（材料加工工程专业论文）热锻模模膛表面激光熔覆cr3c2耐热层的应用基础研究.pdf

摘要 锻制钢质锻件的热锻模，其正常失效的表现形式主要是热疲劳磨损和塑性 变形，失效发生的部位在模膛表面及近表面层。长期的实践证明，现有的均质 热锻模具钢均难以满足热锻模模膛表面及近表面层的使用性能要求，所产生的 热锻模使用寿命问题，至今仍未取得显著进展。 缓解热应力的梯度材料技术和表面工程技术为解决热锻模使用寿命问题提 供了新的思路新的方法。笔者所在课题组正就此问题进行相关研究。本文试图 应用激光熔覆技术在热锻模模膛表面制备出金属陶瓷耐热耐磨层，就是解决热 锻模模膛表面强化问题的一种探索性实验研究。 本文首先总结了国内外对热锻模方面的研究，着重介绍了热锻模的失效的 形式，热物性参数对热锻模寿命的影响。然后重点介绍激光熔覆技术的发展、 原理及其工艺方法等。 第二部分是设计了一个激光熔覆试验，试验研究用的基体材料 w 洲0 5 c “v 2 ，是根据相关研究确定的热锻模模体梯度材料结构中模膛近表层材 料的一种。通过对不同材料成分配比、不同激光加工参数试样的宏观、微观分 析，包括金相显微分析、x 射线衍射分析、s e m 扫描电镜分析、e d x 能谱分析， 以及硬度检测，选出了合理的材料配比和激光加工参数。同时分析阐述了n i ， n i c r - c r 3 c 2 激光强化机理，不同的激光参数对覆层的硬度和显微组织的影响。 还对覆层的热应力参数，包括弹性模量e 、材料的热胀系数o 、材料热传导系 数 和材料比热容c 进行了测定。 第三部分对测试结果进行分析，得出了相关结论。 试验的微观组织分析表明，熔覆试样由表及里分为三个不同的组织区域： 熔覆层、熔覆层与基体之间的结合区、热影响区。熔覆层与热影响区有平面晶 带，腐蚀后在扫描电镜的背散射下呈白亮色由1 r n i 平面晶构成。熔覆层底部 近结合区呈束团状的共晶组织，熔覆层中部区域有大量的黑灰色的块状和柱状 晶组织，整个熔覆区还存在着大量灰白色的条块状组织。 物相分析和硬度分析表明，熔覆层的物相主要是由y n i ，c r y 3 、c r 3 c 2 、 c r 2 3 c 6 、c r b 、m 2 3 ( c ，b ) 6 、1 - - ( n i ，f e ) 组成的，同时覆层的硬度也显著增加。 物性参数测定表明，覆层的工程热胀系数在温度小于2 0 0 c 时随温度变化 的程度比较大，在2 0 0 以上，工程热膨胀系数的上升曲线逐渐变缓。并且覆 层的工程热膨胀系数比理论的大。覆层的热传导系数和比热容实测结果比理论 值小，但热传导系数比较符合预先的效果。弹性模量的值比基体钢略微高。 试验结果最终证明，激光熔覆工艺参数对熔覆层的宏观形貌、微观组织及 涂层性能有极大的影响，在激光熔覆工艺参数为功率p = 7 k w , 速度v s = 5 m m s 光斑直径d = 3 n u n ，厚度t - - - 0 6 m m ，5 0 ：5 0 的n i 6 0 ：n i c r - c r 3 l c 2 的条件下， 所得到熔覆层表面光滑致密、组织细小均匀、稀释率小、硬度高且与基体实现 了良好的冶金结合，证明这种方法是一种在提高热锻模寿命方面有前途的方法。 关键词：热锻模寿命激光熔覆工艺参数热应力参数 a b s t r a c t t h en o r m a lf a i l u r ef o r m so ff o r g i n gt h eh o tf o r g i n gd i eo fs t e e lf o r g i n g sa r e m a i nt h e r m a lf a t i g u ew e a ra n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h ep l a c eo ff a i l u r ei so nt h e c h a m b e rs u r f a c ea n dn e a rs u r f a c el a y e r t h el o n gt i m ep r a c t i c eh a sp r o v e d ，a t p r e s e n t ，t h eh o m o g e n i z e dh o tw o r k i n gd i es t e e li s h a r dt of u l f i l lt h ea p p l i c a t i o n p e r f o r m a n c eo fh o tf o 晒n gd i ec h a m b e rs u r f a c ea n dn e a rs u r f a c el a y e nt h el i f e p r o b l e mc o m i n gf r o mi th a sn o tm a d ea n yd e v e l o p m e n t s m i t i g a t i n gt h e r m a l s t r e s sg r a d sm a t e r i a la n ds u r f a c ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y h a v ep r o v i d e ds o