邱國旺，趙向陽，吳浪武

（南昌大學科學技術學院，江西 南昌 330029）

激光表面淬火在模具制造中的應用研究

邱國旺，趙向陽，吳浪武

（南昌大學科學技術學院，江西 南昌 330029）

隨著激光加工技術的不斷發(fā)展和日益成熟，將會給模具制造帶來重大變革。首先介紹了激光表面淬火的工藝特點，然后研究分析了激光表面淬火提高模具材料機械性能的機理，最后通過實驗確定了激光表面淬火工藝參數的優(yōu)化原則。

激光表面淬火；相變硬化；金相組織；模具制造

模具在工業(yè)生產中占有重要的地位。在模具制造行業(yè)，模具的使用壽命是一個很重要的技術指標。在模具的實際使用過程中，其表面狀態(tài)直接影響到模具的使用壽命。特別是模具一般都是在比較惡劣的環(huán)境條件下重復使用，模具表面承受著各種形式的復雜應力，例如摩擦力、擠壓力等，這些因素都會降低模具的使用質量和壽命。許多研究表明，導致模具的失效和疲勞損傷大都發(fā)生在模具表面。因此，為了提高模具的使用質量和壽命，對模具的工作表面必須有較高的要求，主要是提高模具工作表面的硬度、耐磨性，從而從根本上改善模具的機械性能，提高模具的使用壽命。傳統的表面處理方法由于其工藝上的缺點已無法滿足模具的高性能要求?，F在一種新的技術工藝——激光表面淬火技術已逐漸成為研究的熱點。

隨著激光加工技術的不斷發(fā)展和日益成熟，將會給模具制造帶來重大變革。本文首先介紹了激光表面淬火的工藝特點，然后研究分析了激光表面淬火提高模具鋼機械性能的機理，最后通過實驗確定了激光熱處理工藝參數的優(yōu)化原則。

1 激光表面淬火的工藝特點

激光淬火就是利用激光作為熱源進行加熱的熱處理工藝。首先利用激光將材料表面加熱到僅低于熔點的臨界轉變溫度，使其表面迅速奧氏體化，然后隨著材料自身快速冷卻，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，從而使材料表面硬化。激光表面淬火是一種高能量密度的表面熱處理,快速加熱和快速自冷是激光熱處理的主要工藝特點。

1.1 傳統淬火存在的主要問題

傳統淬火不管是感應加熱淬火還是整體加熱淬火，一般都會存在如下一些問題：

（1）淬火后硬度不足、硬度不均、硬化深度不夠；

（2）淬火后心部硬度過高，內部應力過大，淬火開裂；

（3）加熱區(qū)域過大，引起變形超差；

（4）加工件會受到尺寸、形狀限制；

（5）熱處理時需冷卻介質，污染大，勞動強度高。

1.2 激光表面淬火的主要優(yōu)勢

激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度四大特點，因此，其穿透能力極強，加熱速度和冷卻速度都極快。激光熱處理時，激光光斑上的功率密度可達到103～107w/cm2之間，加熱速度可達103～106℃/s，冷卻速度可達1.5×104℃/s，并且這些參數能靈活控制，其優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

（1）材料表面的高速加熱和高速自冷有利于提高掃描速度及相應的生產率，效率高，工藝周期短。

（2）不需要外部淬火介質，工作環(huán)境潔凈，而且無污染，噪聲小，勞動強度低。

（3）通過對光斑尺寸的控制，更適合傳統熱處理方法無法勝任的深溝、槽壁、盲孔、夾角、小孔、和模具型腔內壁等局部區(qū)域的硬化。

（4）激光可以遠距離傳送，實現一臺激光器供多工作臺同時使用，同時工藝參數也比較容易控制，調節(jié)激光輻射在金屬表面上的能量密度及作用時間，可對工件進行不同方式的表面淬火，淬火硬度和淬火深度能精確控制，容易實現生產過程的自動化。

（5）淬硬層組織細化，硬度比常規(guī)淬火提高15%～20%，模具鋼經淬火后耐磨性可提高3～4倍。

（6）可進行大型零件局部表面淬火及復雜零件的硬化處理。加工件不受尺寸、形狀等限制。

（7）激光加熱由于功率密度高，熱影響區(qū)小，所以淬火應力小，幾乎不產生變形。同時快熱快冷，可以得到只使表層被淬硬為馬氏體，而工件基體大體積仍保持較低的溫度，中心仍為未淬火組織，即原來塑性和韌性較好的退火、正火或調質狀態(tài)的組織，可以使材料獲得外堅內韌的性能。

