（载运工具运用工程专业论文）合金熔体对金属模具的热力作用行为研究.pdf

中文摘要 中文摘要 模具寿命是非固态近净成形技术推广应用的限制环节。合金熔体对模具的热 力作用是造成模具失效的根本原因。本文针对非固态合金熔体对金属模具的热冲 击行为、热穿透行为以及模具的热力耦合行为和失效行为进行了理论和模拟研究， 并依据这些研究成果对非固态近净成形工艺和模具关键参数的设计准则进行了改 进和完善。 合金熔体的热冲击是造成模具塑性变形和早期开裂的主要原因，通过对热冲 击现象的理论分析，提出了非固态近净成形过程中合金熔体对模具热冲击损伤的 两个无量纲表征参量一热冲击塑变指数和热冲击致裂指数。它们定量描述了热冲 击行为对模具发生塑性变形和开裂行为的影响程度。热冲击塑变指数代表了热冲 击应力与材料屈服强度的接近程度，热冲击塑变指数值越大，致使模具发生塑变 变形的趋势越大；当热冲击塑变指数达到l 时，热冲击应力将达到材料的屈服强 度，模具将发生塑性变形。热冲击致裂指数定量反映了热冲击应力与材料抗拉强 度的接近程度，当热冲击致裂指数达到1 时，热冲击应力将达到材料的抗拉强度， 致使模具出现开裂。通过传热理论分析和模拟计算，建立了热冲击塑变指数和热 冲击致裂指数的计算模型，发现：热冲击塑变指数和热冲击致裂指数随着界面热 阻的减小、浇注温度的升高、热冲击前模具温度的升高而增大，与界面热阻、浇 注温度和热冲击前模具温度分别可以拟合成指数曲线、直线和三次曲线关系，为 有效控制合金熔体对模具的热冲击损伤指明了方向。 合金熔体对模具的另一个热作用是热穿透。每一模次的成形结束时制件凝固 放出的热量向模具或型芯内部传递的距离定义为合金熔体对模具或型芯的单次热 穿透深度。通过对非固态近净成形模具温度场的近似积分解和合金熔体凝固过程 的分析，建立了模具和型芯单次热穿透深度的理论估算模型。研究结果表明，模 具的单次热穿透深度随界面热阻的增大呈指数规律增大、随浇注温度和热作用前 模具平均温度的升高呈三次方规律增大；在模具制件界面热阻、浇注温度和热作 用前模具温度相同的情况下，模具热穿透深度随热作用时间的增大呈指数曲线规 律增大。 通过对连续使用的、无冷却系统模具热穿透深度冷面温度的分析，得知无冷 中文摘要 却系统模具热穿透深度冷面温度随成形周期的增加会逐渐升高，即模具平均使用 温度会逐渐升高。当模具平均使用温度高到一定值时，模具将失去整体刚性，这 时模具将达到其最大使用次数。据此，提出了模具冷却系统位置和冷却介质参数 设计的原则：模具冷却系统应设置在热穿透深度以内；冷却系统带走的热量等于 该过程合金熔体放出的热量；冷却系统的冷却能力要大于冷却系统位置原模具的 导热能力。 建立了考虑模具和制件之间热力作用的非固态近净成形脱模力和抽芯力的计 算公式，并提出了型芯失效的判据为：抽芯过程中的摩擦应力小于型芯的流变抗 力，型芯不发生流变失效；反之，型芯就出现流变失效。实验和生产实际证明了 这些计算公式和失效判据的有效性。 关键词：非固态近净成形；热力行为；热冲击行为；热穿透行为：参数设计 分类号：t g 2 1 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：d i el i f ew a sr e s t r i c t e dl i n ko fp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f n o n s o l i dn e a r - n e tf o r m i n gt e c h n o l o g y h e a ts h o c kb e h a v i o r , h e a tp e n e t r a t i o n b e h a v i o ra n dt h e r m a l - f o r c ea c t i o no fd i e , w h i c hw e r ec a u s e db ya l l o ym e l ta n d s t u d i e db yt h e o r ya n ds i m u l a t i o nm e t h o ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r , w e r em a i n r e a s o n so fd i ef a i l u r e s a l s oc r i t e r i ao fp a r a m e t e r sa n dd i ed e s i g nw e r ei m p r o v e d b a s e do nt h e s es t u d ya c h i e v e m e n t s h e a ts h o c kc a u s e db ya l l o ym e l tw a st h em a i nr e a s o no fd i ep l a s t i cd e f o r m a t i o n a n de a r l yf r a c t u r e b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i so fh e a ts h o c kp h e n o m e n o