模具制造工藝根據(jù)工況要求，由材料選用、熱加工成坯、冷加工成型室叉、熱處理強(qiáng)化、精加工寥闪、裝配構(gòu)成工藝體系。當(dāng)工作環(huán)境有新的要求钮药，或廠家為了降低成本椭梁，上述工藝環(huán)節(jié)可進(jìn)行重組，形成新的工藝體系尺果。

　　在模具制造工藝體系中存在諸多無(wú)耐之舉捻奉。為了提高大型模具的淬透性，必須采用高淬透性材料捌秩，以便淬硬模具工作層九站。高淬透性材料只有高合金鋼，該材料冶金脓大、熱加工屋骇、熱處理工藝都很復(fù)雜，冷加工也有較大難度过桌，造成模具制造成本提高殷彰。為了減輕這些因素的影響，某些只需局部強(qiáng)化的模具便采用高合金鋼鑲嵌模塊，基體則采用普通材料哺肘，做成組合模具殴胧，這樣一來(lái)便帶來(lái)模具精度的降低。

　　一佩迟、激光相變強(qiáng)化的金屬材料學(xué)

　　激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過(guò)程团滥，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表層相變強(qiáng)化报强，當(dāng)激光束能量密度處于高端時(shí)灸姊，工件表面光斑處相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的坩堝，可完成一系列的冶金過(guò)程躺涝，包括表層重熔厨钻、表層增碳、表層合金化和表面熔覆坚嗜。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)夯膀，將給制造業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　所謂激光相變強(qiáng)化苍蔬，是以激光束快速掃描工件诱建，受熱層在光斑移開(kāi)時(shí)，由于工件基體的熱傳導(dǎo)作用使溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上的受熱層發(fā)生相變碟绑，完成相變強(qiáng)化過(guò)程武骆。

　　相變強(qiáng)化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同材質(zhì)溃杖、工件熱容量大小硝锨、以及激光處理工藝參數(shù)的不同，實(shí)現(xiàn)硬度卢圈、層深可控储佣。強(qiáng)化層深度，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)借衅，鋼為0.7-lmm位蓉，鑄鐵為0.35—O.65mm。

　　在傳統(tǒng)熱處理工藝中影鹊属。向強(qiáng)化效果的技術(shù)因素冶媚，在激光相變強(qiáng)化中所起的作用發(fā)生很大變化。

　　1．淬透性

　　淬透性對(duì)于傳統(tǒng)整體淬火工藝來(lái)說(shuō)是個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)指標(biāo)危劫，它決定該材料是否能夠得到淬火組織彭旬，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化目的；而對(duì)于激光表面相變強(qiáng)化來(lái)說(shuō)容诬，該指標(biāo)無(wú)關(guān)緊要围辙。

　　以大量使用的結(jié)構(gòu)鋼45鋼和高速工具鋼W18Cr4V為例我碟，45鋼奧氏體最不穩(wěn)定的溫度是550℃左右，此時(shí)孕育時(shí)間約1s姚建，如在1s之內(nèi)沒(méi)能越過(guò)550℃矫俺，奧氏體便開(kāi)始分解并轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；W18Cr4V鋼奧氏體最不穩(wěn)定的溫度是750℃左右掸冤，此時(shí)孕育時(shí)間約8min左右厘托，如在8min之內(nèi)能越過(guò)750℃，奧氏體便可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體稿湿。

　　在激光淬火中铅匹，當(dāng)用D＝5mm的光斑，υ＝1200mm／min速度掃描時(shí)饺藤，一個(gè)固定點(diǎn)的加熱時(shí)間是0.2s包斑。

　　據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，鋼質(zhì)件經(jīng)0.2s加熱可使距表面O.7—1mm處的溫度升到Ac3臨界溫度以上涕俗；反過(guò)來(lái)罗丰，當(dāng)工件的熱容量足夠大時(shí)，被加熱工件將以104—100℃／s的冷卻速度從Ac3臨界點(diǎn)溫度冷卻到馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms以下山堵。

　　所以不要說(shuō)W18Cr4V的480s左右的孕育時(shí)間腊囤，就是45鋼的1s左右孕育時(shí)間，對(duì)于奧氏體越過(guò)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域硅决，完成馬氏體相變也綽綽有余韭展。所以說(shuō)，淬透性對(duì)于激光表面相變強(qiáng)化來(lái)說(shuō)無(wú)關(guān)緊要拂是。

