激光表面处理技术在模具上的应用

机电技术 2012年12月128

激光表面处理技术在模具上的应用

谢祖华

(福建船政交通职业学院,福建福州 350007)

摘要:介绍了激光表面处理技术,特别是激光表面淬火､激光表面熔覆和激光表面合金化的特点及在模具上的应用。

关键词:模具;激光表面处理;激光表面改性

中图分类号:TG174.4 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-128-03

模具寿命除了与模具设计､制造､使用以及模具材料的选择及其热处理密切相关外,模具表面处理也是影响模具寿命的重要因素。而且在许多场合下,既要求模具有高的强度和耐磨性,又要求有较高的塑性和韧性,在此情况下,模具的表面处理就显得尤其重要。

常用的模具表面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,为模具表面的强化处理提供了一种新的技术途径。

激光表面处理是指用激光对工件表面快速加热,在材料表面形成一定厚度的处理层,使工件表层的显微结构或化学成分发生变化,从而提高工件表面性能的工艺。激光表面处理技术可分为激光表面热处理和激光表面改性技术两大类,前者包括激光淬火､激光退火､激光非晶化､激光冲击硬化､激光晶粒细化等,后者主要有激光表面合金化和激光熔覆。本文主要介绍激光表面淬火､激光表面熔覆和激光表面合金化这三种激光表面处理技术在模具中的应用。

1 激光表面淬火

激光表面淬火又称激光相变硬化,是指铁基合金在固态下经受激光照射,使表层以极快的速度(升温速度可达105~106 ℃/s)被迅速加热至奥氏体化状态(但低于熔化温度),当激光停止照射后,处于冷态的基体使其表面迅速冷却(冷却速度可达105 ℃/s)而进行自冷淬火,从而得到马氏体组织的工艺方法。

激光表面淬火具有如下特点:

1) 激光淬火处理的工件表面可获得极细的硬化层组织,硬度通常比常规淬火硬度高5%~20%,因此具有比常规淬火更高的强度和耐磨性;

2) 处理层和基体材料之间是致密的冶金结合,结合强度高;

3) 由于激光功率密度高,加热工件的时间极短,因此被处理工件变形小,适于高精度零件处理,可作为工件的最后处理工序。这是激光表面淬火有别于其它表面淬火的重要特点;

4) 可实现工件的局部强化;

5) 可实现大型件表面强化。如汽车模具等,大型件的表面强化是传统热处理的难题,却是激光强化的技术优势;

6) 加工柔性好,适用面广。激光的光斑面积较小,可以利用灵活的导光系统随意将激光导向处理部分,方便地处理深孔､内孔､盲孔､沟槽等;

7) 工艺简单,周期短,生产效率高;

8) 激光淬火靠热量由表及里的传导自冷,无需冷却介质,淬火后工件不必清洗;热源也洁净,所以无环境污染。

激光表面淬火由于其极快的加热和冷却速度,处理后的表层获得超细化的隐晶马氏体和极高的位错密度,硬度比普通热处理提高5%~20%,表面存在较高的残余压应力,耐磨性和疲劳寿命大大提高,因此提高了模具的使用寿命。

激光表面淬火是激光表面强化领域中应用最早､也是最为成熟的一项技术,在模具中的应用也日益增多。处理材料上,既可用于模具钢､也可用于铸铁模具的表面强化。作为模具工作零件的表面强化宜作为最后工序进行。

仲肇广[1]把激光表面淬火应用于Tl2钢灯头冲孔凹模,首先对凹模进行盐水-油双液整体淬火和低温回火,然后对冲孔凹模梯形工作口部进行激光表面强化淬火,使其发生组织相变硬化,生成

作者简介:谢祖华(1963-),男,高级工程师,研究方向:模具及耐磨材料｡

第6期谢祖华:激光表面处理技术在模具上的应用129

极细而坚硬的马氏体,硬度高,耐磨性好,增加了疲劳强度,使模具使用寿命平均提高近3倍。

温宗胤等[2]对五菱微型车前隔板拉伸模进行激光表面处理取得良好效果。前隔板拉伸模制造材料为Mo-Cr合金铸铁,模具表面硬度HRC40~46。由于模具尺寸大,型面复杂,难以用传统方法处理,模具在使用过程中其工作表面易烧结,导致冲压件被拉伤。生产过程中在线维修率高达10%。模具经激光表面淬火后表面硬度提高到HRC55~65,硬化层有效深度为0.5~0.7 mm。使用该模具生产了40批共计110000件冲压件,模具表面还很光亮,冲压件拉伤问题得到有效控制,模具在线维修率也大大下降,基本控制在4%以下。实践证明,激光表面淬火是解决大型模具表面硬化难题的有效途径。