m en e wi d e aa n dn e wm e t h o df o rs o l v i n gt h eu s i n gl i f eo fh o t f o r g i l l gd i e t h et e a mo fa u t h o r si ss t u d y i n gt h ep r o b l e m t h i sp a p e ri st r y i n gt o p r e p a r et h ec e r m e th e a tr e s i s t a n tw e a rr e s i s t a n tl a y e ro nt h ec h a m b e rs u r f a c eo fh o t f b 蟛n gd i ei nl a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g y , i t sae x p l o r a t o r ye x p e r i m e n tr e s e a r c ho f s o l v i n gt h ec h a m b e rs u r f a c es t r e n g t h e np r o b l e mo ft h eh o tf o r # n gd i e ， t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c ho fh o tf o r g i n gd i ei nt h e w o r l d ，m a i n l yi n t r o d u c e st h ef a i l u r ef o r m so fh o tf o r g i n gd i e ，t h ei n f e c t i o no ft h e t h e r e m a ls t r e s st ot h el i f eo fh o tf o r g i n gd i e t h e n ，i n t r o d u c e sb r i e f l yt h ed e v e l o p m e n t o fs u r f a c ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，g i v i n gs o m et e c h n o l o g yo fs u r f a c ec l a d d i n g t e c h n o l o g y n e x ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fl a s e rc l a d d i n g , a n di t st h e o r ya n d p r o c e s sm e t h o d t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri sd e s i g n i n ga ne x p e r i m e n to fl a i rc l a d d i n g t h e s u b s t r a t em a t e r i a li sw 6 m o s c r 4 v 2w h i c hi so n eo ft h ec h a m b e rn e a rs u r f a c el a y e ro f h o tf o r g i n gd i eg r a d i e n tm a t e r i a ls t r u c t u r e t h ee x p e r i e n c et a k eam a o o a n a l y s e sa n d m i c r o - a n a l y s e so ft h ed i f f e r e n tl a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s e so f m e t a l l o g r a p h i c ，t h ea n a l y s e so fx r d ，t h ea n a l y s e so fe d x , a n dt h ea n a i y s e so f h a r d n e s s a n ds e l e c to u tt h er e a s o n a b l em a t e r i a lp r o p o r t i o na n dl a s e rp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s a n dt h ee x p e r i e n c es t i l la n a l y s e st h en i n i - c r - c r 3 c 2l a s e rs t r e n g t h e n m e c h a n i s m ，t h er e f l e c t i o no fd i f f e r e n tl a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r st ot h eh