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模具表面缺陷等离子喷焊修复研究

黄诗铭  
【摘要】:随着现代科学技术的突飞猛进,模具逐渐成为制造行业的重要核心部分,并且被广泛地应用到日常生活及工业生产当中。通过模具所制造出的产品,具有高精确度、高一致性、高生产率、低成本等特点。模具的工作环境通常为高温、高压等恶劣条件,而且模具在服役过程中经常会受到摩擦、挤压以及交变应力的作用,因此,模具表面会出现各种缺陷而发生失效,从而在模具生产中造成极大的浪费。如何延长模具的使用寿命,大幅度降低使用成本,增加企业的效益,已成为模具制造业的首要任务。近些年来,表面工程技术飞速发展,已成为新材料、光电子、微电子和航空航天等先进产业的基础,并广泛地应用于模具表面缺陷的修复,如电刷镀、气相沉积技术、热喷涂与热喷焊等技术。H13热作模具钢(相当于国内的4Cr5MoSiV1)使用广泛,主要用作制造压铸模、热挤压模和热锻模等模具,由于其特殊的工作环境,主要失效形式为热疲劳失效和磨损失效,如果能选用合适的表面工程技术,特别是等离子喷焊技术对其表面缺陷进行修复以恢复其使用功能并延长使用寿命,具有重要经济意义和社会效益。 本文主要研究内容为模具表面缺陷的等离子喷焊修复,目的是通过等离子喷焊技术,对热作模具表面的缺陷进行修复,使模具重新具有服役能力,并延长模具的使用寿命。利用等离子喷焊技术,在H13热作模具钢的表面制备合金喷焊层,合金粉末为不同配比NiCrBSi、WC-Co12和NiCr-Cr3C2的混合粉末。通过光学显微镜、扫描电子显微镜和XRD衍射试验,对合金喷焊层显微组织和化学成分进行分析,然后对合金喷焊层进行显微硬度、耐磨粒磨损性和抗拉伸性等力学性能进行测试。通过试验得出以下结论: (1)合金喷焊层与模具表面之间属于冶金结合,在结合界面处出现宽度约为20~30μm的明显的熔合区,熔合区内出现少量胞状树枝晶,其生长方向为垂直于熔合界面,元素在基体与合金喷焊层之间相互扩散。 (2)合金喷焊层的显微组织主要是由马氏体和残余奥氏体组成;当粉末中没有添加WC-Co12粉末时,由于Ni、Cr、B、Si等元素的存在,在合金喷焊层中生成Cr23C6、FeNi3、FeCr等化合物,弥散分布在晶界上;当粉末中加入WC-Co12粉末时,在合金喷焊层中会产生W3C和未熔化的WC硬质相,随着WC-Co12和NiCr-Cr_3C_2比例增大,W3C和WC的含量也增多。 (3)当粉末中没有添加WC-Co12粉末时,随着粉末中NiCr-Cr_3C_2的比例增大,CrB等硬质相增多,使合金喷焊层的显微硬度增大,耐磨粒磨损性增强;当粉末中加入WC-Co12粉末时,随着WC-Co12和NiCr-Cr_3C_2粉末含量增多,W3C和WC等硬质相也增多,合金喷焊层的显微硬度和耐磨粒磨损性能都增强;拉伸试验表明,利用NiCrBSi粉末修复的热作模具钢,经过拉伸试验,试样均在V型缺口修复处断裂,其平均拉伸强度为450MPa。 (4)选取喷焊电流、等离子气流量、送粉气流量作为三因素,对等离子喷焊参数进行正交优化,得到等离子喷焊工艺最优参数为喷焊电流为50A,等离子气流量为1.5L/min,送粉气流量2.5L/min,电压40V,保护气流量15L/min,喷焊距离12mm。 (5)NiCrBSi70%+WC15%+NiCr-Cr_3C_215%合金喷焊层的显微硬度值最大,耐磨粒磨损性能最好。


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