CN110814521A - 一种模具钢表面激光毛化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模具钢表面激光毛化试验方法，包括以下步骤：A.固定模具钢试样，调整激光头使试样表面位于激光光斑的焦平面上；B.采用光纤激光加工系统对模具钢进行加工，加工试验使用单因素轮换的方法分别针对激光功率、脉冲宽度和辅助气体三个因素进行，调整离焦量为0，调整脉冲宽度为100～1300μs，激光功率为40～100W，氮气压力为O.1～0.4MPa；C.加工完毕后，采用表面三维形貌分析仪，测量所加工出的毛化点的形貌大小。本发明通过设计变量的合理确定、刀具路径的优化和深腔加工误差分析来对多轴数控铣削技术进行改进以提高深腔曲面多轴数控加工技术的加工深度和精确度。

Description

一种模具钢表面激光毛化试验方法

技术领域

本发明涉及一种模具钢表面加工试验方法，更具体地说，它涉及一种模具钢表面激光毛化试验方法。

背景技术

激光毛化技术是利用快速熔凝原理，将高功率密度激光束照射材料表面，使得作用区域材料瞬间完成熔凝过程，在材料表面形成内部组织致密、表面硬度增强的毛化凸起，以此来实现材料表面改形改性的目的。激光毛化技术在模具钢中的应用为提高模具的寿命和质量会带来巨大的价值。但不同工艺参数对毛化点几何尺寸的影响规律目前所知较少，为此有必要就这一课题展开深入研究。

发明内容

现有的激光毛化技术不同工艺参数对毛化点几何尺寸的影响规律目前所知较少，为克服这一缺陷，本发明提供了一种有助于探究不同工艺参数对毛化点几何尺寸的影响规律，并获知毛化熔凝形貌区域材料的机械力学性能的模具钢表面激光毛化试验方法。

本发明的技术方案是：一种模具钢表面激光毛化试验方法，包括以下步骤：

A.固定模具钢试样，调整激光头使试样表面位于激光光斑的焦平面上；

B.采用光纤激光加工系统对模具钢进行加工，加工试验使用单因素轮换的方法分别针对激光功率、脉冲宽度和辅助气体三个因素进行，调整离焦量为0，调整脉冲宽度为100～1300μs，激光功率为40～100W，氮气压力为O.1～0.4MPa；

C.加工完毕后，采用表面三维形貌分析仪，测量所加工出的毛化点的形貌大小。

该方法可探究激光功率、脉冲宽度和辅助气体三个因素对毛化点几何尺寸的影响规律，并获知毛化熔凝形貌区域材料的机械力学性能。

作为优选，步骤A中的模具钢试样未经其它任何表面热处理。模具钢试样不做其它任何表面热处理，从而在之后的激光毛化试验中真实准确地反映激光功率、脉冲宽度和辅助气体对毛化点的形成有何影响。

作为优选，步骤A中的模具钢试样表面经过砂纸打磨抛光，表面粗糙度为0.04～0.06μm。由于激光烧融形成的毛化点很小，模具钢试样的表面必须预先将粗糙度控制在较低水平，否则无法体现毛化效果。

作为优选，进行加工试验之前，对试样表面用浸有无水乙醇的棉球擦拭干净。由于激光烧融形成的毛化点很小，试样表面的任何灰尘、油脂等杂质都会对试验结果产生极大影响，因此需要清洁干净。

作为优选，所述光纤激光加工系统包括光纤激光器和工作台。工作台用于固定模具钢试样，光纤激光器用来烧融模具钢表面形成毛化点。

作为优选，测量毛化点的形貌时，沿毛化点的对称面进形线切割，经过镶嵌、粗磨、精磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀之后，获取毛化点形貌截面显微图。。

作为优选，所述模具钢试样用Crl2MoV模具钢制成。Cr12MoV模具钢淬透性、淬火回火后的硬度、强度、韧性较高，淬火变形小。Cr12MoV适用于制造截面较大、形状复杂、工作负荷较重的合种模具和工具。

本发明的有益效果是：

通过单因素分析法，在模具钢试样表面进行激光毛化加工试验，获得不同类型的毛化点形貌，便于对不同种类毛化点的成形机理进行分析讨险，以及对毛化区域材料的金相组织、显微硬度进行检测与分析，从而探究不同工艺参数对毛化点几何尺寸的影响规律，并获知毛化熔凝形貌区域材料的机械力学性能。

附图说明

图1为毛化点的球冠状二维形貌；

图2为毛化点的凹顶球冠状二维形貌；

图3为毛化点的火山口状二维形貌；

图4为毛化点的火山口状形貌的几何表征；

图5为激光功率对毛化点形貌的影响规律曲线；

图6为脉冲宽度对毛化点形貌的影响规律曲线；

图7为辅助气体压力对毛化点形貌的影响规律曲线；

图8为激光毛化处理后的显微硬度测量位置示意图；

图9为模具钢毛化形貌的硬度变化规律曲线。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种模具钢表面激光毛化试验方法，包括以下步骤：