　　2．彌散強(qiáng)化和畸變強(qiáng)化

　　激光相變強(qiáng)化是以高能量密度的激光束照射工件表面酬裆，使需要強(qiáng)化的部位瞬間吸收光能，溫度急劇上升逃缔，形成奧氏體葱有，此時(shí)基體處于冷態(tài)，與加熱區(qū)之間有極高的溫度梯度壳坞，當(dāng)停止激光照射柑耙，加熱區(qū)因急冷而發(fā)生淬火述茂，使金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變搂瓣。

　　在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體，表面層的奧氏體化時(shí)間約o.2s雇寇，最里層則是瞬間的氢拥，不管是表層,還是里層，奧氏體晶粒都沒(méi)有孕育長(zhǎng)大的機(jī)會(huì)锨侯。彌散的奧氏體晶粒嫩海，形成彌散的馬氏體相，使馬氏體具有晶格強(qiáng)化的同時(shí)具有彌散強(qiáng)化效果。

　　而且叁怪，在激冷條件下形成的馬氏體晶格审葬，比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。與此同時(shí)奕谭，殘余奧氏體也獲得極高的位錯(cuò)密度涣觉，從而使金屬材料具有畸變強(qiáng)化效果，強(qiáng)度大大提高血柳。

　　3．無(wú)氧化脫碳淬火

　　在傳統(tǒng)熱處理中官册，模具在加熱過(guò)程如沒(méi)有保護(hù)措施，便會(huì)發(fā)生氧化难捌、脫碳現(xiàn)象膝宁，使模具的硬度、耐磨性垮允、使用性能和使用壽命降低籍喧。

　　激光相變強(qiáng)化所使用的吸光涂料具有保護(hù)工件表面免遭氧化的性能。

　　4．激光強(qiáng)化的抗疲勞機(jī)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(shí)間疚都。磨損和疲勞在材料損傷過(guò)程交互促進(jìn)蝶桑，磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，加速疲勞裂紋的萌生哥笤，材料表面出現(xiàn)疲勞裂紋后窄切，表面粗糙度嚴(yán)重惡化，磨損也將加劇协悼。

　　用經(jīng)激光處理和未經(jīng)激光處理的Crl2MoV試樣做磨損對(duì)比試驗(yàn)炫胡，發(fā)現(xiàn)激光處理試樣表面比較光滑、犁溝較淺残昔、粘著現(xiàn)象較輕狗城；而未經(jīng)激光處理的試樣磨損表面損傷嚴(yán)重，有明顯的犁溝和表面粘著斑痕物即，因此激光強(qiáng)化層具有較強(qiáng)的抗塑性變形和抗粘著磨損能力蚊楞。

　　彌散強(qiáng)化、畸變強(qiáng)化和激光強(qiáng)化抗疲勞機(jī)理彌補(bǔ)了高合金材料中的碳化物耐磨因素寿烟。

　　5．等強(qiáng)工作層

　　常規(guī)熱處理由表及里其硬度值有一個(gè)明顯的下降梯度澈驼，經(jīng)激光強(qiáng)化的工件，整個(gè)強(qiáng)化層的硬度幾乎一樣筛武。

　　常規(guī)熱處理的冷卻方向是由表及里缝其，表面的冷卻速度最快，由表及里冷卻速度逐漸降低徘六，所以得到了由表及里硬度值下降的梯度分布内边。

　　激光相變強(qiáng)化的加熱方向由表及里榴都，不僅表面溫度較高，而且加熱時(shí)間較長(zhǎng)漠其，可達(dá)0.2-0.25s嘴高，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濃度和屎。激光淬火冷卻方向卻與常規(guī)熱處理相反阳惹，是由里及表，里層溫度雖低眶俩，但冷卻速度最快琢播，外表溫度雖高，但冷卻速度最慢荠补，雖然里層c濃度稍低茄颈，但畸變強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化更強(qiáng)烈。

　　這樣在硬化層內(nèi)就形成了幾乎不變的硬度值分布宁线。激光強(qiáng)化件等強(qiáng)工作層避免了常規(guī)熱處理件在一旦表面出現(xiàn)磨損去柿，其磨損速度便加速的現(xiàn)象。

　　6．鑄鐵模具的淬硬性

　　鑄鐵因具有優(yōu)異的鑄造性能和耐磨性能僻一，而被廣泛用作模具材料幅裳。但是，由于鑄鐵模具的材料性能未被全面認(rèn)識(shí)冀肆，所以市場(chǎng)中的鑄鐵模具的使用效果差異極大铆寓。

　　鑄鐵模具強(qiáng)化是通過(guò)基體的相變強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)的，鑄鐵模具的淬硬性也取決于基體的組織凄恤×牝撸基體組織的鐵素體含量低，則鑄鐵模具的淬硬性變高嘿辟；基體組織的鐵素體含量高舆瘪，則鑄鐵模具的淬硬性就差。