2 激光表面淬火后的組織性能特征及機理分析

當激光束照射到金屬表面時，激光的熱能量可以改變金屬的內部組織和結構，使金屬在這個過程中得到硬化和強化，金屬表面的某些性能會有明顯提高，如硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。

2.1 快速加熱時金屬的組織改變及機理分析

通過加熱使鋼材發(fā)生固態(tài)相變是改變鋼材性能的前提。加熱的目的就是使材料表面的溫度達到僅低于熔點的臨界轉變溫度，使其表面迅速奧氏體化。奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，晶格類型為面心立方，而珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，珠光體必須通過晶格的重構和碳原子的重新分配才能轉變?yōu)閵W氏體。加熱是一個簡單而快捷的手段，但加熱速度的快慢對奧氏體的形成會產生影響。一般地說，加熱速度越快，晶粒就會越細??；金屬內部原來的一些位錯密度越高，固溶含碳量越高。

從理論上講，激光表面淬火的加熱時間非常短（＜0.2 s），可以使材料表面迅速達到奧氏體化溫度，原有材料中珠光體組織通過無擴散轉化為奧氏體組織，在這一過程中,由于在激光超快加熱條件下，過熱度大，造成相變驅動力很大，奧氏體成核數目劇增。同時奧氏體相變是在過熱度大的高溫區(qū)很短時間內完成的，晶粒來不及長大，形核的臨界半徑小，如果加熱速度慢，高溫段時間長，晶粒的邊界就會向另一個邊界遷移，吞并另一個晶粒從而形成大的晶粒，晶粒就會變粗大。另一方面,激光快速加熱,使得擴散均勻化來不及進行,碳來不及擴散,奧氏體中的含碳量增加,在隨后的奧氏體向馬氏體轉變過程中,就會得到高碳馬氏體,提高了硬度。再就是快速加熱時會減少金屬內部原來的一些位錯的回復，推遲再結晶時間。這都是快速加熱能提高強度和硬度的原因。

2.2 快速冷卻時金屬的組織改變及機理分析

鋼在高溫（723℃）下形成的奧氏體，在冷卻時要進行分解和轉變，在不同的冷卻條件下，奧氏體有可能轉變?yōu)橹楣怏w、貝氏體、馬氏體等。要想得到高硬度，就必須使奧氏體盡可能全部轉為晶粒細小的馬氏體。欲使鋼材發(fā)生馬氏體相變需滿足2個基本條件：

一是，溫度達到奧氏體相變臨界溫度Tac1以上；

二是，冷卻速度大于馬氏體相變臨界速度Vm。

在這里冷卻速度是決定相變后馬氏體含量及晶粒粗細的主要因素，金屬液體的冷卻速度愈大，過冷度便愈大，從而結晶推動力便愈大，也就是結晶傾向愈大，晶核的形成速度愈大。那么在一定體積的金屬中，如果晶核的形成速度很大，而成長時間很短，顯然，所得到的晶粒就會更多更細。同時奧氏體向馬氏體的轉變和向珠光體的轉變是不一樣的，馬氏體的相變是非擴散性的，因為這種相變是以極大的冷卻速度和極大的過冷度下發(fā)生的，此時，奧氏體中的碳原子已無擴散的可能，因此奧氏體將直接變成一種含碳過飽和的固溶體——馬氏體。

對激光表面淬火而言，正是由于瞬時加熱，使鋼件表面很快地達到淬火溫度，而不等熱量傳至中心，即開始迅速冷卻，此時工件基體仍處于冷態(tài)。由于熱傳導的作用，表面熱量迅速傳到工件其他部位，在瞬間可進行自冷淬火，實現工件表面相變硬化。由于金屬材料有很強的導熱能力，通常冷卻速度足以滿足要求，冷卻速度比一般熱處理淬火速度要提高約103倍。因此，奧氏體組織通過無擴散過程轉化為又細又多的馬氏體。

