（材料加工工程专业论文）冷挤压模具td法处理的研究.pdf

摘要 国民经济的高速发展对模具工业提出了愈来愈高的要求，促使模具技术迅 速发展，作为生产各种工业产品和民用产品的重要工艺装备，模具已发展成为 一门产业。2 0 世纪8 0 年代以来，中国模具工业的发展f - 分迅速。近2 0 年来， 产值以每年1 5 左右的速度增长。2 0 0 0 年我国模具工业总产值已达2 8 0 亿元人 民币。 在现代生产中，模具是大批量生产各种制品的重要工艺装备，直接影响制 品的质量和技术经济效益。随着科学技术的发展和市场竞争越来越激烈，对模 具的性能要求越来越苛刻，寿命问题同益突出。表面强化技术作为提高模具使 用性能和使用寿命的一种重要手段，在模具工业中占有十分重要的地位，得到 了固内外的广泛重视。 t d 法盐浴渗钒是t d 法盐浴渗金属技术的一种，具有理论成熟，工艺稳定， 处理效果好和价格低廉的特点。该工艺所形成的覆层在常温下具有良好的稳定 性，具有优异的抗磨损能力，在冷作模具和零件的表面强化中应用效果良好。 t d 法盐浴渗钒获得的覆层与基体结合力强于p v d 、c v d 等方法获得的结合力， 覆层耐磨性能优异，但该法存在盐浴寿命不高、盐浴腐蚀严重、工件变形大以 及表面粘盐清理困难等一系列难点，限制了该工艺在国内的推广应用。 本文对覆层反应的热力学、动力学、稀土催渗等相关理论进行了归纳与分 析。在以前采用混合盐浴针对冷作模具钢进行t d 处理所得出的结论的基础上， 更深入的针对几种典型的冷挤压模具钢采用以硼砂为主要成分的酸性盐浴进行 t d 处理，比较同一种模具钢分别采用混合盐浴和酸性盐浴所得的覆层厚度和硬 度等参数，分析盐浴成分对覆层硬度和厚度的影响。 试验用钢分别是c r l 2 m n v 、t 1 0 、c r & i n 、6 w 6 m 0 5 c r 4 v ，所用盐浴是以硼砂为 主要成分的酸性盐浴，主要考察碳含量对覆层厚度的影响。得出了覆层厚度与 含碳量：覆层厚度与盐浴处理时间等因素问的对应关系。其中6 w 6 m 0 5 c r 4 v 钢的 碳含量为0 5 5 0 6 5 ，碳含量较低，又含有大量强碳化物w 、m 。、v ，这些强碳 化物形成元素将基体中的碳固定下来，影响覆层的成长。所以，对6 w 6 m 0 5 c r 4 v 钢进行分组，一组未经过渗碳，一组经过3 小时渗碳，比较渗碳和未渗碳的覆 层厚度及硬度件能，为t d 处理在低碳高合金钢的应用提供参考依据。应用s e m 和显微硬度计对覆层的金相利显微硬度进行了观察和测定。采用电子探针 ( e p m a ) 对覆层的成分及含量进行了分析。 通过该工艺获得的覆层厚度均匀、致密、完整，具有极高的显微硬度，且 和基体的结合力强。该技术在试验阶段取得了预期目标。 关键词：t d 法渗钒表面强化冷挤压模具钢稀土 i i a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ym a d em o u l di n d u s t r yr i s i n g d e m a n d ，p r o m p t m o u l dt e c h o n o l o g y r a p i dd e v e l o p m e n t ，m o u l d i st h e i m p o r t a n t i n s t r u m e n tt ot h ee a c hp r o d u c to fi n d u s t r i a la n dd o m e s t i c ，m o u l dh a v eb e c o m eav e r y i m p o r t a n ti n d u s t r y s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e1 9 8 0 s ，t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a s m o u l di n d u s t r yi sv e r yr a p i d o v e rt h ep a s t2 0y e a r s ，o u t p u to fm o u l di n d u s t r yg r o w a ta l la n n u a lr a t eo fa r o u n d1 5 c h i n a sm o u l di n d u s t r i a lo u t p u tv a l u ei n2 0 0 0 r e a c h e d2 8b i l l i o ny u a n m o u l d sa r ei m p o r t a n te q u i p m e n t si nm a s sp r o d u c t i o no fa l lk i n d so fp r o d u c ti n m o d e mi n d u s t r y t h eq u a l i t yo fm o u l d si sak e yf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h eq u a l i t y a n de c o n