（材料加工工程專業(yè)論文）h13齒輪精鍛模具失效分析與表面強化研究.pdf

摘要 h 1 3 齒輪精鍛模具在鍛造生產(chǎn)及使用過程中 不斷承受冷熱交變的熱作用和 沖擊載荷 容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋 磨損以及開裂等形式的失效 導致模具壽命大 大降低 因此 進行h 1 3 齒輪精鍛模具失效分析并提出相應強化措施 對延長模 具壽命有著十分重要的現(xiàn)實意義 本文結(jié)合某廠的實際情況 從結(jié)構(gòu)設計 加工工藝 工作條件 保養(yǎng)維護等 方面 對h 1 3 齒輪精鍛模具進行綜合失效分析 利用磁控濺射和離子鍍方法在h 1 3 鋼基體上沉積砸n t i y n 薄膜 利用金相顯微鏡 掃描電鏡 s e m 觀察分析薄 膜的表面形貌 利用s e m 技術(shù) x 射線衍射能譜分析 x r d 對薄膜的成分及相 結(jié)構(gòu)進行分析 對薄膜的顯微硬度 膜 基結(jié)合強度 高溫摩擦磨損性能 抗高 溫氧化能力等性能進行測試 分析兩種沉積方法對h 1 3 鋼表面的強化效果 以及 稀土元素y x j t i n 薄膜性能的影響 并重點探討稀土元素y 在其中的強化機理 分析結(jié)果表明 h 1 3 齒輪精鍛模具的三種主要失效形式為齒面磨損 齒頂壓 塌和整體斷裂 回火軟化使模具的表面硬度下降 另外芯部強度也很低 從而造 成高溫摩擦時的型腔棱角磨損 齒頂部分的硬度過低 致使其高溫強度不夠 是 引起齒頂壓塌的主要原因 在高溫 低速 重載的工作環(huán)境下 齒輪精鍛模具內(nèi) 部的微小裂紋擴展 導致模具的整體開裂 鍍膜試驗的研究表明 采用合理的試驗方案及工藝參數(shù) 利用磁控濺射及離 子鍍設備可以在h 1 3 鋼基體上制備出具有良好綜合性能的t i n t i y n 薄膜 大 大改善了h 1 3 鋼的高溫耐磨減摩性能及抗高溫氧化能力 在可比的沉積工藝下 離子鍍膜的耐磨效果和抗高溫氧化性能更佳 而磁控濺射與離子鍍制備的同類薄 膜的摩擦系數(shù)差異不大 另外 不論是磁控濺射還是離子鍍膜 添加稀土元素y 后 除顯微硬度有所降低外 t e n 薄膜的致密度 膜一基結(jié)合強度 抗磨減摩性 能及抗高溫氧化能力都有明顯的提高 相比較而言 稀土元素y 的加入對離子 鍍膜的改善效果更為明顯一些 關鍵詞 h 1 3 齒輪精鍛模具 稀土元素y t i n 系列薄膜 磁控濺射 離子 鍍 摩擦磨損性能 抗高溫氧化性能 a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so ff o r g i n ga n dw o r k i n g h 1 3g e a rd i e sf o rp r e c i s i o nf o r g i n g c o n t i n u o u s l yb e a rh e a t c o l da l t e m a t et h e r m a ll o a da n di m p u l s i v el o a d b e c a u s eo f t h o s ea b o v er e a s o n s t h ed i e se a s i l yf o r mf a i l u r e so fh e a tf a t i g u ef l a w w e a ra n d d e h i s c e n c e r e s u l t i n gi nt h ed i e sl i f ef a l l i n gc o n s u m e d l y t h u si ti ss i g n i f i c a n tt oc a r r y o u tf a i l u r ea n a l y s i sa n ds t r e n g t h e n i n gm e a s u r ef o rp r o l o n g i n gh 1 3g e a rd i e sl i f e t h et h e s i sc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gs e c t o r s b a s e do np r a c t i c a lc o n d i t i o n so f c e r t a i nf a c t o r y t h es y n t h e t i c a lf a i l u r ea n a l y s i so fh 1 3g e a rd i e sf o rp r e c i s i o nf o r g i n g w a sc a r r i e do u ti nv i