基于等离子束的铸铁模具表面合金化改性技术研究

摘要

随着产品更新换代速度不断加快，如何快速、低成本地制造模具，已成为当前模具行业的一个重要研究方向。采用铸铁制造模具可以降低制造成本，缩短制造周期，因此在模具的低成本、快速制造方面具有很大的潜力。但是，铸铁表面硬度和耐磨性较低，使其在模具领域的应用受到了限制。等离子束（Plasma Transferred Arc，PTA）表面合金化技术是一种兼具柔性和经济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，本文从提高铸铁模具表面耐磨性的角度出发，以模具中常用的两种典型铸铁材料（灰铸铁和球墨铸铁）为对象，开展了面向铸铁模具的等离子束表面合金化改性技术的研究工作。本文的主要研究内容及成果如下：
　　（1）利用等离子束在灰铸铁表面合金化Ti-Fe合金粉末制备原位TiC颗粒增强合金化层。Ti-Fe合金粉末能够与灰铸铁内的石墨相直接发生原位合成反应，生成原位TiC颗粒。含有原位TiC颗粒的合金化层的显微硬度相比处理前提高约4倍。合金化过程消除了片状石墨的裂纹敏感性、强化了基体的微观组织、引入了TiC增强颗粒，这些改变使合金化表面的抗磨粒磨损、抗粘着磨损和抗疲劳剥落磨损性能都明显高于灰铸铁。这些原因促使TiC合金化层在不同的测试条件下（温度和载荷）的耐磨性普遍高于灰铸铁1~4个数量级。
　　（2）根据Fe-Cu合金的液相分离机制，利用等离子束合金化技术在球墨铸铁表面制备Cu颗粒合金化层。等离子束合金化过程的高冷却速度，使Fe-Cu熔池发生液相分离现象，进而在合金化层内形成球状的富Cu颗粒。等离子束热输入对于Fe-Cu合金化层的形成具有积极影响，当热输入到达一定程度，球墨铸铁表层能够形成单层结构的Cup/Fe合金化层。通过提高功率密度，增加扫描速度的方式可以获得合金化程度更高的合金化层。在高硬度共晶碳化物和马氏体相的相变强化、ε-Cu微粒的析出强化等共同作用下，Cup/Fe合金化层的硬度和耐磨性远高于未处理的球墨铸铁。合金化层内的球状富Cu颗粒不但能够在摩擦过程中形成具有润滑作用的铜膜，而且在热传导过程也表现出积极的作用，这使得Cup/Fe合金化层在提高耐磨性的前提下，兼具了一定的减摩特性和良好的导热性。
　　（3）探讨等离子枪工作距离和枪体偏角两种工艺参数对合金化熔池的影响规律，为优化铸铁模具表面的三维等离子束合金化工艺提供指导。等离子束的工作距离的增加使熔池的输入功率产生变化，由此导致熔池的深度、宽度和熔化效率呈先上升后下降的趋势。因此，当等离子束加工中遇到需要改变工作距离的情况时，需要根据距离改变量的大小，适当调整等离子束的电流值，以平衡实际输入功率的变化。相比之下，枪体偏角的增加对熔池尺寸的影响较小，但是会造成熔池位置的明显偏移。通过增加等离子束电流，以提高等离子束的挺度，可在一定程度上抑制熔池的偏移。
　　（4）为了解决复杂型面模具的表面改性问题，研制了基于机器人的三维等离子束表面加工系统。该系统由工业控制计算机驱动工业机器人和等离子束发生装置协同运动。通过自主开发的控制软件实现了工业控制计算机、工业机器人和等离子束发生装置之间的有效通讯和信息传递。提出了适用于复杂模具表面的等离子束加工工艺规划方法，并研究构建了基于该方法的表征模型、过程实现方法以及相关工艺规划软件。通过对灰铸铁玻璃模具的表面改性处理，验证了所构建的三维等离子束表面加工系统符合预期的设计要求，初步实现了对具有曲面的模具进行等离子束表面改性处理。

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1. 绪论

1.1. 研究背景

1.2. 汽车覆盖件模具的磨损失效及表面强化工艺

1.3. 等离子束表面合金化技术概述

1.4. 铸铁材料等离子束表面合金化工艺研究现状

1.5. 等离子束表面加工设备研究现状

1.6. 本课题的研究意义和内容

2.灰铸铁表面原位TiC颗粒增强合金化层的研究

2.1. 引言

2.2. 试验材料、试样制备及分析方法

2.3. 原位TiC颗粒合金化层的宏观表面形貌

2.4. 原位TiC颗粒合金化层的微观组织分析

2.5. 原位TiC合成机理

2.6. 原位TiC颗粒合金化层的硬度分布

2.7. 原位TiC颗粒合金化层的强化机理

2.8. 原位TiC颗粒合金化层的高温摩擦磨损性能

2.9. 本章小结

3.球墨铸铁表面Cu颗粒合金化层的研究

3.1. 引言

3.2. 试验过程

3.3. 等离子束工艺参数对Fe-Cu合金化层宏观结构的影响

3.4. Fe-Cu合金化层的微观组织

3.5. 富Cu颗粒的形成机制和过程

3.6. Fe-Cu合金化层的硬度分布

3.7. Cup/Fe合金化层的摩擦磨损性能测试

3.8. Cup/Fe合金化层的导热性测试

3.9. 本章小结

4. 三维表面等离子束合金化工艺问题研究

4.1. 引言

4.2. 关于枪口高度的问题

4.3. 关于枪体偏角的问题

4.4. 本章小结

5.三维等离子束表面加工系统的研制

5.1. 引言

5.2. 系统的功能需求分析及其总体方案设计

5.3. 加工实现单元的硬件组成及其控制系统的设计与实现

5.4. 工艺规划方法

5.5. 应用实例

5.6. 本章小结

6. 总结

6.1. 总结

6.2. 本文的创新点

6.3. 研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读博士学位期间的研究成果