n , t w o d e s c r i p t i v ep a r a m e t e r so fd i ed a m a g ec a u s e db yh e a ts h o c kw e r ep r o p o s e d ，w h i c h w e r eh e a ts h o c kp l a s t i cd e f o r m a t i o ni n d e xa n dh e a ts h o c kf r a c t u r ei n d e x a f f e c t i o no f h e a ts h o c kb e h a v i o ro nd i ep l a s t i cd e f o r m a t i o na n df r a c t u r eb e h a v i o rq u a n t i f i a b l y w e r ed e s c r i b e db yt h e s et w op a r a m e t e r s h e a ts h o c kp l a s t i cd e f o r m a t i o ni n d e x r e p r e s e n t e da p p r o a c ho fh e a ts h o c ks t r e s st om a t e r i a ly i e l ds t r e s s p l a s t i cd e f o r m a t i o n o rf r a c t u r ew o u l d h a p p e n o n ad i ei ft h i si n d e xr e a c h e dt o1 h e a ts h o c kf r a c t u r ei n d e x r e p r e s e n t e da p p r o a c ho fh e a ts h o c ks t r e s st om a t e r i a lt e n s i l es t r e n g t h ，d i ef r a c t u r e w o u l dh a p p e ni ft h i si n d e xr e a c h e dt o1 a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n a l y s i so fh e a t t r a n s f e r , t h e o r e t i c a lm o d e l so fh e a ts h o c kp l a s t i cd e f o r m a t i o ni n d e xa n dh e a ts h o c k f r a c t u r ei n d e xw e r ee s t a b l i s h e d i tw a sf o u n dt h a t ，w i t hg r e a t e ro ft h e r m a lc o n t a c t r e s i s t a n c e , h i g h e ro fp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dd i et e m p e r a t u r eb e f o r eh e a ta c t i o n , t h e g r e a t e ro f h e a ts h o c kp l a s t i cd e f o r m a t i o ni n d e xa n dh e a ts h o c kc r a c ki n d e x ，a n dw h i c h c o u l db ef i t t e da se x p o n e n t i a lo 1 r v e ，l i n ea n dc u b i cc u r v e 一 a n o t h e re f f e c to fa l l o ym e l ta c t i n go nd i ew a sh e a tp e n e t r a t i o n d u r i n gs i n g l e f o r m i n gp r o c e s s ，w h e nf o r m i n ge n d e d ，t h ed i s t a n c eo ft r a n s m i t t i n gd i s t a n c eo f h e a t r e l e a s e db ya l l o ym e l ti nad i eo rd i ec o r ew a sd e f i n e da ss i n g l eh e a tp e n e t r a t i o no fd i e o rd i ec o r e b a s e do na p p r o x i m a t ei n t e g r a ls o l u t i o no fd i et e m p e r a t u r ef i e l da n d a n a l y s i so fa l l o ys o l i d i f i c a t i o nc