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(材料加工工程专业论文)两种模具堆焊材料抗裂性对比研究.pdf.pdf 免费下载
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。 f | f | | 洲f 删 y 18 2 5 2 6 j t h e c o n t r a s t s t u d yo f c r a c kr e s i s t a n c e b e 押e e n 伽ol d n d so fd i eh a r d f a c i n g m a t e r l a l s 1 at h e s i si i l m a t e d a l sp r o c e s s i i l ge n g i n e e r i n g b y z h a n gl i l l g f e n g a d v i s e db y p r o l i ur - e r l p e i s u b m i 讹di np a 】n i a lf u l f i l l m e n t o fm er e q u i r e m e n t s f i o r t l l ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i l l e e r i n g + m a r c h ,2 0 1 0 , 一 一 , 承诺书 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外, 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许 论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名:圣堡远垫 日 期:丝乜墨。当 翻严彩 计硎多 一 - 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 模具的工况条件较为苛刻,为了避免其过早失效,人们采用堆焊的方法来修复或制造模具。 研究表明,模具堆焊材料的抗裂性能是影响模具使用寿命的关键因素,使用抗裂性较差的模具 堆焊材料将造成模具的过早失效。 5 2 5 和1 3 6 是两种工业用同类型模具堆焊材料,其抗裂性能存在较大差异。为了找到1 3 6 较5 2 5 抗裂性差的原因,本文利用刚性拘束抗裂性试验对比了两者焊后裂纹敏感性的差异,观 察了裂纹断口形貌,分析了裂纹的形成原因:通过硬度试验、冲击试验、拉伸试验测试了两者 的韧性差异,观察了冲击、拉伸断口、基体组织及夹杂物形貌,分析了两者韧性存在差异的原 因及其对两者抗裂性能的影响;阐述了1 3 6 抗裂性较5 2 5 更差的原因并提出改进措施。 试验结果表明:使用相同焊接工艺,1 3 6 焊后裂纹敏感性较5 2 5 大很多,原因是前者渣系 中酸性氧化物添加过多,导致其堆焊金属氧化性过强,形成了大量低熔点复合氧化物夹杂残留 在树枝晶间容易导致结晶裂纹的产生;1 3 6 堆焊金属的晶粒度较5 2 5 更大,导致其韧性较差, 对其抗裂性能有一定影响,还有,1 3 6 堆焊金属中存在部分大尺寸、不均匀分布的脆性夹杂物, 会降低其基体韧性及抗裂性能;改进1 3 6 的渣系,减少酸性氧化物添加量,适当增加碱性氧化 物添加量,可以有效减少其结晶裂纹敏感性,同时在1 3 6 合金系中添加一定量细化晶粒元素, 可增加基体韧性,提高其抗裂性能。 关键词:模具堆焊,抗裂性,韧性,夹杂物,结晶裂纹,氧化物 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 s i n c ed i u s u a l l yw o r ki l le x n e m e l yr i 9 0 r 、v o r k i n gc o n d i t i o n s ,h a r d 伍c i n g 伽b e 璐e dt 0 p a i r o rm 锄l l f a 曲i r et 量l e mi l lo r d e rt op r o l o n g 吐l e i rw o r k j n g t i m e i ti sw i d e l y 托岫d 廿l a tt l l ec m c k r e s i g t a i l c e ( c r ) o fd i eh a r d f k i n gm a t e r i a l si sv i t a lt 0t l l ew o d ( i i l g - t i m e0 fd i e s ,w h j c hw i n 筋le 州i e r w i t t lb a dc m c kr s i s t a n c e 