【正文】 激光表面處理的深度取決于由表面向內(nèi)部熱擴散的距離，其值很小，且易于控制。激光光斑的功率密度大，可準確地引導(dǎo)至模具表面的不同部位，或在一定區(qū)域掃描。對工件表面作局部處理，功率密度可準確控制，輸入模具的能量小，模具的變形小，處理后表面可不再進行機加工或只需少量機加工。此外，激光沒有化學(xué)污染，易于傳輸、切換和自動控制。目前，國內(nèi)激光熱處理已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。GCrl5鋼制沖孔模經(jīng)激光強化處理后，其使用壽命提高了2倍，硅鋼片模具經(jīng)處理后，使用壽命提高了10倍。激光表面處理工藝包括相變硬化、熔凝、涂覆、合金化、非晶化和微晶化、沖擊強化等。1．激光相變硬化激光相變硬化也稱為激光淬火，它是以高能量的激光束，快速掃描工件，使工件表層迅速加熱到奧氏體化溫度，內(nèi)部材料則保持冷態(tài)，隨后通過熱量往基體深部的傳導(dǎo)，使加熱的表層以很快的速度冷卻，得到極細的馬氏體組織，其硬度主要取決于基材奧氏體的含碳量和晶粒度，達到自身淬火的目的。激光相變硬化的主要目的是在工件表面有選擇性的局部產(chǎn)生硬化帶以減低磨損，以及通過在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力來提高疲勞強度。激光相變硬化的主要優(yōu)點如下。1）可得到優(yōu)質(zhì)淬硬，其組織細化，硬度比常規(guī)淬火提高15%~20%。2）加熱速度極快，工藝周期短，生產(chǎn)效率高，無需淬火介質(zhì)，工藝過程易于控制。3）對于孔狀及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要激光束能照射到的均可進行處理。如深孔壁、深溝底及側(cè)面等部位。4）可進行大型零件的局部表面及形狀復(fù)雜零件的硬化處理。5）淬硬層深度可以精確控制。6）熱處理變形小。激光對金屬的加熱速度極快，奧氏體相變是在過熱度大的高溫區(qū)很短時間內(nèi)完成的，相變形核的臨界半徑小，使得奧氏體形核數(shù)增多。同時，瞬時加熱后的急冷使超細奧氏體晶粒來不及長大，使得殘留奧氏體量增加，碳來不及擴散使殘留奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，得到高碳馬氏體，從而提高硬度。金屬材料表面對激光輻照能量的吸收能力與激光的波長、材料的溫度和性質(zhì)以及材料表面狀態(tài)密切相關(guān)。激光波長越短，材料的吸光能力越高。隨著溫度的升高，材料的吸光能力也增加。材料的表面粗糙度值越小，其對激光的反射率越高。因而當激光波長確定后，金屬材料對激光的吸收能力主要取決于其表面狀態(tài)。一般需激光熱處理的金屬材料表面都經(jīng)過機械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可達80%~90%，使大部分激光能量被反射掉。為了提高金屬表面對激光的吸收率，在激光熱處理前要對材料表面進行表面預(yù)處理（常稱為黑化處理）、即在需要激光處理的金屬表面涂上一層對激光有較高吸收能力的涂料，以提高光束能量的利用效率。表面預(yù)處理的方法包括表面磷化法、表面拉毛法、表面氧化法、噴(刷)涂料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是磷化法和噴(刷)涂料法。常用的涂料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等，也有直接使用碳素墨汁和無光漆作為預(yù)處理涂料的。在確定工藝參數(shù)時，首先要分析被加工對象的材料特性、使用條件、服役工況，以確定技術(shù)條件、產(chǎn)品質(zhì)量要求等，從而決定淬硬層的深度、寬度、硬度，由此考慮選用寬帶、窄帶、多模、單模以及掃描形式等因素。激光相變硬化工藝參數(shù)主要有三個，即激光器輸出功率P、光斑直徑d及掃描速度v。國內(nèi)用于激光淬火的模具材料有CrWMn、Crl2MoV、Crl9SiCr、3Cr2W8V、Tl0A、W6Mo5Cr4VWl8Cr4V等，這些鋼種經(jīng)激光淬火后的組織性能較常規(guī)熱處理普遍改善。