材料保护论文范文

材料保护论文范文材料保护论文范文 上海大学Shanghai University材料保护技术及其工程设计课题报告姓名院系材料科学 与工程学院专业金属材料工程学号设计课题热作模具的耐磨表面技 术指导教师目录摘要 关键字 11 模具钢1 1热作模具钢简介 11 2热作模具钢的发展 21 3热作模具钢的分类及ISC代号 31 4常规热处理工艺 32 失效分析2 1模具的服役条件 52 1模具失效分析 52 3模具失效形式及失效机理 53 磨损失效 64 热作模具表面处理4 1表面物理处理法 84 2表面化学处理法 94 3表面覆层处理法 105 结语 11参考文献 12 1 摘要本文为材料保护技术及其工程设计课程的要求论文 选择的课 题为热作模具的耐磨表面技术 本文先对国内外热作模具钢的发展概况进行了简要的介绍 并列举 典型钢种的成分及热处理工艺 而后介绍热作模具钢的磨损失效及 表面处理技术 并针对之前提到的钢种进行讨论 以达到所要求的 表面耐磨性能 关键字热作模具热作模具钢表面处理耐磨性Abstract designcourse requirementsfor thesubject choose paperthe surfacewear resisting technologyof the hot work diesteel This paperfirst todomestic and international developmentsurvey of thehot work diesteels werebriefly reviewedin thispaper and liststhe ponentand typicalsteel grade these steelheat treatmentprocess Then introducesthe surface treatment technology andinthe lightofthepreviously mentioneddiscussed to achievenichel requiredexterior wear resisting performance Material Indexhot work moule hot work diesteel surfacetreatment wear resistanceThis articlefor materialsprotection technologyand engineering1 模具钢1 1热作模具钢简介模具是机械 冶金 电子 轻工 国防等工业部门的重要工艺装备 是保证高效率生产 高 产品质量和降低生产成本的重要手段 模具钢是用于制造冷作模具和热作模具的材料 本文仅介绍和讨论热作模具用钢 热作模具钢是制造热作模具 热锻模 热顶锻模 热挤压模和压铸 模等 的金属材料 主要用于制造加热到再结晶温度以上的金属或液态金属压制成型的 模具 如锤锻模 机高合金热作模具钢主要为 锻模 热挤压模和 压铸模等 由于热作模具工况条件非常恶劣 是在非常苛刻的条件下工作 如 承受各种应力及金属熔液对模具工作表面的溶蚀 在工作中反复受 到炽热金属的加热和冷却介质 水 油 空气 冷却的热循环交替作 用 当炽热的金属放入热作模具型腔时 型腔表面急剧升温 表层产生 压应力和压应变 当金属件取出时 型腔表面由于急剧降温而受到拉 应力和拉应变作用 极易产生热疲劳等 因此要求模具材料具有高 的热强度 高温硬度 冲击韧性 淬透性和好的热稳定性和抗冷热 疲劳性能等 总之 要求热作模具具有良好的综合力学性能 一般采用合金钢制 造 热作模具钢应具备的性能主要为 