a r d n e s s a n dm i c r o s t u r c t u r eo ft h ec l a d d i n g t h ee x p e r i e n c ea l s om e a s u r e st h et h e r e m a ls t r e s s p a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d e se l a s t i cm o d u l ee ，l i n e a r e x p a n s i b o i t y at t h e r m a l c o e f f i c i e n t 丸a n ds p e c i f i ch e a tc t h et h i r dp a r ta n a l y s e dt h em e a s u r i n gr e s u l t ，a n do b t a i ns o m ec o n c l u s i o n t h em i c r o s t m c t u r ea n a l y s e ss h o wt h r e er e g i o n sw i t hd i f f e r e n tm i c r o s t m c t u r ee x i s t i nt h et h e r es u r f a c eo fl a y e ro fc l a ds a m p l e s ：t h a tt h ec l a d d i n gl a y e r ，h e a ti n f l u e n c e a n dc o m b i n e dz o n e t h e r ei sp l a n ec r y s t a lz o n eb e t w e e nc l a d d i n gl a y e ra n dh e a t i n f l u e n c e ，a f t e rb e i n gc o r r o d e da n dw ec a ns e et h ep l a n ec r y s t a li sm a d eo ft n i 珊 p l a n ec r y s t a l t h e r ei sb u n c h i n e s se u t e c t i cu n d e rt h ec l a d d i n gl a y e r , t h e r ei sl o t so f b l a c kb l o c ka n dc o l u m n i a t i o nc r y s t a ls t r u c t u r e ，i nt h em i d d l ep a r to ft h ec l a d d i n g l a y e r t h e r ei sa l s oai o to fh o a rs t r i pa n db l o c kc r y s t a lj nt h ew h o l ec l a d d i n gz o n e p h a s ea n a l y s i sa n dh a r d n e s sa n a l y s i ss h o w , t h ep h a s eo fc l a d d i n gl a y e ri s m a i n l ym a d eb yy n i ，c r 7 c 3 、c r 3 c 2 、c r z 3 c 6 、c r b 、m 2 3 ( c ，b ) 6 、丫一( n i ，f e ) ， a tt h es a m et i m e t h ec l a d d i n gl a y e r sm i c r o h a r d n e s si se n h a n c e d p h y s i c a l f u n c t i o n p a r a m e t e r sa n a l y s i ss h o w s t h el i n e a re x p a n s i b i l i t yo f c l a d d i n gl a y e ri si n f l u e n c e do b v i o u s l yu n d e r2 0 0 b u ta b o v e2 0 0 t h el i n e a r e x p a n s i b i l i t y sr a i s i n gc u r v ei ss l o w e dd o w n a n dt i l ej i n e a re x p a n s i b i l i t yo fc l a d d i n g l a y e ri sh i e i l e rt h a nt h e o r e t i cv a l u e t h et h e r m a lc o e f f i c i e n ta n ds p e c i f i ch e a ti sl o w e r t h a nt h et h e o r e t i cv a l u e t h ee l a s t i cm o d u l e sv a l u ei sh i g h e rt h a