e wo fs t r u c t u r a ld e s i g n m a c h i n i n gp r o c e s s s e r v i c ec o n d i t i o n sa n d m a i n t e n a n c e t i na n dt i y nc o a t i n g sw e r eo b t a i n e do i lh 1 3s t e e lu s i n gt h et e c h n i q u e s o fm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n di o np l a t i n g s u r f a c et o p o g r a p h yo fc o a t i n g sw a sa n a l y z e d b yu s eo fm e t a l l o s t a p h i cm i c r o s c o p ea n ds e m t h ec o m p o s i t i o na n dp h a s es t r u c t u r e o fc o a t i n g sw a s i n v e s t i g a t e du t i l i z i n g s e ma n d x r d m i c r o h a r d n e s s c o a t i n g s u b s t r a t eb i n d i n gs t r e n g t h h i g h t e m p e r a t u r ew e a ra n df r i c t i o np e r f o r m a n c e a n dh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o np e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c t o ft w o d e p o s i t i n gm e t h o do nh 1 3 s t e e ls u r f a c ea n di n f l u e n c eo fr ee l e m e n tyf o rt i n f i l mp e r f o r m a n c ea n dh i g l ls p o tr e v i e ws t r e n g t h e n i n gm e c h a n i c sw c r cs t u d i e d a n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h r e em a i nf a i l u r ef o r m so fh 1 3g e a rd i e sf o r p r e c i s i o nf o r g i n ga r es u r f a c ea b r a s i o n a d d e n d u mc o l l a p s ea n db o d yf r a c t u r e t e m p e r m o l l i f i c a t i o nr e d u c e st h es u r f a c eh a r d n e s so fd i ea n di n t e r i o rs t r e n g t hi sv e r yl o w s o c o m e ra n g l e so fi m p r e s s i o na r ea b r a s e dw h e nh i g ht e m p e r a t u r ef r i c t i o n a lw e a ro c c u r s t h eh a r d n e s so fa d d e n d u mi st o ol o wa n dt h eh i g h t e m p e r a t u r es t r e n g t ho ft h ed i ei s n o th i g hc n o u g h w h i c hl e a d st ot h ea d d e n d u mc o l l a p s e i nt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t o fh i g h t e m p e r a t u r e l o ws p e e da n dh e a v y d u t i e s t h ei n t e r i o rs m a l le x p a n s i o no f c r a c k so ng e a rd i e sl e