A．固定模具钢试样，调整激光头使试样表面位于激光光斑的焦平面上，模具钢试样未经其它任何表面热处理，且模具钢试样表面经过砂纸打磨抛光，表面粗糙度为0.05μm左右；

B．采用光纤激光加工系统对模具钢进行加工，光纤激光加工系统包括光纤激光器和工作台，加工试验使用单因素轮换的方法针对激光功率这一因素进行，调整离焦量为0，试验中固定脉冲宽度为1100μs，无辅助气体，调整激光功率为40、50、60、70、80、90、100W；

C．加工完毕后，采用表面三维形貌分析仪，测量所加工出的毛化点的形貌大小。

进行加工试验之前，对试样表面用浸有无水乙醇的棉球擦拭干净。测量毛化点的形貌时，沿毛化点的对称面进形线切割，经过镶嵌、粗磨、精磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀之后，获取毛化点形貌截面显微图。所述模具钢试样用Crl2MoV模具钢制成。

激光照射到模具钢试样材料表面，材料部分区域吸收足够的热量形成金属溶池，熔池溶液在表面力和体积力的驱动下流动，待凝固后形成微形貌。溶池内部溶液的流动对微观形貌的最终形成具有重要影，而熔液的流动主要包括Marangoni对流和自然对流，自然对流的作用微乎其微，Marangoni对流则对熔池内部液体的流动起到重要作用熔液表面张力是Marangoni对流形成的主要原因，但溶液表面张力与物理温度梯度和表面化学浓度梯度有关。所以，在没有表面化学活性剂的情况下，温度对Marangoni对流的形成起到主要的作用。试验中激光入射光束属于高斯光束，因此材料表面温度亦呈高斯分布，也就是温度中心高，四周低，因而中间表面张力较大，四周表面张力较小。表面张力梯度驱使金属熔液从四周向中心流动，最终凝固成球冠状毛化点形貌，如图1所示。激光峰值功率密度越大，溶池中心区域温度越大，与四周溶液的温差越大，相应地，表面张力梯度越大，Marangoni对流越激烈。当激光峰值功率密度增大到某一临界值，溶池中心区域突破了材料的汽化阀值，发生汽化，产生反冲压力，再加上四周向中心的对流作用，使得溶池中心形成凹陷，从而出现凹顶球冠状形貌，如图2所示。随着激光峰值功率密度继续增大，周围熔融金属增多，中心区域汽化更加明显，反冲压力更大，中心材料汽化流失速度大于溶池向中心流动填充的速度，从而使中心凹陷增大，最终形成火山口形貌，如图3所示。

试验所拔得的毛化点形貌以火山口状居多。图4为火山口形貌的几何特征示意图，其中，d为毛化点的直径，h为毛化点凸起的高度。

试验结果表明，激光功率对毛化点形貌直径和高度的影响如图5所示，毛化点形貌的直径和高度随着激光功率的增大而增大，这是由于在脉冲宽度不变时，单个脉冲能量随着激光功率的增大而增大，光斑的直径未变，激光峰值功率密度增大，溶融的材料变多，溶池的几何尺寸变大，从而毛化凸起的直径和高度均增大。当激光功率达到80W之后，毛化点直径先变大后趋缓，凸起高度先减小后增加，这是由于反冲压力的影响，使熔池顶部凹陷加深，从而导致凸起高度减小，而后随着激光功率的增加，熔池中心反向压力的继续增大，对溶池两侧形成挤压效应，使得凸起高度又继续增大。

实施例2：

加工试验使用单因素轮换的方法针对脉冲宽度这一因素进行，试验中固定激光功率为70W，无辅助气体，调整脉冲宽度为100、300、500、700、900、1100、1300μs。其余同实施例1。

通过试验得到脉冲宽度与毛化点形貌凸起直径和高度的影响关系如图5所示。脉冲宽度小100μs时，毛化点直径和高度均很小，儿乎没有形成毛化点形貌。这是因为当脉冲宽度比较小时，单个脉冲的能量就较小，激光光斑的直径不变，从而导致峰值功率密度较小，几乎未达到材料本身的烧蚀阀值，此时的毛化现象不明显，在其表面很难检测到毛化凸起的形成。随着脉冲宽度的增加，单脉冲能量慢慢增大，毛化现象变得明显，毛化凸起的直径和高度均逐渐增大。当脉冲宽度达到1000μs之后。熔化与凝固慢慢达到一种相对平衡状态，从而毛化点的直径和高度变化趋缓