o u r s e ，t h e o r e t i c a lm o d e l sf o re s t i m a t i n gs i n g l eh e a t p e n e t r a t i o nd e p t ho f d i ea n dd i ec o r ew e r ee s t a b l i s h e d i tw a sf o u n dt h a t , w i t l lg r e a t e r o ft h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e , h i g h e ro fp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dd i et e m p e r a t u r e b e f o r eh e a ta c t i o n ，t h eg r e a t e ro fs i n g l eh e a tp e n e t r a t i o nd e p t h , w h i c hc o u l db ef i t t e d a se x p o n e n t i a lc u r v e ，c u b i cc u r v ea n dc u b i cc u r v er e s p e c t i v e l y w i t l lc e r t a i nt h e r m a l c o n t a c tr e s i s t a n c e ，p o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dd i et e m p e r a t u r eb e f o r eh e a ta c t i o n , h e a t v a b s t r a c _ r p e n e t r a t i o nd e p t ho fd i ew a sg r e a t e rw i t ht i m e , w h i c hc o u l db ef i r e da se x p o n e n t i a l a 1 r v e b ya n a l y s i so nc o l ds u r f a c et e m p e r a t u r eo fh e a tp e n e t r a t i o nd e p t ho fd i ew i t h c o n t i n u o u s - u s i n ga n d w i t h o u tc o o l i n gs y s t e m ，i tw a sk n o w nt h a tt h et e m p e r a t u r ew a s g r e a t e rw i t hu s i n gt i m e s ，w h i c hm e a n ta v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h e d i ew o u l db eh i g h e r g r a d u a l l y w h e na v e r a g et e m p e r a t u r eo fad i er e a c h e dt oac e r t a i nv a l u e ，t h es t i f f n e s s o ft h ew h o l ed i ew o u l db el o s t ，a n dt h ed i er e a c h e dt oi t sm a x i m u mu s i n gt i m e s s o t h e r em u s tb ec o o l i n gs y s t e mw h e nad i ew a su s e dc o n t i n u o u s l y a c c o r d i n gt ot h e a b o v ea n a l y s i s ，d e s i g np r i n c i p l e so fc o o l i n gs y s t e mw e r ea sf o l l o w s ：c o o l i n gs y s t e m l o c a t i o ns h o u l db ew i t h i nh e a tp e n e t r a t i o nd e p t h ，h e a tq u a n t i t yt a k e na w a yb y c o o l i n g s y s t e ms h o u l de q u a lt ot h a tr e l e a s e db ya l l o ym e l ta n dt h ec o o l i n ga b i l i t ys h o u l db e e q u a lt oo rg r e a t e rt h a nd i eh e a tc o n d u c t i v i t ya b i l i t y f o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n