皮華春, 趙中里, 薛勇杰

(1. 中國(guó)中鋼集團(tuán)有限公司 科技創(chuàng)新部, 北京 100080; 2. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 北京 100029)

隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展,模具已成為主要的成型工具,但因其形狀復(fù)雜、易磨損,且價(jià)格昂貴,模具的使用壽命會(huì)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率[1].由于模具鋼所處的工況條件往往比較惡劣,在熱成型工藝過(guò)程中,基體在高溫下承受較大的沖擊載荷、劇烈的摩擦以及高溫氧化,常常會(huì)出現(xiàn)磨損、腐蝕、變形、崩裂等失效形式.模具的磨損和腐蝕本質(zhì)上是模具表面組織的劣化,通過(guò)調(diào)整模具表面的組織或成分,可以有效地防止磨損和腐蝕.具有高淬透性、高韌性、優(yōu)良抗熱裂能力的H13熱作模具鋼通常用于制造熱擠壓模具、沖擊載荷大的鍛造模具、擠出模具及壓鑄模具等.對(duì)于H13熱作模具鋼而言,采用常規(guī)的表面硬化處理方式,在提高熱作模具的硬度以及耐磨性能方面已經(jīng)很難有所改變.目前,隨著大功率激光器的出現(xiàn),人們已經(jīng)開(kāi)始探索嘗試?yán)眉す獗砻娲慊鸺夹g(shù)提高模具的使用壽命[2].激光表面淬火過(guò)程中,聚焦激光束并調(diào)整離焦量后直接照射材料表面,使之加熱至奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度,然后迅速移去激光束,加熱區(qū)表面冷卻自行淬火,由先前的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而提高了模具的表面硬度和耐磨性,在一定程度上延長(zhǎng)了模具的使用壽命.由于激光表面淬火的激光能量密度高,與其他常規(guī)熱處理工藝相比,具有加熱速度快、時(shí)間短,熱影響區(qū)較小,工件幾乎無(wú)畸變,加工過(guò)程快速、靈活等優(yōu)點(diǎn).此外,由于激光淬火是自冷淬火,無(wú)需冷卻介質(zhì),無(wú)需真空條件,因此生產(chǎn)成本較低,擁有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,也在一定程度上減小了對(duì)環(huán)境的影響[3].

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)激光表面淬火技術(shù)的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié),目的是結(jié)合激光表面淬火后熱作模具鋼的表面性能,研究有關(guān)H13熱作模具鋼激光表面淬火處理表面強(qiáng)化問(wèn)題,以及最佳激光工藝參數(shù),進(jìn)一步延長(zhǎng)H13熱作模具鋼使用壽命.

1 激光表面淬火技術(shù)的應(yīng)用分析

激光表面淬火與激光切割、激光焊接、激光熔覆等技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為激光加工技術(shù),始于20世紀(jì)70年代.激光加工技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),幾乎不破壞材料表面粗糙度,不需要冷卻介質(zhì),是傳統(tǒng)加工技術(shù)無(wú)法比擬的.因此該項(xiàng)技術(shù)受到世界各國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)及制造企業(yè)的高度重視.隨著大功率激光器的出現(xiàn),許多國(guó)家紛紛制定關(guān)于激光技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃,并投入大量人力、物力來(lái)廣泛開(kāi)展相關(guān)研究和推廣應(yīng)用,使這項(xiàng)技術(shù)在短短的30多年內(nèi)得到了飛速發(fā)展[4].

1.1 激光表面淬火的應(yīng)用

激光表面淬火具有許多優(yōu)點(diǎn),例如淬火區(qū)域中的晶粒非常細(xì)小,并且對(duì)工件具有良好的均勻強(qiáng)化效果.其在提高機(jī)械產(chǎn)品的硬度、耐磨壽命等方面起著越來(lái)越重要的作用,可以很好地解決耐磨性差、硬度低、形狀復(fù)雜零件的表面強(qiáng)化等問(wèn)題.如對(duì)管子切割刀實(shí)施激光表面淬火后,刀鋒硬度達(dá)到63～65HRC,使切管更穩(wěn)定,效率同比提高了30%;對(duì)模具刃口實(shí)施激光表面淬火,與同等未處理的模具刃口相比,硬度提高了3～4HRC,使用壽命也有所提高.并且當(dāng)淬火層深度大于0.5 mm時(shí),變形量小于0.01 mm.此外,激光表面淬火還應(yīng)用于機(jī)床導(dǎo)軌淬火、齒輪淬火、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主軸頸和凸輪部位局部淬火,以及各種工具刃口的表面強(qiáng)化[5].