1 在使用温度下具有一定的硬度和强度 2 具有较高的韧性 3 较好的抗热疲劳性能 4 具有一定的抗氧化性能较好的加工性能等 2 1 2热作模具钢的发展第一代热作模具钢主要是5CrNiMo 5CrMnMo和 3Cr2W8V钢 从20世纪30年代初开始至今一直得到广泛的应用 第二代热作模具钢以美国的AISIH 10 H 11 H 12 H13钢系列为代表 尤其以H13钢最受欢迎 第三代热作模具钢是瑞典UDDEHOLM公司研制的UHB QRO80M和QRO90SUPREME钢系列 而H 13 QRO80M QRO90SUPREME钢被称为20世纪90年代新型优质热作模 具钢 直到21世纪初都是热作模具钢的主选钢种 已在美国 日本 德国 瑞典等发达国家得到广泛应用 我国应用最广泛的热作模具钢种是3Cr2W8V 5CrMnMo 5CrNi Mo 而在国外 这三种钢正逐步被淘汰 如德国在修订标准时 已废除了3Cr2W8V钢种 相应钢种的详细成分见下表 3 1 3热作模具钢的分类及ISC代号1 3 1按所含合金元素的多少分类 1 低合金热作模具钢主要为5CrNiMo 5CrMnMo 5CrNiMoV等Cr Ni Mo Cr Mn Mo系钢种 2 中合金热作模具钢主要为4Cr5MoSiV 1 4Cr5WMoSiV 4Cr5MoSiV 4Cr5W2VSi等铬系钢种 3 高合金热作模具钢主要为3Cr2W8V 5Cr4W2Mo2SiV 5Cr4W5Mo2 V等W Mo系钢种 1 3 2按性能特点分类 1 高韧性热作模具钢为低合金热作模具钢 2 强韧兼备的热作模具钢为中合金铬系热作模具钢 3 高热强钢为高合金钨钼系热作模具钢 也有称高耐热性热作模 具钢 1 3 3按用途分类 1 锻压模具用钢5CrNiMo 5CrMnMo 5CrNiMoV等Cr Ni Mo Cr Mn Mo系钢种 2 热挤压模具用钢4Cr5MoSiV 1 4Cr5MoSiV 4Cr5W2VSi等铬系钢种 3 压铸模具用钢4Cr5MoSiV 1 3Cr2W8V 5Cr4W2MoSiV等中高合金热作模具用钢 4 热剪切模具用钢H26 5W18Cr4V H23 3W12Cr12V 等低碳 高速钢 1 3 4热作模具钢的ISC代号GB T17616一1998中详细规定了各类钢种 的统一数字代号 简称 ISC 代号 其统一数字代号由固定的6位 符号组成 左边第一位用大写的拉丁字母作前缀 后接5位阿拉伯数 字 后5位阿拉伯数字中第一位代表各类型钢铁及合金细分类第 三 四 五位数字代表不同分类内的编组和同一编组内的不同牌号的区 别顺序号 每一个统一数字代号只适用于一个产品牌号 即每一个产品牌号只 对应一个统一数字代号 在GB T17616一1998中 热作模具钢为合金工具钢类 其ISC代号为T 2 1 4常规热处理工艺1 4 15CrNiMo 5CrMnMo 5CrNiMoV钢的常规热 处理工艺5CrNiMo 5CrMnMo 5CrNiMoV钢的预处理和最终热处理工 艺参数列于下表 低合金热作模具钢退火 淬火工艺参数统一数字代号牌号退火温度 760 780760 780760 780退火硬度 HB 197 241197 241197 241Txx2Txx35CrMnMo5CrNiMo5CrNiMoV 4 统一数字代号牌号淬火温度 820 850830 860830 880淬火介质 淬火硬度 HRC 53 5852 5853 60Txx2Txx35CrMnMo5CrNiMo5CrNiMo V油油油三种钢的回火工艺参数与硬度的关系列于下表 5CrNiMo 5CrMnMo 5CrNiMoV钢回火工艺参数模具最小边长 