5 2 5 锄d1 3 6 戤觚c o n g e 附d i es u 舭访gm a t e r i a l s 璐e di n l ei n d u s t 舭c ro f w h i c ha r c d i 髋旭m h lo r d e rt 0s t u d yt h er e 笛o nw h yc ro f1 3 6i sw 粥et 量l 觚慨f o r5 2 5 ,廿l ec o m p 撕s o no f c 豫c ks e 必i t i v i t yb e t w e e n5 2 5 锄dl3 6w e r et a l ( e n 叫tw i t hr i g i dr e s 缸i n tc r a c k 陀s i s t ;m c et e 瓯t l l e m o r p h o l o g yo fc 豫c k 触c t u r es u r f 砬ew 笛o b s e r v e d a i s o t l l ec a 惦eo fc 豫c kf 0 舶撕o nw 笛锄a l y z e d 锄ds u b s t a n t i 纳甜w i t t lm ee x p e r i m 锄t so f 他- h e a t i r 培锄dq u e 玳| h i n 舀t h et o u g i l i l e s s 锄di t se 丘e c t c rh a v ea l s ob e 钮s t u d i e d 旬r5 2 5a n d13 6 ,w i mt 量l ee a 0 r t so ft e s t i n gt o u g l m e s s ,t e l l s i l es 仃e n g n l 觚d h a r d n e s s ,锄a j ) r z i n gm e t a l l u 唱i c a ls t r u c t u r e ,m em i c r o s 伽j c t i l r ea n dc o m p o n e n t sf o ri i l c l u s i o i i s 雒d o b s e n ,i n gm o 印h o l o g yf :研i m p a c t 锄dt e l l s i l e 触触鹏s 耐a c e f i n a l l y b e d0 nac o m p r e h e n s i v e 啪d e r s t a l l d i n go fm e 陀弱册f o r 恤d i 彘陀n o f c r cb 咖惴l5 2 5 锄d1 3 6 ,v e r a lm 劬0 d st o i m p v ec rf o r1 3 6w e r ep o i n t e do u t - ,n l e 他s u l t ss h o wt l 谢吐圮w e l d i r 培c r ks e l l s i t i v 时o fl3 6i sm u c hh i 曲c rt 量l 锄5 2 5 t h i si s p r o b a b l yd u et om ee x i s t e n c eo fl o wm e n i n g p o i n tc o m p o s i 钯o ) 【i d ei m p u r i t i e s ,f 1 0 册e dd u r i n g 舭, p r o c e s so fw e l d i r 唱锄o n g 丘e e - 仃ec 拶s t a l s ,s i n n l eh 砌缸i n gm 砷:r i a li sh i 曲l yo x i d a l i v e 、h e n i n c 0 印0 例e d 、i ms l a gs y 妣mc o n t a i l l i n go v e r d u e i d i co ) 【i d 船t h eg r a i l ls i 嚣o f13 6i sl 唱c rm 锄 t l l a to f5 2 5 ,w h i c hm a yd e b 嬲et t l es 舵n g n l 锄dc ro fd 印o s i tm e t a l t i l e 罄y 姗e t r i c a ld i s t r i b u t i o no f s o m el a l l 罾e - s i 觚d 劬酬ei i l c l u s i o 潞i l l 廿l ed e p o s i tm e t a jo f13 6w e 他0 b s e n ,e d w i l i c hm a yr e d u c e l ei m p a c tt o u g h n e s s 锄dc ro f1 3 6 t h ec m c ks e n s i t i v 时o f1 3 6m a yb e 他d u c 酣锄di t sc rm