gk n o c k o u tf o r c ea n dc o r e p u l l i n gf o r c ew e r ee s t a b l i s h e d a n dt h e nc o r ef a i l u r ec r i t e r i o nw a sb r o u g h to u ta s ：i fs h e a rs t r e s sc a u s e db yf i c t i o n d u r i n gc o r ep u l l i n gp r o c e s sw a ss m a l l e rt h a np l a s t i ct h e o l o g i c a ls t r e s so ft h ed i ec o r e ， t h e r ew o u l db en of a i l u r e ；o r ，p l a s t i cr h e o l o g i c a lf a i l u r eo nc i r c u m f e r e n c es u r f a c eo f t h e d i ec o r e c o u l dn o ta v o i d e d t h e s ec a l c u l a t i o nm o d e l sa n dt h ef a i l u r ec r i t e r i o nw e r e p r o v e dt ob ev a l i di ne x p e r i m e n t sa n dp r o d u c t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：n o n s o l i dn e a r - n e tf o r m i n gt e c h n o l o g y ；t h e r m a l - f o r c eb e h a v i o r ； h e a ts h o c kb e h a v i o r ；h e a tp e n e t r a t i o nb e h a v i o r ；p a r a m e t e rd e s i g n c l a s s n o ：t g 2 1 4 6 参考文献 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另j 3 0 n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月 日 l l o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：专副裔屋 答字嗍：彳月泪， 导师签名：研南吲 导师签名：州和1 料醐：呼弓刖汨| 致谢 本论文的工作是在邢书明教授的悉心指导下完成的，邢教授严谨的治学态度 和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。邢教授悉心指导我完成了实验工作 和相关的理论研究，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此衷心 感谢三年多来邢教授对我的帮助和指导。 谭建波教授、张励忠副教授、鲍培玮老师、刘文老师对于我的科研和论文工 作均提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验工作期间，实验员邢文斌师傅在实验方案确定、设备调试和实验过程 中给予了我大力协助，肖黎明、勾军年、姚淑卿、刘志民、李楠等同学对我的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母、兄长以及其他亲人，他们的理解和支持使我能够在学 校专心完成我的学业。 北京交通大学博士论文 1 绪论 1 1 非固态近净成形技术及其在载运工具中的应用 非固态近净成形技术是指利用金属材料在非固态时良好的流变性能，在重力 或附加压力作用下充满模具型腔并凝固成形的一大类材料成形技术的总称，这种 成形技术得到的零件毛坯仅需少量加工或不再加工就可以用作机械构件。金属型 铸造、挤压铸造、压力铸造、液态挤压、液态复合、低压铸造、差压铸造以及各 种半固态铸造和半固态锻造技术都是这种成形技术的工艺基础。根据成形前金属 材料的状态不同，可分为液态近净成形技术和半固态近净成形技术。它们的工艺 过程一般是：将液态或半固态的金属熔体浇入模具型腔或压室内，然后在一定的 时间内、在外加成形压力或其他辅助作用下，使金属熔体结晶凝固成形、得到接 近最终产品形状和质量的工件。非固态近净成形技术的共同特征是：( 1 ) 材料状 态为非固态( 液态或半固态) ，成形温度高于固相线温度；( 2 ) 一般都需要一定的 压力来实现完整成形和补缩；( 3 ) 需要使用高强度的模具，模具费用较高，希望 模具寿命尽量长；( 4 ) 一般都需要使用隔热型耐火涂料来保护模具。 该类技术是在普通金属型铸造的基础上采取施加外加成形压力或其他辅助技 术( 例如半固态浆料处理技术) ，以克服普通铸造的缩松、缩孔、制件力学性能不 高、加工量大等缺点，达到提高制件质量、缩短加工工作量、提高生产率和材料 利用率的目的，使普通铸造毛坯由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化和 低成本成形。