模具制造工藝根據(jù)工況要求暖眼，由材料選用颤绕、熱加工成坯捕虽、冷加工成型慨丐、熱處理強(qiáng)化、精加工泄私、裝配構(gòu)成工藝體系房揭。當(dāng)工作環(huán)境有新的要求，或廠家為了降低成本晌端，上述工藝環(huán)節(jié)可進(jìn)行重組捅暴，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咧纠。為了提高大型模具的淬透性蓬痒，必須采用高淬透性材料，以便淬硬模具工作層漆羔。高淬透性材料只有高合金鋼梧奢，該材料冶金、熱加工演痒、熱處理工藝都很復(fù)雜亲轨，冷加工也有較大難度，造成模具制造成本提高深牲。為了減輕這些因素的影響熬席，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苦突，做成組合模具牙硫，這樣一來便帶來模具精度的降低。

　　一街剂、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過程防徊，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可用于金屬材料的表層相變強(qiáng)化绎弯，當(dāng)激光束能量密度處于高端時选芦，工件表面光斑處相當(dāng)于一個移動的坩堝，可完成一系列的冶金過程版逼，包括表層重熔赌列、表層增碳混闪、表層合金化和表面熔覆。這些功能在實際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)阅嘶，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益属瓣。

　　所謂激光相變強(qiáng)化，是以激光束快速掃描工件讯柔，受熱層在光斑移開時抡蛙，由于工件基體的熱傳導(dǎo)作用使溫度達(dá)到臨界點以上的受熱層發(fā)生相變，完成相變強(qiáng)化過程魂迄。

　　相變強(qiáng)化工藝具有表面質(zhì)量好的優(yōu)點粗截，可根據(jù)不同材質(zhì)、工件熱容量大小捣炬、以及激光處理工藝參數(shù)的不同熊昌，實現(xiàn)硬度、層深可控湿酸。強(qiáng)化層深度婿屹，根據(jù)試驗實測，鋼為0.7-lmm稿械，鑄鐵為0.35—O.65mm选泻。

　　在傳統(tǒng)熱處理工藝中影。向強(qiáng)化效果的技術(shù)因素寿宅，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

　　淬透性對于傳統(tǒng)整體淬火工藝來說是個至關(guān)重要的技術(shù)指標(biāo)船遣，它決定該材料是否能夠得到淬火組織卫糙，實現(xiàn)強(qiáng)化目的；而對于激光表面相變強(qiáng)化來說样呜，該指標(biāo)無關(guān)緊要欺靠。

　　以大量使用的結(jié)構(gòu)鋼45鋼和高速工具鋼W18Cr4V為例，45鋼奧氏體最不穩(wěn)定的溫度是550℃左右覆珍，此時孕育時間約1s肾寡，如在1s之內(nèi)沒能越過550℃，奧氏體便開始分解并轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w纱轨；W18Cr4V鋼奧氏體最不穩(wěn)定的溫度是750℃左右耿愈，此時孕育時間約8min左右，如在8min之內(nèi)能越過750℃倔剩，奧氏體便可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體朦暖。

　　在激光淬火中，當(dāng)用D＝5mm的光斑盖呼，υ＝1200mm／min速度掃描時儒鹿，一個固定點的加熱時間是0.2s化撕。

　　據(jù)現(xiàn)場測試，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臨界溫度以上约炎；反過來植阴，當(dāng)工件的熱容量足夠大時，被加熱工件將以104—100℃／s的冷卻速度從Ac3臨界點溫度冷卻到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms以下圾浅。

　　所以不要說W18Cr4V的480s左右的孕育時間掠手，就是45鋼的1s左右孕育時間，對于奧氏體越過珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域贱傀，完成馬氏體相變也綽綽有余惨撇。所以說，淬透性對于激光表面相變強(qiáng)化來說無關(guān)緊要府寒。

　　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魁衙，使需要強(qiáng)化的部位瞬間吸收光能，溫度急劇上升株搔，形成奧氏體剖淀，此時基體處于冷態(tài)，與加熱區(qū)之間有極高的溫度梯度肌辑，當(dāng)停止激光照射足渔，加熱區(qū)因急冷而發(fā)生淬火，使金屬表面發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變刹造。