2．激光熔凝處理激光熔凝處理是利用比激光淬火更高能量密度(104~106W/cm2)的激光束對金屬表面進行掃描，使金屬表層快速熔化，并造成熔化金屬與基體之間很大的溫度梯度，激光移開后，熔化金屬快速冷卻，但并不改變表層的化學(xué)成分。由于表層金屬的加熱和冷卻都異常迅速，故所得的組織非常細密。若通過外部介質(zhì)使表層熔液冷卻速度達到106℃/s，則可抑制結(jié)晶過程的進行，而凝固成非晶態(tài)，稱為激光熔化非晶態(tài)處理，又稱激光上釉。熔凝處理可以用來改善材料表面的耐磨性、疲勞強度和耐蝕性，某些模具鋼在高速冷卻結(jié)晶后，可以提高碳化物彌散度，改變合金元素及碳化物分布，因而表面硬度和熱穩(wěn)定性都有所提高，可有效延長模具壽命。如Crl2萊氏體鋼和40Cr5MoV鋼經(jīng)激光加熱，表面熔化，然后超高速冷卻，形成很細的鑄態(tài)組織，使合金元素和碳化物分布均勻，提高了表面硬度。3．激光涂覆激光涂覆，是采用激光加熱使材料表面層熔化，同時加入另外的材料成分一起熔化后迅速凝固形成新的合金層，在表面涂覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料。涂覆材料受到基體材料極小的稀釋，基體保持其原有成分及性質(zhì)不變，同時涂覆層晶粒細小、致密,從而提供良好的耐磨損、抗腐蝕能力。激光涂覆通常有預(yù)置粉末法和噴射粉末法。預(yù)置粉末激光涂覆是在激光處理前，將一定厚度的合金粉末層置于基體之上，這是制造單道掃描涂層的最簡單方法。預(yù)置粉末法對工件的形狀、位置的適應(yīng)性較差，而且不適宜通過多道掃描得到較大面積的涂層。因為第一次掃描已將鄰近區(qū)域的粉末熔化或部分熔化，緊接著在鄰近位置作第二道掃描時，已不存在完整的粉末層。由于基體被粉末層所覆蓋，激光首先加熱粉末。粉末的熱導(dǎo)率很低，在粉末層全部熔化以前，由粉末層向基體的熱傳導(dǎo)可以忽略。粉末層完全熔化以后，激光才通過熔化了的合金層加熱基體。一旦基體表面熔化，二者實現(xiàn)冶金結(jié)合，這樣，激光涂覆過程可以看作是由互相銜接的粉末熔化和基體加熱兩個步驟組成。噴射粉末激光涂敷法是用惰性氣體將粉末噴向激光和材料的作用區(qū)。在激光的作用下，涂層材料在基材上形成一個熔池，噴射來的粉末附在此熔池的表面并受熱熔化。激光通過此熔池加熱基體，直至其表層熔化，和熔融的合金層實現(xiàn)冶金結(jié)合。與預(yù)置粉末法相比，噴射粉末激光涂覆工藝較為方便、實用，可適應(yīng)各種形狀、位置表面的涂覆，既可用于單道掃描涂覆，也可通過互相銜接的多道掃描實現(xiàn)較大面積的涂覆。噴射粉末激光涂覆法還有利于提高激光能量的利用率。另外采用激光涂覆方法還可以將一些失效的模具重新涂覆繼續(xù)使用。4．激光合金化激光合金化是在高能束激光(104~106W/cm2)作用下，將一種或多種合金元素與基材表面快速熔凝，從而使材料表層具有預(yù)定的高合金特性的技術(shù)，即利用激光改變金屬及合金表面化學(xué)成分的技術(shù)。激光合金化與涂覆是同一種類型的工藝，它們的區(qū)別僅在于：合金化所形成的合金層的成分是介于施加合金與基體金屬之間的某一中間成分，即施加合金受到較大或一定的稀釋。而涂覆則是除較窄的結(jié)合層外，施加材料基本保持原有成分很少受到稀釋。這些區(qū)別可以由被施加材料、施加材料成分、施加形式及量和激光工藝參數(shù)的改變來達到。激光合金化與熔凝及涂覆之間有共同的特征。即在激光的作用下形成熔池。在表面張力梯度作用下，熔池內(nèi)金屬有劇烈的流動。激光表面合金化的一個重要問題是較易產(chǎn)生裂紋。熔化合金帶冷卻固化時，其收縮受到基體的約束，在合金層中產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力是裂紋和疲勞破壞的根源。激光合金化的裂紋通常是枝晶完全凝固前拉應(yīng)力造成的裂紋，或者是后一次掃描的拉應(yīng)力疊加到前一次掃描帶的殘余應(yīng)力上使總的應(yīng)力超過了材料的抗拉強度造成的。預(yù)熱是減小裂紋傾向的有效方法，也可以采用合金化后的熱處理來消除其殘余應(yīng)力。