通过激光淬火对模具钢进行表面淬硬

为日常产品打造更坚固的工具

从汽车保险杠到手机壳，许多塑料制品都是在必须承受数百万次生产循环的钢制模具中成型的。当这些模具磨损时，工厂将面临代价高昂的停机和更换。本研究探讨了如何用聚焦激光束快速淬硬常用模具钢的表层，使其更耐磨，同时保持内部韧性和抗裂性。该工作指向更快、更精确的处理方法，可能延长模具寿命并减少大规模制造中的浪费。

一种高科技的钢材强化方式

传统的钢材淬火涉及将整件工件放入炉中加热然后快速冷却。虽然有效，但可能导致复杂形状发生翘曲并留下内部应力，削弱零件性能。研究人员转而测试“激光淬火”，即用强功率二极管激光在P20+S模具钢块表面扫描。激光只迅速加热薄薄的外层，随后该层快速冷却形成非常硬的组织，而钢材主体保持相对冷却和有延展性。这种局部化方法承诺更好控制、较小变形且表面通常无需额外抛光。

试验如何进行

团队在激光处理过程中改变了两个主要参数：表面温度（约1000 ℃或1200 ℃）以及相邻激光轨迹的重叠程度（10%或25%）。随后他们在光学和电子显微镜下检查处理区的横断面，并用X射线衍射识别晶体结构。为量化表面硬度的变化，进行了纳米压痕测试，在从表面到内部的多个点用微小金刚石压头施压。最后，用针盘摩擦试验评估耐磨性——陶瓷球在钢表面滑动数千次，同时测量产生的沟槽和摩擦力。

钢内部发生了什么

处理前，P20+S钢表现为典型的较软的铁素体与较硬的珠光体混合。激光淬火后，这种显微组织在表面处消失，取而代之的是与马氏体一致的更硬相——一种以针状原子排列著称的高强度组织。表面硬度增加了超过一倍——从未处理钢的大约3.4 GPa上升到激光淬火后的约8–9 GPa。在1000 ℃时，硬化层深度接近700微米以下；在1200 ℃时，延伸到近1400微米，形成在较软未变化的芯材之外的深厚硬壳。改变激光轨迹重叠主要影响处理区域的宽度，而非硬度本身，重叠区与其余处理表面一样坚硬。

更硬并不总是更耐用

尽管更高温度产生了更深且略硬的层，但也促使表面形成更厚的氧化膜。摩擦磨损试验中，这种脆性氧化物反复脱落，暴露并破坏下面的硬化钢层。因此，在1200 ℃处理的样品显示出最大的磨损体积和更不稳定的摩擦信号，主要表现为黏着磨损，即材料片段粘连并被撕裂脱落。相比之下，在1000 ℃处理的钢形成了更薄的氧化层。当其小片在滑动中剥离时，下面的马氏体层继续保护表面，因此尽管硬度大幅提高，整体磨损仍更接近未处理钢的水平。

对工业的意义

该研究表明，激光淬火可以快速在模具钢上形成一层坚硬、耐磨的外壳，同时保持其芯材韧性和尺寸稳定性。通过调节激光温度和轨迹重叠，制造商可以控制硬化层的厚度，但过高的温度可能通过形成脆弱的氧化膜而损害耐磨性能。总体而言，结果支持将激光淬火作为替代传统炉中热处理的有前景、适合工业化的方案，可能延长工具与模具的使用寿命并提高大批量塑料生产的可靠性。

引用: Rodrigues, F.M., Gonçalves, F., Cavaleiro, D. et al. Surface hardening of a mould steel by laser quenching. Sci Rep 16, 12917 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42194-8

关键词: 激光表面硬化, 模具钢, 耐磨性, 热处理, 工业模具