ns u b s t r a t es t e e l t h er e s u l t ss h o w st h a tt h el a s e rc l a d d i n gp r o c e s sh a sal o to fe f f e c tt ot h em a c r o a p p e a r a n c o fc l a d d i n gl a y e r ，t ot h em i c r o s t r u c t u r ea n dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h e c l a d d i n gl a y e l1 r h er e s u l t sp r o v et h a tu s i n gt h el a s e rp o w e rp = i 7 k w , s c a n n i n g v e l o c i t yv = 4 m m s s p o td i a m e t e rd = 3 r a m 。c l a d d i n gt h i c k n e s st - - 0 6 m m ，5 0 ：5 0 n i 6 0 ：n i c r - c r 3 c 2a sl a s e rc l a d d i n gp r o c e s sc a l lo b t a i nt h el a s e rc o a t i n gw i t h l u b r i c o u st i g h ts u r f a c e ，t i n yd i l u t i o nr a t e ，f i n i n gm i c r o s t r u c t u r ea n dh i g h e rm i c r o h a r d n e s sa n df i n em e t a l l u r g i c a l b o n d i n gi n t e r f a c e t h er e s u l tp r o v e st h i si sa p r o s p e c tm e t h o r df o ri m p r o v i n g t h el i v eo fh o tf o r g i n gd i e k 盯w o r d s ：t h el i f eo fh o tf o r g i n gd i e l a s e rc l a d d i n gp r o c e s sp a r a m e t e rt h e r m a l s t r e s s p a r a m e t e r s i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉 理工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。 研究生签名：盘查丝 日期0 7 衫7 , 瓜 关于论文使用授权曲说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：聋丞拉 导师签名：毖昌 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 热锻模在金属塑性成形，特别是难变形金属的成形过程中起着十分重要的 作用。热锻模在服役过程中受载复杂而剧烈，其寿命普遍很低，从而直接影响 了锻件的成本和生产单位的经济效益。在国外，模具费用约占锻件成本的1 5 ， 而在国内却高达3 0 以上。因此如何提高模具的使用寿命，降低锻件成本是热 加工行业中亟待解决的问尉“。 1 1 1 模具工业的重要地位 美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”；日本称模具工业为“进入 富裕社会的原动力”：德国给模具工业冠之以“金属加工业中的帝王”称号；欧 盟一些国家称“模具就是黄金”；新加坡则把模具工业作为“磁力工业”；中国 模具权威称“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中所具有的重 要地位，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一【2 1 。 1 1 2 热锻模的现状 尽管铸造或金属薄板焊接使零件制造的竞争加剧了，但是对于制造大量机 械性能良好的不规则形状的金属零件来说，锻造仍然是最可行的方法。热锻模 在机器制造业中仍然占有重要地位。锻造工业的发展具有下述特征：锤上模锻 向压力机模锻发展：锻件公差精度提高；生产周期缩短【3 1 。 目前，模锻的主要方法是锤上模锻和压力机上模锻。现行的热模锻工艺是 将金属毛胚加热至锻造温度，在模锻锤或热模锻压力机上进行锻造，然后再切 除飞边得到锻件。这种模锻工艺的加热是在未加控制的气氛中进行的，方法简 单，加热温度较高而且金属被加热后塑性好，变形抗力小，成形性能好。同时 锻造温度范围广，对毛坯限制小，因此得到广泛应用。模锻过程中，锻模承受 热负荷和机械载荷，而且在两者的共同作用下，锻模容易形成各种损伤，其中 武汉理工大学硕士学位论文 包括：磨损、机械裂纹、热裂纹和塑性变形等，这些损伤严重影响锻模的寿命。 