激光強化技術提高模具使用壽命
關鍵詞：激光強化；模具；磨損/壽命
隨著我國汽車、家電工業的迅猛發展，對模具工業提出了更高的要求。如何提高模具的加工質量和使用壽命，一直是人們不斷探索的課題。采用表面強化處理是提高模具質量和使用壽命的重要途徑，它對于改善模具的綜合性能、大幅度降低成本、充分發揮傳統模具的潛力，具有十分重要的意義。常用的模具表面強化處理工藝有化學熱處理(如滲碳、碳氮共滲等)、表面復層處理(如堆焊、熱噴涂、電火花表面強化、PVD和CVD等)、表面加工強化處理(如噴丸等)。這些方法大多工藝較為復雜，處理周期較長，處理后存在較大變形。近年來，隨著大功率激光器的出現及激光加工技術在工業上的應用日趨廣泛、成熟，為模具表面的強化提供了一種新的技術途徑。
1 激光表面強化處理方法
激光用于表面處理的方法多，其中包括：激光相變硬化(LTH)，激光表面熔化處理(LSM)，激光表面涂覆及合金化(LSC/LSA)，激光表面化學氣相沉積(LCVD)，激光物理氣相沉積(LPVD)，激光沖擊(LSH)和激光非晶化等，其中已被研究用于提高模具壽命的方法有激光相變硬化和激光表面熔覆和合金化，本文主要討論利用激光相變硬化技術提高模具壽命的機理和方法。
激光相變硬化(激光淬火)是利用激光輻照到金屬表面，使其表面以很高的升溫速度迅速達到相變溫度而形成奧氏體，當激光束離開后，利用金屬本身熱傳導而發生“自淬火”，使金屬表面發生馬氏體轉變。與傳統淬火方法相比，激光淬火是在急熱、急冷過程中進行的，溫度梯度高，從而在表面形成了一層硬度極高的特殊淬火組織，如晶粒細化、高位錯密度等。其淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15%～20%。淬硬層深度可達0.1～2.5mm，因而可大大提高模具的耐磨性，延長模具的使用壽命。
2 激光強化加工系統的組成
圖1為一個具有多軸聯動的激光強化加工系統工作原理示意圖。它由三部分組成：第一部分為激光器系統，由激光頭、激勵電源、冷卻系統和諧振腔參數變換裝置組成；第二部分為光束傳輸與變換裝置，把激光束按加工要求引導到待處理零件表面，同時對激光束進行空間強度分布的變換，以滿足對模具表面不同受力部位進行有效的強化處理。光束經變換后即可在模具表面產生所需的強化單元，通過多軸聯動的數控系統即可對模具的三維曲面進行可控的、快速和有效的強化處理；第三部分為計算機數控系統，控制激光工作頭和數控工作臺等多軸運動，其激光束相對于工件的運動軌跡決定了強化的帶形狀，以實現復雜模具表面的激光強化處理。
3 激光強化處理工藝
3.1 工件表面預處理涂層
當激光器確定后，金屬材料對激光的吸收能力主要取決于其表面狀態。一般需激光處理的金屬材料表面都經過機械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可達 80%～90%，使大部分激光能量被反射掉。為了提高金屬表面對激光的吸收率，在激光熱處理前要對材料表面進行表面處理(常稱黑化處理)，即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對激光有較高吸收能力的涂料。
表面預處理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴(刷)涂料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是磷化法和噴(刷)涂料法。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等。也有直接使用碳素墨汁和無光漆作為預處理涂料的。對于有些低碳鋼材料，在其表面用炭黑粉末處理，在進行激光淬火時可起滲碳作用。我們采用上海光機所研制的黑化溶液(86-1型)，其處理方法簡單，可直接噴刷在工件表面，激光吸收率達90%以上。
3.2 工藝參數優化
激光相變硬化工藝參數主要有激光器輸出功率P，光斑大小D及掃描速度v，在其它條件一定的條件下，激光硬化層的深度H與P、D、v有如下關系：H=P/(D．v)。為了得到最優工藝參數，基本方法是根據已有成功的資料，確定一個工藝參數范圍，再以P、D、v三個因子，各取三個水平，做出正交試驗表在試件上進行試驗研究。圖2為汽車尾燈支架拉深模具所采用的材料Cr-Mo鑄鐵，在不同掃描速度下，激光功率與硬化層深的關系曲線。圖3為不同的激光功率下，掃描速度與硬化層的關系曲線。圖示表明：在一般情況下，激光功率越高，硬化層越深；掃描速度越大，硬化層越淺。圖4為在激光功率 P=1200W，掃描速度v=15mm/s，光斑直徑D=4.5mm的工藝參數條件下，淬火層的硬度及硬化層深之間的關系。從中可看出，經激光處理后材料表面的硬度有較為顯著的提高。
4 硬化層殘余應力和耐磨性能
在激光硬化處理過程中，金屬材料表面組織結構的變化及表面相對于材料內部溫差的產生和消失，必將產生殘余應力。殘余應力的大小和分布狀況對模具的實用性能有很大影響，激光硬化產生的殘余應力沿淬硬層深的分布情況如圖5。由圖5可見，激光相變硬化在模具表面產生較大的殘余壓應力，能有效地防止疲勞裂紋的產生，提高模具的疲勞壽命。
模具表面的耐磨性能與材料的顯微結構、晶粒大小、硬度高低、表面狀態等多種因素有關，而這些因素又受處理工藝參數的影響，因而激光強化的工藝參數直接影響模具的耐磨性能。圖6和圖7為激光功率及掃描速度對35CrMn鋼耐磨性能的影響。由圖可見，在一定范圍內，當掃描速度一定時，提高功率耐磨性有所增加；在功率一定時，掃描速度的提高也有助于提高耐磨性。圖8為42CrMo材料經激光處理(P=1200W,v=55mm/s,D=3.5mm)后與常規處理之間的磨損對比，可見采用激光強化技術能大大提高材料的耐磨性能。
5 結論
通過對幾種不同的模具材料所進行的激光強化處理，并與實際工作情況進行檢查對比，表明采用激光強化技術能大幅度提高模具的使用壽命，而冷沖模的強化效果更為明顯。如對T8A鋼制造的沖頭和Cr12Mo鋼制造的凹模進行激光硬化處理，激光硬化層為0.15mm，硬度為1200HV，使用壽命明顯增加，由沖壓2.5萬件提高到10萬件，即壽命提高3～4倍。采用激光強化技術，其優越性在于：
(1)可根據模具的形狀特點、使用要求在指定區域內進行，且對表面質量沒有任何損傷。經激光處理后的模具，不需后續加工即可直接投入生產使用，從而降低了模具的制造成本。
(2)通過編制專用的激光強化處理軟件，可實現激光處理工藝參數的計算機自動優化、處理過程的計算機仿真模擬和實時監控及激光處理后表面組織結構和性能的計算機預測，實現模具的復雜形狀和人工智能化的表面處理。
(3)采用激光熔覆和合金化等技術，可在廉價金屬材料表層得到任意成分的合金和相應的微觀組織，從而獲得良好的綜合機械性能，改善和提高材料表面的耐磨、耐蝕和耐熱性能。這些技術用于報廢模具的修復和強化，具有較為廣泛的市場前景
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