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1、1 1 绪论绪论 1 11 1 引言引言由于现代工业的快速发展,材料的性能要求也越来越高。影响着机械产品的性能质量和使用寿命的两类核心问题是热疲劳磨损和塑性变形，对企业造成巨大的经济损失。热锻模是传递动力、使高温金属毛坯在模具型腔内通过塑性变形达到锻件成形的工具1。热锻模是锻造工业中重要的工艺装备,在工作过程中要承受周期性的热负荷和机械负荷。在我国热锻模的寿命一般为 3000-5000 件,是国外的1/3 左右,因而提高热锻模的寿命显得尤为重要2。采用热锻模为模具，运用等离子喷涂、等离子重熔、等离子喷焊等三种工艺方法，对影响热锻模使用寿命的几个关键问题进行研究,解决如何提高模具的使用寿命，降低
2、锻件成本等问题。1.1. 2 2 等离子的基本性质等离子的基本性质等离子体是由大量的自由电子和离子组成，且在整体上表现为近似电中性的电离气体，与所熟悉的物质三态（固态、液态、气态）一样，是物质存在的又一种聚集态。所以，被称为物质第四态，或称为等离子态。从科学实验和生产斗争中认识到，只要使每个粒子中电子的动能超过原子的电离能时，电子将会脱离院子的束缚而称为自由电子，而原子则因失去电子而成为带正电的离子，这个过程称为电离。当气体中足够多的原子被电离后，这种电离的气体已不是原来的气体了，而转化为新的物态即等离子态。对同一中物质来说，处于等离子态时的温度要比处于固态、液态、气态时高3。加热到摄氏几千度
3、以上的气体形成了特殊的物质第四态等离子体。它与固态、液态、气态的不同，特别是在于下列性质方面：（1）除了单个分子间的弹性碰撞之外，还发生了大量的非弹性碰撞，它们使分子处于激发量子态，有时则引起分子的解离与电离。（2）这些过程使得化学均匀的气体转变为分子、原子、正离子、负离子、电子、光子等不同粒子的气态混合物。（3）等离子包含有荷电粒子电子和离子。正是通过这些粒子，电场和磁场能够作用于电离的气体：由于气体混合物是导电的，所以它能从电场或磁场接受能量或者把能量传递给电磁场。因为在每一点处，正粒子和负粒子的浓度大体上是相等的，所以混合物作为整体上来说是准中性的。（4）如果荷电粒子的密度不是太小，那么
4、气体的性质在很大程度上受它们的库伦相互作用的影响。库伦作用的特点是随着粒子间距离的增加，力的减少时比较慢的。因此，每个粒子同时作用于大量的其它粒子。理论上说，作用于所有的所有的粒子。粒子的轨道不再像在理想气体中那样是直线了 4。1 13 3 热锻模热锻模1.3.1 热锻模的寿命锻模是锻压生产的主要工艺装备，是零件毛坯制造无可替代的专用工具。采用模锻方法生产的锻件，可以减少或无需金属机械加工余量.因此，锻压生产可以大幅度提高材料利用率，缩短零件的制造周期，同时，操作容易，成本低，效率高，经济效益良好。但是，随着锻件生产量的提高，锻模寿命已成为制约锻件生产量及制造成本的重要因素5。在热锻模工艺中，
5、工艺参数（包括设备性能，工件材料，润滑）和模具材料，表面处理方法一起决定了模具工作条件的接触边界条件，这种边界条件直接影响着模具的失效机理。热锻模工作条件较差，型腔需要承受很大的冲击力和大于 10 次/min 的冷热交变载荷，并且长时间处于 600以上的高温环境，所以锻模的寿命较短6。影响锻模寿命的除了复杂的工作环境之外，材料的选择、结构设计、热处理工艺以及使用维护都影响着热锻模的寿命。如何提高热锻模的使用寿命已成为锻压界关注的重要问题。1.3.2 热锻模的失效形式热锻模失效的原因是：锻模内部反复引起的高压应力，导致产生疲劳裂纹 ；变形金属和锻模型腔之间的相对运动产生剧烈摩擦导致型腔的磨损；锻
