模具制造及模具表面采用激光技术增强使用寿命

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　　摘要 模具表面的激光强化加工系统和激光强化工艺方法,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,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,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,用激光相变硬化技术提高模具寿命。
　　关键词 模具表面;激光相变硬化;强化;耐磨性

　　改革开放科学发展以来,我国机械工程行业迅猛发展,航天、汽车制造等精密仪器领域对模具的精密度、加工质量和使用寿命要求不断提高,对模具工业提出了更高的要求。提高模具的精密度、加工质量和使用寿命,是重要的研究课题。工业历史沿用的金属非金属表面强化处理是提高模具质量和使用寿命的重要途径,对于改善模具的综合性能、大幅度降低成本、充分发挥传统模具潜力,具有重要意义。常用模具表面强化处理工艺有化学热处理:渗碳、碳氮共渗等;表面复层处理:堆焊、热喷涂、电火花表面强化、PVD和CVD等;表面加工强化处理:喷丸等。历史沿用技法工艺较为复杂,处理周期较长,存在后期变形较大。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,为金属非金属模具表面的强化提供了一种新的技术。
　　
　　1 模具表面激光强化处理技术
　　
　　模具表面激光强化处理的常用方法有以下若干几种:
　　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。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,通常研究和利用激光相变硬化技术提高模具寿命的原理和技法。
　　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 激光相变硬化(激光淬火)强化加工系统的组成
　　
　　激光相变硬化(激光淬火) 强化系统为一个具有多轴联动的激光强化加工系统,它由3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、快速和有效地强化处理;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。
　　
　　3 激光相变硬化(激光淬火) 强化处理工艺
　　
　　模具工件加工表避面预处理涂层: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。
　　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,工艺处理方法简单,可直接喷刷在模具工件表面,激光吸收率达90%以上。
　　激光相变硬化(激光淬火) 强化系统工艺参数优化设定: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3个水平,做出正交试验表在试件上进行试验研究。通过激光相变硬化实验说明: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。当激光功率越大,扫描速度增强,光斑直径变小的工艺参数条件下,淬火层的硬度及硬化层深之间的关系逐渐增强。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。
　　
　　4 模具硬化层剩余应力和耐磨性
　　
　　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由激光功率和上述工艺参数决定深浅和范围面积大小。由此可见,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。模具表面的耐磨性能与模具材料的显微结构、晶粒大小、硬度高低、表面状态等多种因素有关,而这些因素又受激光相变硬化工艺参数的影响,因而激光相变硬化强化系统的工艺参数直接影响模具的耐磨性能。激光功率及扫描速度对模具工件耐磨性能的影响效果显著。由此可见,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,可见采用激光强化技术能大大提高材料的耐磨性能。
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