a yb e i m p r o v e db yc h 锄g i n gs l a gs y s t e mp r e s c r i p t i o n 一硫化雒i n gm ec o m p o s i t i o nr a t i oo f a l l ( a l i n eo ) ( i d e s t o i d i co ) 【i d e sa n da d d i n gm o d e r a _ c eg r a j n 飑f - m e m e me l 锄e m s 1 鲫w b r d s :d i eh a r d f a c i i l g c 戌斌r e s i s t a i l c e ,i i i l p a c tt 0 u g h n e s s ,i n c i o n ,s o l i d i f i c a t i o nc 僦l 【 o 嫡d e i i 摘要i a b s l r a c t u 第一章绪论l 1 1 研究的背景及意义l 1 1 1 国内模具的应用现状l 1 1 2 模具的复杂工况条件2 1 1 3 模具主要失效形式- k 3 1 1 4 抗裂性能的重要性6 1 1 5 模具的表面强化技术7 1 1 6 模具堆焊的概念及其重要作用8 1 1 7 模具堆焊材料的抗裂性能1 0 1 2 问题的提出l5 1 3 本课题主要研究内容。15 第二章试验方法1 6 2 1 刚性拘束抗裂性试验。16 2 2 裂纹形貌观察1 7 2 3 堆焊金属合金元素分析l8 2 4 堆焊金属重熔及快速冷却试验l8 2 5 硬度试验1 9 2 6 拉伸试验1 9 2 7 冲击试验2 0 2 8 堆焊金属组织观察2 0 2 9 夹杂物形貌观察2 0 第三章5 2 5 和1 3 6 焊后裂纹敏感性对比研究2 l 3 1 刚性拘束抗裂性试验结果2l 3 21 3 6 堆焊金属裂纹类型判断2 l 3 3 1 3 6 堆焊金属结晶裂纹形成原因2 8 3 3 1 1 3 6 和5 2 5 堆焊金属硫、磷、碳含量对比分析2 8 3 3 21 3 6 晶间液态薄膜合金元素含量分析2 9 l l i 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 3 3 3 氧对焊缝金属的影响3 0 3 3 41 3 6 堆焊金属中氧的来源3 l 3 3 5 堆焊金属重熔及快速冷却试验结果及分析。3 4 3 4 本章小结3 8 第四章5 2 5 和1 3 6 堆焊金属韧性差异及其原因。4 0 4 1 堆焊金属硬度试验结果。4 0 4 2 拉伸试验结果与分析。4 0 4 3 冲击试验结果与分析4 3 4 45 2 5 和1 3 6 堆焊金属韧性存在差异的原因4 6 4 4 1 堆焊金属组织观察结果及分析4 6 4 4 2 夹杂物形貌观察结果及分析4 8 4 5 本章小结5 3 第五章结论5 5 参考文献5 6 致谢6 0 在学期间的研究成果及发表的学术论文一6 l r 图 图 图 图 3 4 5 6 图1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图4 1 图4 2 。l 。2 开裂的模具宏观形貌。4 模具磨损失效的实物照片5 5 c 办佃m o 整体热锻模( 锻4 0 0 件的表面变形状况) 5 模具疲劳失效表面照片。6 焊接热裂纹的几种形式1 3 刚性拘束抗裂性试验原理图1 6 刚性拘束抗裂性试验示意图1 7 裂纹形貌观察试样k 18 硬度试样示意图( 单位:咖) 19 拉伸试样图( 单位:m m ) 。1 9 夏尔比u 型缺口试样( 单位:姗) 。2 0 刚性拘束抗裂性试验结果2 1 1 3 6 裂纹两侧组织金相照片2 2 1 3 6 裂纹周围组织晶界液化现象2 2 1 3 6 晶问液膜形态及其液固相线接触角2 4 1 3 6 裂纹两侧组织形貌2 5 1 3 6 裂纹周围树枝晶生长方向2 6 1 3 6 断面某缺陷扫描照片与金相照片对比2 6 1 3 6 裂纹断口扫描形貌2 7 1 3 6 堆焊金属晶间液膜能谱分析位置。2 9 1 3 6 堆焊金属重熔快冷后晶界液化现象3 6 5 2 5 堆焊金属重熔快冷后组织形貌:3 6 1 3 6 堆焊金属加热至1 1 0 0 和1 0 5 0 快冷后形貌3 7 5 2 5 和1 3 6 拉伸断口宏观形貌4 l 5 2 5 和1 3 6 拉伸断口微观形貌。