電火花加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于模具制造、復(fù)雜表面形狀的零件加工和難切削材料的加工。電火花表面強化技術(shù)是利用電火花強化被金屬表面的部位，較其他方法簡單，效果好，因而它在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。電火花表面強化是采用脈沖放電技術(shù)，直接利用火花放電時釋放的能量，將一種導(dǎo)電材料涂覆或擴滲到另一種材料的表面，形成合金化的表面強化層，從而達到改善被強化工件表面性能的目的。電火花表面強化的優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作方便等。這項技術(shù)已在模具上獲得應(yīng)用，可強化壓鑄模、鍛模等。用硬質(zhì)合金強化冷沖模、拉深模、玻璃模等均獲得良好效果。利用該工藝可有效改善工模具工作表面的物理、化學(xué)性能，提高工作面硬度，增強耐磨性，延長工模具使用壽命，并可在保持基體金屬原始性能的情況下修復(fù)表面破損。在工具電極與被強化金屬零件之間接上直流(或交流)電源，在振動器作用下使工具電極與金屬零件之間的放電間隙頻繁發(fā)生變化。當工具電極與金屬零件之間距離較大時，電源經(jīng)過電阻R對電容進行充電，與此同時工具電極在振動器作用下逐漸靠近金屬零件；當兩者之間的距離達到某一間隙值時，間隙中 的空氣被擊穿，產(chǎn)生電火花放電，使工具電極端部與金屬零件表面局部微區(qū)產(chǎn)生熔化甚至汽化；當工具電極在振動器作用下繼續(xù)靠近并與金屬零件接觸時，電火花放電停止，在接觸處流過短路電流，使該處繼續(xù)加熱熔化，工具電極繼續(xù)向下移動并對金屬零件熔化微區(qū)施加—定壓力，使工具電極材料與金屬零件熔化部分壓合滲透，各種元素急劇擴散并形成金屬或新的化合物溶滲層；然后工具電極在振動器作用下離開金屬零件，由于金屬零件的熱容大于工具電極，金屬零件放電部位急劇冷卻后即形成具有不同組織結(jié)構(gòu)的強化層。按上述方法進行多次充放電，并相應(yīng)移動工具電極位置，即可在金屬零件表面形成具有要求性能的強化層。但是，電火花強化也存在強化層薄、表面較粗糙、表層均勻性差等不足。因此，在電火花強化之后，為了得到所要求的精度，可進行適當?shù)哪ハ骷庸?，但磨削后并不會影響強化層的硬度和耐磨性（在保持表面層硬度的條件下）。磨削后在強化表面會殘留微孔，將顯著改善配合零件的潤滑條件，另一方面又可改善耐磨性能，一般經(jīng)強電火花強化的模具，使用壽命可延長數(shù)倍。例如采用WC、TiC等硬質(zhì)合金電極材料強化高速鋼或合金工具鋼強化壽命，能形成顯微硬度ll00HV以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強化層，使模具的使用壽命明顯地得到提高。如沖壓硅鋼片(~)的落料模，經(jīng)電火花強化后使用聲命延長2~3倍，定子雙槽沖模由5萬次/刃磨，提高到20萬次/刃磨。從表中可見，經(jīng)電火花強化后模具壽命提高了1~3倍。模具名稱模具材料被加工工件材料強化前平均加工數(shù)強化后平均加工數(shù)壓縮機閥片復(fù)合沖模套筒扳手熱壓模雙槽沖模T8A、T10A、Crl2MoV3Cd21V8vCrl230crMnSiA40Cr300300050001000400015000利用電火花表面強化工藝還可實現(xiàn)模具刻字、打標記、處理折斷絲錐或鉆頭、加工盲孔等功能。選用硬質(zhì)合金、銅等導(dǎo)電材料作為工具電極，可方便地在有色金屬表面上刻字和打標記，標記美觀、耐磨，尤其適用于不能用刻字機、打標機進行加工操作的模具零件及淬火零件。利用電火花強化裝置附加的穿孔器還可在淬火工件上加工盲孔或處理折斷在孔中的絲錐或鉆頭等。采用氣相沉積技術(shù)在模具表面上制備硬質(zhì)化合物涂層的方法，由于其技術(shù)上的優(yōu)越性及涂層的良好特性，因此，他在各種模具、切削工具和精密機械零件等進行表面強化的主要技術(shù)，有著廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)沉積的機理不同，氣相沉積可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)和等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)等。