o m i cb e n e f i t so fp r o d u c t s a st h e d e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y , t h e r e q u i r e m e n to f t h e p e r f o r m a n c eo fm o u l d s b e c o m e s h i g h e r a n dh i g h e r t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h es e r v i c el i f eo fm o u l d sc a nb ei m p r o v e dl a r g e l yb y a p p r o p r i a t ea p p l i c a t i o n o ft h es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u e t h u st h es u r f a c e s t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h em o u l di n d u s t r y , a n da t t r a c t s w i d e l ya t t e n t i o n s s a l t b a t hv a n a d i s i n gb yt dm e t h o d ( t h e r m a ld i f f u s i o n ) b e l o n g st ot h et d m e t h o d t h ec o a t i n gf o r m e db yt h i sp r o c e s si sv e r ys t a b l ea tr o o mt e m p e r a t u r e t h e c o a t i n gs h o w sg o o dw e a rp r o p e r t y a n dh i g hs e r v i c el i f eo b t a i n e di na p p l y i n gt oc o l d w o r kd i e t h eb o n d i n gs t r e n g t ho ft h ec o a t i n gf o r m e db yt h i sp r o c e s si sa l s om u c hh i g h e r t h a nw h i c hf o r m e db yp v do rc v d p r o c e s s b u tt h i sm e t h o dh a ss o m el i m i t a t i o n s s u c ha st h ev e r ys h o r ts e r v i c el i f e ，h a r dc o r r o s i o no fs a l t b a t h ，l a r g ed e f o r m a t i o no f w o r kp i e c ea n db a ds u r f a c ef i n i s h s ot h i sp r o c e s sh a sn o tb e e nu s e dw i d e l ya tc h i n a t h e o r i e sc o n c e r n i n gt h ep r o b a b i l i t ya n dt h ev e l o c i t yo fc o a t i n gr e a c t i o n w e r es t u d i e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fc o n c l u s i o no fp r e v i o u se x p e r i m e n tt h a t m i x e ds a l tb a t hv a n a d i n i z i n gt ot h ec o l dd i e ，u s et h ea c i d b o r a xs a l to f b a t hi nt h e t d p r o c e s st os e v e r a lt y p i c a lc o l ds t e e l ，c o m p a r e dt h et h i c k n e s s ，h a r d n e s sa n do t h e r p a r a m e t e r st h a tt h es a m es t e e lu s et h em i x e d s a l to fb a t ha n dt h ea c i db o r a xs a l to f b a t h ，a n a l y s i st h ec o m p o n e n t so ft h es a l to fb a t h si m p a c tt ot h ec o a t i n g sh a r d n e s sa n d 1 1 i t h i c k