激光淬火技术在模具表面处理中的应用与展望

与传统淬火后马氏体形成的机理类似，都是通 过加热和迅速冷却，但激光淬火的热循环过程有所 不同，常规淬火后的组织是通过冷却介质（水或油） 快速冷却，而激光淬火是铁基合金在激光停止照射后，利用金属本身的热传导发生“自淬火”而得到马氏体组织。激光表面硬化（激光淬火）主要有 CO2 激光和 YAG 激光，前者多用于黑色金属大面积零件的表面改性，后者多用于有色金属或小面 积零件的表面改性。它是通过高能密度的激光束以非接触的方式扫描需要改性部位的金属表面上， 使其吸收光能后温度以 104～105 ℃/s 的速度瞬间 升高到奥氏体相变温度以上，熔点温度以下。如此快的升温过程有益于奥氏体形核，得到细小的奥氏体晶粒，随后自身又以大于 104 ℃/s 冷却速度进行热传递急速冷却，由于加热时间短，冷却速度过快使奥氏体来不及均匀化，导致碳和合金元素分布不均，晶粒细小的奥氏体和奥氏体组织成分的差异都有利于最终获得细小的马氏体。板条状马氏体和孪 晶马氏体是在经激光淬火后常见的组织，其具有很高的位错密度，一般可达 1012 cm2。研究表明晶粒细小、极大的位错密度是获得超高硬度马氏体的重要条件。激光相变硬化是通过迅速升温与迅速冷却的加工方式，使工件表面产生极大的压应力， 大小一般可达 750 MPa 以上，在很大程度上改善了材料的疲劳强度，而且 C. Soriano 在研究激光淬火对球墨铸铁的影响时，发现淬火后的残余应力与组织的显微硬度、显微组织转变有很大关系。

激光束照射在金属表面会形成较高的温度梯度，从而引起材料中的原子迁移现象，在一定深度范围内，不同结构的组织层的形成与温度有关，主要表现为随温度梯度分布的变化，组织的耐磨性、 硬度以及其他性能也会发生相应的变化，激光淬火后，金属材料可按其组织层的不同可以分成三层。第一层：相变硬化层。该层直接受到激光束的照射，温度升高和降低最快，过热度和过冷度最大， 在非平衡状态下，基体组织以瞬间切变的形式转为奥氏体组织，并伴随着碳及各种合金元素进行扩散和迁移。元素原子时刻进行着热振动，振动的能量与温度有密切关系，当温度较低时，原子所具有的能量不足以克服周围原子对其束缚；当温度升高到一定程度时，原子可跨越势垒，由原来的位置跃迁 到其他位置，合金等元素由高浓度向低浓度扩散和迁移。为了探究合金元素的扩散情况，人们通常采用动力学计算程序 DICTRA 来模拟。上海交通大 学何燕霖等对 Fe、Al、Si 合金中的元素进行了不同温度下元素扩散和迁移实验，结果表明，计算结果和实验结果比较吻合。尽管有元素扩散和迁移，但是与常规的淬火相比，其扩散时间非常有限， 使元素分布很不均匀，最终冷却后得到的组织非常细小，位错密度极高，而且在该层中的组织也不尽相同。

金属材料表面吸收光能的效率主要取决于材料的表面状态，经过机械加工后的模具，其表面粗 糙度很小，其反射率高达 80%～90%。通常用磷化法、喷涂涂料法对金属表面进行预处理，以提高 金属表面对激光的吸收效率。通过磷化法可以在材料表面生成均匀、细致的磷化酸金属盐磷化膜，其对材料表面的影响较小。喷涂涂料法是在金属表面涂上能够很好吸收激光的涂层，在高功率激光的照射下，涂层具有很好的热稳定性，且导热性高。喷涂法工艺在金属表面预处理中具有更大的优越 性，主要是涂料价格低廉、容易清除，在涂敷及激 光处理过程中，不会对环境产生污染[44]。例如纳米 氧化物涂料，在温度达到 873 K 时仍能保持高而稳定的吸收率，通常纳米氧化物涂料对 CO2 激光吸收 率达 93.57%。模具表面的显微硬度、耐磨性与材料的显微结构、晶粒大小、表面状态等因素有关，而这些因素直接受到工艺参数的影响，吸收激光能量的程度最 终决定淬火后的组织性能。主要工艺参数有：激光输出功率（P）、扫描速度（v）和作用在材料表面 上的光斑尺寸（D）。三个参数对激光淬火后的硬 化层深度（H）的影响关系式为：H∝P/(D×v) (1) 由式（1）可知，激光相变硬化层的深度与激 光输出功率成正比，与扫描速度和作用在材料表面 上的光斑尺寸成反比。而且材料对激光的吸收率随 着温度的升高而增加，关系式为 TT=T20 ℃[1+ U(T20)]，其中 TT 为材料对激光的吸收率，T20 ℃ 为室温条件下材料的吸收率，U 为常数，T 为材料 的温度。为了使激光淬火效果达到最佳，必须考虑 P、v、D 等因素影响，为了简化试验量，可以通过 正交试验法分析各参数之间的相关性。江苏广播电 视大学吴健[46]对 4Cr13 不锈钢进行了正交试验，结果见表 1。