因此，热负荷和机械载荷被视为影响锻模寿命的最根本原因。 1 2 热锻模的失效形式 要提高锻模寿命，必须了解作用在锻模上的各种负荷以及影响锻模寿命的 各种机理，这样才能在工作中防止不合理的负荷对锻模造成不良影响。前文提 到，热锻模工作过程中的负荷及其产生的影响锻模在工作过程中承受两种不同 类型的负荷，即热负荷和机械负荷【4 。 1 2 1 热负荷对热锻模的影响 热负荷来源于型腔表面与热锻件接触时的热传导和锻件沿型腔表面滑移时 产生的摩擦热效应。其大小除与锻件的温度、变形强度、润滑等因素有关外， 主要取决于型腔表面与锻件在高压下接触的持续时间。在锤或压力机上模锻时， 锻模所受的热负荷按如下规律进行变化： 1 、加载时，型腔表面的温度迅速上升到峰值。峰值的高低主要取决于型腔 的工况条件。 2 、卸载后，型腔表面的温度迅速下降，峰值温度呈现的时间极短，具有脉 冲特征。 3 、型腔表面的瞬时高温只影响到厚度极薄的表面层。因此，在连续生产的 情况下，热负荷以脉冲的方式周期性地施加在型腔表面上。 型腔表面在热负荷的反复作用下，可能会发生四种不同形式的反应；热疲 劳、相变、回火、和塑性变形。它们都会在不同程度上会使锻模的损坏，使其 寿命大大降低。 1 2 1 1 热疲劳 在受高温影响的型腔表面层中，由于各点温度不同，形成了三维方向的温 度梯度。随着型腔表面的骤热和激冷，受其影响的各点也将发生相应的膨胀或 收缩，并承受由邻近各点约束而产生的应力( 压应力或拉应力) 。以型腔表面上 某点为例，激冷时，承受由邻近各点阻碍其收缩而产生的拉应力。这说明在一 次热脉冲作用的过程中，型腔表面各点要承受一次方向相反的交变应力的作用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 这个作用称作热冲击，相应的应力称为热应力，因热冲击作用而引起的疲劳称 为热疲劳。当某瞬间因温度变化而产生的应力大于模具材料的热疲劳极限时， 就会形成热疲劳裂纹。热疲劳裂纹首先出现在承受热冲击最激烈的型腔表面上。 热冲击的激烈程度和热脉冲循环的上、下限温度有关，即与型腔表面的峰 值温度和模体温度有关。上、下限温度之差形成温度应力，它影响锻模的热疲 劳寿命。由于下限温度基本等于模体的预热温度，所以，降低锻模在工作过程 中的峰值温度是提高其热疲劳寿命的最有效措施。其它诸如为了减少模具截面 上的温度梯度而增大模具钢的热传导系数等方法，均因锻模的热脉冲过程极为 短暂而难以收到明显的效果。 1 2 1 2 相变 锻造时，型腔表面的峰值温度很高，但时间却很短。这意味着，峰值温度 一经出现，就立即被激冷。在这种情况下，如果型腔表面的峰值温度超过模体 材料的奥氏体化温度，而模体温度又低于模具材料的马氏体相变温度( m s ) 时， 那就会在型腔的高温表面层中发生相变，形成马氏体组织。 马氏体组织的出现不但同时伴随的体积的增大，使型腔表面层中的应力状 态更加复杂，还会使型腔表面脆化，冲击韧性降低。此外，当硬而脆的马氏体 被击碎时，除有可能产生裂纹外，破碎的硬粒子还会作为研磨剂使型腔表面的 磨损加剧。资料显示，马氏体相变是导致锻模损坏的最大危险，如果不发生马 氏体相变，锻模寿命至少可以提高7 倍。 1 2 1 3 回火反应 型腔表面在热负荷的反复作用下，无论是否发生相变，都会产生回火反应。 型腔表面发生回火反应后，其机械性能大大下降。回火反应的速度取决于型腔 表面的峰值温度。峰值温度越高，回火速度越快，型腔表面层的机械性能恶化 也越迅速。 1 2 1 4 塑性变形 锻模在工作时，承受很大的应力，而且应力分布不均匀。当其某个部位所 受的应力超过了当时温度下锻模材料的屈服极限时，就会以滑移、孪晶、晶界 滑移等方式产生塑性变形，产生锻模失效。在多轴应力状态下，判断锻模是否 3 武汉理工大学硕士学位论文 发生塑性变形可以使用v o n m i s e s 判据 一1 扣万 ( 1 - 1 ) 如果( 1 1 ) 式成立，则锻模会发生塑性变形。 综上所述，热负荷不仅是影响锻模寿命的主要负荷，而且在不同的温度下 会以不同的机理去影响寿命吼 1 2 2 机械负荷及其产生的影响 设备施加在锻模上的负荷称为机械负荷。它是锻模在工作过程中所承受的 各种机械应力( 如压应力、拉应力、剪应力等) 的根源。锻模在机械负荷的作用 下，可能会以脆性破裂、机械裂纹、机械磨损和塑性变形四种形式而损坏。 1 2 2 1 脆性破裂 锻造过程中，设备故障、锻模安装不当、无锻件空击、锻造温度过低、锻 模预热不良、模块存在内部缺陷等原因，都会导致锻模产生脆性破裂。脆性破 裂属于非正常损坏，在锻模使用中应该慎重对待，尽量避免。 1 2 2 2 机械裂纹 机械负荷与热负荷一样，也以脉冲的方式周期性地作用在锻模上。锻模在 这种脉冲式机械作用下，有可能产生机械疲劳破坏。其过程为：加载时，型腔 中的某些点( 特别是承受着较大弯曲力矩作用的点) 要承受很高的脉冲机械应力 的作用，并且逐渐疲劳。在有些情况下，如果某瞬时机械应力大于模具材料的 疲劳极限时，就会产生裂纹胚，并随着机械负荷的反复进行而不断增大，形成 机械疲劳裂纹。当该裂纹到某一极限尺寸时，某瞬间的峰值机械应力就会使锻 模破裂。 1 2 2 3 机械磨损 在一般情况下，机械磨损是锻模最普遍的损坏形式。 