n e s s t h es t e e lu s e di nt h i se x p e r i m e n ti n c l o u dc r l 2 m n v 、t 1 0 、c r w m n 、6 w 6 m 0 5 c r 4 v u s et h ea c i db o r a xs a l to fb a t hi nt h i se x p e r i m e n t t h ea i mi sr e s e a r c ht h er e l a t i o n b e t w e e nc o a t i n gt h i c k n e s sa n dc a r b o nc o n t e n ta n dh o l d i n gt i m e 6 w 6 m 0 5 c r 4 vi s l o w c a r b o na l l o y e ds t e e l ，t h ee l m e n tw 、m o 、vi ss t r o n gc a r b i d e ，t h e s ee l m e n t sw i l l i n f l u e n c ec o a t i n g s g r o w t h s ou s e t h ep r o c e s sc a r b o n i z a t i o nt op a r to f6 w 6 m 0 5 c r 4 v r e s e a r c ht h ec o a t i n g st h i c k n e s sa n dh a r d n e s sb e t w e e nt h e6 w 6 m 0 5 c r 4 vh a v eu s e d t h e p r o c e s sc a r b o n i z a t i o na n dn ob yt h ea c i db o r a x s a l to fb a t h u s et h es e mo b s e r v et h e m e t a l l o g r a p h i c ，u s et h em i c r os c l e r o m e t e rm e a s u r e t h eh a r d n e s so ft h ec o a t i n g u s e t h ee l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y s i s ( e m p a ) a n a l y s i st h ee l e m e n ta n dc o n t e n t t h ec o a t i n gf o r m e db yt dm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sc o m p a c t c o a t i n g ，u n i f o r mt h i c k n e s s ，v e r yh i g hh a r d n e s s ，g o o db o n d i n gs t r e n g t ha n dp o w e r s a v i n gp r o p e r t y t h i st e c h n o l o g yh a so b t a i n e dt h ea n t i c i p a t e dt a r g e ti nt h e e x p e r i m e n t a ls t a g e k e y w o r d s ：t dm e t h o d ，v a n a d i s i n g ，s u r f a c es t r e n g t h e n i n g ，c o l ds q u e e z i n gs t e e l ，r e 武汉理f 人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 表面工程技术是跨学科、跨行业的通用性工程技术。它利用各种物理的、 化学的物理化学的、电化学的、冶会的以及机械的方法和技术，使材料表面得 到我们所期望的成分、组织结构和性能或绚丽多彩的外观。其实质就是要得到 一种特殊的表面功能，并使表面和基体性能达到最佳的配合。因此它是一种节 材、节能的新型工程技术，综合运用了各种学科的成果。表面工程技术的应用 能节约大量的性能优越但价格昂贵的材料，显著改善工件的使用性能，具有优 质、低成本、节约资源和能源的优势1 1j 。 2 0 世纪6 0 年代以来，表面工程学蓬勃发展，它是一门新兴的边缘学科( 表 面科学) ，包含表面物理、表面化学、表面工程技术三大分支。表面物理和表面 化学从原子、分子角度阐明固体表面的组成、结构和电子状态及其与固体表面 物理、化学性质的关系，为表面工程技术提供科学的基础。为了满足f _ 1 益快速 发展的对材料表面特殊性能的高要求，现已开发了许多表面处理的新方法，其 中广泛应用的表面处理新技术有气相沉积、离子注入、熔盐浸镀、激光表面处 理、等离子体表面处理等。相应的表面分析方法也不断地发展和完善，如低能 离子散射谱、x 射线荧光能谱、x 射线光电子能谱、俄歇电子能谱、原予探针场 离子显微镜等也发展起来，为表面工程研究提供了更好的手段。