4 l v 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 5 2 5 和1 3 6 韧窝放大形貌4 2 5 2 5 和l3 6 冲击断口宏观形貌4 4 5 2 5 和l3 6 冲击断口微观形貌4 5 5 2 5 和1 3 6 堆焊金属组织金相照片4 6 5 2 5 和1 3 6 堆焊金属中的夹杂物形貌4 8 5 2 5 和1 3 6 堆焊金属夹杂物s e m 形貌4 9 5 2 5 和l3 6 断口中的球状夹杂物5 0 5 2 5 和1 3 6 堆焊金属夹杂物能谱分析位置5 1 夹杂物在金属材料中的启裂和扩展方式5 3 表清单 表1 1模具失效形式及原因比例( ) 6 表1 2堆焊与一般焊接方法的异同9 表2 1刚性拘束抗裂性试验堆焊工艺参数1 7 表2 2合金元素分析试验堆焊工艺参数。18 表3 1钢中各元素的偏析系数k ( ) 2 8 表3 25 2 5 和1 3 6 堆焊金属的碳、硫、磷含量分析结果( ) 2 9 表3 31 3 6 裂纹表面液膜成分( w t ) 3 0 表4 1硬度试验结果( h l ) 4 0 表4 2拉伸试验结果4 0 表4 3冲击试验结果4 3 表4 45 2 5 和1 3 6 堆焊金属中夹杂物成分对比( w 搦) 5 2 r , 模具是在工业生产中,通过压力把金属或非金属材料制成所需形状的零件或制品的专用工 具,是金属或非金属材料成型过程中的重要部件,是工业生产中的基础工艺装备。模具因其生 产效率高、产品质量好、材料消耗少、生产成本低等优点,从而获得广泛的应用【l 】。例如:在 电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中,6 0 8 0 的零部件都要依靠 模具成形。同时,用模具生产零件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消 耗等优点,是其他加工制造方法所不能比拟的。因此,用模具生产的最终产品的价值,往往是 模具自身价值的几十倍、上百倍,模具也成为了真正的”效益放大器”。现今,模具生产技术水 平的高低,已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。 2 0 世纪8 0 年代以来,我国模具工业发展迅速,近年以每年1 5 左右的速度快速发展。图1 1 所示为2 0 0 0 年至2 0 0 8 年我国模具销售总收入闭。 :硬 雹 、 一 荽 艺 鬟 时f f l j ,年 图1 12 0 0 0 年至2 0 0 8 年5 月我国模具销售收入状况 可见,从2 0 0 0 年至2 0 0 4 年,我国模具销售收入增速较为一致,大约以每年2 0 左右的速度 增长;2 0 0 4 年至2 0 0 7 年,国内模具行业进入了黄金发展期,增速较快;至2 0 0 8 年5 月我国模具销 售收入已达4 0 0 亿元左右。 目前,我国模具生产总量已跃居世界第三,排在日本和美国之后。由于生产需求的不断增 加,国内模具行业正不断地向多品种、精密化、大型化、复杂化方向发展。然而,伴随着模具 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 的需求量越来越多,对其性能方面的要求也越来越高。其中,模具的使用寿命是衡量其优劣的 重要指标,因为它不仅影响着产品的质量,而且还影响着产品的生产率及成本【3 1 。但是,受到 国内机械加工以及材料科学技术水平的限制,我国的模具制造周期一般为工业发达国家的两倍, 而使用寿命仅为国外同类产品的五分之一【4 l 。所以,国内模具的使用性能及使用寿命依然和国 外同类产品有较大差距。我国虽是模具大国,却不是模具强国。 1 1 2 模具的复杂工况条件 q 随着模具在我国工业中的应用范围越来越广,各种模具的过早失效已成为了降低企业生产 效益的重要原因。所以,如何提高模具的使用寿命是企业所面临的切身问题。在工业生产中, , 如将模具按应用场合分类,可以分为热作模具、冷作模具和塑料模具三种【5 1 不同种类的模具 其工况条件也各不相同。 热作模具在使用时,型槽表面直接接触炽热的毛坯,温度高达1 2 0 0 的被锻金属会对型腔 反复加热,使模具型腔表面温度迅速升高,一般可达5 0 0 6 5 0 ,有时甚至高达7 5 0 9 0 0 。 热作模具表面温度分布如图1 2 所示。 图1 2 模具表面温度分布模拟图 当模具表层受热膨胀时,由于内层尚处于较低的温度,因此会对表层产生约束,从而产生 压应力。脱模时,通过向模具表面喷洒冷却液和润滑剂,使表层温度下降到1 5 0 2 0 0 ,表 层开始收缩,此时内层仍处于较高温度,于是表面又受到内层的限制。产生拉应力。在拉压应力 的交变作用下,会导致模具的疲劳失效。与此同时,由于模具的工作型面与高温的坯料接触, 可使型腔表面温度超过模具钢的回火温度,因而型槽内壁发生软化而被压塌或压堆,导致型槽 尺寸变样,失去其尺寸和形状精度而失效。还有,型面受到高温软化会使耐磨性能降低,加之 氧化皮起到的磨料作用和高温氧化侵蚀、变形金属的磨损作用,会加剧模具型腔磨损速度。而 在工件成型时,型面受到的瞬间的冲击载荷产生的内应力可能会超过材料强度极限。所以,热 作模具常发生软化( 堆塌) 、磨损、疲劳等损伤,乃至断裂失效。