3 激光表面淬火時工藝參數選擇及優(yōu)化規(guī)律

3.1 激光表面淬火的主要工藝參數

激光熱處理工藝參數主要有激光功率、掃描速度、光斑尺寸、光束能量分布狀態(tài)、吸光涂層種類與厚度等。其中，激光功率、掃描速度、光斑尺寸這3個參數直接決定了激光掃描下工件內部的溫度場分布形態(tài)，從而對相變硬化層尺寸、分布形態(tài)及其表面硬度等產生重要影響。激光掃描方法和掃描路徑一般根據工件形狀、結構、尺寸及要求等因素確定，目前常采用等速掃描，激光束在工件表面移動過程中，激光功率、掃描速度均保持不變。當掃描面積大于光斑面積時，需采取多道掃描，在制定激光掃描工藝時，必須考慮合理確定硬化帶分布型式和相鄰硬化帶間距。

3.2 工藝參數與硬化層表面硬度及層深的相互關系

目前對于激光工藝參數與表面硬度和硬化層深度之間的關系，主要是根據實驗結果和基于金相結構的理論解釋。

當工件材料一定時，淬火后的硬度差異顯然主要是由于相變硬化層內的晶粒細化程度和平均位錯密度、馬氏體含量等因素造成，這些因素與激光掃描作用下工件內部的加熱、冷卻速度及高溫段(奧氏體相變溫度以上)維持時間等密切相關。而這最終還是取決于激光加工時的激光功率、掃描速度和光斑尺寸等參數。激光功率和光斑尺寸決定了照射到工件表面的功率密度，掃描速度和光斑尺寸又決定了光束在工件表面的作用時間。

依據上文的機理分析知道：功率高，加熱速度快一般能獲得較好的表面機械性能，但是如果功率過大，速度又較慢，會使工件表面熔化、燒損，硬度降低；反之，又會使硬化層達不到技術要求。經實驗，激光表面淬火合適的功率密度為103～105W/cm2，作用時間為1～10-2s，在此范圍內，隨著激光功率的提高，相變驅動力增大，有利于增加奧氏體形核數目，從而加強硬化效果；但另一方面，激光功率的提高導致高溫段維持時間延長，這對晶粒細化和提高晶格位錯密度產生阻止作用。所以提高功率對硬度的影響不大，但卻可以增加硬化層深度。隨著掃描速度的提高，無論是加熱速度還是冷卻速度同時提高，且高溫段維持時間縮短，這些因素均有利于晶粒細化和馬氏體的形成，這些因素的相互影響和疊加，其結果是硬化效果增強。因此，表面硬度隨掃描速度的提高而增加，但硬化層深度會降低。

總的來說，確定激光掃描工藝參數的優(yōu)化原則為：盡可能選擇高功率、高速度，以獲得既滿足層深要求、又具有較高表面硬度和分布較均勻的硬化層，達到整體較優(yōu)的綜合優(yōu)化目標。

4 模具鋼應用實例

實驗中選用3種典型的模具鋼，它們分別為45#鋼、T8A鋼、Cr12。鋼樣的初始態(tài)為正火態(tài)，樣品加工成30×30×15mm的小塊試樣。

（1）在寬帶掃描方式下，對45#鋼進行激光表面淬火處理，最佳的工藝參數是P=3 kW，V=1600mm/min，光斑尺寸為：3×15mm，離焦量 160mm，硬化層深達0.6mm，硬度在650～700HV之間。

（2）在寬帶掃描方式下，對C12材料進行激光表面淬火處理，最佳的工藝參數是P=3 kW，V=1300 mm/min，光斑尺寸為：2.5×15 mm，離焦量165mm，硬化層厚達0.5mm，硬度在750～820 HV之間。

（3）在寬帶掃描方式下，對T8A材料進行激光表面淬火處理，最佳的工藝參數是P=2.5 kW，V=1500 mm/min，光斑尺寸為：2.5×15 mm，離焦量165 mm，硬化層厚達0.5mm，硬度在860～950 HV之間。

5 結束語

隨著激光加工設備性能的提高和激光加工工藝研究的不斷深入，激光表面淬火以其變形小、適用面廣、硬度高等特點，在實際生產中得到越來越廣泛的應用。應用激光表面淬火技術對模具表面進行強化處理，能有效提高模具表面的硬度，延長模具壽命，提高模具質量。激光表面淬火在模具制造中的應用是激光表面強化技術應用的又一新領域。

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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

江西省科技支撐計劃項目（編號：2010ZDG01600）

邱國旺（1962—），男，江西南昌人，副教授，本科，研究方向：模具CAD/CAM、沖壓模具、注塑模具。