当前，表面工 程技术迅速发展，并在机械制造、冶金、电子、汽车与船舶制造、能源与动力、 航空航天等工业领域起着举足轻重的作用吼 该技术在模具的表面强化中也得到了极大重视和广泛应用。电镀，表丽热 处理，表面化学热处理，气相沉积技术离子注入强化，激光表面强化等技术 均被应用于各种不同类型模具的表面强化巾，取得了良好的效果。 国际生产技术协会预言，模具成型有逐渐代替传统切削加工的趋势，2 0 0 0 年 机器零件粗加工的7 5 、精加工的5 0 将由模具成型完成。然而国内模具制造 周期般为y _ 、l k 发达国家的2 倍，而使用寿命仅为1 5 1 3 j 。因此，研究与探讨模其 型腔表面强化技术，提高模具的使用寿命，是一项具有现实意义的j 二作。 武汉理i 人学硕士学位论文 1 2 表面强化技术的特点 表面是材料及其制品与环境的界面，是整体材料中一个很特殊的局部。因 此，表面工程是材料科学与工程学科中的个重要领域。材料科学与工程的四 个要素，即成分和制备工艺一组织结构一性能一使用性能之间的关系，表面工 程技术应是通过改变基体材料表面的化学成分或者采用某些工艺改变基体表面 的组织结构并获得相应的性能，以满足使用性能的工程技术j 2 j 。 表面工程技术是一个多学科交叉的领域，它包含的技术种类繁多，曾分属 于刁i 同的学科。表面工程技术较为全面的含义是指为满足特定的工程需求，使 材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能( 或功能) 的化学、物理工艺。 它们具有如下共同特点： 表面工程技术主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影 响不大。因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。这对于一 些要求综合力学性能良好的零部件( 如要求表面耐磨性好、心部韧性好) 来说 。分重要，有时甚至是制造这类零部件的唯一工艺手段。 另外，采用表面涂镀、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的 材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高 零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。 1 3 本文的主要研究内容及意义 断裂、腐蚀和磨损是金属材料制件的三种主要失效形式。在我国，据不完 全统计，仅冶金矿山、农机、煤矿、电力和建材等部f j ，由于机件与材料抗磨 寿命低，每年因磨损报废或更换的备件达1 0 0 多万吨，价值2 0 多亿人民币，造 成了重大的经济损失。采用表面强化技术，对于提高我国机电产品质量、节省 材料、节约能源，对于国民经济的呵持续发展具有- 卜分重要的意义【”。 采用表面强化技术取代整体合盒化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的 性能，不仅可以节约大量贵重会属，而且可以火幅度提高零部件的耐磨性和耐 蚀性，提高劳动生产率。t d ( t h e r m a ld i f f u s i o n ) 法在众多的表面强化方法中， 具有设备简单，效果好，无污染等独特优点而受到表面强化工程技术人员的重 视。 本文对t d 法的相关理论基础进行了归纳和总结。此前试验研究了小同材质 武汉埋j 人学硕士学位论文 ( 主要考察对象为碳元素含量) 覆层处理过程中的主要影响因素及覆层成长的 规律，得出了一系列的相关结论。本文引肘几种常用冷挤压钢采用以硼砂为主 要成分的酸性盐浴进行覆层处理，研究碳素工具钢t 1 0 a 、合金钢c r w m n 、c r l 2 m o v 和高速钢6 w 6 m 0 5 c r 4 v 在同样的工艺条件下，覆层厚度与钢的含碳量和合金元素 含量的关系，比较冷挤压模具钢在混合盐浴和酸性盐浴两种不同工艺条件下的 覆层增长规律。比较6 w 6 m 0 5 c r 4 v 钢经过渗碳和未经过渗碳在同样的工艺条件下 覆层的增长规律。以上研究为t d 盐浴渗钒在冷挤压模具钢在实践中的应用提供 了一定的参考与依据。 武汉理i ：大学硕 学位论文 第2 章实验设备及加热规律介绍 2 1 实验设备简介 本实验所使用的加热设备为r 1 2 系列井式电阻炉，其额定功率为5 0 k w ， 额定电压3 8 0 伏，最高工作温度为1 2 0 0 ，电炉控制柜型号为k r j - - 6 0 。r j l 2 系列井式电阻炉系周期式作业电炉，供一般金属在空气中进行加热及合会基体 热处理使用。电炉可与控制柜配合使用，可自动和手动控制电炉的工作温度。 电炉的测温和控温系统是与电炉控制柜相连的两根热电偶，其中一根是通过炉 子的侧面插入炉膛内，其主要作用是测量炉膛内的温度和通过设置最高温度来 控制炉子的实际温度，另一根热电偶称为中心热电偶，其主要作用是测量坩埚 内盐浴的温度，传统的电炉并没有加装中心热电偶，测量出的盐浴的温度其实 是炉膛内的温度，为了保证实验中盐浴温度的准确，加装了一根中心热电偶， 把它直接插入盐浴中，测量盐浴的温度，这样得到的盐浴的温度会更准确。 