热锻模模膛耐热层的制备工艺实验研究

论文摘要

热锻模使用寿命问题一直是锻模行业从业人员关心的问题,如何降低或者避免热疲劳磨损和塑性变形两类失效是其核心问题,应用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和方法。本文试图就热锻模模膛表面耐热耐磨层的制备工艺进行探索性实验研究,主要涉及的制备工艺有等离子喷涂、等离子重熔以及等离子喷焊。本文首先总结了热锻模的各种失效形式,热物理性能参数对热锻模寿命的影响。然后重点介绍了热锻模模膛表面强化技术,包括等离子喷涂、等离子重熔和喷焊技术的发展、原理及其工艺方法等。第二部分为实验部分。采用不同工艺方法在基体材料W6Mo5Cr4V2高速钢表面制备梯度层,首先,在一部分试样上采用等离子喷涂制备喷涂层,并进行正交优化;其次,采用优化后的喷涂工艺参数制备重熔前试样,然后进行重熔实验并对重熔实验进行正交优化;再次,在另一部分试样上采用等离子喷焊制备喷焊层,并对喷焊实验进行正交优化。通过金相显微镜,显微硬度计,孔隙率分析软件、能谱仪等方法,对不同工艺方法获得的涂层进行宏观、微观分析。同时还对各种覆层的热应力参数:材料的热膨胀系数α、热传导系数λ和比热容C进行了对比分析。第三部分是对检测结果进行对比分析,得出如下结论:1、覆层表面形貌各不相同。等离子喷涂Ni60-SiC涂层呈典型的层状结构,组织粗大,涂层厚度薄且其中存在较多未熔颗粒,颗粒之间存在大量的孔隙,缺陷程度较高;重熔涂层结合状态较喷涂层好,表面光亮,致密度提高,但存在较多裂纹、孔洞;喷焊层厚度厚,表面致密且光洁,质量明显优于喷涂层和重熔层。2、工艺参数对覆层的组织性能有很大影响。影响喷涂的主要因素是喷距,电流,喷速,等离子喷涂整体效果随电流、喷距的升高先好后差,随喷涂速度的增加效果越来越好,等离子喷涂优化参数为:电流450A,速度为70 cm/min,喷距为120mm;影响重熔的主要因素是速度,电流其次,同时还发现在重熔时,试样的整体效果随电流、速度的升高先变好后变差,当重熔电流较小,重熔速度过低,涂层微粒未充分熔化和结合,涂层会存在较多层状组织结构,孔洞和裂缝较多;重熔电流过大,速度过快,微粒虽然可以充分熔合,但重熔层与基体的温度梯度大,导致重熔层内应力大,同时表面存在较多的坑洞;只有比较合理的参数搭配,微粒熔化才会比较充分,同时结合良好,得到致密的组织。本实验中当重熔电流为95A,速度为40 cm/min时,重熔层效果最好:影响喷焊的主要因素是速度,电流其次,同时还发现喷焊时,试样的整体效果随电流升高喷焊效果越来越好,即大的电流有利于喷焊的进行,随速度的增加喷焊效果是先好后差,等离子喷焊优化参数为:电流180A,速度为40 cm/min。3、硬度分析表明:基体材料的平均硬度为815.2Hv,喷涂层平均硬度为677.45Hv,重熔层平均硬度为394.6Hv,喷焊层平均硬度为947.98Hv。重熔处理后的试样涂层硬度降低;经过测定,喷涂层、重熔层、喷焊层的孔隙率分别为10.08%,9.58%,6.22%。涂层的孔隙率表明喷焊层最致密,效果最好。喷涂、重熔实验没有达到预期目标;喷焊层的试样硬度大大增加,到达了期望目标。4、对试样的热物理性能测定表明,喷焊层试样热物理性能参数实测值比重熔层试样更佳,最终结果表明喷焊层比较接近锻模耐热层的性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 热锻模的失效形式
• 1.3 影响热锻模寿命的物理性能参数
• 1.4 表面强化技术
• 1.4.1 等离子喷涂技术
• 1.4.2 等离子重熔技术
• 1.4.3 等离子喷焊技术
• 1.5 本文研究目的及主要内容
• 2 实验材料、设备及工艺
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 基底材料
• 2.1.2 覆层材料
• 2.1.2.1 粘结金属的选择
• 2.1.2.2 过渡层材料的选择
• 2.1.2.3 工作层材料的选择
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 实验工艺流程
• 2.3.1 等离子喷涂
• 2.3.2 等离子重熔
• 2.3.3 等离子喷焊
• 2.3.4 实验试样编号总结
• 2.4 实验检测内容
• 2.5 本章小结
• 3 实验结果及分析
• 3.1 等离子喷涂优化分析
• 3.1.1 表面形貌分析
• 3.1.2 显微硬度分析
• 3.1.3 极差分析
• 3.2 等离子重熔优化分析
• 3.2.1 显微定量分析
• 3.2.2 显微硬度分析
• 3.2.3 极差分析
• 3.3 等离子喷焊优化分析
• 3.4 宏观形貌分析
• 3.4.1 喷涂试样表面宏观形貌
• 3.4.2 重熔试样表面宏观形貌
• 3.4.3 喷焊试样表面宏观形貌
• 3.5 微观形貌分析
• 3.5.1 喷涂试样组织形貌
• 3.5.2 重熔试样组织形貌
• 3.5.3 喷焊试样组织形貌
• 3.5.4 显微硬度分析
• 3.5.5 孔隙率分析
• 3.6 热物理性能分析
• 3.6.1 热膨胀系数
• 3.6.2 热传导系数与比热容
• 3.7 本章小结
• 4 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