a d st ob o d yf r a c t u r e r e s e a r c ho nt h ep l a t i n gt e s ts h o w st h a th i g h g r a d et i na n dt i y n c o a t i n g sc a nb e d e p o s i t e do nh 1 3s t e e lu s i n gr a t i o n a lt e s ts c h e m ea n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t i na n d t i y n c o a t i n g sl a r g e l yi m p r o v e t h ew e a ra n df r i c t i o n p e r f o r m a n c e a n d h i g h t e m p e r a t u r e a n t i o x i d a t i o np e r f o r m a n c eo fh 1 3s t e e l i nt h e c o m p a r a b l e c o n d i t i o n so fd e p o s i t i n gp r o c e s s t h ec o a t i n g sg a i n e db yt h ei o np l a t i n ge x p e r i m e n t h a v eb e t t e rw e a r r e s i s t i n ge f f e c ta n d h i g h t e m p e r a t u r ea n t i o x i d a t i o np e r f o r m a n c e t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nf r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h e s a m p l e sg a i n e db ym a g n e t r o n s p u t t e r i n gt e s ta n di o np l a t i n g t e s ti sn o ta p p a r e n t i n a d d i t i o n t h et i g i l t n e s s c o m i n g s u b s t r a t eb o n ds t r e n g t h w e a r r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e a n t f f r i c t i o np e r f o r m a n c ea n dh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o np e r f o r m a n c eo f t i nf i l m sa r ea p p a r e n t l yi n c r e a s e da f t e ra d d i n gk e y e x c e p tt h a tt h em i c r o h a r d n e s s d e c r e a s e dal i t t l e i nc o m p a r i s o n t h ee f f e c to fa d d i n gr ee l e m e n tyi ni o np l a t i n g e x p e r i m e n ti sa p p a r e n t k e yw o r d s h 1 3g e a rd i e sf o rp r e c i s i o nf o r g i n g r ee l e m e n ty t i ns e r i a l c o a t i n g s m a g n e t r o ns p u t t e r i n g i o np l a t i n g w e a r a n df r i c t i o n p e r f o r m a n c e h i g l l t e m p e r a t u r ea n t i o x i d a t i o np e r f o r m a n c e i 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解適菱太堂有關保留 使用學位論文 的規(guī)定 有權(quán)保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁 盤 允許論文被查閱或借閱 本人授權(quán)塹薟太堂可以將學位論文 的全部或部分論文內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復制手段保存 匯編學位論文 本學位論文屬于 保密口在年解密后適用本授權(quán)書 不保密囪 學位論文作者簽名 考七政 簽字日期 鑼f 年f 月 日 導師簽名 2 諺m 簽字日期 獷 年協(xié)月眵日 獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師指導下進行的 研究工作及取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中已注明引用的內(nèi)容 以外 論文中不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得江蒸太堂或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用 過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由 本人承擔 學位論文作者簽名 李節(jié)哦 簽名日期 秒6 年j1 月知日 江蘇大學碩士學位論文 第一章緒論 首先簡單介紹了齒輪精鍛技術(shù)的概況 熱作模具的失效分析 h 1 3 熱作模具鋼 的表面強化技術(shù)及t i n 系列薄膜的研究現(xiàn)狀 在此基礎上提出了本文選題的依據(jù)及 主要研究內(nèi)容 1 1 齒輪精鍛概述 1 1 1 精密成型技術(shù) 制造技術(shù)是將原材料轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品的技術(shù)總稱 是國民經(jīng)濟得以發(fā)展 制造業(yè) 本身賴以生存的主體技術(shù) 隨著人們對產(chǎn)品要求的日益多樣化 些先進制造技 術(shù)也順勢發(fā)展起來 而少 無切削是先進制造技術(shù)發(fā)展的主要方向之一 先進制 造技術(shù) 1 a m t 是傳統(tǒng)制造技術(shù)不斷吸收機械 電子 信息 材料 能源及現(xiàn)代 管理等技術(shù)成果 將其綜合應用于制造全過程 實現(xiàn)優(yōu)質(zhì) 高效 低耗 清潔 靈活生產(chǎn) 取得理想技術(shù)經(jīng)濟效果的制造技術(shù)的總稱 而精密成形技術(shù)則是先進 制造技術(shù)中的重要組成部分 精密成形技術(shù)是指零件成形后 僅需少量加工 凈成形技術(shù) n e ts h a p ep r o c e s s t e c h n i q u e 或不再加工 近凈成形技術(shù) n e a r n e ts h a p ep r o c e s st e c h n i q u e 就可用 作機械構(gòu)件的成形技術(shù) 是現(xiàn)代電子技術(shù) 計算機技術(shù) 新材料技術(shù) 精密加工 和測量技術(shù)與傳統(tǒng)成形技術(shù) 鑄造 鍛壓 焊接 切割等 相結(jié)合的產(chǎn)物 它改造 了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù) 不僅縮短產(chǎn)品制造周期 降低成本 減輕重量 更重要 的是可以獲得一定的化學成分 組織結(jié)構(gòu)與性能 提高零件最終尺寸精度和粗糙 度 大大提高了產(chǎn)品的安全 可靠性與壽命 是提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量的關鍵技術(shù) 精密成形技術(shù)包括精密模鍛 精密沖壓 精密焊接 粉末冶金鍛造等成形工 藝 它的方向是精密化 高效化 強韌化 輕量化嘲 精密成形技術(shù)在各個領域中 都有著極為廣泛的應用 特別是在汽車 宇航 機械 電子等支柱產(chǎn)業(yè)中起到至 關重要的作用 它的發(fā)展對提高一個國家的工業(yè)競爭力有著重大影響 美國競爭 委員會在1 9 9 1 年向美國總統(tǒng)提交的美國未來技術(shù)優(yōu)先權(quán)的研究報告中 把精密成 形與加工技術(shù)列為美國處于柔弱地位的技術(shù) 建議政府予以重視與支持 江蘇大學碩士學位論文 1 1 2 齒輪精鍛技術(shù) 齒輪是傳遞運動和動力的最基本部件之一 廣泛應用于汽車 拖拉機 機床 農(nóng)機具等機械傳動系統(tǒng)中 傳統(tǒng)的齒輪生產(chǎn)工藝是切削加工 包括普通鍛造毛坯 粗加工 切齒等工藝過程 該成型方法生產(chǎn)效率低 