通常新炉子都要进行烘炉，以除去炉内水份，提高绝缘性能，并使炉衬砌 砖灰缝烧结，增强炉衬结构强度，经烘炉后的炉衬，还可减少使j 肄j 过程中的因 迅速升温导致耐火材料发生开裂而损坏炉衬的现象，烘炉的时间按表2 ，1 进行。 表2 - 1 新炉烘炉过程 烘炉起点温度保温温度丌炉时间烘炉时间备注 室温2 0 0 2 0 01 21 2 启开炉盖 2 0 0 4 0 04 0 082 0 4 0 0 6 0 06 0 082 8 6 0 0 8 0 08 0 083 6关闭炉盖 8 0 0 9 5 09 5 0 8 4 4 注：中温炉6 5 0 。c考核温度到6 0 04 c 止，时间为2 8 小时 中温炉9 5 0 。c考核温度到8 0 0 止，时叫1 1 为3 6 小r 、j 高温炉1 2 0 0 。c考核温度为9 5 0 i 卜，时间为4 4 小时。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2电阻炉加热升温规律 为了更好的使用电炉，防止在使用过程中的不当操作导致设备的损坏，存烘 炉过程中做了以下的实验记录，了解炉子升温，控温，降温的基本规律，更好 的维护和使用电炉。 1 从0 1 0 0 用时5 分钟，当温度接近1 0 0 时电炉电炉开始调整电流的 大小，输出的电流大小开始降低，其原理是控温热电偶测量所得温度数据输入 到控电柜，控电柜中的可控硅元器件开始工作，调整电流的输出，当温度达到 最高温度时，电炉停止供电，但是由于温度上升的惯性，温度继续上升，当温 度上升到最高温度时，控温热电偶所测得的炉膛内的温度为1 6 9 3 ，中心热电 偶测量的温度为1 9 7 ，然后温度开始下降，当温度下降，其温度的控制就是通 过控电柜中的可控硅控制电流的停止和输出。从1 0 0 2 0 0 用时6 分钟，当控 湿热电偶显示温度为1 8 0 时，电炉开始调整电流的大小，输出的电流大小开 始降低，电流表的指针的摆动幅度开始减小，表2 2 是设定温度为2 0 0 。c 时的温 度随时间变化关系。设定温度均为控温热电偶的温度。 表2 - 2 ：设定温度为2 0 0 。c 时温度随时间的变化关系 时间时间间隔累计时间设定温度控温热电偶温度中心热电偶温度 1 2 ：1 8o2 0 02 5 82 6 8 1 2 ：3 l1 31 32 0 01 9 62 2 7 1 2 ：3 651 82 0 02 1 7 3 2 4 3 1 2 ：4 372 52 0 01 9 8 22 3 0 1 2 ：4 853 02 0 02 0 9 72 3 7 1 2 ：5 3b 3 5 2 0 01 9 8 62 3 0 1 2 ：5 743 92 0 02 0 7 92 3 5 1 3 ：0 364 52 0 01 9 8 72 3 0 1 3 ：0 744 92 0 02 0 7 32 3 5 1 3 ：1 255 42 0 01 9 8 82 2 9 13 ：l755 92 0 02 0 7 22 3 5 一 】3 ：2 2o6 42 0 ( ) 】9 8 ，92 2 9 1 3 ：2 756 9 2 0 02 0 6 82 3 4 1 3 ：3 2 57 42 0 01 9 8 7 9 9 q 1 3 ：3 647 82 0 02 0 7 72 3 4 l5 ：4 7l ： l2 0 92 0 0】9 9 ：j 2 2 4 武汉理1 2 大学硕i ：学位论文 1 5 ：5 252 1 42 0 02 0 5 32 2 9 1 5 ：5 862 2 02 0 0 1 9 9 32 2 4 图2 - 1设定温度为2 0 0 。c 时温度随时问变化关系折线图 由表2 2 ，图2 1 可以看出，当设定温度为2 0 0 时，当控温热电偶测量 的温度到达2 0 0 时，电炉停止输出电流，但是，控温热电偶和中心热电偶由 于升温的惯性温度继续上升，然后开始下降，当温度下降到定温度时，电炉 又丌始输m 电流，从电流表的指针可以看出，指针是间歇性摆动，不是一直稳 定的输出最大电流，而是在根据测量得出的温度调整电流的大小，这样周期性 的输出电流和停止输出电流，温度慢慢稳定，通过表2 中的线性趋势线丁以看 出控温热电偶的温度在3 到4 个小时后温度已经很接近2 0 0 ，温度的卜- 卜- 偏著 逐渐减小，最终控温热电偶的温度慢慢趋向于2 0 0 。c ，而中心热电偶的温度的趋 势线【| 王表明中心热电偶的温度上下偏差也逐渐减小，中心热电偶的温度岜是最 武汉理j ：人学硕十学位论文 终趋向于2 0 0 。 2 从2 0 0 。c 4 0 0 。c 用时7 分钟，到3 7 0 。c 时电炉开始调整电流大小，随着温 度的升高，供电电流逐渐减小，表2 - 3 是设定温度为4 0 0 。c 时的温度随时间变化 关系 表2 - 3 ：设定温度为4 0 0 。