它得到的制件接近锻件质量，而生产成本明显低于固态锻造。由该 类成形技术制得的零件或毛坯具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的 表面粗糙度以及优良的综合力学性能。 非固态近净成形技术具有如下独特的优点：( 1 ) 制件组织致密、综合力学性 能较高；( 2 ) 精度较高、尺寸稳定、一致性好、加工余量小、节约原材料； ( 3 ) 简化工序、减少后序加工工时、缩短生产周期、生产效率高，降低了生产成本、 有利于机械化和自动化生产；( 4 ) 对于局部有特殊要求的制件，可采用镶铸法， 省略装配工序并简化制造工艺；( 5 ) 可生产性能良好的复合材料和采用渗浸法提 高制件的强度；( 6 ) 可直接生产加工出图案和符号；( 7 ) 能生产出性能优良的 形状复杂和薄壁产品。 作为一类少、无后续加工的精确毛坯和零件成形技术，非固态近净成形技术 1 绪论 具有较长的发展历史。其中，压铸技术是在1 9 世纪2 0 年代世界印刷工业的迅速 发展下提出的，在1 9 4 9 年由s t u r g e s s 研制成功了第一台用于铸字模的压铸机，此 后这项技术被广泛应用于汽车零件的大批量生产【l 】。为了提高压铸件的质量，现代 压铸技术正在向着高压、真空和实时控制的方向发展。挤压铸造技术于1 9 3 7 年在 前苏联问世，比压铸工艺约晚1 0 0 年。自1 9 3 7 年前苏联改进压铸工艺开始研究挤 压铸造以来，经过7 0 余年的发展，挤压铸造技术已在世界范围内被广泛应用和研 究弘j ，取得迅速发展。在1 9 6 4 年，前苏联b m 普俩茨基发表专著液态金属模锻， 标志着这项技术在生产领域得到了确立和应用。该技术首先在高质量有色合金铸 件生产中获得了成功应用，近年来在钢铁材料中的应用也在逐渐增多，显示出良 好的发展前景【3 】。半固态成形技术是在2 0 世纪7 0 年代初由美国麻省理工学院的 f l e m i n g s 教授1 4 j 提出的，目前，半固态压铸和半固体挤压铸造已成为在世界范围内 被广泛关注的成形技术，并初步应用于工业化生产【p 7 1 。 随着工业技术的发展，产品需求量逐渐增多，对产品质量的要求也有大幅度 提高。为克服普通铸件易出现缩松、缩孔和综合力学性能较低的缺陷，非固态近 净成形技术已经进入了生产领域，并成为材料加工领域的发展方向。为了减轻汽 车重量，适应铝、镁等轻合金用量的迅速增长，从2 0 世纪7 0 年代以来，各工业 发达国家的政府与工业界对非固态近净成形技术投入了大量的物力和人力，使该 技术得到飞速发展；进入2 0 世纪9 0 年代，巨大的市场需求，特别是汽车、摩托 车业的快速发展，极大地推进了该成形技术的发展。非固态近净成形技术具有较 强的市场竞争能力，目前，该技术在金属材料加工领域有了很大进展，近净成形 件所占比重、成形件精度以及成形零件的复杂程度都有很大提高。 近几年，世界钢铁工业显示出强劲增长趋势，于2 0 0 4 年第一次超过了1 0 亿吨， 钢铁产量还将持续增长，如图1 1 所示【8 】。中国的钢铁工业产量1 9 9 6 年突破了1 亿吨； 根据国家统计局2 0 0 6 年2 月公布的( ( 2 0 0 5 年国民经济和社会发展统计公报，2 0 0 5 年末我国粗钢产能达4 7 亿吨，粗钢产量为3 5 2 亿吨；据国际钢铁协会目前公布， 2 0 0 7 年我国粗钢产量为4 8 9 亿吨，为第一大粗钢生产国。在世界范围内，随着钢铁 产量的不断增长，为提高材料利用率和生产效率，钢铁材料的近净成形成为世界 钢铁业所追寻的目标之一。钢铁合金等高熔点合金的成形温度高、变形抗力大， 这些因素导致高熔点合金非固态近净成形模具寿命大大低于低熔点合金成形模具 的寿命，模具寿命问题显得更加重要，成了制约非固态近净成形在高熔点合金成 形领域推广应用的瓶颈问题。 2 北京交通大学博士论文 28 0 0 口 、 6 0 0 4 0 0 1 9 6 61 9 8 91 9 9 21 9 9 519 9 8 2 0 0 12 0 0 42 0 0 7 y e a r 图1 - 1 世界的钢铁产量发展情况 f i g 1 1s t e e lp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n to f w o r l d 我国近净成形产品在整个制造行业中所占比重还比较低，成形件精度的总体 水平要比发达国家低1 2 个等级。一些新技术只有少数企业采用，不少复杂难成 形件我国还不能生产，很大一部分先进成形设备、机械手、机器人和高水平自动 化生产线还不能成套提供。目前，我国铸件生产在数量上远远超过美、欧、日等 工业国家，但在生产结构复杂、高质量、高精度等铸件方面，以及在自动化、机 械化生产等方面，与国际先进水平相比，都存在一定的差距。在国内需求方面， 对高档铸件、铸件精度及铸件供货时间的要求越来越高，在国外需求方面铸件也 必须改变以低档次铸件为主的状况。因此，适用于以上要求的非固态近净成形技 术已成为我国制造业的主要发展方向之一，这也是使我国高档铸件立足于国内而 不依赖于进口的条件之一。 