王振华等[3]对汽车制动器手柄注塑模具进行激光表面处理。模具材料为718塑料模具钢,用于注塑PC +(15%~20%)玻璃纤维塑料的汽车制动器手柄,模具原来的使用寿命约32万次,主要失效形式为型腔磨损,表面光洁度恶化。经过激光相变硬化处理后,使用寿命约为125万次,提高了3倍,取得了较好的经济效果。

付青峰等[4]研究了激光表面淬火对H13钢组织与性能的影响,结果表明:H13钢经激光表面淬火,淬硬层厚度达到0.62 mm,回火稳定性提高40 ℃,同时激光表面淬火后耐磨性比软氮化和普通热处理都明显提高。将此结果应用于H13轴承套圈热挤压模具取得良好效果。轴承套圈热挤压模具挤压20Cr材料,承受较大载荷和冲击力,要求模具具有较大抗压强度､耐磨性､一定的冲击力及较高的抗冷热疲劳性,该模具原来使用H13钢加气体软氮化,寿命只有800次,现选用H13钢加离子氮化,寿命上升到2000次,经激光表面淬火后寿命近4000次,模具使用寿命比普通热处理提高了4倍。

2 激光表面熔敷

激光表面熔覆是利用激光扫描,将预置于基体表面或与扫描同步送入的覆层材料粉末迅速熔化,并使基体表面薄层微熔,在基体表面形成与基体金属冶金结合良好的､具有特殊物理､化学或力学性能的表面覆层的处理工艺。其熔覆过程及工作原理与激光合金化类似,不同的是激光熔覆时基体仅微熔,对熔覆成分稀释很少(通常低于10%),基体的成分基本上不进入涂层内,熔覆层基本保持熔覆材料原来的成分与性能。

激光表面熔覆技术具有以下优点:

1) 熔覆合金粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金;

2) 熔覆层与基体呈冶金结合;

3) 由于冷却速度快(高达l06 ℃/s),熔覆层组织细小,结构致密;

4) 熔覆层稀释率低;

5) 熔覆热影响区小,工件变形小,成品率高;

6) 可对工件进行局部熔覆;

7) 工艺过程易于实现自动化,覆层质量稳定。如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节,这在其它工艺中是难以实现的。

激光表面熔覆工艺适用的材料范围很广,能实施熔敷的基体材料有低碳钢､合金钢､铸铁､不锈钢､铜､铝合金､镍铬钛耐热合金等。目前熔覆材料主要有铁基､镍基､钴基合金和金属陶瓷等。熔覆铁基合金适用于局部耐磨且容易变形的模具;熔覆镍基合金适合于要求局部耐磨､耐热腐蚀及抗热疲劳的模具;熔覆钴基合金适合于要求耐磨､耐蚀及抗热疲劳的模具;陶瓷涂层在高温下有较高的强度,且热稳定性好,化学稳定性高,适合于耐磨､耐蚀､耐高温和抗氧化的模具。

激光表面熔覆应用于模具,既可以对模具进行表面改性处理,也可以对模具表面进行修复。

王顺兴等[5]在3Cr2W8V轴承套圈热冲模刃口上激光熔覆Ni60+20%WC+0.5%CeO2合金,由于激光熔敷层中含有C､Cr､B､Si等合金元素,因而在熔敷过程中形成了大量的M23C6､CrB､Fe2B等硬质相,加上激光熔敷的快速凝固使其具有高硬度和高耐磨性,冲模使用寿命提高1倍以上。

马向东等[6]采用激光熔覆技术对Cr12冷作模具进行修复试验,熔覆层分别为铁基和镍基两类自熔性合金粉末。试验结果表明,熔覆层与基体之间为良好的冶金结合,镍基熔覆层与淬火Cr12基体硬度接近,但磨损量下降50%;Fe901和Fe310两种铁基熔覆层硬度均为HRC54,低于淬火基体,但Fe310熔覆层磨损量略低于Cr12基体,而Fe901熔覆层磨损量比Cr12基体磨损量降低70%以上。用Fe901铁基合金对实际失效模具进行修复,模具具有较高的硬度和耐磨性,一定的韧塑性和抗冲击性能,实际使用效果良好。