c 时温度随时问的变化关系 i 时间 间隔时间累计时间设定温度控温热电偶温度中心热电偶温度 2 0 2 2o04 0 04 2 3 24 2 8 2 0 2 7504 0 03 9 44 1 3 2 0 3 038 4 0 04 l o 8 4 2 6 2 0 3 33 1 l4 0 03 9 8 24 l l 2 0 3 631 44 0 04 0 6 14 2 2 2 0 3 93 1 74 0 03 9 8 5 4 1 7 2 0 4 121 94 0 04 0 5 94 2 3 2 0 4 432 24 0 03 9 8 24 1 7 2 0 4 732 54 0 04 0 4 84 2 2 2 0 5 032 84 0 03 9 8 84 1 7 2 0 5 223 0 4 0 0 4 0 4 14 2 1 2 0 5 533 3 4 0 0 3 9 8 24 1 7 2 0 5 8 3 3 64 0 04 0 44 2 1 2 1 0 133 94 0 03 9 8 44 1 8 2 1 0 434 24 0 04 0 4 24 2 2 2 1 0 734 54 0 03 9 8 74 1 8 2 1 0 924 74 0 04 0 3 44 2 0 2 1 1 235 04 0 03 9 8 94 1 7 2 1 1 125 24 0 04 0 2 94 1 9 2 1 1 735 5 4 0 03 9 7 9 4 1 6 2 1 1 925 74 0 04 0 3 94 2 1 2 1 2 346 l4 0 03 9 8 64 1 7 2 1 2 636 44 0 04 0 3 94 2 j 2 1 2 826 64 0 03 9 94 1 7 堡望墨! ：盔兰堡堂笪堡塞 图2 2 设定温度为4 0 0 。c 时温度随时间变化关系折线图 表2 - 4 ：设定温度为6 0 0 时温度随时问的变化关系 时间时间间隔累计时间没定温度控温热电偶温度中心热电偶温度 1 6 ：1 2oo6 0 06 0 3 56 0 l 1 6 ：1 3l1 6 0 0 6 0 ：j 6 0 9 1 6 ：1 5236 0 06 0 36 0 9 1 6 ：1 6146 0 05 9 7 86 0 7 1 6 ：1 8266 0 06 0 2 66 l l 1 6 ：2 0286 0 05 9 7 96 0 8 1 6 ：2 1196 0 06 0 26 1 1 1 6 ：2 321 16 0 05 9 7 96 0 9 1 6 ：2 41 1 2 6 0 0 6 0 3 】6 1 2 1 6 ：2 621 d6 0 ( )5 9 7 86 0 8 1 6 ：2 7l1 56 0 06 0 1 96 1 0 1 6 ：2 921 76 0 05 9 8 36 0 8 1 6 ：3 l21 96 0 06 0 26 1 0 1 6 ：3 212 06 0 05 9 7 86 0 9 1 6 ：3 422 26 0 06 0 26 1 1 1 6 ： 5l2 36 0 05 9 7 86 0 9 1 6 ： 722 56 0 0 矗n 996 1 1 武汉理 人学硕士学位论文 1 6 ：3 922 76 0 05 9 8 7 6 0 9 1 6 ：4 0l2 86 0 06 0 1 7 6 l 【 1 6 ：4 l12 96 0 05 9 8 2 6 0 9 1 6 ：4 323 16 0 06 0 2 6 l l 1 6 ：4 523 36 0 05 9 8 1 6 0 9 1 6 ：4 6l3 46 0 06 0 2 6 6 1 1 1 6 ：4 823 6 6 0 05 9 7 66 0 8 1 6 ：4 913 7 6 0 06 0 2 1 6 1 l 1 6 ：5 1 23 96 0 05 9 8 8 6 0 9 1 6 ：5 3 24 16 0 06 0 1 2 6 1 0 1 6 ：5 524 36 0 0 5 9 96 0 8 1 6 ：f i 724 56 0 06 0 0 9 6 0 9 1 6 ：5 814 66 0 0 5 9 96 0 8 1 7 ：0 02 4 86 0 06 0 1 1 6 0 7 1 7 ：0 2 25 06 0 05 9 8 7 6 0 8 1 7 ：0 3 15 16 0 06 0 1 1 6 0 9 i 7 ：0 415 26 0 0 5 9 9 96 0 9 1 7 ：0 515 36 0 0 6 0 0 76 0 9 1 7 ：0 61 5 46 0 05 9 8 9 6 0 8 1 7 ：0 7 l5 56 0 06 0 1 4 6 0 9 1 7 ：0 9 25 76 0 05 9 8 7 6 0 8 】7 ：1 l2 5 96 0 06 0 2 6 0 9 1 7 ：1 3 26 16 0 05 9 7 6 6 0 7 1 7 ：1 416 26 0 06 0 1 9 6 0 9 1 7 ：1 5l6 36 0 0 5 9 8 36 0 7 1 7 ：1 726 5 6 0 06 0 1 76 0 9 1 7 ：1 92 6 76 0 05 9 9 6 0 7 1 7 ：2 0 l6 86 0 06 0 0 1 6 0 1 1 7 ：2 ll6 96 0 0 5 9 9 66 0 7 i7 ：2 2l7 06 0 0 6 0 1 36 0 8 1 7 ：2 42 7 26 0 05 9 8 96 0 7 1 7 ：2 5 l7 36 0 06 0 1 2 6 0 8 1 7 ：2 72 7 56 0 05 9 8 8 6 0 6 9 武汉理工大学硕十学位论文 图2 3 设定温度为6 0 0 。c 时温度随时问变化关系折线图 表2 5 ：设定温度为8 0 0 。