美國(guó)通用汽車(chē)公司于1974年首先將CO2激光器用于激光表面淬火,隨后陸續(xù)建立了多條激光熱處理生產(chǎn)線,日處理零件高達(dá)3萬(wàn)余件.該公司對(duì)易磨損的汽車(chē)轉(zhuǎn)向器齒輪內(nèi)表面用激光處理出5條耐磨帶,克服了磨損問(wèn)題,齒面基本沒(méi)有發(fā)生變形,延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)向器齒輪的使用壽命[6].在激光表面淬火方面,我國(guó)也在積極進(jìn)行理論研究和實(shí)踐應(yīng)用,例如久恒光電技術(shù)有限公司采用半導(dǎo)體激光表面淬火裝備對(duì)管道坡口機(jī)輥道面實(shí)施淬火處理,嚴(yán)格控制激光的掃描速度、掃描寬度和掃描軌跡,處理后表面硬度比感應(yīng)淬火高2～3HRC,硬化層深度范圍內(nèi)硬度一致,表面沒(méi)有熔化,且形變量小于0.05 mm,減小成本的同時(shí)有效提高了工作效率.河北共晶激光技術(shù)有限公司采用半導(dǎo)體激光器,對(duì)精密齒條進(jìn)行激光表面淬火后,齒條硬度高、組織細(xì)密、位錯(cuò)密度高,且變形小,不破壞表面粗糙度,耐磨效果優(yōu)良,配副性?xún)?yōu)良,經(jīng)濟(jì)效益顯著.

1.2 激光表面淬火研究方向分析

目前,國(guó)內(nèi)外激光表面淬火處理的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面.

1) 在理論研究方面,大多數(shù)研究只計(jì)算溫度和相變,卻很少考慮相變結(jié)構(gòu)分布和材料性質(zhì)對(duì)相變后溫度場(chǎng)的影響.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算方法的改進(jìn),激光熱處理理論正逐漸發(fā)展為預(yù)測(cè)淬火材料的性能和硬化層的深度.

2) 在光束傳導(dǎo)系統(tǒng)功能部件研究方面,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是提高大功率激光束聚焦光路系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)的性能等,包括大功率光路系統(tǒng)中電光調(diào)制器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)器的研究.

3) 在激光器光束模式的改進(jìn)研究方面,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是減小激光束發(fā)散角和超小功率氣體激光器的研究等.

4) 在優(yōu)化激光表面淬火工藝的研究方面,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化掃描工藝和參數(shù)計(jì)算的方法和模型,以便滿(mǎn)足特定構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和要求.

2 激光表面淬火技術(shù)的工藝與性能分析

H13熱作模具鋼的表面被一定能量的激光束照射,當(dāng)加熱到奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)材料仍處于冷態(tài),并且材料與加熱區(qū)之間存在陡峭的溫度梯度.當(dāng)不照射激光時(shí),加熱區(qū)將迅速冷卻并發(fā)生馬氏體相變,從而導(dǎo)致材料表面發(fā)生自冷淬火,從而獲得相變硬化.

2.1 激光表面淬火技術(shù)的工藝分析

激光表面淬火工藝是激光表面淬火研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一[7],現(xiàn)階段研究?jī)?nèi)容主要包括激光掃描方式和特定零件的特定掃描路徑的設(shè)計(jì).激光的掃描方式分為圓形、矩形光斑的窄帶掃描和線形光斑的寬帶掃描3種類(lèi)型[8].對(duì)于窄帶掃描,其硬化帶的寬度與光斑尺寸相當(dāng).當(dāng)需要大面積硬化時(shí),逐步進(jìn)行掃描的重疊部分會(huì)留下回火軟化帶,回火軟化帶硬度比較低,耐磨性能較差.為減少回火軟化帶造成的不良影響,研究人員發(fā)明了寬帶掃描技術(shù).寬帶掃描技術(shù)可以將掃描焦點(diǎn)改變?yōu)榫€性點(diǎn),從而顯著增加掃描寬度,提高了掃描速度,寬帶掃描寬度可大于10 mm,能有效解決回火軟化帶帶來(lái)的不良影響.此外,激光表面淬火技術(shù)的研究?jī)?nèi)容還包括激光加工參數(shù)的選擇和參數(shù)與材料表面硬化尺寸的關(guān)系等.