对锻模而言，型腔表面上的摩擦和磨损状态主要取决于型腔各部位所承受 4 武汉理工大学硕士学位论文 的负荷特征，可将型腔表面大致分为三个区域：压力区、剪力区、和过渡区。 在压力区中，锻件沿型腔表面基本不滑移，型腔表面主要承受压应力的作 用。该压力的特点是在压力区域分布不均匀，在压力区的中心部位可能产生很 高的压应力；此外，由于锻件和型腔表面接触不均匀，在局部接触区( 或点) ， 因为应力集中也可能产生很高的压应力。在这两种因素的共同影响下，局部地 区会出现高压触点，它可能将型腔表面压凹，也可能发生粘结。结果，型腔表 面不断糙化，逐渐变成点状的坑穴，最后扩展成网状的压痕。 在剪切应力区域中锻件沿型腔表面滑移，由于摩擦的结果，型腔表面要承 受剪切应力的作用。在这种情况下，由于锻件和型腔表面接触不均匀( 特别是型 腔表面己因回火而软化时) ，该剪切力就会将型腔表面拉伤形成与锻件滑移方向 一致的沟槽。 过渡区域一般位于压力区和剪切区之间。在这个区域中，型腔表面要同时 承受压应力和剪切应力的双重作用。因此，该区域就兼有上述两个区域的磨损 特征，即沿锻件的滑移方向形成具有椭圆形凹口的间断沟、槽。 锻模的结构形状不同，上述三个区域的分布情况及其磨损的程度均不相同。 一般来讲，剪切区的磨损量最大，过渡区最小，压力区居中。 1 2 2 4 塑性变形 锻模在负荷的作用下会发生塑性变形。其机理与塑性变形原理是一样的， 都是在不破坏整体条件的不可恢复的形状改变，是锻模中个别晶粒的原子群被 迫产生的可逆位移的结果 1 2 3 综合应力的影响 热负荷和机械负荷是影响锻模寿命的主要负荷。尽管这两种负荷的性质不 同，但由于他们同时作用在锻模上，故对锻模的损坏起着相互促成的作用。其 中，热负荷的作用是不断恶化锻模的工作性能。而机械负荷的作用则是使性能 业已恶化的锻模加速损坏。因此，在分析破损原因时，要将热负荷产生的温度 应力和机械负荷产生的机械应力叠加成综全应力。只有考虑综合应力，才能准 确地反映锻模损坏的根本原因，制定出相应的有效措施。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 热锻模的寿命与应力的关系 在热锻过程中模具不仅受到机械载荷还受到交变的热冲击负荷作用，加载 时型腔表面温度急剧上升，卸载后又急剧下降，瞬态温度峰值持续时间很短。 剧烈的热负荷只影响到厚度极薄的模具型腔表面层。随着型腔表面温度的急剧 变化，受其影响的各点就会产生相应的变形，相应点就会因临近点的约束而产 生拉压廊力。当应力值超过模具材料的容许疲劳极限时，就会萌生热疲劳裂纹， 热疲劳裂纹的进步扩展就会引起模具的失效。当模具的瞬态温度超过模具材 料的相变温度后，表层金属会发生相变，这样不仅会降低模具材料的机械性能， 而且还会加速模具材料的磨损。可见，周期性的热冲击负荷与应力对模具的寿 命有直接的影响。 用来预测模具寿命的局部应力应变分析法1 6 1 的出发点是：零件的疲劳破坏 都是从最大局部应变处首先起始，并且在小裂纹萌生以前，都要产生一定的塑 性变形，局部塑性变形是疲劳小裂纹萌生和扩展的先决条件。因此，决定构件 疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变。只要最大局部应力和 应变相同，疲劳寿命就相同。热锻模的疲劳损伤属于低周热疲劳，局部应力应 变分析法的基础是低周疲劳。低周疲劳中的疲劳寿命是指裂纹形成寿命。在局 部应力应变分析法中所用的应变寿命曲线表达式为曼森科芬方程m 。c o 珩n 和 m a n s o n 在实验基础上独立提出的低周疲劳寿命预测方法经检验能与试验结果 较好的吻合嗍。 热锻模的热负荷与机械负荷都是非对称循环的，根据疲劳强度理论，非对 称循环下构件的工作安全因数甩。为1 9 】： 。j ! ：= ! 一 “4 冬吼饥o r j ,( 1 2 j 5 0 p 式中以。，吼，o - m 分别为构件材料的疲劳极限，构件非对称循环的平均应 力，应力幅；k ，乞，户分别为构件的有效应力集中因素，尺寸因素，表面 质量因素；妒。为构件材料的敏感因素。 由上式可以看出，要提高模具的寿命，理论上可以采取： 选用疲劳极限较高热锻模材料； 6 武汉理工大学硕士学位论文 减小热模锻时模具的应力幅值； 减小热模锻时模具的平均应力； 当热锻模的使用温度在2 0 啦7 0 0 之自】变化时，热锻模材料的敏感因素饥 生 一般在。加2 5 之间相应变化，而卢的值一般在2 - 3 之间l 们。因此锻模的平 均应力o - ，相对于锻模的应力幅值。一对锻模工作安全因素的影响很小，尤其在 模锻结束时型腔表面温度最高时，锻模的平均应力可以忽略，只考虑锻模的应 力幅值对安全因素的影响。 热锻模在工作时的应力是热应力与机械应力的合成。通过开式模锻工艺和 模具飞边尺寸的整体优化设计来降低机械负荷和机械应力，对提高锻模寿命可 以起到一定的作用1 1 0 , 1 1 j ，但即使采用十分完备的措施来降低机械负荷，其提高 锻模寿命的效果也是很有限的。这是因为机械应力只占模具综合应力的小部分， 热应力才是模具综合应力的主体【1 司。 因此，要提高模具寿命，最重要的是如何缓解热锻模热应力幅值。 1 4 影响热锻模寿命的物理性能参数 本课题组对材料物性参数对热锻模综合应力的影响规律进行了研究，发现 理论上影响热应力幅值的主要因素是温度波动幅值a t 、材料的弹性模量e 、热 胀系数口、导热系数a 、比热容c 。