实施例3：

加工试验使用单因素轮换的方法针对辅助气体这一因素进行，试验中脉冲宽度固定为700μs，激光功率固定为90W，垂直吹射辅助气体氮气，调整气体压力为0.1、O.2、O.3、0.4MPa。其余同实施例1。

通过试验得到气体压力对毛化点形貌凸起直径和高度的影响关系如图6所示，当气体压力在0.3MPa以下时，毛化点形貌的直径和高度随着气压增大而减小，当气体压力大于0.3MPa时，毛化点直径和高度迅速增大。这主要是因为气体压力较小时，氮气能够平稳地作用在熔池表面，融入溶池内部的氮元素随着气体压力的增大而增多，氮元素改变了熔池的流动，同时对熔化过程起到抑制作用，使得毛化点直径和高度减小，而当气体压力增大到0.3MPa之后，由于气压较大，造成气体外泄，直接作用于溶池的氮气量减少，溶池内部氮元素含量减少，对熔化过程抑制作用显著降低，使得形貌尺寸迅速增大。

如图7所示，沿毛化点的对称面进形线切割得到球冠状毛化点形貌截面的显微图，可看出，毛化熔凝区组织高度细化，主要为隐晶马氏休，是由亚结构位错型板条马氏体和针状马氏体的混合而成，马氏体是由高温的初生奥氏体相在快速冷却过程中形成的，由于激光在熔疑的过程中，温度梯度和凝固速度都极快，从而使得熔凝层的晶粒高度细化；热影响区相当于高温回火，由针状马氏体、屈氏体和未熔的铁素休混合而成，形成的晶粒明显小子熔凝区；基体是由铁素体和珠光体组成，两者晶粒都比较大。激光毛化处理后的显微硬度通过HV-100099314显微硬度计进行测量，测量位置如图8所示，沿深度方向进行检测，测量l、2，3，...n个点。检测结果如图9所示，相对于基材，激光毛化处理以后，熔凝层具有较高的显微硬度，最大硬度可达647.6HV，大约是基体的2.2倍，但是，烙凝层表层的显微硬度并不是最高的，次表层的显微硬度最高，这是由于当激光作用于模具钢材料表面时，表层材料与空气直接接触，产生了脱碳和烧蚀现象，导致表层含碳量低于次表层，硬度小于次表层。

通过上述试验，得出结论：

(1)在对模具钢的激光毛化加工实验中，可以获得三种毛化点形貌：球冠状、凹顶球冠状、火山口状。

(2)溶池表面的物理温度梯度和化学浓度梯度综合影响了最终的毛化点形貌。当熔池表面没有化学浓度梯度时，温度梯度起主要作用，温度梯度较小，能够形成球冠状形貌，温度梯度较大，形成凹顶球冠状或火山口状形貌。

(3)不同的工艺参量对毛化点形貌有着不同的影响，随着激光脉冲宽度的增大，毛化点直径和高度增大，随后趋缓；随着激光功率的增大，毛化点的直径先增大后趋缓，凸起高度先增大，后减小，再增大。辅助气体为氯气时，毛化点的直径和高度随着气体压力的增大先减小后迅速增大。

(4)毛化点熔凝区组织高度细化，主要为隐晶马氏体，具有较高的显微硬度，但是，熔凝层表层的显微硬度并不是最高的，次表层的显做硬度最高，这是由于激光在作用于金属材料时，表层材料与空气直接接触，产生了脱碳和烧蚀现象，导致表层含碳量低于次表层，硬度小于次表层。

Claims (7)

1.一种模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是包括以下步骤：

A.固定模具钢试样，调整激光头使试样表面位于激光光斑的焦平面上；

B.采用光纤激光加工系统对模具钢进行加工，加工试验使用单因素轮换的方法分别针对激光功率、脉冲宽度和辅助气体三个因素进行，调整离焦量为0，调整脉冲宽度为100～1300μs，激光功率为40～100W，氮气压力为O.1～0.4MPa；

C.加工完毕后，采用表面三维形貌分析仪，测量所加工出的毛化点的形貌大小。

2.根据权利要求1所述的模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是步骤A中的模具钢试样未经其它任何表面热处理。

3.根据权利要求1所述的模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是步骤A中的模具钢试样表面经过砂纸打磨抛光，表面粗糙度为0.04～0.06μm。

4.根据权利要求1所述的模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是进行加工试验之前，对试样表面用浸有无水乙醇的棉球擦拭干净。

5.根据权利要求1所述的模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是所述光纤激光加工系统包括光纤激光器和工作台。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是测量毛化点的形貌时，沿毛化点的对称面进形线切割，经过镶嵌、粗磨、精磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀之后，获取毛化点形貌截面显微图。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的模具钢表面激光毛化试验方法，其特征是所述模具钢试样用Crl2MoV模具钢制成。

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