c 时温度随时问的变化关系 时间时间间隔桑计时间设定温度控温热电偶温度中心热电偶温度 1 4 ：0 2o08 0 0 8 0 0 97 9 2 1 4 ：0 3】 l8 0 07 9 9 37 9 2 1 4 ：0 4l28 0 08 0 0 47 9 3 1 4 ：0 5138 0 07 9 9 77 9 2 1 4 ：0 6l48 0 08 0 0 47 9 3 1 4 ：0 71 58 0 07 9 9 67 9 2 1 4 ：0 8 l68 0 08 0 0 87 9 3 1 4 ：0 9 178 0 07 9 9 67 9 3 1 4 ：l o188 0 08 0 0 77 9 3 1 4 ：l ll98 0 07 9 9 37 9 2 1 4 ：1 211 08 0 08 0 0 8 7 9 3 1 4 ：1 31 l l8 0 07 9 9 37 9 2 1 4 ：1 4 i1 28 0 08 0 1 27 9 3 1 4 ：1 5l1 38 0 07 9 9 77 9 2 1 4 ：i 了21 58 0 08 0 0 67 9 2 1 4 ：1 811 68 0 0 7 9 9 17 9 0 1 4 ：】911 78 0 0 8 0 0 67 9 l 1 0 武汉理工大学硕t 学位论文 1 4 ：2 0l1 88 0 0 7 9 9 57 9 l 1 4 ：2 l11 9 8 0 08 0 0 57 9 l 1 4 ：2 212 08 0 07 9 9 5 7 9 0 1 4 ：2 3】2 l 8 0 08 0 0 47 9 i 1 4 ：2 412 28 0 07 9 9 87 9 0 1 4 ：2 512 38 0 08 0 0 87 9 0 1 4 ：2 6l 2 4 8 0 0 7 9 9 2 7 8 9 1 4 ：2 712 58 0 08 0 0 57 9 0 1 4 ：2 812 68 0 07 9 9 77 9 0 图2 4 设定温度为8 0 0 。c 时温度随时问变化关系折线图 以卜- 数据都是在空炉条件f 耿得的，与炉膛内放入坩埚是有一定差别的， 但是可以用来参考，在以6 口的实验过程中，曾因为升温，控温不当而导致电阻 丝烧毁的事故，所以本章的目的是通过由以上设定温度分别为2 0 0 。c ，4 0 0 。c ， 6 0 09 c ，8 0 0 。c 时的温度随时间的变化关系了解炉子升温，挎温规律避免再次出 武汉理j 人学硕士学位论文 现电阻丝烧毁事故。由以上图表可以得出这样的结论 1 设定温度较低时，温度偏差较小，温度不好控制。 2 控温热电偶温度比较接近于设定温度，中心热电偶温度偏差较大。 3 。长时间的保温，中心热电偶和控温热电偶的温度都慢慢接近设定温度。 在电炉使用当中还有个问题，应该分阶段升温，保温，如果直接调整设定 温度为9 5 0 | 。c ，容易使电阻丝受损，而且会导致温度不均匀。影响实验结果。 武汉埋j 人学硕士学位论文 第3 章冷挤压模具及表面强化技术简介 3 1 冷挤压模具简介 挤压技术作为，一种高效、优质、低消耗的少无切削加工工艺，在金属材料 的塑性加工中获得了迅速发展。目前在机械、轻工、汽车、航空航天及仪器仪 表等行业的应用f 益广泛，已经成为材料塑性加工技术中不可缺少的重要加工 手段之一。它具有生产率高、制作质量好、材料利用率高等一系列优点，同时 这项技术也具有理论性强、技术含量高等特点。 3 1 1挤压技术的历史与发展1 5 - 7 t 挤压技术的发展经历了漫氏的历史过程。1 9 世纪末，法、英、美、德等国 家开始用冷挤压法生产软质有色金属零部件。第一次世界大战期间，美国采用 冷挤压法大批量生产黄铜弹壳，并曾企图用冷挤压法生产钢质弹壳，但未获成 功，原因是当时还不可能用工具钢作为模具材料，也没有找到良好的表面处理 方法和润滑剂。 第一次世界大战后，德国人于1 9 2 1 年制造出冷挤压钢管专用压力机，经过 近十年的研究及试验，直到1 9 3 1 年冷挤钢管才在实验室里试制成功，但不能正 式投入生产，其原因也是南于钢冷挤压时变形抗力过大，找不到用于生产的模 具材料和表面润滑处理方法。第二次世界大战前夕，德国对弹壳的需求量猛增， 当时用黄铜材料制造弹壳，因原料束源不足，满足不了战争的需要。为了扩大 弹壳的生产量，德国秘密试验用冷挤压法生产钢弹壳，但一直没有成功，直到 1 9 4 2 年德困人找到了采用表面磷化、皂化处理法，并用合余工具钢作为模具材 料，成功地用冷挤压法大批量生产了钢弹壳，当时在战场 二引起了极大的震动 和惊诧。第二次世界大战一结束，美国查明了德国人关于钢的冷挤压的全部资 料，并聘用德国专家，继续深入地研究钢的冷挤压，大规模地7 1 ：办了用冷挤压 法生产弹壳和弹体的军工厂。第二次世界大战以后冷挤压工艺的应用j ：始由军 j 二向民用转化。并进一步9 t ：展了钢的冷挤压研究工作。h 本于1 9 5 7 年引进第一 台号用压力机，首先在钟表等精密仪器工业中采用冷挤压加一 。由于这种加_ t 武汉理j ：大学硕十学位论文 方法的经济效益显著，不久，便在大批量生产的汽车和电器等工业部门中得到 广泛应用，现在已成为一种重要的加工手段，遍及丁各个工业部fj 。 在我国，解放前的冷挤压技术是很落后的，当时只有极少数工厂用铅、锡 等有色金属挤压牙膏管、线材和管材等。解放后冷挤压技术得到了一定程度的 发展，2 0 世纪5 0 年代开始了铜及其合金的冷挤压，6 0 年代开始了黑色金属的 冷挤压。