　　鑄鐵中的含碳量對(duì)于基體獲得100％珠光體有充足的碳源红伦，但是英古，如果鑄造工藝過(guò)程石墨化動(dòng)力太強(qiáng)，基體則會(huì)出現(xiàn)區(qū)域的碳被完全石墨化昙读，使基體中的這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)鐵素體召调，甚至使整個(gè)基體出現(xiàn)50％以上的鐵素體。此類牌號(hào)的鑄鐵模具是不耐磨的箕戳，通過(guò)相變強(qiáng)化提高耐磨性能的潛力也比較小某残。

　　此外国撵，由于鑄鐵件生產(chǎn)裝備不需要太多的投資陵吸，市場(chǎng)上便有大量簡(jiǎn)易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來(lái)的鑄鐵模具玻墅。簡(jiǎn)易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來(lái)的鑄鐵模具有三個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)鑄造缺陷多。

　　(2)組織粗大壮虫，尤其是石墨粗大澳厢。

　　(3)無(wú)法控制石墨化程度，基體鐵素體含量高囚似。

　　二姊康、材料替代方案

　　金屬材料激光表面強(qiáng)化技術(shù)可用于金屬材料的表面強(qiáng)化，解決整體強(qiáng)化和其他表面強(qiáng)化手段難以克服的矛盾幌蹈；激光表面強(qiáng)化技術(shù)也可用于金屬材料的表面改性碎瓢，獲得低等級(jí)材料的高性能表層，提高工件的耐磨性转迷、耐腐蝕性戴仁。

　　1．冷作模具的材料替代技術(shù)

　　冷作模具要求材料具有強(qiáng)度、韌性乞易、耐磨贱僚、抗疲勞和咬合抗力性能。

　　冷作模具采用中高碳碳素鋼毕蠢、低合金鋼或鑄鐵經(jīng)激光相變強(qiáng)化后代替用傳統(tǒng)工藝的高等級(jí)材料吝沃，存在廣泛的技術(shù)應(yīng)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(dú)特耐磨效果雁唁，但是激光相變強(qiáng)化因其彌散強(qiáng)化俱竭、畸變強(qiáng)化、加工過(guò)程和熱處理過(guò)程無(wú)氧化無(wú)脫碳和具有等強(qiáng)工作層车份，可以彌補(bǔ)高合金鋼具有的合金碳化物的耐磨效果桑嘶。因而激光強(qiáng)化的工藝靈活優(yōu)勢(shì)在材料替代技術(shù)領(lǐng)域可得到更廣泛應(yīng)用。

　　(1)大型件

　　在傳統(tǒng)工藝體系中躬充，大型模具有兩條工藝路線：一是采用高淬透性材質(zhì)逃顶，確保工作部位能夠淬硬；二是工作部位采用鑲嵌模塊單獨(dú)淬火充甚，然后與基體拼裝成組合模具以政。

　　大型工件高淬透性材料除了材料本身的價(jià)格高外，材料成型的熱加2／221．藝和熱處理工藝復(fù)雜伴找，淬火前后的組織比體積變化大盈蛮，模具的體積變化自然也大，裝配精加工的工作量也大技矮，這都是提高制造成本的重要因素抖誉。

　　組合模具方案雖然材料成本增加不多，但成型加工和裝配成本明顯提高衰倦，更為嚴(yán)重的是降低了模具的精度袒炉。

　　廣州某模具廠燒烤爐上蓋拉伸凹模刹震，約1.7t悄针，原采用組合模具工藝，拉伸摩擦面采用Crl2，非摩擦面采用T10杏恍；激光強(qiáng)化工藝的模具整體選用45鋼或TIO憨募，試用效果良好做堂，而且降低材料成本約41.7％味爷，同時(shí)降低加工成本35.8％。

　　(2)局部強(qiáng)化件

　　大部分模具并不要求整個(gè)模面都必須強(qiáng)化荠划，如某家電企業(yè)沖壓家電外殼的模具只要求凸塊邊緣耐磨恕下，為了保證沖壓質(zhì)量和模具使用壽命，原先采用Crl2MoV高檔模具鋼刘纸，雖然滿足了使用要求沮汇，但Crl2MoV成型工藝和熱處理工藝復(fù)雜，成本高抚袁。改用普通碳素鋼50鋼嬉咐，并只對(duì)凸塊邊緣進(jìn)行激光強(qiáng)化，滿足了使用要求多尺，也降低了成本绕睹。

