热作模具钢表面复合涂层的高温磨损(附件)
摘 要本文是通过钨极氩弧焊熔的技术在H13钢表面制备一层TiC/Ni3Al钢基表面复合材料，并研究H13钢表面涂层磨损性能与H13钢基体摩擦磨损性能之间的区别。结果发现，制备的TiC/Ni3Al复合涂层表层区域TiC颗粒弥散状态多呈等轴状或近似等轴状较为弥散地均匀分布在Ni3Al基体上。熔覆涂层组织是均匀致密，无气孔、空洞等缺陷。TiC颗粒数量会随着TiC含量的增加而增加，分布也更趋均匀。在250N载荷下，H13钢磨损率由室温下的7.773mm3快速升高到26.280mm3。而复合涂层的磨损体积仅从2.323 mm3略微增加到3.765 mm3。相比而言，H13钢复合涂层与基体对比复合涂层具有更优良的耐磨性。关键词 复合涂层，耐磨性，干摩擦，模具钢
目 录
1. 绪 论 1
1.1. 研究目的及意义 1
1.2. 模具钢的磨损机理 1
1.3. 表面复合涂层 2
1.4. 表面涂层技术 3
1.5. 钨极氩弧焊熔敷技术 4
1.6. 影响表面涂层的磨损性能因素 6
2. 实验材料与方法 7
2.1 实验材料 7
2.2 实验过程 7
3. 实验结果与讨论 11
3.1. 表面复合涂层物相分析 11
3.2. 复合涂层的界面形貌与元素分布 12
3.3. 复合涂层与基体的摩擦磨损性能对比 13
3.4. H13钢与复合涂层的磨面形貌 15
3.5. 经济性分析 17
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
绪 论
研究目的及意义
模具的定义是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的，用来制作所要成品的工具的总称。模具被广泛用于冲裁、模锻、冷镦、挤压、压力铸造等各种加工工艺中，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的注塑成形工艺中。模具是非常精密且复杂的工具，设计师在设计时首先要考虑承受坯料的胀力，所以对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度等方面上都会有非常高要求，衡量机械制造水平的重要标志之一就是模具生产技术的发展水平高低[1]。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
H13钢是一种空冷硬化型的热作模具钢，由于其具有优良的中、高温抗拉强度、热硬性、冲击韧性、热稳定性、抗热疲劳性能，所以能被广泛用于制作中型锤锻模、中小机锻模、热挤压模和芯棒以及铝、镁合金压铸模等。但是H13钢作为模具钢来使用时，经常会因为较严重的热磨损从而造成失效。H13模具钢在使用时会受到温度、压力以及其他因素的作用，所以在使用时会产生磨损，所以这就要求模具要有一定耐磨性，可是要让模具钢达到这些要求是件非常难的工艺，单一材料的模具也是很难达到这样的生产要求的，但是选择性能较好的表面涂层却可以很容易的达到这样的要求[2,3]。
表面涂层技术发展到现在已经成为非常重要的一种工艺，涂层的选用也要和所用的模具钢相结合这样才能起到最大作用。模具的工作环境与表面复合涂层的工作环境是相关联的，所以在选用复合涂层种类时要考虑模具的工作条件[4,5]。
模具钢的磨损机理
一般来说工业生产中，材料会由于环境的温度，工作的载荷，工作的时间等各种原因从而造成一定程度的磨损。这些磨损可能会导致工件在工作时产生一些误差和消耗更多的能源，与此同时安全性也可能会受到一定影响。模具在工作时会受到环境温度、载荷、摩擦过程中的物理化学反应的影响，将会改变磨面形貌、磨面物以及磨面亚表层组织性能，同时也改变基体的磨损机理。而这时就需要使用耐磨性能较高的一层复合涂层来保护模具，而涂层在使用中也会由于温度和载荷以及工作环境的条件下产生磨损，一般来说模具的磨损机理有以下四种：黏着磨损、表面疲劳磨损、磨料磨损、腐蚀磨损。镍基涂层的磨损机理主要是黏着磨损，磨损失重会随着温度的升高而逐渐增加。复合涂层的主要的磨损机理，是转移膜的疲劳剥落。转移膜的覆盖面积的特性，是随着温度的升高而逐渐升高的,这会对复合涂层会起到保护作用，随温度的增加，转移膜的疲劳剥落会逐渐减小。