　　在此工藝環(huán)境下形成的奧氏體丹碑，表面層的奧氏體化時間約o.2s，最里層則是瞬間的劫欣，不管是表層,還是里層候隘，奧氏體晶粒都沒有孕育長大的機(jī)會。彌散的奧氏體晶粒盹清，形成彌散的馬氏體相裆乘，使馬氏體具有晶格強(qiáng)化的同時具有彌散強(qiáng)化效果。

　　而且曾辙，在激冷條件下形成的馬氏體晶格衅逝，比常規(guī)淬火有更高的缺陷密度。與此同時糕米，殘余奧氏體也獲得極高的位錯密度忠伊，從而使金屬材料具有畸變強(qiáng)化效果，強(qiáng)度大大提高钾埂。

　　3．無氧化脫碳淬火

　　在傳統(tǒng)熱處理中河闰，模具在加熱過程如沒有保護(hù)措施，便會發(fā)生氧化褥紫、脫碳現(xiàn)象姜性，使模具的硬度瞪慧、耐磨性、使用性能和使用壽命降低部念。

　　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弃酌。

　　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間。磨損和疲勞在材料損傷過程交互促進(jìn)儡炼，磨損溝痕可成為疲勞裂紋的萌生點妓湘，加速疲勞裂紋的萌生，材料表面出現(xiàn)疲勞裂紋后乌询，表面粗糙度嚴(yán)重惡化榜贴，磨損也將加劇。

　　用經(jīng)激光處理和未經(jīng)激光處理的Crl2MoV試樣做磨損對比試驗妹田，發(fā)現(xiàn)激光處理試樣表面比較光滑沈猜、犁溝較淺、粘著現(xiàn)象較輕拳镊；而未經(jīng)激光處理的試樣磨損表面損傷嚴(yán)重奈炕，有明顯的犁溝和表面粘著斑痕，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寓吼。

　　彌散強(qiáng)化书尚、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。

　　5．等強(qiáng)工作層

　　常規(guī)熱處理由表及里其硬度值有一個明顯的下降梯度治牲，經(jīng)激光強(qiáng)化的工件沐刷，整個強(qiáng)化層的硬度幾乎一樣。

　　常規(guī)熱處理的冷卻方向是由表及里趁悦，表面的冷卻速度最快煞松，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脸缆。

　　激光相變強(qiáng)化的加熱方向由表及里，不僅表面溫度較高跑事，而且加熱時間較長别粮，可達(dá)0.2-0.25s，而里層奧氏體化則是瞬間完成蛇耀，使得表層奧氏體中有更高的c濃度辩诞。激光淬火冷卻方向卻與常規(guī)熱處理相反，是由里及表纺涤，里層溫度雖低译暂，但冷卻速度最快，外表溫度雖高撩炊，但冷卻速度最慢外永，雖然里層c濃度稍低崎脉，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伯顶。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)磨損囚灼，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祭衩，而被廣泛用作模具材料灶体。但是，由于鑄鐵模具的材料性能未被全面認(rèn)識掐暮，所以市場中的鑄鐵模具的使用效果差異極大捧懈。

　　鑄鐵模具強(qiáng)化是通過基體的相變強(qiáng)化實現(xiàn)的，鑄鐵模具的淬硬性也取決于基體的組織碧爬∈基體組織的鐵素體含量低，則鑄鐵模具的淬硬性變高贪犁；基體組織的鐵素體含量高颜肥，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檀氏，但是退厕，如果鑄造工藝過程石墨化動力太強(qiáng)，基體則會出現(xiàn)區(qū)域的碳被完全石墨化纳帽，使基體中的這個區(qū)域出現(xiàn)鐵素體寸颇，甚至使整個基體出現(xiàn)50％以上的鐵素體。此類牌號的鑄鐵模具是不耐磨的挣呛，通過相變強(qiáng)化提高耐磨性能的潛力也比較小础健。

　　此外，由于鑄鐵件生產(chǎn)裝備不需要太多的投資舰绘，市場上便有大量簡易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來的鑄鐵模具蹂喻。簡易生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來的鑄鐵模具有三個特點：

　　(1)鑄造缺陷多。

　　(2)組織粗大捂寿，尤其是石墨粗大口四。

　　(3)無法控制石墨化程度，基體鐵素體含量高秦陋。

　　二蔓彩、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驳概；激光表面強(qiáng)化技術(shù)也可用于金屬材料的表面改性赤嚼，獲得低等級材料的高性能表層，提高工件的耐磨性顺又、耐腐蝕性更卒。

