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激光仿生非光滑表面热作模具的磨料磨损性能研究

陈莉  
【摘要】: 提高热作模具寿命是国内外众多企业急需解决的重大问题。生物经过亿万年的进化形成了特殊的具有优异功能的体表形状。通过对典型生物体表非光滑形状的分析,发现生物体表的非光滑特征是其表面耐磨的主要原因。因此本文利用激光模仿生物体表的非光滑形状,在模具钢表面加工出非光滑单元体,由它们和材料表面共同组成仿生非光滑表面,研究仿生非光滑表面模具的耐磨损性能。 首先研究了模具钢表面上激光处理区的组织和结构,把因激光加热而组织发生变化的区域定义为激光处理的仿生非光滑单元体。讨论了激光参数、母材成分、母体组织及非光滑单元体成分等对非光滑单元体特征及非光滑表面试样磨损性能的影响,并在此基础上提出了仿生非光滑表面试样的磨料磨损机理。 研究结果表明利用激光可以在模具钢表面制备出具有不同特征的类似生物体表的非光滑表面形状,使模具钢的磨损性能明显得到改善。非光滑表面试样磨损过程中,非光滑单元体起到阻碍磨损进行的作用。而决定非光滑表面试样磨损性能提高幅度的因素包括激光加工参数、非光滑单元体的形状、分布间隔、非光滑单元体成分、母材成分、母体组织等等。非光滑表面试样磨损时,磨料相当于在断续的平面上进行磨损,当磨料运动到非光滑单元体前沿时受到阻碍,犁、削深度变浅。当非光滑单元体较硬或磨料尖角被磨钝时,磨料在非光滑单元体上滚动,反之磨料则在非光滑单元体上滑动,且犁、削深度较浅,由此减轻磨损程度。如果非光滑单元体分布间隔适合,磨料可能越过相邻两非光滑单元体的中间基体材料部位而直接对下一非光滑单元体进行磨损,从而大大减小了材料的磨损几率,使非光滑表面试样的磨损性能明显提高。 另外首次将生物体表的非光滑形状应用于压铸模具型腔和冲头表面,使生产汽车发动机罩盖的压铸模具使用性能明显提高,服役周期延长,冲头的在线工作时间延长至少两倍以上,经济效果显著,为制备具有高耐磨性的非光滑表面热作模具开辟了一条新途径。


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