模具材料表面等离子喷焊层的制备及性能研究

摘要

模具是用来制作成型物品的工具，现已成为制造业的重要核心部分。其种类繁多，如冲压模具、塑料模具、压铸模具、玻璃模具等，应用也十分广泛。模具在服役过程中会受到高温、高压、交变热应力等影响，特别是模具的成型零件与制品之间产生摩擦磨损，这些因素会造成模具零件，特别是成型零件的失效或报废。如何修复模具，提高模具耐磨性能，延长模具使用寿命等工作是模具领域的重要研究课题。
　　本文以等离子喷焊技术为手段，选择45钢、H13热作模具钢、HT250灰口铸铁为基材，选用镍基合金粉末Ni45A和Ni60B，制备45钢-Ni45A、45钢-Ni60B、H13-Ni45A、HT250-Ni45A喷焊试样。研究等离子喷焊层制备的工艺参数，喷焊层与基材的结合情况，微观组织，力学性能，以及摩擦磨损性能。主要研究内容和结论如下：
　　1.对等离子喷焊层的微观组织研究表明：45钢-Ni45A和45钢-Ni60B喷焊层的显微组织主要为胞状晶和树枝晶，H13-Ni45A和HT250-Ni45A喷焊层的显微组织主要为胞状晶和柱状晶。经 EDS分析发现，合金元素在喷焊层与基材之间相互扩散，喷焊层与基材形成明显的结合区。经SEM分析发现，各喷焊层中均存在白色和灰色相，在45钢-Ni60B和HT250-Ni45A喷焊层中还存在黑色相。通过XRD分析得出，各喷焊层中均含有富Ni的γ-Ni、FeNi3等基体相和M7C3(Cr7C3、(Cr,Fe)7C3)、M23C6(Cr23C6、(Cr,Fe)23C6)等硬质相，其中(Cr,Fe)7C3、(Cr,Fe)23C6分别是以Cr7C3、Cr23C6为基础，溶有Fe原子的碳化物。白色相主要为含Ni、Fe的化合物，灰色相主要为M7C3碳化物，黑色相主要为M23C6碳化物。
　　2.力学性能研究表明：等离子喷焊层的显微硬度均明显高于基材，Ni60B喷焊层的显微硬度高于Ni45A喷焊层的显微硬度。细小的M23C6、M7C3等碳化物能提高抗拉强度和屈服强度。
　　3.对等离子喷焊层的摩擦磨损性能研究表明：随摩擦磨损时长和载荷的增加，45钢-Ni45A和45钢-Ni60B喷焊层的摩擦系数减小，磨损量增加。45钢-Ni45A喷焊层的摩擦系数能达到0.15，45钢-Ni60B喷焊层的摩擦系数能达到0.11，均明显低于基材45钢的摩擦系数（约0.7）。45钢-Ni60B喷焊层较45钢-Ni45A喷焊层的耐磨性好。在摩擦磨损前期，45钢-Ni45A喷焊层磨损面出现少量的粘着颗粒，45钢-Ni60B喷焊层磨损面为轻微磨损，磨损机制主要为粘着磨损。随摩擦时长和载荷的增加，45钢-Ni45A喷焊层磨损面出现磨损凹坑，45钢-Ni60B喷焊层磨损面出现犁沟，甚至有较大的剥落坑，磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损。
　　4.本文研究表明：在45钢、H13、HT250基材上喷焊Ni45A、Ni60B合金粉末制备喷焊层以修复模具材料是可行的，喷焊层与基材可以达到冶金结合。

目录

声明

1 绪论

1.1 模具发展现状

1.2 模具材料种类

1.3 模具失效形式

1.4 模具修复方式

1.5 等离子喷焊

1.6 摩擦磨损理论

1.7 研究目的、内容及技术路线

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法及试样制备

3.1 前言

3.2 试样显微组织分析

3.3 试样XRD物相分析和EDS成分分析

3.4 本章小结

4 等离子喷焊试样力学性能研究

4.1 前言

4.2 试样硬度分析

4.3 试样拉伸性能研究

4.4 本章小结

5 摩擦磨损性能研究

5.1 前言

5.2 Ni45A和Ni60B喷焊层摩擦磨损性能研究

5.3 Ni45A和Ni60B喷焊层磨损机制分析

5.4 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