6、模承受较大的热负荷一方面使锻模型腔温度升高而软化 ，从而加剧了型腔的磨损和塑性变形 ，另一方面促使锻模反复升温和降温引起交变的内应力，导致产生热疲劳裂纹。锻模的热负荷主要来自热坯料放置在锻模上的相互接触和锤击坯料时锻模与坯料瞬间的加压接5。热锻模的主要的失效形式有：变形、热疲劳、断裂、热磨损四种。1、变形：高温条件下，毛坯与模具长期接触使用，模具出现软化导致塑性变形。具体表现为塌陷。工作载荷大、温度高的挤压和锻造模具，其凸起部位易产生此类缺陷。热锻模与约 10000C 左右高温金属较长时间接触,在高温、高压、高应力作用下服役，大量热量传到模面，虽经强制冷却，但模面仍可温升至约 50065O，甚
7、至更高，超过最终淬火后的回火温度，发生过度回火而软化至硬度 3OHRC 时，屈服强度急剧降低，外力易超过此 时模具材料屈服强度，便发生热锻模面压塌 、压堆、内陷、镦粗等塑性变形失效7 。2、 热疲劳：热疲劳裂纹是热锻模主要失效形式之一。热机械疲劳裂纹是热作模具常见的失效形式,由热机械疲劳龟裂导致的模具失效高达失效模具总数的60%70%8。热锻模服役时,模面表层金属与次表层金属存在较大温度差,促使模面产生较大热应力，热应力随温度的反复变化而变化,当其热应力峰值达到模具屈服强度时,模面便形成热疲劳裂纹, 若钢材抗氧化性 、断裂韧性和屈服强度较低,会加速热疲劳裂纹萌生与扩展和伴随热磨损,当疲 劳裂纹
8、扩展到某一临界尺寸时,将发生机械疲劳断裂7.热疲劳裂纹一般分布在型腔表面，形状一般有单条状，放射状和网状。由于热锻模在合模和开模的过程中，模膛表层和次表层金属的温差大，使模膛表面产生较大的热冲击力。热冲击的激烈程度和型腔表面的峰值温度以及模体温度有关，两者温差越大，产生的热应力就越大。随着工作时间的延长，热应力的峰值达到锻模材料的屈服强度，模膛表面材料金属结构发生相变，就会产生热疲劳裂纹，发生畸变或开裂而使整个模具失效9。环境温度周期性改变，在此条件下工作的模具表面出现网状裂纹。工作温差大，温度改变快速的热锻模具容易出现热疲劳裂纹。3、断裂：热锻模壁厚，断裂不仅造成经济损失，更主要的是威胁安全
9、生产，是一种极其危险的失效形式。当热锻模承受的压应力、冲击力、摩擦力、变形抗力等综合作用力超过该模具材料强度极限时便发生断裂。热锻模在高温、高压、高摩擦和反复加热与冷却极其恶劣环境下工作，与约 10000C 高温金属坯料接触，型腔表温度急剧升高受热膨胀,受内层金属阻碍无法自由膨胀,表层金属受到较大压应力，锻模脱模后喷水冷却，模面温度迅速降至室温，产生相反方向温度梯度，内层金属温度高于表层金属温度受到拉应力作用，在热应力反复作用下，当应力大于模具材料强度极限时，在金属表层便形成网状裂纹，经扩展便产生热疲劳断裂。金属材料在高温下，晶界强度小于晶内强度，在循环应力作用下，金属表面滑移带在晶界上形成位
10、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，经扩展产生热疲劳断裂7 。工作载荷超出材料本身承载能力时，材料出现开裂现象，包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳和腐蚀断裂。热锻模具的断裂（尤其是早期断裂） ，与工作载荷过大、材料处理不当以及应力集中等相关。4、热磨损:被认为是锻造过程中的最关键因素，因为磨损在生产上占据了模具失效原因的 70%以上。模具与被加工材料接触部位之间的相互作用导致的损耗，包括尺寸超差和表面损伤。模具合金成分、硬度、工作温度以及润滑条件等都会决定模具磨损度。相互作用
11、较大，有凸起部位的模具都极易产生热磨损。李国平，刘长生等在热锻模具的磨损分析中指出，应力集中是造成模膛磨损的重要原因。模膛转角处应力集中最明显，所以锻模模膛内转角处半径的大小往往决定了锻模的寿命。实践表明，在某些情况下将转角处圆角半径从 3mm 增加到6mm，可延长使用寿命 l2 倍10。喻兴娟在热锻模的失效形式及预防措施中，分析某工具厂精锻模具坍塌变形失效的原因时，曾提到模具表面硬度值偏低（4042HRC） ，也是导致磨损产生的一个重要原因11。1.3.3 影响热锻模寿命的物理参数锻模的热应力问题是影响其寿命的关键问题之一。从理论上影响热应力幅值的主要因素有五个，分别是温度波动幅值和四个热应