mm 5 CrMnMo 300490 530 300 400520 560 400 500530 580 500540 6001 4 2H13钢的常规热处理工艺 1 退火工艺H13钢属于过共析钢 可以采用完全退火或等温球化 退火 1 完全退火工艺850 900 3 4h 保温结束后随炉冷到500 以下 出炉空冷 2 等温球化退火工艺845 900 2 4h 炉冷 700 740 3 4h 炉冷 40 h 500 出炉空冷 形状复杂的模具 在粗加 工后应进行一次去应力退火 600 650 2h 炉冷 H13钢经退火后 适宜的组织是由球状珠光体和少量粒状碳化物组成 要求热处理硬度 229 2 淬火工艺H13钢的淬火回火工艺 可以采用盐浴炉 真空炉和 流动粒子炉加热 模具表面光洁 热处理变形小 零件寿命长 H13钢的淬火时可采用空淬 气淬 油淬或者500 540 分级淬火 对于要求高强韧性的模具 要用高的淬冷速度以抑制碳化物的沿晶 析出和出现上贝氏体 提高强韧性和回火抗力 但冷却速度必须控制在不出现淬火开裂和畸变的允许范围内 H13钢淬火后组织是板条马氏体 未溶碳化物 残余奥氏体 硬度51 5 5HRC 3 回火工艺H13钢的回火工艺应根据热作模具的工作条件和具体 的失效形态来确定回火温度和硬度 一般优质的H13大多采用540 650 3h的高温回火 以提高模具的韧 性和减少残余奥氏体AR在钢中发生转变而引起脆性 回火温度 5CrNiMo480 520530 560540 580550 600硬度 HRC 40 4538 4235 4032 375CrNiMoV500 540580 600590 620600 630 5 H13钢回火后的最终热处理组织是回火马氏体 少量粒状碳化物 低6 00 回火时仍保持马氏体板条状 当回火温度高于650 马氏体形 态逐渐消失 转变为回火马氏体 引起热强性的严重恶化 因此 H13钢是一种性能优异的中温热作模具钢 2 失效分析失效分析是指分析失效原因 研究和采取补救措施和预 防措施的技术与管理活动 再反馈于生产 因而是质量管理的一个 重要环节 2 1模具的服役条件一般情况下 模具的服役条件与安装模具的机床 类型 吨位 精度 行程次数 生产效率和被加工零件的大小 尺 寸 材质 变形抗力以及工件加热条件 锻造成型温度 冷却及润 滑条件等有关 因而不同模具的服役条件也有很大的差别 2 2模具失效分析模具失效是指模具受到损坏 丧失了正常工作能力 不能通过修复而继续服役 2 3模具失效形式及失效机理模具类别冷作模具模具名称冷冲裁模冷 拉伸模冷镦模冷挤压模常见失效形式磨损 崩刃 断裂磨损 咬合 划伤脆断 开裂 磨损挤裂 疲劳断裂 塑性变形 磨损冷热疲 劳 裂纹 磨损 塑性变形断裂 磨损 塑性变形 开裂磨损 崩 刃断裂 磨损 冷热疲劳 堆塌热作模具热锻模热挤压模热切边模 热镦模压铸模有色金属压铸模黑色金属压铸模热疲劳破坏 黏附 腐蚀热疲劳破坏 塑性变形 腐蚀 6 3 磨损失效磨损的三个阶段模具成型坯料不同 使用状况不同 其 磨损情况也不同 但按照磨损的破坏机理可分为粘着磨损 磨粒磨 损 疲劳磨损 腐蚀磨损 剥层磨损 气蚀和冲蚀磨损等 耐磨性是材料抗磨损的一个性能指标 可用磨损量来表示 磨损量 越小 耐磨性越好 磨损量既可用试样表层的磨损厚度来表示 也可用试样体积或重量 的减少来表示 1 粘着磨损粘着是由于固相熔焊 Solid phasewelding 使接触表面的材料由一个表面转移到另一个表面上 去 所以粘着磨损 Adhesive wear 的本质是材料的移动 2 磨粒磨损 双体型磨料磨损较硬摩擦表面上的微凸体在较软摩 擦表面上进行犁削 