等离子熔覆修复塑料模具的工艺与实验研究

摘要

本文针对目前模具修复技术中存在的不足，对等离子熔覆技术和其他表面修复技术的优缺点进行了较详细的比较分析，通过对国内外研究现状的分析，以718H模具钢和45钢基体材料、Fe基合金粉末为研究对象，通过两组正交试验的对比，分别总结了熔覆工艺参数对熔覆层平均厚度、平均宽度和宏观气孔数量的影响情况，然后详细地分析了多道熔覆层搭接区域、非搭接区域和单道熔覆层的显微组织和显微硬度，并对基体、单道熔覆层和多道熔覆层的耐磨性能进行了比较，最后分析了熔覆过程中容易产生气孔和裂纹缺陷的原因和预防措施。具体的研究内容如下:
　　第一，为了更好地研究等离子熔覆技术的工艺和原理，对等离子熔覆处理系统的组成、等离子熔覆原理以及熔覆特点进行了研究，并分析总结了电离气流量、保护气流量、等离子炬到工件的距离、工作电流、等离子炬的扫描速度、基体预热温度和送粉量这些工艺参数对熔覆层效果的影响情况。
　　第二，为了对Fe基合金粉末等离子熔覆718H模具钢和45钢熔覆层的组织和性能进行研究，以718H模具钢和45钢为实验基体材料，以Fe基合金粉末为实验粉末进行研究，采用基于正交试验的718H模具钢的试验方案，选择了4水平7因素的正交表进行研究，确定各试验参数范围:工作电流100～280A，等离子炬的扫描速度100～700mm/min，等离子炬到工件距离12～21mm，基体预热温度150～300℃，送粉量140～260 g/min，电离气流量2～8L/min，保护气体流量1～4L/min;
　　采用基于正交试验的45钢的试验方案，选择了3水平6因素的正交表进行研究，确定各试验参数范围:工作电流80～150A，等离子炬的扫描速度200～400mm/min，等离子炬到工件距离8～12mm，送粉量180～260 g/min，电离气流量2～4L/min，保护气体流量1～3L/min。
　　第三，采用极差分析法对基于正交试验的718H模具钢的实验结果进行了分析，重点分析了熔覆工艺参数对平均厚度、平均宽度和宏观气孔数量这三个评价指标的影响，并运用综合平衡法分析得出最优工艺参数为:工作电流220A，等离子炬的扫描速度500mm/min，等离子炬到工件距离12 mm，预热温度150℃，送粉量220 g/min，电离气流量8 L/min，保护气流量3 L/min;借助MR5000金相显微镜观察分析了718H模具钢熔覆层、热影响区和基体的显微组织，采用HV-1000显微硬度计依次测量各区域的显微硬度，研究表明硬度分布大致呈三级梯度分布，熔覆层的硬度高于热影响区的硬度，热影响区硬度高于基体的硬度。采用极差分析法对基于正交试验的45钢的实验结果进行了分析，重点分析了熔覆工艺参数对平均厚度、平均宽度和宏观气孔数量这三个评价指标的影响，并用综合平衡法分析得出最优工艺参数为:工作电流150A，等离子炬的扫描速度200 mm/min，等离子炬到工件的距离12 mm，送粉速率260 g/min，电离气流量4 L/min，保护气流量2 L/min。接着详细地分析了45钢熔覆层、热影响区和基体的显微组织，依次测量各区域的显微硬度并分析其原因，研究表明45钢硬度分布是从基体到表面硬度大致呈梯度分布，熔覆层的硬度高于热影响区的硬度，热影响区的硬度高于基体的硬度。
　　第四，为了研究等离子单道和多道熔覆层组织和性能上的差异，借助MR5000金相显微镜观察对单道熔覆、多道熔覆的搭接区域和非搭接区域熔覆层的横截面进行了显微组织分析，运用D/MAX-Ultima(Ⅳ)型X射线衍射仪对基体材料、718H模具钢的单道熔覆层和多道熔覆层进行了物相分析，采用HV-1000显微硬度计依次测量单道熔覆和多道熔覆的显微硬度，采用MRH-3型环块磨损试验机对基体材料、多道熔覆层和单道熔覆层试样进行了摩擦磨损实验，试验结果表明基体材料、多道熔覆和单道熔覆试样的磨损量分别是4.1mg，1.8mg和1.2mg，单道熔覆和多道熔覆的磨损量比基体的磨损量小，原因是单道和多道熔覆层中的合金元素起到了固溶强化和第二项强化的作用;最后分析了熔覆过程中产生气孔和裂纹的原因，并提出预防措施。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 塑料模具的修复