要缓解热应力就要人为调节这五个主要参数 ( 下面称后四个参数为热应力参数) 。通过a n s y s 软件模拟得出了温度对物性 参数的影响规律以及综合应力对物性参数随温度变化的敏感性的大小，取得了 初步成果i j “。 1 4 1 四个热应力参数的定义 1 4 1 1 弹性模量的定义 优质的锻模在工作过程中应处于完全的弹性状态。 金属在弹性范围内，变形和外力成比例地增长，即应变e 与应力。成正 7 武汉理工大学硕士学位论文 比例关系时( 符合虎克定律) ，这个比例系数就称之为弹性模量e 即 里 ( 1 3 ) e 式中：0 表示锻模的综合应力，e 表示应变。 弹性模量的大小，相当于引起物体单位变形时所需的应力大小。弹性模量 越大，刚度也越大，也就是在一定应力作用下，发生的弹性变形越小。任何机 器零件，在其使用过程中，大都处于弹性变形状态。对于要求弹性变形较小的 零件，必须选用弹性模量大的材料。 锻模的综合应力取决于工作过程中的热应力与机械应力。如果锻模的综合 应力一定，若其材料的弹性模量值较大，则e 较小，这对于锻模的寿命是有利 的，所以锻模材料的弹性模量e 值越大越好。 1 4 1 2 线膨胀系数的定义 模锻过程中，锻模材料随温度的变化发生热胀冷缩。 线膨胀系数作为锻模材料的主要物理特性参数之一，同时也是计算锻模工 作过程中热应力的重要参数，它对于分析锻模工作过程中的受力情况是必不可 少的。 材料线膨胀系数的定义为：当温度e ht 1 变到t 2 ，长度相应的由1 1 变到k 时，材料在该温区的平均线膨胀系数为【1 4 1 ： 二：生二刍。旦 工l ( 疋一正) l 。a 丁 咿渊， n 4 式中，口为t 1 和t 2 温度间的平均线膨胀系数，dt 为温度t 时的瞬问线膨胀系 数，l l 、k 分别为温度t l 和t 2 时材料长度。 1 4 1 3 导热系数的定义 众所周知，热量传递有3 种方式，即导热、对流与辐射。导热又称热传导， 而导热系数是表征锻模材料导热性能的一个重要参数，是定量分析热传导过程 所必须的。 导热系数是指在单位时间内，当沿着热流方向的单位长度上温度降低1 k 8 武汉理工大学硕士学位论文 时，单位面积容许通过的热量，叫做这种锻模材料的导热系数。在计算导热量 时，导热系数是一个重要参数【1 5 j 。 从导热方程式可知 ，、k a r u = r ( 1 - 5 ) 式中q 为导热量，a t 为导热温差，l 为导热距离，a 为导热面积，k 为导热系 数。由式( i - 5 ) 以看出，显然k 值大的金属材料，它的导热越大，导热越大， 反之导热量小 对于处于高温高压工作环境的热锻模来说，锻模材料的导热系数越大，在 模锻过程中热量散布到整个锻模的速度就越快，使温度分布越均匀。 1 4 1 4 比热容的定义 比热容是传热学中的重要物理量，也是物质的一个重要的特性参量。单位 质量的某种物质温度升高1 吸收的热量叫做这种物质的比热容，单位是 j ( k g * ) 。固体比热容指单位质量的热容量，也是特定粒子( 电子、原子、分 子等) 结构及其运动特性的宏观表现。比热容是物质本身的一种特性，一般来说， 不同物质的比热容不同1 1 6 l 。 1 9 0 6 年，爱因斯坦首先应用量子理论，对晶格振动采取了很简单的模型， 从理论上正确给出了固体在所有温度( 极低温除外) 下的定性行为。固体的爱因 斯坦模型将n 个同类原子组成的固体看成为3 n 个单维简谐振子构成的体系， 每个原子都彼此独立无关地振动，并且具有同一频率v b 。于是得到的固体定容 比热容为 c 一姗( 钉南 。 式中，c 为比热容，n k = r ，r 是气体常数，r = 8 3 1 4 j ，m o l k 称为固体的 爱因斯坦温度。 1 4 2 热应力参数对锻模综合应力的影响【1 3 1 弹性模量和线膨胀系数变化曲线的整体上移对锻模综合应力的影响表现在 使锻模的几何量( 如体积和尺寸) 发生变化，从而影响作用在锻模上的综合应力。 导热系数和比热容变化曲线的整体上移对锻模综合应力的影响表现在模锻的热 量交换过程中使锻模内部温度梯度发生变化，从而影响作用在锻模上的综合应 9 武汉理工大学硕士学位论文 力。 1 4 2 1 弹性模量变化对锻模综合应力的形响 锻模材料的弹性模量随着温度升高而减小，而且随着温度升高，弹性模量 减小的速度逐渐变缓。模锻过程中，一方向要求锻模在一定的综合应力作用下 产生较小的弹性变形，而另一方面又不至于由于产生过大的综合应力而导致锻 模失效。因此弹性模量的选取：在模锻过程的低温阶段，要求锻模材料的弹 性模量e 应该具有较大的数值，而且e 值随温度变化而变化的幅度应越小越好： 在模锻过程的高温阶段，为了不至于产生过大的热应力导致综合应力过大， 要求锻模材料的弹性模量e 应该具有较小的数值，而且e 值随温度变化而变化 的幅度应越大越好。 弹性模量的变化对锻模综合应力的影响主要体现在： ( 1 ) 弹性模量随温度变化的曲线整体上移，使作用在锻模上的综合应力变 大； ( 2 ) 弹性模量随温度变化的曲线整体上移，作用在锻模上的综合应力的增 加速度变慢； ( 3 ) 对于其他三个物理性能参数而言，作用在锻模上的综合应力对弹性模 量的变化是最不敏感的。 1 4 2 2 线膨胀系数变化对锻模综合应力的影响 锻模材料的线膨胀系数随着温度升高而增加，而且随着温度升高，线膨胀 系数增加的速度逐渐变缓”。