材料利用率低 工藝流程長 已不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需要 多年來 各國的專家都努力發(fā)展齒輪的少 無切削加工工藝 而齒輪精鍛技術(shù)就是實現(xiàn)這一目標的典型工藝手段 齒輪精鍛技術(shù)就是指通過精密鍛造直接獲得完整齒形 且齒面不需或僅需少 許精加工即可使用的齒輪鋁4 造技術(shù) 全套工藝主要有選材 下料 精鍛 切邊 機械加工 包括工裝夾具設計 熱處理 零件檢測等過程 是一種少 無切削 的精密成形加工工藝 目前的各種精鍛齒輪 精度能達到j b l 0 0 6 0 圓錐齒輪傳動 公差1 標準中的8 1 1 級精度 小批量可達7 級精度 并且所得齒輪的表面光潔度高 可高達砌0 8 o 劫m 表面質(zhì)量良好 在汽車 拖拉機 輪船 機床 工具等領域 里得到廣泛應用 齒輪精鍛技術(shù)的特點如 f t 3 4 1 一是改善了齒輪的組織和性能 精鍛使金屬三 向受壓 晶粒及組織變細 致密度提高 微觀缺陷減少 精鍛還使金屬流線沿齒 形連續(xù)均勻分布 模鍛后殘余應力的數(shù)值小 熱處理引起的齒形變形也較小 提 高了齒輪的機械性能 一般來說 精鍛可使齒輪強度提高2 0 以上 抗沖擊強度 提高約1 5 抗彎曲疲勞壽命提高2 0 二是精度能都達到精密級公差 余量標 準 不需或只需少量精加工就可以進行熱處理或直接使用 提高了生產(chǎn)效率及材 料利用率 降低了生產(chǎn)成本 一般來說 精鍛可使生產(chǎn)效率提高1 倍以上 材料利 用率提高4 0 左右 批量生產(chǎn)成本降低3 0 以上 根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟分析 零件的批 量在2 0 0 0 4 牛以上時 精密模鍛將顯示其優(yōu)越性 若現(xiàn)有的鍛造和加熱設備能夠滿 足工藝要求 批量在5 0 0 4 牛以上時便可以采用精密模鍛技術(shù)進行生產(chǎn)1 5 1 三是節(jié)省 大量的機床與場地 并且精鍛齒輪的嚙合噪音小 具有重大的經(jīng)濟效益與社會效 益 表1 1 是由合肥星鴻機械制造廠提供的有關切齒工藝與精鍛工藝的經(jīng)濟效益比 較 從中可以看出 齒輪精鍛技術(shù)具有很明顯的優(yōu)勢 2 江蘇大學碩士學位論文 表1 1n j 1 3 0 汽車差速器行星齒輪的經(jīng)濟效益比較 t a b l e l i t h ee c o n o m i c a lb e n e f i t c o m p a r i o n o f p l a n e l b e v e l g e a r f o r n j 1 3 0 齒輪的精密模鍛技術(shù)是難度較大的精密成型技術(shù)之一 首先是因為齒輪各部 位的不均勻變形 增加了模具制造的難度 另外 由于捎鍛齒輪的齒面不再進行 后續(xù)加工 精度要求比較高 周齒跳動量只允許在0 1 5 r a m 之內(nèi) 這無疑對模具材 料及制造過程提出了更高的要求 但是隨著模具設計制造技術(shù)尤其是鍛壓機械的 快速發(fā)展 齒輪精鍛工藝的研究和應用已經(jīng)成熟 在國外 原西德的伯威爾輕金屬公司在2 0 世紀5 0 年代就取得了該項技術(shù)的專 利 目前該公司采用摩擦壓力機精鍛傘齒輪和圓柱齒輪的種類多達1 0 0 多種 年產(chǎn) 量達到了1 0 0 0 萬件的水平 精鍛齒輪的齒面粗糙度達到 1 6 m 接近齒根處為 r a 3 劾m(xù) 齒頂圓角為r 0 6 0 8 m m 齒形不再進行切削加工 齒形精度達到 d i n 6 級 節(jié)約材料2 0 3 0 機械性能提高1 5 3 0 1 9 6 4 年開始 伯威爾 輕金屬公司與日本三菱金屬礦業(yè)公司合作 精鍛生產(chǎn)商業(yè)齒輪 此后 這種齒輪 精密模鍛工藝被日本 美國 英國 法國等國家引進 并用于批量生產(chǎn) 我國的齒輪精鍛技術(shù)是自行研制成功并開始應用的 6 0 年代末開始研究齒輪 的精鍛工藝 7 睥代末正式應用于生產(chǎn) 上海汽車齒輪廠是國內(nèi)首家用精鍛工藝 批量生產(chǎn)齒輪的廠家 目前該廠采用新工藝在3 0 0 0 k n 摩擦壓力機上對t 2 3 4 差速器 行星齒輪進行精密模鍛 其經(jīng)濟效益十分顯著 青島精鍛齒輪廠建立于2 0 世紀7 0 年代末 是我國較早的精密模鍛齒輪專業(yè)化廠 其產(chǎn)品以一汽小解放和b j l 3 0 汽車 差速器齒輪最為典型 該廠至今已先后生產(chǎn)了1 2 個車型2 0 多個品種的汽車行星齒 輪和半軸齒輪 目前具備年產(chǎn)3 0 0 