它們的共同特點是將具有特殊性能的穩(wěn)定化合物TiC、TiN. SiN、Cr7CTi(C，N)、(Ti，Al)、(Ti，Si)N等直接沉積于金屬工件表面，形成一層超硬覆蓋膜，從而使工件具有高硬度、高耐磨性、高抗蝕性等一系列優(yōu)異性能。1．化學(xué)氣相沉積(1)化學(xué)氣相沉積的概念及特點 化學(xué)氣相沉積(CVD)是指在一定的溫度條件下，混合氣體與基體表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在基體表面形成金屬或化合物等的固態(tài)膜或鍍層。這里有兩個關(guān)鍵因素。一是作為初始混合氣體氣相與基體固相界面的作用，也就是說各種初始氣體之間在界面上的反應(yīng)來產(chǎn)生沉積，或是通過氣相的一個組分與基體表面之間的反應(yīng)來產(chǎn)生沉積。二是沉積反應(yīng)必須在一定的能量激活條件下進行。一般情況下產(chǎn)生氣相沉積的化學(xué)反應(yīng)必須有足夠高的溫度作為激活條件，在有些情況下，可以采用等離子體或激光輔助作為激活條件，降低沉積反應(yīng)的溫度?？傊瘜W(xué)氣相沉積就是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。CVD法是將工件置于有氫氣保護的爐內(nèi)，加熱到高溫(800℃以上)，向爐內(nèi)通入反應(yīng)氣體，使之在爐內(nèi)熱解，化合成新的化合物沉積在工件表面。在模具的應(yīng)用中其覆膜厚度一般為6~10μm。在CrlWl8Cr4V等鋼制的20多種冷模具上用CVD法沉積一層TiC。YG類硬質(zhì)合金模具上涂覆TiC、Ti(CN)TiN涂層，壽命提高10多倍。但是，由于CVD處理的溫度高，基體硬度降低，同時處理后還需進行淬火處理，會產(chǎn)生較大變形，因此，不適用于高精度模具。CVD法具有如下特點：可在大氣或低于大氣壓下進行沉積金屬、合金、陶瓷和化合物涂層，能在形狀復(fù)雜的基體上或顆粒材料上沉積涂層。涂層的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)較易準確控制，也可制備具有成分梯度的涂層。涂層與基體的結(jié)合力高，設(shè)備簡單操作方便，但它的處理溫度一般為900~1200℃，工件被加熱到如此高的溫度會產(chǎn)生以下問題：1） 工件易變形，心部組織惡化、性能下降；2） 有脫碳現(xiàn)象、晶粒長大、殘余奧氏體增多；3） 形成e相和復(fù)合碳化物；4） 處理后的母材必須進行淬火和回火；5） 不適用于低熔點的金屬材料。（2）化學(xué)氣相沉積TiN 。將經(jīng)清洗、脫脂和氨氣還原處理后的模具工件置于充滿H2（%）的反應(yīng)器中，加熱到900~1100℃，通入N2(%)的同時，并帶入氣態(tài)TiCl4(%)到反應(yīng)器中，則在工件表面上發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):　　　2TiCl4(氣)十N2(氣)+4H2(氣)→2TiN(固)+8HCl(氣)固態(tài)TiN沉積在模具表面上形成TiN涂層，厚度可達3~10μm，副產(chǎn)品HCl氣體則被吸收器排出。工藝參數(shù)的控制如下：1）氮氫比對TiN的影響 一般情況下，氮氫體積比VN2/VH2＜1/2時，隨著N2的增加，TiN沉積速率增加，涂層顯微硬度增加；當VN2/VH2≈1/2時，沉積速率和硬度達到最大值；當VN2/VH2＞1/2時，沉積速率和硬度逐漸下降。當VN2/VH2≈1/2時，所形成的TiN涂層均勻致密，晶粒細小，硬度最高，涂層成分接近于化學(xué)當量的TiN，而且與基體的結(jié)合牢固。因此VN2/VH2要控制在1/2左右。2）溫度對TiN的影響 隨著溫度的升高，TiN沉積速率呈指數(shù)關(guān)系增加；而硬度是逐漸增加，在975℃時達到最大值，然后又隨溫度的升高