1．2．1 塑料模具的分类

1．2．2 塑料模具钢的基本性能要求

1．2．3 塑料模具的主要失效形式

1．2．4 塑料模具的修复技术

1．3 课题研究的来源、国内外研究现状及课题内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 国内外研究现状

1．3．3 课题研究的内容

1．3．4 拟解决的关键问题

1．4 本章小结

第二章 等离子熔覆设备与熔覆工艺

2．1 等离子熔覆设备

2．2 等离子熔覆原理

2．3 等离子熔覆特点

2．4 等离子熔覆工艺参数

2．4．1 电离气流量和保护气流量

2．4．2 等离子炬到工件的距离

2．4．3 电流

2．4．4 等离子炬的扫描速度

2．4．5 基体预热温度

2．4．6 送粉速率

2．5 本章小结

第三章 等离子熔覆实验材料选择与工艺方案制定

3．1 试验材料

3．1．1 基体材料

3．1．2 粉末材料

3．2 基于正交试验的718H钢实验方案设计

3．3 基于正交试验的45钢实验方案设计

3．4 本章小结

第四章 等离子熔覆实验结果及分析

4．1 基于正交试验的718H模具钢实验结果及分析

4．1．1 熔覆层的表面形貌

4．1．2 熔覆工艺参数对平均厚度的影响分析

4．1．3 熔覆工艺参数对平均宽度的影响分析

4．1．4 熔覆工艺参数对横截面宏观气孔数量的影响分析

4．1．5 熔覆工艺参数对三个评价指标的综合分析

4．2 等离子熔覆涂层显微组织特征及显微硬度

4．2．1 金相试样的制备和金相显微镜介绍

4．2．2 等离子熔覆显微组织特征

4．2．3 等离子熔覆层的显微硬度

4．3 基于正交试验的45钢实验结果及分析

4．3．1 熔覆层的表面形貌

4．3．2 熔覆工艺参数对平均宽度的影响分析

4．3．3 熔覆工艺参数对平均厚度的影响分析

4．3．4 熔覆工艺参数对横截面气孔数量的影响分析

4．3．5 熔覆工艺参数对三个评价指标的综合分析

4．4 45号钢显微组织与硬度分析

4．4．1 45号钢显微组织分析

4．4．2 45钢熔覆层的显微硬度分布

4．5 本章小结

第五章 等离子熔覆单道与多道熔覆层分析

5．1 等离子单道熔覆与多道熔覆的工艺

5．2 等离子单道熔覆与多道熔覆涂层的显微组织

5．2．1 等离子单道熔覆和多道熔覆涂层的物相分析

5．2．2 等离子单道熔覆与多道熔覆涂层的金相组织

5．3 等离子单道熔覆与多道熔覆涂层的显微硬度

5．4 等离子熔覆单道与多道涂层的耐磨性

5．4．1 磨擦磨损试验机

5．4．2 摩擦磨损试验过程

5．4．3 摩擦磨损试验结果及分析

5．5 熔覆缺陷的产生原因及预防措施

5．5．1 气孔的产生原因及预防措施

5．5．2 裂纹的产生原因及预防措施

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