激光淬火设备浅析激光表面强化技术在模具上的应用

激光表面淬火

　　激光表面淬火是一种利用高能量激光束扫描工件使被扫描的区域表面硬化的技术。其基本原理为用一定能量密度（103～105W/cm2）的激光照射工件，使被照射的表层区域被急速加热至相变点以上，熔点以下的温度，此时工件基体仍处于冷态，加热区与基体之间存在很大的温度梯度，当激光束停止照射时，由于热传导的作用，加热区会急速冷却（106～108℃/s）而发生马氏体转变，使工件表层实现相变硬化。

　　1.激光淬火的特点

　　（1）激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温(Heat preservation)和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理（heat treatment）工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。

　　（2）由于激光（LASER)加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小。

　　（3）由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确（精准）的局部淬火(quenching)。

　　（4）激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～0.7mm，使其应用受到一定的限制。激光淬火设备是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的设备。

　　2.工艺参数(parameter)的选择(xuanze)

　　影响激光淬火质量（Mass）的工艺(gōng y)参数是多方面的，主要有激光功率、扫描速度、光斑尺寸、光束能量分布状态（state）、吸光涂层种类与厚(thickness)度等。衡量激光淬火质量的主要指标包括硬化层深度、宽度、硬度（Hardness)及硬化层表面粗糙度。其之间主要关系有以下几点：

　　（1）激光在单位时间上作用于模具的功率密度（即比功率E），将决定激光淬火的效果。激光淬火设备是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的设备。激光淬火所需的比功率E为102～104W/cm2·s。比功率E由激光功率

　　P、扫描速度

　　V、光斑尺寸D决定，即E=P·V-1·D-1。

　　（2）在102～104W/cm2·s的范围内，功率密度（单位:g/cm3或kg/m3)的增加、扫描速度减小、将使模具的硬化层深度、硬度（Hardness)及硬化层表面（biǎo miàn）粗糙度增加。如果功率过大，扫描速度太慢，即比功率太大，超出上述范围，会造成工件表面熔化、烧损；反之，硬度和硬化层深度会达不到技术要求(demand)。

　　（3）激光（LASER)淬火硬化层宽度由光斑尺寸决定。大面积(area)淬火必须进行多道扫描。宽带扫描比窄带扫描效率高。

　　（4）光束能量(Beam energy)（energy）分布主要影响硬化层深度、宽度（width）及组织的均匀（jūn yún)性。它由光束模式及导光系统决定。通常，应根据设备的实际情况调整到最佳状态，以保证硬化层的均匀性。

　　（5）吸光涂层种类及厚度会影响工件（workpiece）对激光（LASER)能量的有效吸收。激光淬火设备的特点是几乎不破坏表面粗糙度 采用防氧化保护薄涂层 模具钢 各种模具。目前应用较为成熟的吸光涂层有磷酸盐涂层、含胶体石墨涂层、氧化物涂层等。在覆盖工件表面的前提下，涂层厚度越薄越均匀，则效果越好。

　　3.应用实例

汽车大型覆盖件模具一般用合金(alloy)铸铁(cast iron)制造。激光淬火设备的特点是几乎不破坏表面粗糙度 采用防氧化保护薄涂层 模具钢 各种模具。合金铸铁的特性不宜进行整体热处理，传统工艺采用火焰淬火，其淬火硬度为40～50HRC。改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化层有效深度为0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件(machine part)拉伤问题得到有效控制，模具在线维护修理率控制在4%以下。以前每批生产完成后均需对拉深模进行大面积推磨，现只是需要进行简单维护保养便可。