激光淬硬層的尺寸參數(shù)和性能參數(shù)主要取決于激光功率密度、掃描速度、材料的特性、搭接率和材料表面預(yù)處理情況等,同時(shí)也與被處理零件的幾何形狀以及激光掃描區(qū)的力學(xué)性能有關(guān)[9].在其他工藝因素不變的條件下,激光器輸出功率、掃描速度和作用在材料表面的光斑尺寸等主要工藝參數(shù)的綜合作用直接反映了激光表面淬火過(guò)程的保溫溫度及保溫時(shí)間[10].

同時(shí),不應(yīng)忽略激光器參數(shù)的范圍,例如掃描速度也不宜過(guò)低、光斑尺寸不宜過(guò)大,以防發(fā)生馬氏體階段相變失敗的現(xiàn)象.當(dāng)激光輸出功率過(guò)大、掃描速度過(guò)低時(shí),則容易引起表面熔化,導(dǎo)致模具表面粗糙度發(fā)生改變,直接影響到模具使用壽命.此外,掃描圖案和硬化面積比、硬化帶的寬度、光學(xué)電路系統(tǒng)和激光束的焦距都會(huì)影響到激光表面淬火的質(zhì)量.

激光表面淬火是快速加熱、快速冷卻的過(guò)程.采用大功率激光束直接照射在材料表面,使得材料表面被掃描區(qū)域的溫度急速升高,而不與材料表面產(chǎn)生直接接觸的方式來(lái)滿(mǎn)足人們對(duì)于常規(guī)熱淬火無(wú)法滿(mǎn)足的特定需求[11].進(jìn)行激光淬火處理前,需要進(jìn)行如材料表面除銹除油、表面粗糙度的檢測(cè)、激光器的參數(shù)設(shè)置等前處理工作,具體操作流程如圖1所示.

圖1 激光表面淬火處理基本流程Fig.1 Basic process of laser surface quenching

2.2 常用激光器類(lèi)型及參數(shù)分析

目前,國(guó)內(nèi)外主要采用CO2激光器、YAG激光器以及半導(dǎo)體二極管激光器對(duì)熱作模具進(jìn)行激光表面淬火處理.采用傳統(tǒng)的CO2激光器淬火,存在溫度不能精確控制、激光能量密度波動(dòng)性大、光斑不均勻等問(wèn)題,造成材料表面產(chǎn)生熔融、氣孔等缺陷,導(dǎo)致材料表面粗糙度增大,直接影響材料的使用壽命,增加生產(chǎn)成本.而半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[12],特別是經(jīng)半導(dǎo)體激光器表面激光表面淬火后工件表面粗糙度幾乎沒(méi)有改變,使得半導(dǎo)體激光器技術(shù)得到不斷發(fā)展與革新,已逐漸在激光表面淬火領(lǐng)域取得主導(dǎo)地位.

在激光能量密度方面,結(jié)合了激光功率、掃描速度以及光斑尺寸的影響,優(yōu)化了激光表面淬火參數(shù).經(jīng)過(guò)如下實(shí)驗(yàn)對(duì)比,確定激光表面淬火最佳參數(shù)組.

1) 采用半導(dǎo)體激光器,額定功率為3 kW,矩形光斑尺寸為4 mm×10 mm,波長(zhǎng)為980 nm,焦距為150 mm.搭接率約為30%時(shí),以800 mm·min-1的速度掃描.當(dāng)淬火溫度由1 200 ℃升至1 500 ℃時(shí),淬硬層深度逐漸增加至550 μm;淬火溫度為1 500 ℃時(shí),硬度顯著提高;以1 000 mm·min-1的速度掃描,當(dāng)淬火溫度由1 200 ℃升高至1 400 ℃時(shí),淬硬層深度逐漸增加至510 μm;淬火溫度為1 400 ℃時(shí),硬化層的硬度高于從其他溫度淬火的硬化層,并且在距表面0.4 mm處硬度最低.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,提高H13熱作模具鋼耐磨性的最佳半導(dǎo)體激光表面淬火工藝參數(shù)為激光掃描速度800 mm·min-1、淬火溫度1 500 ℃、搭接率30%[13].

2) 半導(dǎo)體激光器功率為6 kW,波長(zhǎng)為915 nm,激光頭與基板之間工作距離約285 mm,矩形光斑尺寸為5 mm×20 mm,功率由0.9 kW升至2.5 kW,掃描速度由2 mm·s-1升至8 mm·s-1.使用如上所示的具體參數(shù)組合,利用式(1)計(jì)算激光能量密度.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得最佳應(yīng)用激光能量密度為62.5 J·mm-2[14].