　　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)度等孵、韌性、耐磨逞壁、抗疲勞和咬合抗力性能流济。

　　冷作模具采用中高碳碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵經(jīng)激光相變強(qiáng)化后代替用傳統(tǒng)工藝的高等級材料债轰，存在廣泛的技術(shù)應(yīng)用空間铆糙，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(qiáng)化因其彌散強(qiáng)化丐闲、畸變強(qiáng)化械琴、加工過程和熱處理過程無氧化無脫碳和具有等強(qiáng)工作層，可以彌補(bǔ)高合金鋼具有的合金碳化物的耐磨效果索官。因而激光強(qiáng)化的工藝靈活優(yōu)勢在材料替代技術(shù)領(lǐng)域可得到更廣泛應(yīng)用狰了。

　　(1)大型件

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

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

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

　　廣州某模具廠燒烤爐上蓋拉伸凹模鞋吉，約1.7t，原采用組合模具工藝励烦，拉伸摩擦面采用Crl2坯辩，非摩擦面采用T10；激光強(qiáng)化工藝的模具整體選用45鋼或TIO崩侠，試用效果良好，而且降低材料成本約41.7％坷檩，同時降低加工成本35.8％却音。

　　(2)局部強(qiáng)化件

　　大部分模具并不要求整個模面都必須強(qiáng)化，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矢炼，為了保證沖壓質(zhì)量和模具使用壽命系瓢，原先采用Crl2MoV高檔模具鋼阿纤，雖然滿足了使用要求，但Crl2MoV成型工藝和熱處理工藝復(fù)雜撼由，成本高荡将。改用普通碳素鋼50鋼，并只對凸塊邊緣進(jìn)行激光強(qiáng)化狭鳖，滿足了使用要求您账，也降低了成本。

　　(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拳沙。如果基體組織有太多的鐵素體爽附，將降低材料的淬硬性。所以鑄鐵模具的材料替代以提高強(qiáng)化潛力為目標(biāo)怔惯。以國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)蝗淡，球墨鑄鐵需選QT600以上，蠕墨鑄鐵需選RT380以上庞取，灰鑄鐵需選HT200以上的牌號避顶。目前市場大量存在HTl50模具，這類模具采用相變強(qiáng)化效果不佳鞍靴。

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

　　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、韌性专甩、耐磨钟鸵、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涤躲。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棺耍。模具再制造技術(shù)和激光熔覆可使碳素鋼、低合金鋼或鑄鐵具有抗高溫性能种樱。

　　(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蒙袍，使其與基體金屬材料形成良好的冶金結(jié)合，這種修復(fù)處理不僅僅對模具形貌進(jìn)行修補(bǔ)嫩挤，而且提高了修復(fù)部位的性能害幅，是一種增強(qiáng)型修復(fù)。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)岂昭。

　　(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制造熱作模具以现，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，這就是熱作模具的材料替代技術(shù)约啊。

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

　　三、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)路旬。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)電一體化耀到，可對大型模具(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哑回，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

　　目前國內(nèi)外生產(chǎn)的自熔性合金粉末可分為鎳基莲吐，鉆基和鐵基三大類。WC型自熔性合金粉末伊哮，是在上述三大類合金中加入一定量的高硬度WC制成的稠眠。富通公司生產(chǎn)的合金粉末系列屬于鎳基合金粉末，同時還生產(chǎn)送絲堆焊合金絲恃定。

　　(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”宣忧，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寞殿，也可配合窄帶聚焦鏡使用锤扣。

　　(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)的一種骡尽。

　　四遣妥、結(jié)論

　　由于激光相變強(qiáng)化具有彌散強(qiáng)化、畸變強(qiáng)化無氧化脫碳淬火攀细、獨特的抗疲勞機(jī)理和等強(qiáng)工作層等強(qiáng)化機(jī)制箫踩，加之對材料的淬透性適應(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)難點谭贪，通過采用材料替代技術(shù)境钟，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俭识。

　　通過模具再制造技術(shù)和激光熔覆實現(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慨削，提高模具的使用性能，降低模具的制造成本套媚。

　　目前我國用于激光相變強(qiáng)化和激光熔覆的激光加工裝備缚态，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，具備產(chǎn)業(yè)化條件堤瘤。

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