近年来，随着我国：亡业生产及科学技术的蓬勃发展，冷挤压技术也得 到了迅猛发展。这种先进的压力加工工艺在我国的工业建设中起着令人瞩目的 作用。目前，我国已能对铝、锡、银纯、铜、无氧铜、黄铜、锡青铜、锌及其 合金、纯铝、防锈铝、锻铝、硬铝、镍、可伐合金、泊莫合金、低碳钢以及中 碳钢等多种金属进行冷挤压，甚至对轴承钢、高速钢等也可进行一定变形量的 冷挤压。我国可以制造的冷挤压件及型材的品种也多种多样。在模具材料的使 用方面，除了采用高速钢、高碳高铬铝钢、滚柱轴承钢、弹簧钢等以外，还采 用4 i 少新型模具钢，硬质合金以及钢结硬质合金等。在模具结构方面，采用近 代的最优化设计方法以及计算机辅助设计，在保证强度、刚度、可靠性等要求 的前提下充分发挥了模具材料的潜力。在冷挤压技术的理论研究方面，国内不 少高校和研究院正在采用有限元等计算方法、数值模拟冷挤压成形全过程，以 及揭示冷挤压时的金属流动规律及应力应变分布规律，这些工作都会对冷挤压 技术的发展起着更大的推动作用。 综上所述，我国冷挤压技术的研究水平还是较高的，在冷挤压技术推广方 面曾一度达到轰轰烈烈的局面，但发展速度较为缓慢。其主要原因有：作为冷 挤压零件最广泛应用领域的汽车工业尚不发达，汽车零部件生产厂点多、批量 小，达不到规模经济生产；缺少专用冷挤压机，用通用压力机代用又满足不了 冷挤压_ 丁艺的特殊要求；缺少冷挤压专用钢种，虽有标准件用冷镦钢，但品种 少，规格小，不能满足较大零件冷挤压的要求等。近年来，我国汽车丁业、摩 托车工业得到迅速发展，给冷挤压技术应用带来了新的机遇。当代轿车某些关 键部件，从设计开始就是立足于精密成形，从结构方面很难用机加工方法柬代 替，这些关键零部件的国产化，大大促进了精密锻造特别是冷、温挤门三的发展。 3 1 。2 冷挤压定义及特点 冷挤压一般指在回复温度以卜的挤压，对于黑色金属常指在室温中对坯料进 行的挤压，挤压是对将放在模具模腔( 或挤压筒) 内的会属坯料施加外力，迫 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 使金属从模孔巾挤出，获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的挤压制 件的塑性加工方法。挤压变形的特征是由大截面向小截而的变形。挤压既可以 在专用挤压机上进行，也可在一般的机械压力机、液压机、摩擦压力机以及高 速锤上进行。进行的基本方法有正挤压、反挤压、复合挤压、减径挤压、径向 挤压、镦挤复合法。 一、挤压加工的特点 挤压加工有很多特点，主要表现在挤压变形过程的应力应变状态、金属流 动行为、产品的综合质量、生产的灵活性和多样性、生产效率与成本等方面 ( 1 ) 提高金属的变形能力金属在挤压时处于强烈的三向压应力状念，可 以充分发挥其塑性，获得大变形量。例如，纯铝的挤压比( 挤压坯料断面面积 与制品断面面积之比) 可以达到5 0 0 ，纯铜的挤压比可达到4 0 0 ，钢的挤压比可 达4 0 5 0 。对于难加工乃至不能加丁的低塑性难变形金属及合金，甚至有如铸铁 一类脆性材料，也可采用挤压法进行加工。 ( 2 ) 制品综合质量高挤压变形可以改善金属材料的组织，提高其力学性 能，特别是对】二。些具有挤压效应的铝合金，其挤压制品在淬火时效后，纵向 ( 挤压方向) 力学性能远高于其他加工方法生产的同类产品。与轧制、锻造等 加工方法相比，挤压制品的尺寸精度高、表面质量好。 ( 3 ) 节约原材料挤压属于少、无切削加工，大大节约了原材料。 ( 4 ) 产品范围广挤压加工不但可以生产断面形状简单的工件、管、棒、 线材，而且还可以生产断面形状复杂的实心和空心件、型材、制品断面延长度 方向分阶段变化的和逐渐变化的变断面型材，其中许多断面形状的制品是采用 其他塑性加工方法所无法成形的。挤压制品的尺寸范围也非常广。 ( 5 ) 生产灵活性大、生产效率高挤压加工具有很大的灵活性，只需更换 模具就可以在同一台设备上生产形状、尺寸规格和品种不同的产品。挤压操作 简便，容易掌握，生产效率高，对工人技术等级要求较低。 ( 6 ) 工艺流程简单、设备投资较少。 ：、冷挤压的特点 ( 一) 除了上述的共性优点外，冷挤压还具有以下优点 ( 1 ) 能够得到强度大、刚性好而质量轻的零件在冷挤压过程中金属的变 肜剧烈，故产生冷作硬化，且金属纤维完整，这就大大提高了会属的强度指标。 这给用低强度材料代替高强度材料找到了路了，或者用同种材料由于强度提高t 武汉理i 。大学硕j ：学位论文 零件的尺寸可以缩小。 ( 2 ) 零件的精度等级高、表面粗糙度值低，表面粗糙度一般在r a ：0 4 1 缸m 以下，精度等级可达l t 7 1 t 8 级。 ( 3 ) 节约能源，工作环境得到较人改善。 ( 二) 冷挤压的主要问题 由于冷挤压工艺具有上述优点，它已越来越多地用来大量生产软质金属、 低碳钢、低合金钢零件。但是冷挤的优点往往不能用简单的方法发挥出来，冈 为冷挤压是金属在冷态下、强烈的三向压应力状态下变形的，变形抗力较大。 现以制造一个直径3 8 m m 、厚5 6 m m 、高1 0 0 m m 的杯形低碳钢零件为例，采用 深拉深方法加工，最后一道拉深工序仅需变形力1 7 0 k n ：而采用冷挤压加工则需 变形力1 3 2 0 k n 。作用在凸