因此,热作模具在如此恶劣的 工况下,应具备:高温下能保持高的强度和良好的冲击韧性、优良的耐磨性和一定的硬度、优 良的耐疲劳性能、高的渗透性和整体综合性能。所以,热作模具材料应具有高的强度、高温硬 2 损性能等1 6 l 。 加工工艺与热作模具相比有许 为最终不加工产品外,冷作模 具工作载荷还远高于热作模具,且载荷波动幅度较大,磨损情况严重。由于模具工作部分在冲 击载荷下工作,为了保证模具刃口部分不断裂、不变形、少磨损,要求模具材料除了具有高强 度、高耐磨性外,还应具有较好的冲击韧度。此外,拉伸模、弯曲模等成形模具主要用于板材 成形,虽然模具的工作部分承受的工作压力不太大,但是在高摩擦条件下工作,为了保证模具 工作表面的光滑,不发生粘附磨损和擦伤,除了保证模具材料的高强度外,尤其要求具有高耐 磨性及抗咬合能力川。这些恶劣工作条件和对模具材料的严格要求使冷作模具失效形式和机理 也有很多不同。 由模具复杂的工况条件可知,引起模具开裂失效的因素也是错综复杂的,它既包含材料方 面的因素也包含环境方面的因素。前者为内因,包括材料品质及加工工艺方面的各种因素;后 者为外因,包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。任何模具的失效都是在材料的强度、 韧性与应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的。因此,在熟悉了模具复杂工况条件的前 提下,通过针对不同工况要求选取具有相应性能的模具材料,可能会使模具具各优异的抗裂性 能。 1 1 3 模具主要失效形式 模具的工况条件较为复杂,在服役过程中反复地与高温状态的被加工材料接触,在周期性 的交变应力作用下,模具材料尤其是表层的组织会逐步发生转变导致性能的下降,并最终导致 失效。因此,模具的失效形式较为多样,其中主要的失效形式有断裂失效、磨损失效、塑性变 形失效及疲劳失效i 引。 1 断裂失效 当模具出现较大裂纹、分离为两部分或数部分并丧失服役能力时,称为断裂失效。断裂失 效是模具致命的失效方式,其物理机制是处于拉应力状态下的脆性裂纹失稳扩展。造成断裂失 效的主要原因是模具存在较严重的应力集中,例如模具存在较深裂纹或中空设计的尖角等场合, 这时要求模具有较高的塑韧性,否则,由于偶然的机械超载或热超载可能会导致模具的灾难性 断裂。所以在实际生产中,如果模具的工作应力大于该工作温度下材料的强度极限,就可能会 令其发生一次性断裂,如出现崩裂、折断、胀裂等现象。例如,对于热锻模具而言,如模锻锤、 高速锤的加载速度高,模具承受较大冲击力,而与热坯料接触时间短,热负荷较低,在机械载 荷的作用下很容易使模具薄弱处或应力集中处产生开裂。图1 3 为模具断裂失效实物照片。 3 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 图1 3 开裂的模具宏观形貌 根据不同断裂方式,可将断裂失效分为塑性断裂和脆性断裂两类,模具材料多为中、高强 度钢,断裂的形式多为脆性断裂。而根据断裂的失效机理,又可将脆性断裂分为过载断裂和疲 劳断裂两种【1 0 1 。 ( 1 ) 过载断裂 当模具零件外加载荷超过其危险截面所能承受的极限应力时,零件将发生断裂,这种断裂 称为过载断裂。过载断裂的断口宏观特征与材料拉伸断口形貌较为相似。当材料塑性较好时, 宏观断口显示出较大的塑性变形,而材料较脆时,零件断口里脆性特征。 ( 2 ) 疲劳断裂 模具零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象称为疲劳断裂。模具 发生疲劳断裂的根本原因是由循环载荷所引起的,凡是可促使表面拉应力增大的因素均能加速 疲劳裂纹的萌生。通常疲劳裂纹萌生于应力较大的部位,尤其是应力集中部位( 如尺寸过渡处、 缺口、刀痕、表面划伤、夹层等) 。随着模具服役期的延长,细微的裂纹逐渐向纵深发展,扩展 到极限尺寸后,将严重削弱模具的承载能力而引起断裂失效。 疲劳断裂过程一般需经历三个阶段:疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和最终断裂或瞬间 断裂。典型的疲劳断口可按照这三个断裂过程分为三个形貌不同的区域: 1 ) 疲劳核心区它是疲劳断裂的源区,断口呈光滑、细洁的狭小区域。 2 ) 疲劳裂纹扩展区常见贝纹状或类似于海滩波纹状,纹线以疲劳核心区为中心向四周扩 散。 3 ) 瞬断区是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后、残余断面发生快速断裂而形成的区域,呈现过 载断裂的特征,即具有放射区与剪切区。 不同模具断裂的驱动力有所不同。冷作模具所受的主要外力为机械作用力( 如冲压力) 。