三体型磨料磨损由比摩擦表面更为坚硬的颗粒引起的磨料磨损 该颗粒可以由外面进入 也可由自身粘着 剥落 氧化或其他化 学和磨损过程所生成的 7 3 腐蚀磨损零件表面在摩擦过程中 表面金属与周围介质发生化学 或电化学反应 出现物质损失的现象称为腐蚀磨损 腐蚀磨损是腐蚀和摩擦共同作用的结果 通常分为氧化磨损 特殊 介质的腐蚀磨损 穴蚀及氢致磨损 4 氧化磨损氧化磨损具有最小的磨损速度 有时氧化膜还起到保护 作用 影响氧化磨损的因素有滑动速度 接触载荷 氧化膜的硬度 介质 中的含氧量 润滑条件以及材料性能等 5 微动磨损两接触表面间没有宏观相对运动 但在外界变动负荷影 响下 有小振幅的相对震动 一般小于100 m 此时接触表面间 产生大量的微小氧化物磨损粉末 因此造成的磨损称谓为微动磨损 微动磨损以两种方式对构件造成破坏 当两个表面之间的化学反应起主要作用时 称为微动腐蚀磨损 如果微动表面或次表面层中产生微裂纹 在反复应力作用下发展成 疲劳裂纹 称为微动疲劳磨损 6 接触疲劳磨损两个接触表面做滚动或滚滑复合摩擦时 在循环接 触应力作用下 由表面材料发生疲劳而产生的物质损失过程称为表 面疲劳磨损 也称为接触疲劳磨损 表面接触疲劳与其他磨损的区别其他磨损接触方式低副 面 接触 应力弥散或连续作用润滑状态下发生磨损时很难有完好的油膜存在 运动方式滑动为主主要特征以解除表面间材料转移 犁削和腐蚀为 主要特征表面接触疲劳磨损高副 点线 接触集中或循环作用可能 通过油膜传递循环应力而导致疲劳发生滚 滑动为主以裂纹的萌生和 发展以及表面材料的剥落为主 8 4 热作模具表面处理上海交大徐祖耀院士在 材料热处理的进展和 瞻望 一文中写道 1930年Moore疲劳试验机问世 实验发现钢的疲劳强度与其抗拉强度不呈正比关系 而且强烈地受 试样表面情况的影响 轧制时表面脱碳 钢件表面应力增生区及介质 腐蚀都使疲劳寿命下降 材料表面科学就此萌生 表面技术逐步发展 20世纪40年代实现热处理气氛控制以防止氧化脱碳 40 50年代推 行盐浴炉 50年代对工具钢进行真空热处理 表面保护措施如镀层 等技术不断推出 如今的表面处理包括表面物理处理法 表面化学处理法 表面覆层 处理法以及表面复合处理法 在此仅简要介绍前三种 4 1表面物理处理法包括高频表面淬火 火焰表面淬火 激光表面淬 火等 喷丸强化 加工硬化也比较常用 在此不作介绍 4 1 1高频表面淬火高频淬火是把模具置于一个交变磁场中 模具产 生感应电流而被加热 电流频率越高 电流加热层愈薄 淬火以后 由于奥氏体化是在比较大的过热度下进行的 因此晶核 多 不易长大 淬火后组织为细隐晶马氏体 表面硬度高 比一般淬火提高HRC2 3 而且脆性较低 显著提高模具的疲劳强度 小尺寸模具可以提高1 2倍 大件也可以提高20 30 加热温度和淬硬层厚度易控制 便于实现机械化和自动化 得到了 广泛的应用 但对于形状复杂的模具处理比较困难 4 1 2火焰表面淬火火焰表面淬火是用乙炔一氧或煤气一氧等火焰加 热模具表面 火焰温度很高 3000 以上 能将工作表面迅速加热到淬火温度 然后空冷或立即用水喷射冷却 调节加热时间和冷却速度可以调节淬硬层厚度和硬度 和高频表面淬火相比 具有设备简单 成本低等优点 但是生产率 低 模具表面存在不同程度的过热 质量控制比较困难 因此主要使用于单件 小批量和质量要求不高的模具的表面处理 4 1 3激光表面淬火激光用于模具表面的处理方法包括激光相变硬化 LTH 激光表面涂覆及合金化 LCS LSA 激光表面融化处理 LS M 激光冲击 LSH 和激光非晶化等 目前激光相变硬化和激光表面涂覆及合金化已被研究应用于提高模 