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激光強化工藝綜述

2020/10/14

  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。當工作環境有新的要求,或廠家為了降低成本,上述工藝環節可進行重組,形成新的工藝體系。

    在模具制造工藝體系中存在諸多無耐之舉。為了提高大型模具的淬透性,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,造成模具制造成本提高。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,這樣一來便帶來模具精度的降低。

    激光表面強化技術基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程,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,工件表面光斑處相當于一個移動的坩堝,可完成一系列的冶金過程,包括表層重熔、表層增碳、表層合金化和表面熔覆。這些功能在實際應用中引發的材料替代技術,將給制造業帶來巨大的經濟效益。

    所謂激光相變強化,是以激光束快速掃描工件,受熱層在光斑移開時,由于工件基體的熱傳導作用使溫度達到臨界點以上的受熱層發生相變,完成相變強化過程。

相變強化工藝具有表面質量好的優點,可根據不同材質、工件熱容量大小、以及激光處理工藝參數的不同,實現硬度、層深可控。強化層深度,根據試驗實測,鋼為0.7-lmm,鑄鐵為0.35O.65mm。在傳統熱處理工藝中影。向強化效果的技術因素,在激光相變強化中所起的作用發生很大變化。

    1.淬透性 淬透性對于傳統整體淬火工藝來說是個至關重要的技術指標,它決定該材料是否能夠得到淬火組織,實現強化目的;而對于激光表面相變強化來說,該指標無關緊要。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**不穩定的溫度是550℃左右,此時孕育時間約1s,如在1s之內沒能越過550℃,奧氏體便開始分解并轉變為珠光體;W18Cr4V鋼奧氏體**不穩定的溫度是750℃左右,此時孕育時間約8min左右,如在8min之內能越過750℃,奧氏體便可轉變為馬氏體或貝氏體。在激光淬火中,當用D5mm的光斑,υ=1200mmmin速度掃描時,一個固定點的加熱時間是0.2s。據現場測試,鋼質件經0.2s加熱可使距表面O.71mm處的溫度升到Ac3臨界溫度以上;反過來,當工件的熱容量足夠大時,被加熱工件將以104100℃/s的冷卻速度從Ac3臨界點溫度冷卻到馬氏體開始轉變溫度Ms以下。所以不要說W18Cr4V480s左右的孕育時間,就是45鋼的1s左右孕育時間,對于奧氏體越過珠光體轉變區域,完成馬氏體相變也綽綽有余。所以說,淬透性對于激光表面相變強化來說無關緊要。 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,此時基體處于冷態,與加熱區之間有極高的溫度梯度,當停止激光照射,加熱區因急冷而發生淬火,使金屬表面發生馬氏體轉變。在此工藝環境下形成的奧氏體,表面層的奧氏體化時間約o.2s,**里層則是瞬間的,不管是表層,還是里層,奧氏體晶粒都沒有孕育長大的機會。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,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,強度大大提高。3.無氧化脫碳淬火在傳統熱處理中,模具在加熱過程如沒有保護措施,便會發生氧化、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.激光強化的抗疲勞機理 影響金屬材料抗疲勞性能的原因之一是疲勞裂紋的萌生時間。磨損和疲勞在材料損傷過程交互促進,磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點,加速疲勞裂紋的萌生,材料表面出現疲勞裂紋后,表面粗糙度嚴重惡化,磨損也將加劇。用經激光處理和未經激光處理的Crl2MoV試樣做磨損對比試驗,發現激光處理試樣表面比較光滑、犁溝較淺、粘著現象較輕;而未經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斑痕,因此激光強化層具有較強的抗塑性變形和抗粘著磨損能力。彌散強化、畸變強化和激光強化抗疲勞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明顯的下降梯度,經激光強化的工件,整個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**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,而且加熱時間較長,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**快,外表溫度雖高,但冷卻速度**慢,雖然里層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認識,所以市場中的鑄鐵模具的使用效果差異極大。

鑄鐵模具強化是通過基體的相變強化實現的,鑄鐵模具的淬硬性也取決于基體的組織?;w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,如果鑄造工藝過程石墨化動力太強,基體則會出現區域的碳被完全石墨化,使基體中的這個區域出現鐵素體,甚至使整個基體出現50%以上的鐵素體。此類牌號的鑄鐵模具是不耐磨的,通過相變強化提高耐磨性能的潛力也比較小。

    金屬材料激光表面強化技術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,提高工件的耐磨性、耐腐蝕性。

    **:冷作模具的材料替代技術冷作模具要求材料具有強度、韌性、耐磨、抗疲勞和咬合抗力性能。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,存在廣泛的技術應用空間,雖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、加工過程和熱處理過程無氧化無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優勢在材料替代技術領域可得到更廣泛應用。第二:熱作模具的材料替代技術熱作模具材料除了要求具有強度、韌性、耐磨、抗疲勞和咬合抗力性能外,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。模具再制造技術和激光熔覆可使碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵具有抗高溫性能。

    由于激光相變強化具有彌散強化、畸變強化無氧化脫碳淬火、獨特的抗疲勞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難點,通過采用材料替代技術,提高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成本。通過模具再制造技術和激光熔覆實現熱作模具和工作溫度在400~C以上的塑料模具的材料替代,提高模具的使用性能,降低模具的制造成本。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已經成熟,具備產業化條件。