因此在工业生产中我们要尽量的避免和解决磨损，模具使用时一般都会遭受机械磨损[6]，机械磨损有以下这几种类型：
（1）黏着磨损：由于机械零件表面大都是粗糙的，并不是光滑的，所以在两表面互相接触时，实际上是局部之间的点接触。接触点之间会在相对滑动和一定载荷条件的作用下会发生塑性变形或是剪切之类的变化，使得零件表面的温度急剧地升高，从而导致表面膜的破裂，甚至在严重时表面金属还有可能会导致软化或者熔化等现象。接触面会产生黏着之类的现象，由于存在相对运动，所以在旧的戳着点不断被剪断的时候，新的教着点又不断形成。
（2）磨粒磨损：是指材料表面比较硬的颗粒在摩擦过程中会引起材料的脱落的现象。在冶金矿山之类的机械工业中，因为磨粒磨损所引起的损失大约40％。所以由磨粒磨损所引起失效在工程中所占很高比例的。
（3）表面疲劳磨损：在机械表面有摩擦存在的情况下，在这种情况下同时存在交变接触应力，这种应力使得表面产生初生的显微裂纹，裂纹会不断发展从而引起材料微粒脱落的现象叫做疲劳磨损。
（4）腐蚀磨损：当机械零件的两个表面在一定的腐蚀条件下进行摩擦时，表面会产生一些反应产物，反应产物通常在摩擦中磨掉，因为与机械表面的结合能力较弱，露出后的金属又会迅速的生成新的反应物，而新的反应物又会像这样腐蚀和磨损不断重复。
减少机械部件之间的接触面，减少摩擦力大小，尽量避免与腐蚀环境的接触。或者涂上一层耐磨性能较良好的复合涂层。在复合涂层中，陶瓷涂层适用范围最广而且性能比较良好。
表面复合涂层
目前国际对金属间化合物的研究集中于这几种：NiAl系、TiAl系和FeAl系[7]。以Ni3Al为基础材的高温结构材料的突出优点为：高熔点、高密度、较好塑性、高温强度优越、工艺性能较好、成本比较低。
在现如今最有可能应用于高温结构的合金，是NiAl金属间化合物。因为该化合物具有这些优点：熔点高，密度低，良好的抗高温氧化性和耐腐蚀性。科学家研究发现NiAl金属间化合物具有良好的摩擦性能，其在严重磨损条件下依然表现出了巨大的应用潜力。在关于NiAl及其合金磨损性能检测的调查显示中指出，NiAl具有良好的摩擦学性能并且加入陶瓷增强颗粒就能进一步改善其摩擦学性能[89]。
目 录
1. 绪 论 1
1.1. 研究目的及意义 1
1.2. 模具钢的磨损机理 1
1.3. 表面复合涂层 2
1.4. 表面涂层技术 3
1.5. 钨极氩弧焊熔敷技术 4
1.6. 影响表面涂层的磨损性能因素 6
2. 实验材料与方法 7
2.1 实验材料 7
2.2 实验过程 7
3. 实验结果与讨论 11
3.1. 表面复合涂层物相分析 11
3.2. 复合涂层的界面形貌与元素分布 12
3.3. 复合涂层与基体的摩擦磨损性能对比 13
3.4. H13钢与复合涂层的磨面形貌 15
3.5. 经济性分析 17
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
绪 论
研究目的及意义
模具的定义是在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的，用来制作所要成品的工具的总称。模具被广泛用于冲裁、模锻、冷镦、挤压、压力铸造等各种加工工艺中，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的注塑成形工艺中。模具是非常精密且复杂的工具，设计师在设计时首先要考虑承受坯料的胀力，所以对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度等方面上都会有非常高要求，衡量机械制造水平的重要标志之一就是模具生产技术的发展水平高低[1]。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