萬件的生產(chǎn)能力 江蘇泰縣精鍛齒輪廠1 9 8 9 年即 年產(chǎn)直傘齒輪1 3 0 多萬件 目前該廠已成熟應用 一火兩鍛 新工藝 年產(chǎn)量高達7 0 0 3 江蘇大學碩士學位論文 多萬件 產(chǎn)值上億元 產(chǎn)量占全國精鍛齒輪產(chǎn)量一半以上 已成為我國重要的直 傘齒輪生產(chǎn)基地 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)尤其是汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展 對精鍛齒輪在精度 性能 質(zhì)量 等方面提出更高的要求 也推動了齒輪精鍛技術(shù)的更快發(fā)展 在已經(jīng)成熟的熱精鍛技 術(shù)基礎上 國內(nèi)外專家就節(jié)材 高效和提高加工精度等方面對齒輪精鍛工藝進行了改 進與拓展 齒輪的溫鍛 冷鍛 冷擺輾成形 溫擺輾成形 液態(tài)模鍛等新成形工藝不 斷被開發(fā) 應用 其中 齒輪的溫鍛技術(shù)正被國內(nèi)外專家研究 試驗結(jié)果已經(jīng)達到流 動應力較低 成形性能好 鍛件尺寸精確的目的 且研究結(jié)果已經(jīng)逐步開始應用于生 產(chǎn)實踐 具有廣闊的發(fā)展前景 另外 為了提高精度和表面質(zhì)量 解決一直困擾專業(yè) 齒輪廠的齒輪熱精鍛精度的技術(shù)難題 齒輪的精鍛技術(shù)正在向冷精鍛方向拓展 對于 齒輪采用冷擺輾成形 可以省去加熱設備及有關的能源消耗 且由于擺輾件金屬纖維 分布合理 加之擺輾過程中的機械強化作用 可大大提高齒輪的機械強度 同時加工 精度和表面質(zhì)量亦大大改善 冷擺輾設備的出現(xiàn)及其工藝技術(shù)的發(fā)展 為齒輪的制造 加工開辟了一條全新的成功道路 其研究應用正日益受到世界各國的重視 1 2 熱作模具的失效分析m 棚 模具受到損壞 不能通過修復而繼續(xù)服役時稱為模具失效 模具的失效形式 一般分為正常失效和非正常失效 正常失效是有預料的早期適應性運行和晚期損 耗達到設計壽命的失效 比較安全 而非正常失效是在模具正式工作期間 遠低 于設計壽命時隨機發(fā)生的失效 有時甚至是突然發(fā)生的 易造成人身或設備的惡 性事故及經(jīng)濟上的巨大損失 常見的熱作模具有錘鍛模 熱沖裁模和壓力鑄造模等 由于熱作模具的工作 條件比較苛刻 除承受機械載荷外還承受熱負荷 因而更容易產(chǎn)生失效 按照失 效機理的歸納分析 熱作模具的非正常失效主要有磨損 塑性變形和斷裂等三種 形式 其中 磨損失效約占模具報廢量的7 0 左右 塑性變形約占2 0 斷裂約 占1 0 4 江蘇大學碩士學位論文 1 2 1 磨損失效 模具在服役過程中 與成型坯料接觸 產(chǎn)生相對運動而造成磨損 當磨損使 模具的尺寸發(fā)生變化或改變了模具的表面狀態(tài) 使其不能繼續(xù)服役時 稱為磨損 失效 磨損失效是多種因素相互影響的復雜過程 可形成磨粒磨損 粘著磨損 疲勞磨損和腐蝕磨損等四種類型 這其中 磨粒磨損 粘著磨損和疲勞磨損是熱 作模具磨損失效的主要形式 1 磨粒磨損 工件表面的硬突起物或外來硬質(zhì)顆粒存在工件與模具接觸表 面之間 刮擦模具表面形成劃痕或者犁溝 引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象稱為磨 粒磨損 磨粒磨損是最常見的一種磨損形式 據(jù)統(tǒng)計 現(xiàn)代工業(yè)中因磨粒磨損造 成的損失占整個磨損損失的一半以上 影響磨粒磨損的因素主要有模具表面硬度 模具與工件的表面壓力和工件厚度等方面 2 粘著磨損 工件與模具表面相對運動時 由于表面凸凹不平 某些接觸 點的局部應力超過了材料的屈服強度發(fā)生粘合 粘合的結(jié)點發(fā)生剪切斷裂而拽開 使模具表面材料轉(zhuǎn)移到工件上或脫落的現(xiàn)象稱為粘著磨損 根據(jù)相對運動產(chǎn)生的 切應力 接觸點的粘合強度 金屬本體強度之間的不同關系而產(chǎn)生的不同破壞現(xiàn) 象 可以把粘著磨損分為涂抹 擦傷 撕脫和咬死等四種程度 發(fā)生粘著磨損的 金屬表面有細的劃痕 沿滑動方向可能形成交替的裂口和凹穴 最突出的特征是 摩擦副之間有金屬轉(zhuǎn)移 表層金相組織和化學成分均有明顯變化 磨損產(chǎn)物多為 片狀或小顆粒 在金屬表面形成大小不等的結(jié)疤 粘著磨損的磨損率一般都較大 且受接觸壓力 摩擦速度 熱點溫度 實際接觸點的局部溫度 潤滑狀況等外 界條件的影響 3 疲勞磨損 兩接觸表面相互運動時 在循環(huán)應力的作用下 由于重復變 形而出現(xiàn)痘狀 