具寿命 其中激光相变硬化应用较为广泛 激光相变硬化 激光淬火 是利用激光辐照到金属表面 使其表面迅 速升温达到相变温度而形成奥氏体 当激光束离开后 利用金属本 身的热传导而发生 自淬火 使金属表面发生马氏体转变 与传统的淬火方法相比 激光淬火是在较高的温度梯度下进行的 在表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织 淬火层的硬度比普通淬火的硬度还高15 20 淬硬层深度可达0 1 2 5mm 因此可以大幅度地提高模具的耐磨性和使用寿命 9 4 2表面化学处理法化学表面处理法是将模具置于一定温度的活性介 质中保温 使一种或几种元素渗入模具表面 改变模具表面的化学 成分和组织 达到改进表面性能和满足技术要求 按照表面渗入的元素不同 化学表面处理法可分为渗碳 碳氮共渗 渗硼 渗铝 钒等金属 化学表面处理能有效提高模具表面的耐磨性 疲劳强度 耐蚀性和 抗氧化性能 4 2 1渗碳渗碳是使模具表面形成一层1 2mm的含碳量为0 8 1 05 渗层 经过适当淬火与回火处理 可提高模具表面的硬度 耐磨性及疲劳 强度 使模具芯部仍保持良好的韧性和塑性 因此渗碳主要用于同时受严重磨损和较大冲击载荷的模具 由于渗碳温度较高 渗后还需热处理 模具变形大 因此精度要求 较高的模具不宜采用 模具的渗碳工艺有固体渗碳 气体渗碳 真空渗碳和离子渗碳 与传统渗碳相比 离子渗碳具有渗碳率高 碳浓度梯度平缓 工件 变形小 环境污染小以及狭缝和小孔都能处理的优点 4 2 2渗氮模具经过渗氮处理后 表面的耐磨性 抗疲劳作用 抗热 抗蚀 硬度和抗咬合性能都比渗碳处理后优越 与渗碳相比 渗氮的温度较低 500 600 模具渗氮后变形小 渗氮工艺复杂 时间长 成本高 一般用于耐磨性和精度或抗热都 要求较高的模具 随着软氮化 离子氮化等新工艺的发展 逐渐解决了普通渗氮时间 长 功率低的缺点 可通过调节气体组分来调节控制氮化组织 降低渗氮层的脆性 不 易产生剥落和热疲劳 W6Mo5Cr4V2钢制冷挤凸模经过离子渗氮后 使用寿命可提高2 3倍 5CrMnMo钢热锻模离子氮化后 磨损量减到原来的1 4 离子渗氮在所有的模具处理中都有应用 但是对于形状复杂的模具 难以获得均匀的加热和渗层 同时渗层较浅 4 2 3碳氮共渗碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学处理 工艺 也称氰化 主要有液体和气体碳氮共渗两种 液体碳氮共渗有毒 污染环境 劳动条件差 已很少应用 共渗处理速度快 模具变形小 较高的耐磨性 抗粘着性 模具寿 命可提高2 5倍 4 2 4渗硼 渗金属渗硼方法有固体渗硼 气体渗硼 盐浴渗硼等 国内外应用较多的是盐浴渗硼和固体渗硼 苏联将该法用于冷热加工模具上 对溶盐电解法研究的很多 日本发 展了以硼砂溶盐为主的液体渗硼及其它元素的TD法 提高模具寿命4 2倍 德国 美国也都搞了很多硼与其它元素的共渗工艺 通过渗铬后可显著提高模具使用寿命 尤其是对在热态工作或承受 强烈磨损的模具 适用于锤锻模 压铸模 塑料模 拉深模等冷热作模具 渗铬后使 用寿命可提高几到数十倍 10 4 3表面覆层处理法4 3 1电镀 刷镀 化学镀电镀硬铬 硬镍是模 具表面处理技术中的传统技术 通过利用电化学的方法在模具工作 面上沉积薄层金属或合金的一种湿式镀覆 电镀操作温度低 模具发生变形较小 模具本身的性能几乎不受影 响 镀层的摩擦系数低 显微硬度可达800HV 可以大大提高模具的 耐磨性 但是 镀层的孔隙较大 耐腐蚀性能不高 不适用与耐腐蚀性要求 高的模具 同时 由于电镀具有尖端效应 