热 作模具除承受机械力外,还有热应力和组织应力作用,有些热作模具的工作温度较高,又采用 一定的强制冷却方式,形成较大的内应力。因此,部分热作模具零件断裂失效的主要原因与内 4 孽 , 莎 着和耕犁作用,粗糙不平的软表面容易发生变形或耕犁。因此,对于模具的型腔,尤其是桥部 等打击力较大且金属流动较多、较快的部位,一般要求有较高的硬度【1 。图1 4 为模具磨损失 效的实物照片。 图1 4 模具磨损失效的实物照片 3 塑性变形失效 当模具的工作应力大于其工作温度下模具材料的屈服强度时,模具就会发生塑性变形。失 效形式表现为镦粗、堆塌、弯曲等。塑性变形失效与模具的工作温度密切相关,因为高温时可 能产生很大的热应力,材料的热稳定性不能适应长时间工作的高温条件。另外,模具材料的高 温屈服强度比室温下低很多,有时甚至只为室温下的1 2 1 3 【1 2 1 。当其低于模具的承载应力水平 时就会发生塑性变形,变形累积到一定程度时就会导致失效。图1 5 为5 c r m n m o 整体热锻模锻 4 0 0 件时变形失效的表面状况照片。 图1 55 c r l 汕l m o 整体热锻模( 锻4 0 0 件的表面变形状况) 5 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 4 疲劳失效 当模具受到的循环工作应力超过令其产生裂纹的危险应力时,就会萌生出微裂纹。裂纹一 般发生在应力集中的位置,例如尺寸急变、刀痕、磨损沟痕等宏观缺陷位置或是晶界、粗大脆 性第二相微观缺陷位置。在一定条件下微裂纹会发生扩展,在模具型腔表面形成网状、放射状 或平行状细小裂缝,俗称龟裂。对于某些表面质量要求较高的模具而言,龟裂超过一定限度即 会报废【1 3 l 。图1 6 是模具疲劳失效表面照片。 器 一 黼霹麟戮2 i i 圈 黼一 _ 圈 鬣j 雹目 一 栩 爨 舞嚣耱k ! 翻。 图1 6 模具疲劳失效表面照片 在模具的众多失效形式中,断裂失效是最为严重也最为广泛的失效形式。表1 1 为日本特 殊钢厂对模具的破损进行调查后,得到的模具失效形式及原因比例【9 l 。 表1 1 模具失效形式及原因比例( ) 不当理眢良不堡当不茎陷缺誊合理量材当其他。计 断裂 3 91 29l6367 5 磨损 6 一 1 7 变形 2 - l - 一 14 热裂 1l - 2 其他 23 5 21 2 合计 4 91 61 l76381 0 0 由表可以看出,断裂失效在所有模具失效形式中所占的比例最大,属于主要失效形式。此 表虽不具备广泛的代表性,但是可以反映出断裂失效在模具失效形式中所占的大致比例。 1 1 4 抗裂性能的重要性 随着断裂失效成为模具最主要的失效形式,存t 、i i ,堆声中,不同种类、应用于不同场合的 模具都面临着抗裂性差造成的使用寿命短暂的问题。例如:某厂铝型材挤压模具材料为h 1 3 钢, 投入使用后仅生产2 3 柱型材,使用时间不足2 0 i i l i i l 便发生开裂;一种具有局部凹陷结构的 6 模) 尺寸为2 8 0 衄2 6 0 咖3 5 m m ,内有多个方格型腔,模具装机使用时间不长便发生开裂,裂 纹位于方格型腔的内角处;某吊环模具经热处理后并放置一个月后,交货时发现模具表面产生 很长的裂纹;某厂生产的喷油器体采用胎模锻,模具材料为5 c 晾佃 幻,在使用时,新模具仅锻 打了8 件零件,就发生了开裂;一种挤压模具材料采用3 c r z w s v ,但在生产中挤压模常发生 开裂而导致早期失效、挤压模具费用支出占了整个模具支出的很大比例【6 枷l 。众多应用实例表 明,为了提高模具的使用寿命,增加企业的经济效益,研究如何防止模具的开裂,提高其抗裂 性能具有重要意义。 1 1 5 模具的表面强化技术 目前,模具复杂的工况条件和失效形式对模具材料的抗裂性、耐磨性等使用性能提出了越 来越高的要求。在传统的模具材料仍然占据着重要市场的条件下,要满足或适应模具较高性能 要求的一个重要途径,就是对模具进行表面强化。国内外在模具表面强化技术上都有着成功和 广泛的应用。表面强化技术主要是通过施加各种覆盖层或者采用机械、物理、化学等方法来改 变材料表面形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态,从而提高材料抵御环 境作用的能力。它是一种经济、有效的提高材料或工件性能的方法【1 4 l 。 可用于模具制造和修复的表面强化技术十分广泛,按照表面强化技术的物理化学过程可将 其划分为:表面形变强化( 如喷丸) ,表面热处理( 如感应加热淬火) 、化学热处理( 如渗c 、 渗n ) 、表面冶金强化( 如热喷涂、热喷焊) 、薄膜强化( 如电镀、p v d 、c v d ) 、堆焊等等【嘲。 1 表面喷丸强化 表面喷丸强化是利用大量高速运动的弹丸喷射到模具表面,使表面产生极为强烈的塑性变 形。这种形变使模具表面产生了一个应力状态及组织结构与基体完全不同的加工硬化层和残余 压应力层。