12、力参数，包括材料的热膨T胀系数、导热系数、比热容 c、弹性模量 E。材料的热物理性能不仅仅是衡量材料能否适应具体热过程工作需要的数量依据,而且是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数12。龚明亮采用不同的工艺参数对相同模具材料和同样工艺参数对不同模具材料进行了对比分析，提出了缓解热锻模热应力的方法：减小温度波动区危险点和温度平衡区的温度差值;选用更合适的热锻模具材料;开发使用功能性新材料;改善工艺参数，并应用有限元分析软件 DEFORM-2D 进行了验证13。王俊探讨了热锻模四个物理性能参数的变化规律，并归纳了它们的变化规律对温度应力的影响情况，认为要缓解热应力主要改变热应力参
13、数值的大小14；杨慧通过 ANSYS 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15。综合上述工作者的研究成果，每个热应力参数对锻模综合应力的影响如表 1-1 所示。要想提高模具寿命，需要对这些热物性参数进行改进设计。表 1-1 热应力参数对锻模综合应力的影响热应力参数数值大小对综合应力 的影响随温度变化的变化幅 值综合应力对其变化的 敏感度线膨胀系数 小好小好最敏感 导热系数 k大好小好比较敏感 比热容 C大好大好较不敏感弹性模量 E低温大好 高温小好低温小好 高温大好较不敏感1 14 4 表面强化技术表面强化技术表面处理技术是一个庞大的技术体系，本
14、文主要研究等离子喷涂、等离子重熔、等离子喷焊三种工艺技术。通过选用不同配比的材料，采用这三种工艺方法制备出热锻模模膛表面层，达到提高热锻模寿命的目的。1.4.1等离子喷涂技术喷涂是将熔化材料的液滴喷在事先预处理好的基体表面上，从而获得任意厚的表面涂层的一种工艺。等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将粉末材料送入等离子体（射频放电）中或等离子射流（直流电弧）中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺 16。对于等离子喷涂技术,有大量的人员做相关研究.。Brinkiene 等人研究了等离子喷涂的功率对 ZrO2+Y2O
15、3 涂层密度的影响，当等离子喷涂的功率从 43 kW上升到 48 kW 时,涂层的密度从 4.97 g/cm3 升高到 5.21 g/cm317。Leign 等人等离子喷涂角对 Cr3C-NiCr 涂层气孔率和硬度的影响，研究表明当喷涂角从 50增加到 90时,涂层的气孔率从 4.5%降低到 2.1%,涂层的显微硬度从 630 HV 增加到680 HV18。Sarikaya 研究了基体温度和喷涂距离对 Al2O3 涂层气孔率的影响，研究表明,当基体温度从 298K 升高大概 500K 时,涂层的气孔率从 8.7%降低到 5.6%;当喷涂距离从 180 mm 减小到 120 mm 时,涂层气孔率
16、从 14%降低到 8.7%,表面粗糙度8.72m 降低到 6.84m19。王海军研究了送粉工艺对超音速等离子喷涂层性能的影响,采用“双通道，双温区”的送粉工艺后，使陶瓷和粉末进入不同的温区，各自充分熔融后在超音速喷涂,得到梯度功能热障涂层中，组织均匀、致密，陶瓷与金属组份呈连续梯度分布，涂层性能有明显提高20。郭锐在 FGM 等离子喷涂的优化研究中指出，等离子喷涂过程中飞行粒子的温度、速度是影响等离子涂层显微结构与性能最重要、最直接的因素21.等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的已经较为广泛的应用。1.4.2等离子重熔技术表面重熔作为喷涂层的后续处理中一种，是采用高密度能量如激光、等离子弧和电子束等,将工件表面层或涂敷在工件表面上的合金化材料熔化后，再冷却凝固成涂层22。等离子重熔采用高的温度和快的冷却速度将所需要的合金元素熔融到基体材料表面，形成致密的覆层，通过改变材料近表面的组织结构，使
