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《武汉理工大学》 2010年
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多金属热锻模热应力缓解机理及方法研究

潘成刚  
【摘要】:热锻模寿命问题由来以久,在我国此问题更加突出。我国热锻模平均使用寿命为3000-5000件,与国际先进水平有较大差距。存在的主要问题是热锻模制造成本高,使用寿命低,模具钢消耗量大,设计制造技术落后。 热锻模的失效是各种影响因素综合作用的结果。不管是直接影响因素,还是间接影响因素,都是通过改变锻模所受的负荷来影响锻模寿命的。作用于热锻模上的负荷仅有机械负荷和热负荷。通过模具的整体优化的方法来降低机械负荷,以此来提高锻模寿命的方法,效果有时并不明显。那么热锻模热负荷方面的研究工作就显得尤其重要。热锻模工作条件十分恶劣,连续使用时模膛表面温度一般均超过模具的回火温度,造成高温软化;连续使用时的冷却润滑又使模膛近表面层产生极大的拉应力,造成裂纹的扩展。现有的各类热作模具钢均不能完全满足模膛近表层所需要的同时具备高温强硬性和高温韧性的要求。对于任何一种均质热锻模具钢而言,其高温强硬性和高温韧性是相互矛盾的。虽然可用不同的热处理工艺来调节两者间的矛盾,但调节的结果并不能改变模膛近表层迅速软化和断裂的状况。表面覆层处理对提高热锻模使用寿命有一定作用,但仍不能解决模膛表层及近表层所发生的高温软化问题。 基于以上现状,本文旨在分析常规热锻模失效原因,建立热锻模热锻时的力学模型,研究缓解热锻模热应力的机理和方法;确定热锻模的温度波动区并找出热锻模失效区域的确定方法,探索多金属热锻模耐热层的材料成分设计和制备方法。为长寿命多金属热锻模的设计制造提供依据。 本文首先概述了热锻模的失效形式及影响因素;介绍了国内外热锻模寿命研究的现状和存在的问题;介绍了热锻模的温度场和应力场的基本理论。以轿车前轮毂热锻模的终锻模为模型,建立了常规金属连续锻造时的有限元模型,分析了第一次锻造工作循环和连续锻造时的热锻模下模的温度分布和温度梯度分布的规律。定义了热锻模的温度波动区和温度梯度区。发现温度波动区是热锻模最容易失效的区域。建立了评价热锻模表面层热负荷的参数,提出了热锻模失效的热疲劳指标和磨损指标。从屈服强度和疲劳强度的角度提出了长寿命热锻模的设计原理,讨论了缓解热锻模失效的方法。 接着提出了多金属热锻模的材料结构,并提出了多金属热锻模耐热区材料设计的正向和逆向设计方法。分析了现有热锻用模具材料,对基体层,支撑层和表面层的材料和制备方法进行了选择。建立了多金属热锻模的有限元模型,通过比较常规金属热锻模和多金属热锻模模膛深度方向的温度和自由膨胀量的分布,得出多金属热锻模表面层的温度、温度梯度和自由膨胀量都比常规金属热锻模低。 然后制备了用于堆焊支撑层的W6Mo5Cr4V2焊条,分析了6542焊条的焊接工艺性能、金相显微组织、回火温度与硬度的关系、红硬性和回火稳定性。结果表明:6542焊条的焊接工艺性能较差;6542焊条堆焊层的组织为回火马氏体基体及网状分布在基体上的白色颗粒状碳化物;6542焊条堆焊层的红硬性和回火稳定性都比D322焊条高。 最后在支撑层材料W6Mo5Cr4V2高速钢上对不同的表面层材料及制备方法进行试验。通过对热锻模表面层的各种制备方法(熔覆、喷涂、重熔和喷焊)、各种热源性能和各种金属陶瓷粉末的性能进行了比较并得出:喷焊是较佳的多金属热锻模表面层的制备方法;等离子束热源是多金属热锻模表面层制备方法较好的热源;Ni60-SiC金属陶瓷是较佳的多金属热锻模表面层材料。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG311

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