变换，以满足对模具表面不同受力部位进行有效的强化处理。光束经变换后即可在模具表面产生所需的强化单元，通过多轴联动的数控系统即可对模具的三维曲面进行可控的、快速和有效的强化处理；第三部分为计算机数控系统，控制激光工作头和数控工作台等多轴运动，其激光束相对于工件的运动轨迹决定了强化的带形状，以实现复杂模具表面的激光强化处理。

9 m) k+ e# Q4 f% h5 A0 t; \+ @图1 激光强化加工系统的组成

3 激光强化处理工艺
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3.1 工件表面预处理涂层
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& J, B. x; o; s( F当激光器确定后，金属材料对激光的吸收能力主要取决于其表面状态。一般需激光处理的金属材料表面都经过机械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可达80%～90%，使大部分激光能量被反射掉。为了提高金属表面对激光的吸收率，在激光热处理前要对材料表面进行表面处理(常称黑化处理)，即在需要激光处理的金属表面涂上一层对激光有较高吸收能力的涂料。

) @. r, X9 N) Y. w/ R* s表面预处理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷(刷)涂料法、镀膜法等多种方法，其中较为常用的是磷化法和喷(刷)涂料法。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸锰、磷酸锌、水玻璃等。也有直接使用碳素墨汁和无光漆作为预处理涂料的。对于有些低碳钢材料，在其表面用炭黑粉末处理，在进行激光淬火时可起渗碳作用。我们采用上海光机所研制的黑化溶液(86-1型)，其处理方法简单，可直接喷刷在工件表面，激光吸收率达90%以上。

3.2 工艺参数优化
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激光相变硬化工艺参数主要有激光器输出功率P，光斑大小D及扫描速度v，在其它条件一定的条件下，激光硬化层的深度H与P、D、v有如下关系：H=P/(D．v)。为了得到最优工艺参数，基本方法是根据已有成功的资料，确定一个工艺参数范围，再以P、D、v三个因子，各取三个水平，做出正交试验表在试件上进行试验研究。图2为汽车尾灯支架拉深模具所采用的材料Cr-Mo铸铁，在不同扫描速度下，激光功率与硬化层深的关系曲线。图3为不同的激光功率下，扫描速度与硬化层的关系曲线。图示表明：在一般情况下，激光功率越高，硬化层越深；扫描速度越大，硬化层越浅。图4为在激光功率P=1200W，扫描速度v=15mm/s，光斑直径D=4.5mm的工艺参数条件下，淬火层的硬度及硬化层深之间的关系。从中可看出，经激光处理后材料表面的硬度有较为显著的提高。

+ c/ y6 @  ^% E2 ~0 h图2 激光功率、扫描速度与硬化层关系曲线
1——6mm/s 2——15mm/s 3——25mm/s

9 X0 M% P0 G  j图3 不同激光功率下扫描速度与硬化层关系曲线
1——600W 2——1000W 3——1500W

7 s( ?/ M* C6 E+ \: R+ Y, {0 v图4 硬度沿硬化层深分布

4 硬化层残余应力和耐磨性能
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3 K* K" z8 K8 g5 c; Q; P, [5 _8 y在激光硬化处理过程中，金属材料表面组织结构的变化及表面相对于材料内部温差的产生和消失，必将产生残余应力。残余应力的大小和分布状况对模具的实用性能有很大影响，激光硬化产生的残余应力沿淬硬层深的分布情况如图5。由图5可见，激光相变硬化在模具表面产生较大的残余压应力，能有效地防止疲劳裂纹的产生，提高模具的疲劳寿命。

图5 残余应力沿硬化层深分布

9 }7 }' M: K% E6 [模具表面的耐磨性能与材料的显微结构、晶粒大小、硬度高低、表面状态等多种因素有关，而这些因素又受处理工艺参数的影响，因而激光强化的工艺参数直接影响模具的耐磨性能。图6和图7为激光功率及扫描速度对35CrMn钢耐磨性能的影响。由图可见，在一定范围内，当扫描速度一定时，提高功率耐磨性有所增加；在功率一定时，扫描速度的提高也有助于提高耐磨性。图8为42CrMo材料经激光处理(P=1200W,v=55mm/s,D=3.5mm)后与常规处理之间的磨损对比，可见采用激光强化技术能大大提高材料的耐磨性能。

8 a* \3 W9 F. N2 x% H图6 激光功率的影响(v=20mm/s)

图7 扫描速度的影响(P=1800W)

5 t9 u- e, F  L: V5 c图8 耐磨性对比

$ X0 C9 y& I. p, \5 结论
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通过对几种不同的模具材料所进行的激光强化处理，并与实际工作情况进行检查对比，表明采用激光强化技术能大幅度提高模具的使用寿命，而冷冲模的强化效果更为明显。如对T8A钢制造的冲头和Cr12Mo钢制造的凹模进行激光硬化处理，激光硬化层为0.15mm，硬度为1200HV，使用寿命明显增加，由冲压2.5万件提高到10万件，即寿命提高3～4倍。采用激光强化技术，其优越性在于：

(1)可根据模具的形状特点、使用要求在指定区域内进行，且对表面质量没有任何损伤。经激光处理后的模具，不需后续加工即可直接投入生产使用，从而降低了模具的制造成本。

(2)通过编制专用的激光强化处理软件，可实现激光处理工艺参数的计算机自动优化、处理过程的计算机仿真模拟和实时监控及激光处理后表面组织结构和性能的计算机预测，实现模具的复杂形状和人工智能化的表面处理。
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$ O8 Z! }! \4 }(3)采用激光熔覆和合金化等技术，可在廉价金属材料表层得到任意成分的合金和相应的微观组织，从而获得良好的综合机械性能，改善和提高材料表面的耐磨、耐蚀和耐热性能。这些技术用于报废模具的修复和强化，具有较为广泛的市场前景