(1)

式中:ρ為激光能量密度,J·mm-2;P為激光功率,W;v為掃描速度,mm·s-1;l為平行于激射方向的基板表面上聚焦激光光斑的尺寸,mm.

2.3 激光表面淬火的性能特征分析

本文從硬度和耐磨性能2方面來(lái)表征激光表面淬火.經(jīng)過(guò)激光表面淬火處理后,H13熱作模具鋼的結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能發(fā)生了變化,主要表現(xiàn)出以下特征.

1) 硬度.與常規(guī)淬火相比,激光表面淬火具有更高的硬度.激光表面淬火后,在隨后的加熱過(guò)程中可以保持比常規(guī)淬火更高的硬度.

2) 耐磨性.激光表面淬火后,材料表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,晶粒細(xì)化和表面硬度增加,可大大提高材料的表面耐磨性.

3) 硬化層深度.當(dāng)使用1 kW的激光進(jìn)行掃描時(shí),硬化層深度可達(dá)1 mm,采取一定措施后,硬化層深度可達(dá)2 mm.對(duì)熱硬度要求比較高時(shí),必須嚴(yán)格控制激光掃描速度和激光功率密度的變化,操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)熔化現(xiàn)象.

3 激光表面淬火存在的缺陷及改進(jìn)方法

激光表面淬火是一種較好的熱處理方法,有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是不少傳統(tǒng)加工技術(shù)所無(wú)法比擬的.根據(jù)激光表面淬火研究中工藝參數(shù)及其聯(lián)系,處理過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題.

1) 材料表面燒損,表面組織粗大,有凹坑和變形.凹坑形成的主要原因是激光能量密度過(guò)大,使得金屬表面吸收的能量增加.當(dāng)溫度升至熔點(diǎn)附近或超過(guò)熔點(diǎn)時(shí),材料表面發(fā)生熔化,出現(xiàn)凹坑.這種情況可通過(guò)降低激光功率或提高掃描速度解決.

2) 材料表面熱處理不足,硬化層太淺,表層組織不均勻.該問(wèn)題可通過(guò)提高功率或降低掃描速度解決.

3) 激光表面淬火后材料表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋.高能量激光束照射在金屬材料表面時(shí),需要準(zhǔn)確控制掃描速度.掃描速度的變化影響著淬火后的表面特征,所以操作時(shí)選擇合理的掃描速度,可避免淬火時(shí)材料快速升溫、冷卻造成熱應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象.

4) 激光表面淬火過(guò)程中,高能量激光束的光束中心加熱速率和冷卻速率都會(huì)高于光束邊緣位置,因此會(huì)出現(xiàn)材料的硬化層深度不均勻現(xiàn)象.另一方面,當(dāng)需要大面積硬化時(shí),逐步進(jìn)行掃描的重疊部分會(huì)留下硬度比較低的回火軟化帶.該問(wèn)題可以通過(guò)選取矩形光斑、減少搭接次數(shù)來(lái)解決.

5) 當(dāng)對(duì)材料表面進(jìn)行激光吸收涂層或黑化處理時(shí),不同的化學(xué)試劑也會(huì)對(duì)材料表面產(chǎn)生不同程度的影響.

4 結(jié) 論

H13熱作模具鋼經(jīng)半導(dǎo)體激光表面淬火處理后,表面粗糙度幾乎沒(méi)有改變,形變量也近乎為零,可顯著提高材料的表面硬度及耐磨性.與常規(guī)淬火相比,激光表面淬火處理后,材料表面硬化層更均勻、硬度更高,且可以根據(jù)模具形狀在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行淬火處理,可有效降低生產(chǎn)制造成本.本研究的主要結(jié)論如下.

1) H13熱作模具鋼經(jīng)激光表面淬火處理后,得到的強(qiáng)化層組織分為3層,最外層為相變硬化層,中間層為回火層,心部為基體組織.

2) 激光表面淬火可以有效細(xì)化馬氏體組織.相變硬化區(qū)主要由針狀馬氏體、殘留奧氏體和細(xì)小碳化物組成.

3) 激光表面淬火作為模具生產(chǎn)的最后處理工序,需要保證淬火后模具表面質(zhì)量,因此在保證材料表面不發(fā)生熔化的情況下選擇合理的參數(shù)組以獲取所需的表面性能.