激光强化模具的材料替代技术(下)

HEATS

　　二、材料替代方案

　　金属材料激光表面强化技术可用于金属材料的表面强化，解决整体强化和其他表面强化手段难以克服的矛盾；激光表面强化技术也可用于金属材料的表面改性，获得低等级材料的高性能表层，提高工件的耐磨性、耐腐蚀性。

3 j3 Y1 g5 Q; s: r& l

　　1.冷作模具的材料替代技术

9 Y$ } Q* J! w; a$ \8 X x

　　冷作模具要求材料具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能。

: L4 N* t: K8 N0 F+ H

　　冷作模具采用中高碳碳素钢、低合金钢或铸铁经激光相变强化后代替用传统工艺的高等级材料，存在广泛的技术应用空间，虽然冷作模具广泛采用的高合金钢具有合金碳化物的独特耐磨效果，但是激光相变强化因其弥散强化、畸变强化、加工过程和热处理过程无氧化无脱碳和具有等强工作层，可以弥补高合金钢具有的合金碳化物的耐磨效果。因而激光强化的工艺灵活优势在材料替代技术领域可得到更广泛应用。

5 T8 i* g+ n6 @/ f 3 b$ J, E# W: ?; S) S& l+ M

　　(1)大型件

6 Q. x8 i; i, ?. Z% a

　　在传统工艺体系中，大型模具有两条工艺路线：一是采用高淬透性材质，确保工作部位能够淬硬；二是工作部位采用镶嵌模块单独淬火，然后与基体拼装成组合模具。

/ L4 M" E! B" r- r

　　大型工件高淬透性材料除了材料本身的价格高外，材料成型的热加2／221.艺和热处理工艺复杂，淬火前后的组织比体积变化大，模具的体积变化自然也大，装配精加工的工作量也大，这都是提高制造成本的重要因素。

. J* L$ Z5 r* r" `) u! D

　　组合模具方案虽然材料成本增加不多，但成型加工和装配成本明显提高，更为严重的是降低了模具的精度。

0 P' b3 R k% n/ {) j# D4 X

　　广州某模具厂烧烤炉上盖拉伸凹模，约1.7t，原采用组合模具工艺，拉伸摩擦面采用Crl2，非摩擦面采用T10；激光强化工艺的模具整体选用45钢或TIO，试用效果良好，而且降低材料成本约41.7%，同时降低加工成本35.8%。

4 q& w2 v( q8 Q. U/ X 8 }1 R9 g' l, }1 h

　　(2)局部强化件

　　大部分模具并不要求整个模面都必须强化，如某家电企业冲压家电外壳的模具只要求凸块边缘耐磨，为了保证冲压质量和模具使用寿命，原先采用Crl2MoV高档模具钢，虽然满足了使用要求，但Crl2MoV成型工艺和热处理工艺复杂，成本高。改用普通碳素钢50钢，并只对凸块边缘进行激光强化，满足了使用要求，也降低了成本。

　　(3)铸铁模具

　　铸铁模具的强化潜力取决于基体组织是否是珠光体。如果基体组织有太多的铁素体，将降低材料的淬硬性。所以铸铁模具的材料替代以提高强化潜力为目标。以国家标准为依据，球墨铸铁需选QT600以上，蠕墨铸铁需选RT380以上，灰铸铁需选HT200以上的牌号。目前市场大量存在HTl50模具，这类模具采用相变强化效果不佳。

1 q) r+ a& r) i4 ^

　　塑料模具的工作温度在350t以下时具有冷作模具相同的材料替代技术空间。

# k5 r( [$ y$ x7 P& B5 d$ ~. m + z, J) l5 \. S* W3 M

　　2.热作模具的材料替代技术

B$ E) Y1 {5 `- R( c; ^

　　热作模具材料除了要求具有强度、韧性、耐磨、抗疲劳和咬合抗力性能外，对红硬性和抗回火性能有特殊要求。因而用低材质激光相变强化代替不了高合金钢所具有的抗高温性能。模具再制造技术和激光熔覆可使碳素钢、低合金钢或铸铁具有抗高温性能。

* r& w t4 n+ C2 Y/ P

　　(1)模具再制造技术在模具损坏或缺陷部位采用激光熔覆工艺熔覆特定的合金材料，使其与基体金属材料形成良好的冶金结合，这种修复处理不仅仅对模具形貌进行修补，而且提高了修复部位的性能，是一种增强型修复。我们把这种业已用于模具修复的激光表面熔覆称之为模具的再制造技术。

# X7 D$ ^: b* [: F }3 S7 E . q: P% g+ @. \' Q: U# [

　　(2)激光熔覆采用中高碳素钢和低合金钢代替热作模具钢来制造热作模具，在工作部位激光表面熔覆厚度可控的一层具有耐热性能的合金，这就是热作模具的材料替代技术。塑料模具的工作温度在400℃以上时可用热作模具相同的材料替代技术。

. U6 ~6 h7 o) r! S: e7 M* r h% D: v! W6 K% g

　　三、模具材料替代技术的产业化条件

7 N* V0 p$ O+ F0 n! J+ }

　　冷作模具和工作温度在350℃以下的塑料模具材料替代技术所需的产业化条件是：激光加工装备；模具激光强化工艺技术。广州富通光科技术有限公司研制生产的“富通多功能激光加工系统”集光机电一体化，可对大型模具(1100mmx8000mm)进行激光表面相变强化和激光熔覆。

5 k: f- a# H" Z, \

　　热作模具和工作温度在400℃以上的塑料模具的材料替代技术所需的产业化条件除了激光加工装备外，还需激光熔覆用的材料和附属设备：

9 [3 @# ]' g- x* X. z( m# x

　　(1)合金粉末和合金焊丝目前国内外生产的自熔性合金粉末可分为镍基，钻基和铁基三大类。WC型自熔性合金粉末，是在上述三大类合金中加入一定量的高硬度WC制成的。富通公司生产的合金粉末系列属于镍基合金粉末，同时还生产送丝堆焊合金丝。(2)广州富通光科技术有限公司研制生产的“FS—1型送粉器”，是配合富通激光加工设备完成激光熔覆的送料系统，该送粉器可配合宽带聚焦镜，也可配合窄带聚焦镜使用。(3)广州富通光科技术有限公司研制生产的“JRS—Ⅱ型激光熔覆送丝机”可配合富通激光加工设备使用，是送料系统的一种。

2 f0 }- ~7 m4 X9 `

　　四、结论

8 [ u! \" _, M4 m7 }5 F: Y

　　由于激光相变强化具有弥散强化、畸变强化无氧化脱碳淬火、独特的抗疲劳机理和等强工作层等强化机制，加之对材料的淬透性适应性极强，可以克服大型模具和需要局部强化的模具的诸多技术难点，通过采用材料替代技术，提高或不降低冷作模具和工作温度在350℃以下的塑料模具使用性能，大幅度降低模具制造成本。

　　通过模具再制造技术和激光熔覆实现热作模具和工作温度在400~C以上的塑料模具的材料替代，提高模具的使用性能，降低模具的制造成本。

: U1 ^4 f" E1 I# C( y) z : D5 e n3 I0 c& d5 U) u

　　目前我国用于激光相变强化和激光熔覆的激光加工装备，以及激光熔覆用的材料和模具激光强化工艺技术已经成熟，具备产业化条件。

$ q: R* P" m0 y