基于等離子束的鑄鐵模具表面合金化改性技術(shù)研究.pdf

1、隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度不斷加快，如何快速、低成本地制造模具，已成為當(dāng)前模具行業(yè)的一個(gè)重要研究方向。采用鑄鐵制造模具可以降低制造成本，縮短制造周期，因此在模具的低成本、快速制造方面具有很大的潛力。但是，鑄鐵表面硬度和耐磨性較低，使其在模具領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。等離子束（Plasma Transferred Arc，PTA）表面合金化技術(shù)是一種兼具柔性和經(jīng)濟(jì)性的材料表面加工方法，可以有效提高基材的表面性能。因此，本文從提高鑄鐵模具表面耐磨性的

2、角度出發(fā)，以模具中常用的兩種典型鑄鐵材料（灰鑄鐵和球墨鑄鐵）為對(duì)象，開展了面向鑄鐵模具的等離子束表面合金化改性技術(shù)的研究工作。本文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：
　?。?）利用等離子束在灰鑄鐵表面合金化Ti-Fe合金粉末制備原位TiC顆粒增強(qiáng)合金化層。Ti-Fe合金粉末能夠與灰鑄鐵內(nèi)的石墨相直接發(fā)生原位合成反應(yīng)，生成原位TiC顆粒。含有原位TiC顆粒的合金化層的顯微硬度相比處理前提高約4倍。合金化過程消除了片狀石墨的裂紋敏感性、強(qiáng)化了

3、基體的微觀組織、引入了TiC增強(qiáng)顆粒，這些改變使合金化表面的抗磨粒磨損、抗粘著磨損和抗疲勞剝落磨損性能都明顯高于灰鑄鐵。這些原因促使TiC合金化層在不同的測(cè)試條件下（溫度和載荷）的耐磨性普遍高于灰鑄鐵1~4個(gè)數(shù)量級(jí)。
　?。?）根據(jù)Fe-Cu合金的液相分離機(jī)制，利用等離子束合金化技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備Cu顆粒合金化層。等離子束合金化過程的高冷卻速度，使Fe-Cu熔池發(fā)生液相分離現(xiàn)象，進(jìn)而在合金化層內(nèi)形成球狀的富Cu顆粒。等離子束熱

4、輸入對(duì)于Fe-Cu合金化層的形成具有積極影響，當(dāng)熱輸入到達(dá)一定程度，球墨鑄鐵表層能夠形成單層結(jié)構(gòu)的Cup/Fe合金化層。通過提高功率密度，增加掃描速度的方式可以獲得合金化程度更高的合金化層。在高硬度共晶碳化物和馬氏體相的相變強(qiáng)化、ε-Cu微粒的析出強(qiáng)化等共同作用下，Cup/Fe合金化層的硬度和耐磨性遠(yuǎn)高于未處理的球墨鑄鐵。合金化層內(nèi)的球狀富Cu顆粒不但能夠在摩擦過程中形成具有潤(rùn)滑作用的銅膜，而且在熱傳導(dǎo)過程也表現(xiàn)出積極的作用，這使得Cu

5、p/Fe合金化層在提高耐磨性的前提下，兼具了一定的減摩特性和良好的導(dǎo)熱性。
　?。?）探討等離子槍工作距離和槍體偏角兩種工藝參數(shù)對(duì)合金化熔池的影響規(guī)律，為優(yōu)化鑄鐵模具表面的三維等離子束合金化工藝提供指導(dǎo)。等離子束的工作距離的增加使熔池的輸入功率產(chǎn)生變化，由此導(dǎo)致熔池的深度、寬度和熔化效率呈先上升后下降的趨勢(shì)。因此，當(dāng)?shù)入x子束加工中遇到需要改變工作距離的情況時(shí)，需要根據(jù)距離改變量的大小，適當(dāng)調(diào)整等離子束的電流值，以平衡實(shí)際輸入功率的

6、變化。相比之下，槍體偏角的增加對(duì)熔池尺寸的影響較小，但是會(huì)造成熔池位置的明顯偏移。通過增加等離子束電流，以提高等離子束的挺度，可在一定程度上抑制熔池的偏移。
　　（4）為了解決復(fù)雜型面模具的表面改性問題，研制了基于機(jī)器人的三維等離子束表面加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人和等離子束發(fā)生裝置協(xié)同運(yùn)動(dòng)。通過自主開發(fā)的控制軟件實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人和等離子束發(fā)生裝置之間的有效通訊和信息傳遞。提出了適用于復(fù)雜模具表面