随着汽车的轻量化，铁路向高速、重载方向不断发展和民航在国内的大规模 推广，载运工具制造业迎来了前所未有的挑战和机遇，许多零部件需要更新换代。 在降低成本的同时，不但要求减轻重量，而且更要提高质量和使用可靠性。近净 成形技术是提高载运工具零件质量、并降低生产成本开辟了一条新的途径。 与其他机械零件一样，载运工具零件失效的一个重要原因是其存在制造缺陷， 尤其是缩孑l 、缩松、气孔等内部空洞和内部微裂纹。这些缺陷不仅减小了材料的 有效承载面积，更重要的是这些缺陷本身就是裂纹源。所以，提高载运工具零件 可靠性的根本途径就是减少内部缺陷。传统的铸造技术很难完全消除内部缺陷， 所以普通铸造方法生产的载运工具零件可靠性较低，而且加工余量大、材料利用 率低。锻造技术虽然可以得到致密零件，但是对材料的塑性加工工艺性能要求较 3 l 绪论 高，对材料的适用性不强，并且生产环境较差、难于锻造成接近最终产品的形状 和尺寸，应用受到较大限制。非固态近净成形技术既克服了锻造技术对材料适应 性差的局限，又克服了铸造产品内部缺陷多的不足，可以用来进行多种金属和合 金材料的高质量成形。尤其是曲轴、连杆、活塞、活塞环、凸轮轴、气阀、轴承 和齿轮等机车车辆运动部件，采用非固态近净成形具有突出的优势【9 】。例如，活塞 毛坯若采用金属型重力铸造和低压铸造方法制造，容易产生各类铸造缺陷，力学 性能较差；锻造活塞耐热疲劳性好，适用于高爆发压力的高速活塞，但设备要求 较高、加工复杂、成本高。目前，世界各国都把非固态近净成形作为活塞毛坯生 产的主要方向之一，已制造出直径为9 0 - - 4 0 0m m 各类活塞【1 0 1 。 非固态近净成形技术已成为我国汽车、摩托车、机电、五金工具、冶金、航 天、航空等行业以及高档有色金属零件批量生产的重要生产方、法【1 1 】。例如，汽车 制动器缸体性能要求较高，产品需经固溶热处理，要求在1 0 1 2 m p a 气压下无漏气 现象、经2 4 5 2 8m p a 液压实验无渗漏、强度。它2 7 5m p a 、塑性砭1 ，经t 6 处理 后硬度h b 芝l o o 。采用金属型重力铸造或低压铸造，废品率较高( 一般在2 0 以上) ， 而且主缸孔多为盲孑l ，加工余量大，浪费了大量有色金属和加工工时，增加了生 产成本。采用非固态近净成形技术，能提高制动器缸体的综合力学性能，使其达 到安全运行的强度要求，节约原料，降低生产成本，取得了满意的效果【1 2 1 。三门 峡天元铝业集团有限公司的阴彦博、李朝阳等人采用压铸技术得到了合格的铜合 金z c u z n 3 5 a 1 2 m 1 1 2 f e l 灯架f 1 3 j ，为铜合金压铸提供了成功的案例；辽宁瓦房店轴 承铸造有限责任公司等制得了性能优良的轴承铜保持架的压铸件；进入8 0 、9 0 年代，以钢平法兰为代表的黑色金属挤压铸造技术进入生产应用【l5 1 ，进一步拓展 了非固态近净成形技术的应用范围。 欧、美等国家着眼于半固态合金的低温压铸、提高模具寿命和得到近净形或 少加工产品，对半固态成形技术进行了大量研究，已经获得汽车主制动气缸等一 些汽车零件。与此同时，在生产设备、材料、模具工装、基础理论以及金属复合 材料等各领域均进行了富有成效的研究。这些技术都推动了车辆自重的降低和性 能的提高，也对近净成形工艺和模具寿命提出了更高的要求。 上述研究与应用实例说明，非固态近净成形技术在提高载运工具零件质量和 可靠性方面具有广阔的应用前景。根据上述非固态近净成形技术具有的独特优势 和载运工具的发展前景与发展趋势，可以相信，非固态近净成形技术必将成为载 运工具零部件的主要加工技术，并在未来的材料加工领域占有非常重要的地位。 从目前的发展趋势来看，该技术正在继续向深度和广度发展。它在钢铁材料上的 大量应用，进一步推动了该成形技术在高熔点金属加工领域的发展。 目前，企业平均技术和装备水平低是我国加工行业存在的重大问题，有关非 4 北京交通大学博士论文 固态近净成形技术的研究主要是工艺设计和模具设计的研究f 1 6 ，1 7 1 ，对模具热力行 为和模具失效的研究还不够充分，成形工艺参数的设计还不完善，这是我国非固 态近净成形技术的应用相对滞后的主要原因。所以，非固态近净成形过程模具热 力行为及其对模具损伤的研究对提高我国的近净成形技术水平、产品质量和模具 寿命等方面均是非常有学术价值和实际应用价值的。 1 2 非固态近净成形用模具的失效 非固态近净成形模具精度要求高、制造周期长、制造费用高、价格昂贵，模 具的使用寿命直接关系到生产过程的顺利进行和企业的经济效益。因此，模具的 服役条件、失效形式和失效机理是非固态近净成形技术领域值得关注的、关键的 共性问题。人们在模具服役特点、模具材料、模具失效等方面已经进行了卓有成 效的研究。 1 2 1 非固态近净成形模具服役特点和模具材料 非固态近净成形模具的主要作用首先是与合金熔体进行热交换，使合金熔体 凝固成形；同时它还需要承受较高的合模力、成形压力、合金熔体的冲击力等作 用而不发生明显的变形或破坏，以保证工件质量。 在非固态近净成形过程中，合金熔体注入模具型腔或压室中，在短时间内释 放出大量的热量，使模具温度迅速升高。同时，通过热传导、对流、辐射等方式、 采用冷却系统等措施以及涂料喷涂过程使模具温度下降。