由于在压力层上有相当高的表面压应力,能够推迟疲劳破坏,即使在很高的外部应 力作用下,也不会产生表面失效。所以,强化层能够显著地提高模具在室温及高温工作环境下 的抗疲劳强度,达到提高模具寿命的目的。 但是,由于大量的弹丸同时喷射到模具表面,使模具表面的原子晶格发生较大的弹性畸变, 7 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 模具表面产生强烈的塑性变形,所以模具表面变形大,容易发生尺寸的改变,模具的回弹量不 均衡,返修率高,生产效率低。因此一些对尺寸要求很高的精密的模具一般不采用这种方法进 行表面强化。 2 化学热处理 化学热处理是指将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗 入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。常见的化学熟处理工艺有:渗碳, 渗氮,碳氮共渗,渗铝,渗硼等。化学热处理的目的主要是提高模具表面的硬度,耐磨性,抗 蚀性,抗疲劳强度和抗氧化性等。 但是由于热扩渗后的模具表面处理的温度高,工件畸变大,模具表面的热应力和组织应力 都较大,组织硬而脆。因此当模具受到外界的冲击时,很容易产生裂纹等缺陷。 3 热喷涂与热喷焊 热喷涂技术是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态,用高速气流将其雾化、加速,使其以 高速喷射到工件表面,形成耐磨、耐蚀以及抗高温氧化等特殊性能涂层的表面涂层方法。但是 由于涂层与基体主要是靠机械结合形式,所以与基材结合不致密,结合强度相对较低于金属热 处理,涂层自身强度一般不可能达到基体金属本身的强度。因此热喷涂技术在模具表面强化中 难以发挥作用。 热喷焊是对热喷涂层的重熔技术,它虽然具有喷焊层组织致密、冶金缺陷少( 同喷涂相比) 、 工件变形小和稀释率低( 同堆焊相比) 等优点,但是喷焊工艺操作难度大,而且喷焊时对工件 表面的预处理要求高,处理不当时将会使喷焊层剥落。即使焊前表面清理干净,但在喷焊时已 处理过的表面因氧化也常常导致基体与喷焊层的结合不好,结合强度低【1 6 1 。 4 电镀 电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面,以形成均匀、致密、结合力良好 的金属层的过程。常见的电镀层金属有c r 、c o _ n 、c 0 m o 、n i - p 、n i - b 等在模具表面得到了应 用,提高了模具的使用寿命。但是,由于电镀层的热膨胀系数与模具基体的热膨胀系数相差很 大,所以在急热急冷过程中电镀层与模具基体结合强度不牢,电镀层容易出现开裂和剥落现象。 因此,电镀工艺不能用于经受急冷急热作用的热作模具【1 7 1 。 在所有强化技术中,堆焊被认为是一种比较理想的、比较可靠的制造和修复模具的方法。 1 1 6 模具堆焊的概念及其重要作用 堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定热源手段焊接在母体材料的表面,以赋 予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法,它既可以用于修复材料因服役而 导致的失效部位,又可以用于强化材料或零件的表面。因此,堆焊技术的应用范围相当广泛, 8 r 南京航空航天大学硕十学位论文 如核电站、压力容器以及某些厚壁,均要求大面积地堆焊不锈钢;高中压阀门及某些汽车、柴 油机排气阀门密封面均要求堆焊钻基合金、镍基合金或其他阀门材料;高炉料钟密封带表面、 轧钢生产的钢轧辊则要求堆焊高温耐磨材料等等。目前,堆焊技术在国内的应用范围已经囊括 了航天、兵器、能源、冶金、煤炭、石油、勘探、电力、建筑、农业以及模具的制造与修复等 各个领域【l 川。 用合金堆焊的方法来制造模具,是指将耐磨合金钢或铁基硬质合金利用堆焊的方法填充在 普通碳素结构钢模具坯料基体的表面,以形成其工作部位的方法,例如冲模刃口、拉伸模、凹 模、凸模的工作部位等【1 9 】。堆焊的目的不是为了连接零件,而是为了使零件表面获得具有抗裂、 耐磨、耐热、耐蚀等特定性能的堆焊金属,也可以恢复或者增加零件表面尺寸,以达到模具的 使用要求。与其他焊接方法相比,其异同见表1 2 f 2 0 】。 表1 2 堆焊与一般焊接方法的异同 将合金堆焊工艺应用在模具制造与修复中,具有广阔的发展前景。目前,在模具制造、损 坏模具的修复以及超差模具的修补中,堆焊技术的应用越来越广泛,所用堆焊材料的品种也越 来越多。