　　(3)鑄鐵模具

　　鑄鐵模具的強(qiáng)化潛力取決于基體組織是否是珠光體。如果基體組織有太多的鐵素體憨琳，將降低材料的淬硬性诫钓。所以鑄鐵模具的材料替代以提高強(qiáng)化潛力為目標(biāo)。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)篙螟，球墨鑄鐵需選QT600以上菌湃，蠕墨鑄鐵需選RT380以上，灰鑄鐵需選HT200以上的牌號(hào)遍略。目前市場(chǎng)大量存在HTl50模具惧所，這類模具采用相變強(qiáng)化效果不佳。

　　塑料模具的工作溫度在350t以下時(shí)具有冷作模具相同的材料替代技術(shù)空間绪杏。

　　2．熱作模具的材料替代技術(shù)

　　熱作模具材料除了要求具有強(qiáng)度下愈、韌性、耐磨蕾久、抗疲勞和咬合抗力性能外势似，對(duì)紅硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材質(zhì)激光相變強(qiáng)化代替不了高合金鋼所具有的抗高溫性能僧著。模具再制造技術(shù)和激光熔覆可使碳素鋼履因、低合金鋼或鑄鐵具有抗高溫性能。

　　(1)模具再制造技術(shù)

　　在模具損壞或缺陷部位采用激光熔覆工藝熔覆特定的合金材料，使其與基體金屬材料形成良好的冶金結(jié)合越客，這種修復(fù)處理不僅僅對(duì)模具形貌進(jìn)行修補(bǔ)敏袄，而且提高了修復(fù)部位的性能，是一種增強(qiáng)型修復(fù)朦我。我們把這種業(yè)已用于模具修復(fù)的激光表面熔覆稱之為模具的再制造技術(shù)。

　　(2)激光熔覆

　　采用中高碳素鋼和低合金鋼代替熱作模具鋼來(lái)制造熱作模具视片，在工作部位激光表面熔覆厚度可控的一層具有耐熱性能的合金袜娇，這就是熱作模具的材料替代技術(shù)。

　　塑料模具的工作溫度在400℃以上時(shí)可用熱作模具相同的材料替代技術(shù)赢凫。

　　三输跑、模具材料替代技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化條件

　　冷作模具和工作溫度在350℃以下的塑料模具材料替代技術(shù)所需的產(chǎn)業(yè)化條件是：激光加工裝備；模具激光強(qiáng)化工藝技術(shù)样矢。廣州富通光科技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的“富通多功能激光加工系統(tǒng)”集光機(jī)電一體化营将，可對(duì)大型模具(1100mmx8000mm)進(jìn)行激光表面相變強(qiáng)化和激光熔覆。

　　熱作模具和工作溫度在400℃以上的塑料模具的材料替代技術(shù)所需的產(chǎn)業(yè)化條件除了激光加工裝備外那岁，還需激光熔覆用的材料和附屬設(shè)備：

　　(1)合金粉末和合金焊絲

　　目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基冗美，鉆基和鐵基三大類。WC型自熔性合金粉末析二，是在上述三大類合金中加入一定量的高硬度WC制成的粉洼。富通公司生產(chǎn)的合金粉末系列屬于鎳基合金粉末，同時(shí)還生產(chǎn)送絲堆焊合金絲叶摄。

　　(2)廣州富通光科技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的“FS—1型送粉器”属韧，是配合富通激光加工設(shè)備完成激光熔覆的送料系統(tǒng)，該送粉器可配合寬帶聚焦鏡蛤吓，也可配合窄帶聚焦鏡使用宵喂。

　　(3)廣州富通光科技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的“JRS—Ⅱ型激光熔覆送絲機(jī)”可配合富通激光加工設(shè)備使用，是送料系統(tǒng)的一種会傲。

　　四锅棕、結(jié)論

　　由于激光相變強(qiáng)化具有彌散強(qiáng)化、畸變強(qiáng)化無(wú)氧化脫碳淬火淌山、獨(dú)特的抗疲勞機(jī)理和等強(qiáng)工作層等強(qiáng)化機(jī)制哲戚，加之對(duì)材料的淬透性適應(yīng)性極強(qiáng)，可以克服大型模具和需要局部強(qiáng)化的模具的諸多技術(shù)難點(diǎn)艾岂，通過(guò)采用材料替代技術(shù)顺少，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以赤。

　　通過(guò)模具再制造技術(shù)和激光熔覆實(shí)現(xiàn)熱作模具和工作溫度在400~C以上的塑料模具的材料替代磕裂，提高模具的使用性能，降低模具的制造成本劣饺。

　　目前我國(guó)用于激光相變強(qiáng)化和激光熔覆的激光加工裝備印姑，以及激光熔覆用的材料和模具激光強(qiáng)化工藝技術(shù)已經(jīng)成熟窖夸，具備產(chǎn)業(yè)化條件。

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