此外，模具还受到合金 熔体的高速冲刷、侵蚀、制件的挤压和成形压力的作用。这些复杂的工况要求模 具材料具有优良的热稳定性、抗热疲劳性、抗氧化性、导热性、高的淬透性、高 塑性流变抗力和低的线膨胀系数。 综合大量的研究成果可见，非固态近净成形模具服役特点为：( 1 ) 受到高温 合金熔体长时间的直接作用，温度较高、每个服役周期高温作用时间较长； ( 2 ) 受到通过合金熔体和制件传递的压力、合模力和合金熔体自身重力的作用； ( 3 ) 在金属熔体浇入型腔的过程中，模具温度迅速升高；而在出件后涂料的喷涂过程 中，模具温度又要急速降低。这种急冷急热的热冲击作用，在模具内形成很大的 应力( 本文中称之为热冲击应力) ；( 4 ) 成形过程所用的型芯被合金熔体所包围， 使用温度高，同时还受到制件的包紧力和抽芯时的高温摩擦作用。 根据这些服役特点，非固态近净成形模具材料的具体要求可以归纳为： ( 1 ) 5 l 绪论 高温下具有较高的强度、硬度、耐磨性、塑性流变抗力和适当的塑性；( 2 ) 在长 期的冷却、加热过程中，组织与性能保持稳定；( 3 ) 具有良好的抗热疲劳性能和 良好的抗裂纹扩展能力；( 4 ) 高温下不易氧化，具有较高的抵抗液态金属粘焊和 熔蚀能力； ( 5 ) 导热性好，热膨胀系数小【1 8 1 。从生产的角度来说，该类模具还必 须具备操作方便、生产率高、寿命长和成本低的特点，以及能保证铸件的外形尺 寸、表面质量和内部组织等。 针对非固态近净成形模具的服役特点和要求，要想减少和减缓非固态近净成 形模具的磨损速度、疲劳失效、开裂和塑性流变失效，需要从模具的选材、模具 的服役条件、设计质量、制造质量、操作使用质量和设备技术状况等多方面采取 有效措施，进行模具的合理设计、模具材料的正确选用、选择合理的制造工艺、 热处理工艺以及正确的操作【1 9 1 。围绕这些方面，国内外都开展了大量研究，开发 了不少非固态近净成形模具用新钢种，并已经有了比较完善的热处理和表面处理 工艺【2 0 j 。特别是在模具材料方面，国内已经研制开发了多种强度高、韧性好和热 稳定性高的新型热作模具钢，其中不少钢种已日趋成熟并广泛使用，例如华中科 技大学与大冶特钢研制的h d 、h d b 钢，上海材料研究所的y 4 、y 1 0 等模具用钢都 有良好的应用前剥2 。 目前，国内外广泛使用的模具用钢有d h z i 、d h 3 1 、h 1 3 、h m l 、3 c r 2 w 8 v 和r m 2 钢等，其中d h z i 和d h 3 1 的韧性、高温硬度和抗回火软化性能优良，抗热疲 劳裂纹性能较好；作为大型的成形模具使用时，d h 3 l 能最有效地提高淬火特性。 d h z i 、d h 31 、h 13 等钢材制作的压铸模寿命般比国内常用的3 c r 2 w 8 v 钢压铸模 寿命高出2 5 倍以上。3 c r 2 w 8 v 是国内常见的近净成形的模具用钢，主要是因为 该钢种价格便宜、比较适合中国国情，3 c r 2 w 8 v 模具往往由于不注意热处理环节 而造成一副新模具在交付使用前就已存在微裂纹或硬度不合适。h 1 3 钢由于其优良 的综合性能已成为近净成形模具的主流材料。h 1 3 钢的化学成分见表1 1 ，高温力 学性能见图1 2 。h 1 3 钢与国产4 c r 5 m o s i v l 钢相当，属于铬钼类钢。对该钢种的研 究和应用已经比较充分，其特点可以归纳为f 2 2 , 2 3 】：( 1 ) 具有较高的高温强度和硬 度，该钢回火时由于碳化物的弥散析出产生“二次硬化”效果，具有更高的热硬性， 使它的抗拉强度大大提高；( 2 ) 回火温度较高( 5 6 0 5 8 0 ) ，当用于工作温 度低于其回火温度的各类常用热作模具时，表现出良好的热稳定性；( 3 ) 热膨胀 系数小，导热率高，具有很强的抗冷热疲劳能力；( 4 ) 属于本质细晶粒钢，具有 良好的耐磨性； ( 5 ) 具有良好的高温塑性和韧性，这是h 1 3 钢最突出的特点，虽 然它的高温硬度不如3 c r 2 w 8 v ，但是优良的抗冲击性能和良好的导热性能使h 1 3 钢在大多数热作条件下显得更为可取； ( 6 ) 因含有适量的铬、钼等合金元素而具 有非常好的淬透性，即使是0 2 0 0 m m 的棒料，空冷即可淬透。 6 北京交通大学博士论文 h 1 3 钢的这些特点，使人们相信，它将是当今非固态近净成形模具的主流材料。 表1 1h 1 3 钢的成分( ) t a b 1 - 1c o m p o s i t i o n so f i l l 3s t e e l ( 叭) 日 山 盏1 0 0 0 b b 2 0 04 0 06 0 0 t e m p ( ) 图l - 2 h 1 3 钢力学性能 f i g 1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f i l l 3s t e e l 1 2 2 非固态近净成形模具的失效形式 由于非固态近净成形种类繁多，服役条件千差万别，其模具的失效形式也有 多种。归纳起来，目前发现的非固态近净成形用模具的失效形式有开裂、塑性变 形、磨损、侵蚀、冲刷和冲焊等 2 4 2 7 。针对这些失效形式，国内外都开展了不同 程度的研究。