H13钢是一种空冷硬化型的热作模具钢，由于其具有优良的中、高温抗拉强度、热硬性、冲击韧性、热稳定性、抗热疲劳性能，所以能被广泛用于制作中型锤锻模、中小机锻模、热挤压模和芯棒以及铝、镁合金压铸模等。但是H13钢作为模具钢来使用时，经常会因为较严重的热磨损从而造成失效。H13模具钢在使用时会受到温度、压力以及其他因素的作用，所以在使用时会产生磨损，所以这就要求模具要有一定耐磨性，可是要让模具钢达到这些要求是件非常难的工艺，单一材料的模具也是很难达到这样的生产要求的，但是选择性能较好的表面涂层却可以很容易的达到这样的要求[2,3]。
表面涂层技术发展到现在已经成为非常重要的一种工艺，涂层的选用也要和所用的模具钢相结合这样才能起到最大作用。模具的工作环境与表面复合涂层的工作环境是相关联的，所以在选用复合涂层种类时要考虑模具的工作条件[4,5]。
模具钢的磨损机理
一般来说工业生产中，材料会由于环境的温度，工作的载荷，工作的时间等各种原因从而造成一定程度的磨损。这些磨损可能会导致工件在工作时产生一些误差和消耗更多的能源，与此同时安全性也可能会受到一定影响。模具在工作时会受到环境温度、载荷、摩擦过程中的物理化学反应的影响，将会改变磨面形貌、磨面物以及磨面亚表层组织性能，同时也改变基体的磨损机理。而这时就需要使用耐磨性能较高的一层复合涂层来保护模具，而涂层在使用中也会由于温度和载荷以及工作环境的条件下产生磨损，一般来说模具的磨损机理有以下四种：黏着磨损、表面疲劳磨损、磨料磨损、腐蚀磨损。镍基涂层的磨损机理主要是黏着磨损，磨损失重会随着温度的升高而逐渐增加。复合涂层的主要的磨损机理，是转移膜的疲劳剥落。转移膜的覆盖面积的特性，是随着温度的升高而逐渐升高的,这会对复合涂层会起到保护作用，随温度的增加，转移膜的疲劳剥落会逐渐减小。
因此在工业生产中我们要尽量的避免和解决磨损，模具使用时一般都会遭受机械磨损[6]，机械磨损有以下这几种类型：
（1）黏着磨损：由于机械零件表面大都是粗糙的，并不是光滑的，所以在两表面互相接触时，实际上是局部之间的点接触。接触点之间会在相对滑动和一定载荷条件的作用下会发生塑性变形或是剪切之类的变化，使得零件表面的温度急剧地升高，从而导致表面膜的破裂，甚至在严重时表面金属还有可能会导致软化或者熔化等现象。接触面会产生黏着之类的现象，由于存在相对运动，所以在旧的戳着点不断被剪断的时候，新的教着点又不断形成。
（2）磨粒磨损：是指材料表面比较硬的颗粒在摩擦过程中会引起材料的脱落的现象。在冶金矿山之类的机械工业中，因为磨粒磨损所引起的损失大约40％。所以由磨粒磨损所引起失效在工程中所占很高比例的。
（3）表面疲劳磨损：在机械表面有摩擦存在的情况下，在这种情况下同时存在交变接触应力，这种应力使得表面产生初生的显微裂纹，裂纹会不断发展从而引起材料微粒脱落的现象叫做疲劳磨损。
（4）腐蚀磨损：当机械零件的两个表面在一定的腐蚀条件下进行摩擦时，表面会产生一些反应产物，反应产物通常在摩擦中磨掉，因为与机械表面的结合能力较弱，露出后的金属又会迅速的生成新的反应物，而新的反应物又会像这样腐蚀和磨损不断重复。
减少机械部件之间的接触面，减少摩擦力大小，尽量避免与腐蚀环境的接触。或者涂上一层耐磨性能较良好的复合涂层。在复合涂层中，陶瓷涂层适用范围最广而且性能比较良好。
表面复合涂层
目前国际对金属间化合物的研究集中于这几种：NiAl系、TiAl系和FeAl系[7]。以Ni3Al为基础材的高温结构材料的突出优点为：高熔点、高密度、较好塑性、高温强度优越、工艺性能较好、成本比较低。
在现如今最有可能应用于高温结构的合金，是NiAl金属间化合物。因为该化合物具有这些优点：熔点高，密度低，良好的抗高温氧化性和耐腐蚀性。科学家研究发现NiAl金属间化合物具有良好的摩擦性能，其在严重磨损条件下依然表现出了巨大的应用潜力。在关于NiAl及其合金磨损性能检测的调查显示中指出，NiAl具有良好的摩擦学性能并且加入陶瓷增强颗粒就能进一步改善其摩擦学性能[89]。
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