例如,李文彬、官军等人【2 1 】用d 3 9 7 焊条对唐山冶金机械厂的台车轴套筒模和台车轮 锻模进行堆焊修复,其平均寿命提高了l 倍,而成本仅为新锻模的1 4 ;任雪岩等人【2 2 】用堆焊 技术对郑州日产汽车有限公司生产的汽车车身覆盖件模具进行修边刃口的焊接,也可用于拉延 模和成形模的磨损面或拉延筋的堆焊,大大提高了模具的寿命,降低了模具的制造成本和制造 周期;刘旭东等人瞄】使用1 i ) c 5 8 焊条对辽宁黄海汽车( 集团) 有限责任公司的客车第二横梁剖切 模进行堆焊修复,大大提高了模具的寿命,提高了企业的经济效益;孙国等人【2 4 j 使用d 3 9 7 焊 条修复了辽宁利达金属包装集团有限公司的锻模锻打连杆,使其寿命达到了新模具寿命的6 0 , 而成本不到新模具的十分之一,生产周期也缩短了三分之二以上;前苏联广泛应用堆焊技术对 热压模、热锻模及自由锻工具进行修复,获得了很大的经济效益;美国对大部分热锻模采用h 1 2 工具钢进行堆焊,模具寿命可达8 0 0 0 件,而改用h 1 3 工具钢堆焊,其模具寿命可达1 8 0 0 0 2 0 0 0 0 件1 2 5 1 。 以上所列举的只是模具堆焊技术众多应用实例当中的几个。模具堆焊技术能够被广泛的应 用在各个行业中,是因为它具有其它模具制造技术所没有的优越性。首先,模具堆焊技术的显 著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合,因而堆焊层在服役过程中的剥落倾向较小;其次, 9 两种模具堆焊材料抗裂性对比研究 可以根据模具的具体工况条件选择或设计适合的堆焊金属,使模具表面获得良好的抗裂性、耐 磨耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能,在工艺上有很大的灵活性;还有,在模具制造中 采用合金堆焊工艺,可以节约大量贵重的钢材,降低模具制造成本。最后,堆焊工艺简单,比 较容易掌握【2 6 】。 大量研究与应用结果表明,将堆焊技术应用在模具修复与制造中还具有以下优点【2 7 】: 1 采用模具堆焊技术修复模具可以使报废的模具再复活,使之继续使用。 2 采用堆焊方法制造的模具可灵活调整模具形腔表面材料的成分,实现一块模具,两种金 属,两种硬度,可以达到好钢用在刀刃上的目的,从而大大提高模具的使用寿命。 3 使用模具堆焊技术可以修复加工超差的模具,减少因工作失误造成的经济损失。 4 采用堆焊方法制造模具可以缩短模具的制造周期,减少开模次数,降低模具制造的工作 强度。 5 使用模具堆焊技术可以延长模具寿命,减少停机时间。 正是模具堆焊技术的这些特性,使其大量应用到了模具的修复与制造之中。因此,模具堆 焊技术具有较高的实用价值和广泛的发展前景。 1 1 7 模具堆焊材料的抗裂性能 1 1 7 1 模具堆焊材料抗裂性能的重要性 随着模具堆焊技术的广泛应用,对其要求也越来越高。模具堆焊技术主要包括堆焊材料选 择,堆焊方法选择和堆焊工艺制定三方面,其中,选择具有恰当性能的堆焊材料最为重要。 当堆焊方法或工艺使用不当时,可能会导致堆焊层产生焊接缺陷。缺陷类型主要包括以下 五种2 8 l : 1 表面成分和组织不均匀,硬度不一致,有“软点”出现。一般的产生原因包括焊材变质、 焊剂脱落、预热不充分、冷却不均匀、焊接规范选择不当等等。防止的方法是妥善保管焊材, 焊前将模体充分预热,选择适当的焊接规范等。 2 堆焊层裂纹。产生原因包括模体材料和堆焊材料选择不当、受热及冷却不均匀、冷却速 度太快或在堆焊中有气孔或夹渣等应力集中区域。防止的方法是采用合理的预热,较缓的冷却 速度,及时回火。在未消除应力之前,避免受到激烈的震动或冲击。 3 气孔。由于堆焊时溶池的化学反应所产生的氧化碳和氢等气体造成。防止方法是保持焊 材干燥、焊接表面清洁、焊接电流适当。每焊一层要清渣一次,间隔时间不大于1 0 分钟。如发 现气孔要随时补满,补焊后对使用质量无影响。 4 夹渣。较为常见的缺陷。原因有两个,一是焊接时造渣不好,二是焊接表面不够清洁。 如果一旦产生夹渣,可在夹渣部分补焊。 l o - , i 南京航空航天大学硕士学位论文 5 过热。由于焊接规范选用不当造成,其主要症状是金相晶粒交粗,脆性增高。 以上缺陷可以通过改进堆焊方法和工艺来避免。而模具堆焊材料的质量是提高模具使用寿 命的关键因素。因为模具的工作表面是由堆焊材料填充而成的,它直接受到各种复杂工况条件 的考验。如果堆焊层遭到破坏而失去使用性能,就意味着模具的报废。所以,堆焊材料性能的 好坏直接决定了模具使用寿命的长短。因此,研究如何提高堆焊材料的使用性能,具有重要的 实际意义和应用价值【2 9 l 。目前,有许多科学工作者正在从事着模具堆焊材料的研究。主要的研 究方向有堆焊材料的耐磨性、机械加工性能和高温性能等等。本课题选择以堆焊制造模具的抗 裂性为切入点,对5 2 5 和1 3 6 两种堆焊材料的抗裂性进行对比研究,具有很重要的现实意义。 在模具工业中,开裂
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