要使热锻模在工作过程中产生较小的弹性变形， 那么锻模材料的线膨胀系数a 应该具有较小的数值，而且a 值随温度的变化而 变化的幅度应越小越好。 线膨胀系数的变化对锻模综合应力的影响主要体现在： ( 1 ) 线膨胀系数随温度的变化曲线整体上移，使作用在锻模上的综合应力 变大； ( 2 ) 线膨胀系数随温度的变化曲线整体上移，作用在锻模上的综合应力的 增加速度变慢； ( 3 ) 对于其他三个物理性能参数而言，作用在锻模上的综合应力对线膨胀 系数的变化是最敏感的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 3 导热系致变化对锻模综合应力的形响 锻模材料的导热系数随着温度升高而减小，而且随着温度升高，导热系数 的减小的速度逐渐变缓。要使热锻模在工作过程中锻模内部温度梯度的变化较 小，那么锻模材料的导热系数k 应该具有较大的数值，而且k 值随温度变化而 变化的幅度应越小越好。 导热系数的变化对锻模综合应力的影响主要体现在： ( 1 ) 导热系数随温度的变化曲线整体上移，使作用在锻模上的综合应力变 小； ( 2 ) 导热系数随温度的变化曲线整体上移，作用在锻模上的综合应力的减 小速度变快； ( 3 ) 对于其他三个物理性能参数而言，作用在锻模上的综合应力对导热系数 的变化是比较敏感的。 1 4 2 4 比热容变化对锻模综合应力的影响 锻模材料的比热容随着温度升高而增大，而且随着温度升高，比热容的增 加的速度逐渐变缓。要使热锻模在工作过程中锻模内部温度梯度的变化较小， 同时使热量能够比较顺利地在锻模中传递，那么锻模材料的比热容c 应有较大 的数值，而且c 值随温度的变化而变化的幅度应越大越好。 比热容的变化对锻模综合应力的影响主要体现在： ( 1 ) 比热容随温度的变化曲线整体上移，使作用在锻模上的综合应力变小； ( 2 ) 比热容随温度的变化曲线整体上移，作用在锻模上的综合应力的减小 速度变快； ( 3 ) 对于其他三个物理性能参数而言，作用在锻模上的综合应力对比热容的 变化是比较不敏感的。 1 5 本文的主要内容及意义 锻制钢质锻件的热锻模，其正常失效的表现形式主要是热疲劳磨损和塑性 变形，失效发生的部位在模膛表面及近表面层。长期的实践证明，现有的均质 热锻模具钢均难以满足热锻模模膛表面及近表面层的使用性能要求，所产生的 热锻模使用寿命问题，至今仍未取得显著进展。 武汉理工大学硕士学位论文 缓解热应力的梯度材料技术和表面工程技术为解决热锻模使用寿命问题提 供了新的思路新的方法【1 s1 9 孤2 ”。笔者所在课题组正就此问题进行相关研究。 本文试图应用激光熔覆技术在热锻模模膛表面制备出金属陶瓷耐热耐磨层，就 是解决热锻模模膛表面强化问题的一种探索性实验研究。 试验研究用的基体材料w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，是根据相关研究确定的热锻模模体 梯度材料结构中模膛近表层材料的一种。试验通过不同的激光参数，不同的厚 度等来制备覆层，并对其进行金相检测、s e m 扫描电镜检测、x r d 物相分析、 e d x 元素分析及进行硬度分析，同时也对4 个热应力参数进行了测试。通过对 覆层的显微组织、硬度及其热应力参数的测试，经过相关对比，找出热锻模激 光熔覆表面强化的较好参数。 1 6 章小结 本章主要对热锻模的失效形式进行了总结和分析，包括热负荷对热锻模的 影响和机械负荷对热锻模的影响。其中热负荷产生的失效形式主要有热疲劳、 相变、回火反应、塑性变形等；机械负荷产生的失效形式主要有脆性破裂、机 械裂纹、机械磨损、塑性变形。 接下来介绍了热负荷产生的温度应力和机械负荷产生的机械应力叠加成的 综合全应力。得出要提高热锻模寿命，最重要的是如何缓解热锻模热应力幅值 的结论。然后介绍了本课题组对材料物性参数对热锻模综合应力的影响规律进 行的研究。经研究发现，理论上影响热应力幅值的主要因素是温度波动幅值a t 、 材料的弹性模量e 、热胀系数a 、导热系数a 、比热容c 。要缓解热应力就要人 为调节这五个主要参数( 下面称后四个参数为热应力参数) 。最后介绍了本文的 主要内容和意义。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章激光熔覆技术基础 2 1 激光熔覆技术概述 激光熔覆的试验研究可以追溯到7 0 年代初。1 9 7 4 年底，g n a n a m u t h u 提出 申请激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利。在7 0 年代后半期至少有两 个因素促进了该技术的发展，一方面是由于美国和欧共体国家出于对战略资源 的担忧，另一方面是由于对半导体激光退火的广泛研究。到8 0 年代初已发展成 为材料表面工程领域的前沿课题。熔覆层的材料体系从具有某种性能或用途的 金属、合金和特种合金逐步发展到陶瓷金属复合涂层。甚至纯陶瓷涂层i 驯。 2 2 激光熔覆原理及特点 激光熔覆是利用一定功率密度的激光束照射被覆金属表层上的具有某种特 殊性能的材料，使之完全熔化，而基体金属微熔冷凝后在基材表面形成一个低 稀释度的包覆层，从而达到使基材改性的目的。陋j 原理