研究内容大都集中在模具的材质、热处理和使用状况方面，研究方 法多采用断口扫描电镜照片、金相分析和硬度测试等对失效后的模具进行微观组 织分析、以及通过对使用过程中的违规操作对模具造成的影响进行分析等方式对 模具失效原因进行探讨；提出的提高模具寿命的措施有：改进模具用钢中合金元 素的含量并对模具毛坯的质量进行严格控制等来确保模具坯料中没有裂纹或夹杂 物，以及采用更完善的新的热处理工艺、表面处理工艺、更加细致的加工和更准 确地控制生产循环中的温度等方法来提高模具的使用寿命【2 8 3 3 1 。 事实上，模具失效是必然的。但是，失效有正常失效和异常失效之分。所谓 7 1 绪论 正常失效是指在模具经过长时间使用后出现的尺寸超限、表面粗糙度超限；而异 常失效则是在模具投入使用较短的时问内则出现的开裂、塑性流变或冲焊等灾难 性的损伤与破坏。一旦出现异常失效，模具无法修复，只能报废。由于在低熔点 金属材料非固态近净成形中，模具的失效以正常失效为主，异常失效很少，所以， 长期以来，人们一直关注热疲劳、磨损、冲刷、侵蚀等正常失效，而忽视了早期 开裂、塑性流变和冲焊等异常失效。在高熔点金属非固态近净成形中，模具的异 常失效却是最令人担心的问题，这就要求我们必须研究这些异常失效。 1 2 2 1 热疲劳失效 热疲劳失效是非固态近净成形模具最常见的正常失效形式之一。它是材料在 热应力的作用下、经受反复应变并不断积累而最终导致失划3 4 ，3 5 。热疲劳失效是 所有热作模具的共性问题，所以，研究工作已经非常充分，相关的研究成果对非 固态近净成形模具具有直接的指导意义。 造成模具热疲劳失效的主要原因是模具受到热冲击造成的循环应力作用。在 浇注和充型时，模具型腔膨胀产生压应力；在制件被顶出后的涂料喷涂过程中， 型腔表层中的压应力迅速转换为拉应力，每一次成形循环型腔表层各出现一次迅 速变化的压应力和拉应力，当这些应力超过模具钢的高温屈服强度【36 。，型腔表面 就会出现塑性变形。在循环使用过程中，存在于型腔表层的反复拉压变形，必将 导致热疲劳裂纹的萌生。当热疲劳裂纹形成后，应力重新分布，裂纹发展到一定 长度时，由于塑性应变而产生应力松弛，使裂纹停止扩展；随着循环次数的增加， 裂纹尖端附近出现一些小空洞并逐渐形成微裂纹，与开始形成的主裂纹合并，裂 纹继续扩展，最后裂纹间相互连接形成网状或“鸡爪”状裂纹而导致模具失效。若钢 材抗氧化性较差，会加速热疲劳裂纹的萌生与扩展，并伴随磨损，当疲劳裂纹扩 展到某一临界尺寸时，将发生疲劳断裂。浇注和涂料喷涂是非固态近净成形过程 的两个必要环节，因此，模具不可避免地要受到合金熔体和涂料的热冲击作用。 在低熔点合金的非固态近净成形中，热疲劳失效占模具失效比例的8 0 t 37 1 。热疲 劳失效是模具正常的失效形式，出现热疲劳失效的模具的寿命较高，例如，铝合 金压铸模的热疲劳寿命达到几万模以上。 热疲劳裂纹扩展引起的断裂也是模具断裂失效的一种普遍原因。高温状态下 的材料晶晃强度小于晶内强度，在循环应力作用下，模具型腔表面滑移带在晶界 上形成位错塞积，造成应力集中，当晶界处峰值应力达到模具材料断裂强度时晶 界便开裂。晶粒尺寸愈大、晶内塞积位错越长、晶界上应变量越大，越易沿晶界 和非金属夹杂物处萌生疲劳裂纹，再经扩展便产生热疲劳断裂。 目前，预防模具热疲劳失效的研究已经处于应用研究阶段，主要采取选取模 具材料、对模具合理预热温度、提高模具钢的强度和采用原始韧性优良的模具钢 8 北京交通大学博士论文 等方法预防热裂。在成形过程中，模具受到合金熔体的热冲击和机械应力是不可 避免的，因此，采取原始韧性优良的材料，并对其进行热处理和表面热处理是提 高模具强度、减少热裂发生的基础【3 引。国内外已有专家和学者对于已经出现热疲 劳裂纹的模具研究采用电磁热效应使模具裂纹尖端钝化的技术来延缓模具的失 效，即用脉冲放电的方法先对裂纹尖端放电，使裂纹尖端膨大变圆，消除裂纹尖 端处的应力集中效应，实现钝化止裂的目的。该方法将对现代工业技术的发展起 到积极的推动作用，并已经在c r l 2 和3 c r 2 w 8 v 等模具钢的裂纹尖端钝化上进行 了成功实验，达到了止裂目的【3 9 4 0 。国内，付宇明等为将电磁止裂技术应用到金 属模具裂纹止裂中进行了基础实验研究工作【4 。 1 2 2 2 早期开裂和断裂 高熔点合金非固态近净成形模具经常在投入使用数模后便出现开裂，甚至断 裂。它是一种异常失效，也是限制非固态近净成形技术在高熔点金属材料成形领 域应用的主要原因之一。 非固态近净成形模具的早期开裂是指在短时间内甚至前几模内就出现在型腔 内表面的横向或纵向较深裂纹，当裂纹贯通模具整个断面时，则称为断裂。非固 态近净成形中，高温合金熔体的浇注( 或充型) 将导致型腔表面温度急剧上升， 产生很大的热应力( 称为热冲击应力) ，若热冲击应力超过了高温状态下材料的断 裂强度，型腔内部将在短时间内出现裂纹。尤其是高熔点合金非固态近净成形模 具，往往还没来得及出现热疲劳裂纹就出现了这种早期开裂，这是造成模具寿命 较短的主要原因之一。早期开裂与热疲劳失效的不同点在于：( 1 ) 出现开裂失效 的模具寿命大大低于出现热疲劳失效的模具寿命；( 2 ) 前者的裂纹较深，往往只 有一条或两条，很少出现复杂的网状。 一 模具的断裂是在热应力和机械应力的交互作用或共同作用下产生的。机械应 力是指成形压力、脱模力、抽芯力以及其他非预见性应力，非预