耐火材料模具的激光熔覆技術(shù)

2017-04-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

耐火材料模具的激光熔覆技術(shù)機(jī)械設(shè)計培訓(xùn)圖片1

模具在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有極為重要的作用。

模具在工作過程中容易出現(xiàn)塑性變形、磨損、疲勞斷裂以及脆性過載斷裂等失效形式,而這些失效形式又經(jīng)常是從其表面開始的。因此,表面工程技術(shù)在模具表面強(qiáng)化和修復(fù)中起著重要作用。

表面工程技術(shù)主要以激光表面改性為主,包括激光相變硬化、激光相變重熔強(qiáng)化、激光合金強(qiáng)化、激光熔覆等技術(shù)等。其中,激光熔覆是利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體材料表面,與基材相互熔合,形成與基體成分和性能完全不同的合金熔覆層。激光熔覆的作用,不僅僅是提高材料表面層的性能,而是賦予它新的性能,可以完全改變材料表面性能,使廉價的材料表面獲得極高的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能,并降低制造成本和能耗,節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬資源。該工藝可以修復(fù)材料表面的孔洞和裂紋,也可以恢復(fù)已磨損零件的幾何尺寸和性能等。

在傳統(tǒng)修復(fù)再制造技術(shù)中,電鍍硬鉻受到因微裂紋導(dǎo)致脫皮的困擾;火焰噴涂噴焊難以解決空隙問題;滲氮滲碳受真空設(shè)備的限制防腐能力不強(qiáng),且存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。與之相比,激光表面熔覆技術(shù)具有諸多不可比擬的優(yōu)點:無需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu);處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高,具有較高的硬度和耐磨性;被處理件變形極小,適合于高精度零件處理,作為材料和零件的最后處理工序;加工柔性好,適用面廣。經(jīng)激光處理后,鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60以上,中碳及高碳的碳鋼,表面硬度可達(dá)HRC70以上,大大延長了其使用壽命。

1.生產(chǎn)耐火材料模具存在的突出問題

耐火材料目前已廣泛應(yīng)用水泥、冶金、建材等國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)行業(yè),生產(chǎn)耐火材料的企業(yè)需要消耗大量冷作模具鋼來制作模具。冷作模具鋼品種多、應(yīng)用范圍廣,產(chǎn)值占模具總產(chǎn)值的30%-40%。采用的鋼號很多,一般采用高碳過共析鋼和萊氏鋼體,如碳素工具鋼、低合金油淬冷作模具鋼、空淬冷作模具鋼、高速鋼、低碳高速鋼和基本鋼及用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高合金模具材料等。

典型牌號是高碳高鉻型冷作模具鋼Cr12、Cr12MoV、高速鋼W6Mo5Cr4V2及粉末冶金高溫合金等。冷作模具鋼在工作時,由于被加工材料的變形抗力比較大,模具的工作部分承受很大的壓力、彎曲力、沖擊力及摩擦力,因此,冷作模具的正常報廢原因一般是磨損,也有因斷裂、崩力或變形超差而提前失效。

冷作模具摩擦面積大,磨損可能性大,所以修磨起來困難,要求具有更高的耐磨性;模具工作時承受沖壓力大,又由于形狀復(fù)雜易于產(chǎn)生應(yīng)力集中,要求具有較高的韌性;模具尺寸大、形狀復(fù)雜,要求較高的淬透性、較小的變形及開裂傾向性。

耐火材料模具在生產(chǎn)、使用中存在的突出問題就是,模具材料成本高、耐磨性能差、壽命短、生產(chǎn)效率低。針對這一實際現(xiàn)狀,需要探索出一種新的工藝方法,在采用成本較低的模具材料來制造模具的前提下,能有效提高硬度和耐磨性,進(jìn)而大大提高模具的耐磨性及使用壽命,降低模具生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

無論哪種激光工藝,熔覆處理后表層硬度高,次表層的硬度最高,可以達(dá)到923HV,基體硬度較低。這一方面與表面部分合金元素的燒損和揮發(fā)有關(guān);另一方面與熔池的冷卻過程有關(guān)。當(dāng)激光束移動后,熔池的表層由于與溫度低的基體接觸,溫度梯度和過冷度都很大,因此該部位首先開始凝固;隨后,熔池表層的熱量向試樣外部和通過次表層向基體傳熱并開始進(jìn)行凝固,直到完全冷卻。此時,與熔覆表層直接接觸的次表層凝固組織由于承受熱量而重新經(jīng)歷組織轉(zhuǎn)變,相當(dāng)于進(jìn)行了淬火。這樣,激光熔覆后,熔覆層的組織形態(tài)不均勻,表層為鑄造組織形態(tài),而次表層及靠近基體的熔池底部為淬火組織,基體仍然保持原來的回火組織。

在顯微鏡下觀察,激光熔覆結(jié)合區(qū)基本上不存在孔隙和縫隙等缺陷,同時,熔覆合金層與基材實現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合,這是由于采用了鐵基自溶性粉末,使得熔覆層與基體具有良好的浸潤性。

激光熔覆后與基體相比,試樣表面的硬度在不同程度上都有所提高,特別是表層下的次表層硬度提高更加明顯。表面硬度高,心部硬度低的趨勢非常有利于試樣的耐磨損。表層和次表層較高的硬度使其具有很高的強(qiáng)度,在磨損過程中原子不容易發(fā)生轉(zhuǎn)移,而硬度較低的心部為表層提供了相對較好的韌塑形。因此,激光熔覆后,表面的耐磨性能得到了顯著的改善。

2.結(jié)論

(1)采用模具材料表面激光熔覆處理技術(shù)來提高模具材料強(qiáng)度,延長模具壽命以及修復(fù)失效模具,具有快速、高效、針對性及適應(yīng)性極好的優(yōu)點,更好地實現(xiàn)了表面處理技術(shù)“用勁用在點子上”和“好鋼用在刀刃上”的特點,可以大幅度延長、提高模具的使用壽命。

(2)熔覆層的微觀組織和性能,是聯(lián)系激光熔覆工藝和模具材料宏觀性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過模具表面激光熔覆改性層的微觀組織分析和性能測試,研究熔覆層的性能與其微觀組織以及激光熔覆處理工藝參數(shù)三者之間的相互影響規(guī)律,為獲得較理想的微觀組織分布和性能優(yōu)異的熔覆涂層提供堅實的實驗基礎(chǔ),使得激光熔覆技術(shù)在模具(特別是耐火材料模具)的表面強(qiáng)化處理及失效修復(fù)上獲得更好的應(yīng)用。

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