对于多孔 形状复杂的模具也不适 用 刷镀工艺简单 沉积速度快 操作方便 镀层质量和性能较好 易于现场操作 不受模具大小和形状的限制 用在报废模具和大模 具的修复上经济效益明显 刷镀应用于热作模具 可提高模具寿命50 200 主要原因是刷镀层有良好的红硬性 耐磨性和抗氧化能力 研究表明材料为3Cr2W8V的热冲模刷镀处理后表面硬度达750HV 模 具寿命提高1 3倍 刷镀也可以大幅度提高冷作模具的寿命 这是因为镀层有高的硬度 和良好的抗粘着性能 北京内燃机总厂的连杆盖模3Cr2W8V经刷镀处理后提高寿命54 5 化学镀是利用还原剂把电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性 催化的工件表面沉积出能与基体表面牢固结合的涂镀层 化学镀没有电镀中因为电力分布不均而造成的深镀和分散能力差的 问题 它对于形状复杂 多孔洞 有棱边夹角的模具的处理最为有效 克 服了电镀的缺点与不足 在汽车用铸模 铝模具上化学镀镍 不仅可以提高脱模效果 还可 以提高模具50 的使用寿命 且零部件的光洁度高 如用45钢加表面Ni P化学镀代替不锈钢制作塑料型材挤出模 不但降低模具制造成本 而且可以提高模具寿命 由于镀层改善了脱模性能 塑料成型周期 缩短 型材表面质量显著改善 在生产应用中对模具表面性能要求是多元的 因此单金属的镀层往 往不能满足质量要求 这些促使了复合镀技术的发展 现在复合镀技术的实施主要借助于电镀 刷镀 化学镀 复合镀后膜层质量和性能提高显著 模具寿命更长 在模具表面上复合电镀Ni W P Ni Fe P Co W P合金显著提高了汽车模具的耐磨性和使用寿命 如Ni PTFE AL2O3镀层可提高抗蚀性能 Ni WC SiC SiO2镀层可提高耐磨及抗蠕变性能 Ni Mo2镀层可提高减磨自润性能 Ni Cr镀层可提高高温强度 4 3 2热喷涂热喷涂大致分为火热喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂 激 光喷涂 电热热源喷涂以及 冷喷 在生产中应用的主要是等离子喷涂 48 和高速火焰喷涂 25 在模具上采用热喷涂金属陶瓷涂层对其表面进行强化 可提高其硬 度 抗黏性 抗冲击 耐磨和抗冷热疲劳等 如不锈钢制品拉深模表面采用高速火焰喷涂工艺制备30 50um厚的WC Co涂层后 修模频率由原来的500件 次提高到7000件 次 寿命也由 原来的拉制3万件提高3 8倍 而且制品质量也得到改善 热喷涂也用于模具的制造 国外均采用火焰喷焊镍基自熔合金制造 和修复玻璃模具 寿命成倍提高 热喷涂技术在不断的发展之中 主要向以下几个方向发展 1 向在较低温度下具有高速飞行速度的喷涂方向发展 2 向能在长时间大功率下稳定高效的工艺和设备发展 3 向精密高效节能的工艺和设备发展 4 采用喷涂法制备纳米结构涂层 5 用热喷涂法部分替代电镀硬铬的工艺研究与应用 6 新型热障涂层 TBC 的研制 11 4 3 3化学气相沉积 CVD 化学气相沉积是利用气态物质在固体表面 上进行化学反应 生成固态沉积物 按照沉积化学反应能量激活分 可分为热CVD技术 等离子化学气相 沉积技术 PCVD 激光辅助化学气相沉积技术 LCVD 和金属有机化 合物沉积 MOCVD 等 美国将CVD用于紧固件模具 提高寿命3 5倍 日本用CVD技术来沉积TiC和TiN于拉深凹模 提高寿命8倍 目前模具表面处理中应用较多的是PACVD 铝型材挤压模具和精密叶 片热锻模具经过处理后 有较好的耐磨性和抗疲劳性 使用寿命提 高一倍 由原来2 5t的通料量提高到5t 现在CVD技术发展是以等离子体