貝克狀或不規(guī)則形狀的凹坑 從而使表層金屬疲勞脫落的現(xiàn)象稱 為疲勞磨損 疲勞磨損裂紋一般產(chǎn)生在金屬的表面和亞表面內(nèi) 裂紋擴展的方向 平行于表面 影響疲勞磨損的因素可能有材料的冶金質(zhì)量 材料的硬度和表面粗 糙度等方面 1 2 2 塑性變形 材料受到力的作用就會產(chǎn)生變形 隨著負荷的增加 材料的變形總是要經(jīng)歷 5 江蘇大學碩士學位論文 彈性變形階段 塑性變形階段 出現(xiàn)裂紋到裂紋擴展直至斷裂的過程 對于熱作 模具來說 由于工作溫度較高 承受載荷較大 過量變形引起的失效形式主要是 塑性變形 模具在工作過程中 由于發(fā)生塑性變形改變了幾何形狀或尺寸 而不能通過 修復繼續(xù)服役的現(xiàn)象稱為塑性變形失效 模具材料本身的屈服強度不高 或熱處 理不當而未能發(fā)揮材料的強度潛力是塑性變形失效的主要原因 而操作不當或以 外因素引起的超載也會造成塑變失效 熱作模具在工作時 一般承受很大的不均 勻應力 當模具的某些部位所承受的應力超過工作溫度下材料的屈服強度 就會 產(chǎn)生過量的塑性變形而造成模具的失效 熱作模具的塑性變形失效主要有塌陷 鐓粗 彎曲等形式 1 2 3 斷裂 模具在工作過程中 出現(xiàn)大裂紋或部分分離而喪失正常服役能力的現(xiàn)象稱為 斷裂失效 由于熱作模具的工作表面受到反復的溫度升降 使其工作表面產(chǎn)生拉 壓交替變化 當模具的局部應力超過模具鋼的彈性極限并進入塑性應變區(qū)域時 則會形成疲勞裂紋 表現(xiàn)為工作便面的龜裂 久而久之便演變?yōu)槟＞叩臄嗔?斷 裂是最嚴重的失效形式 多發(fā)生在型腔的轉(zhuǎn)角處 懸梁的根部 模橋的底部及表 面損傷處等應力集中部位 造成斷裂失效的主要原因是材料本身較脆 內(nèi)部組織 有缺陷 熱處理硬度過高等因素 1 3h 1 3 熱作模具鋼的表面強化技術(shù) h 1 3 鋼具有良好的淬透性 強韌性 熱穩(wěn)定性 抗氧化能力及抗冷熱疲勞性能 廣泛應用于熱鍛 熱擠壓及壓鑄模具 是目前國內(nèi)外重點推廣使用的熱作模具鋼 h 1 3 熱作模具在制造生產(chǎn)及使用過程中 不斷承受冷熱交變的熱作用和沖擊載荷 容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋 熱磨損以及開裂等形式的失效 從而導致模具壽命大大降 低 鑒于模具失效大都由表面開始 而常規(guī)熱處理方法已經(jīng)無法滿足越來越苛刻 的綜合性能要求 從節(jié)省能源與資源 安全可靠 無公害 獲得特殊性能和最 大經(jīng)濟性的要求出發(fā) 表面強化技術(shù)已經(jīng)成為拓展材料使用功能的重要手段 也 6 江蘇大學碩士學位論文 是提高模具使用壽命的關鍵技術(shù)之一 1 3 1 相變強化技術(shù) 表面相變強化又稱表面熱處理 是保證模具具有良好使用性能的最基本強化 措施 h 1 3 熱作模具經(jīng)等溫淬火 1 真空淬火 激光淬火 可避免模具氧化脫碳 淬 火變形大和易開裂等問題 而且模具質(zhì)量好 起到良好的強化效果 相交強化具有以下特點 一 它的實質(zhì)是利用固態(tài)相變重結(jié)晶的原理 將模 具材料快速加熱到奧氏體狀態(tài) 使高溫奧氏體向珠光體相變受到抑制 轉(zhuǎn)變?yōu)榉?平衡的馬氏體過渡相 二 一般要先行退火以消除內(nèi)應力 并降低硬度 使毛坯 易于冷加工成形 并能使其成分均勻 晶粒細化 最終熱處理一般為高溫淬火和 高溫回火 3 2 離子注入技術(shù) 離子注入即利用荷能離子與材料表面的相互作用 將所需注入的氣體或固體 蒸氣電離成離子 再以高速打入基體表面 從而提高表面性能的一種表面強化技 術(shù) n s i 及s i n n 2 1 等離子注 h 1 3 鋼后 表面減摩抗磨能力得到顯著提高 金屬 蒸汽真空弧放電離子源 m e v v a 問世后 以m e 源為基礎的注入機由于設備 簡單 束流強大 效率高 成本低 為高劑量金屬離子注入模具鋼的表面強化研究提供 了有效手段 髓 w m o v 等金屬離子注入h 1 3 鋼后 鋼的表面硬度耐磨性 耐蝕性能和抗高溫氧化性能都有顯著提高 t i c t i n m o c w c v c 等雙離子注入h 1 3 鋼 通過調(diào)節(jié)注入離子的不同配比 能獲得更加優(yōu)異的注入層 離子注入具有以下特點 一是離子注入的實質(zhì)是固態(tài)合金化 5 1 得到過飽和 的固溶體 二是注入元素不受材料固溶度和擴散系數(shù)的影響 即元素的種類不受 冶金學相圖的限制 可以形成過飽和固溶體等不平衡相和非晶態(tài)相 三是對注入 元素的數(shù)量可控性及重復性好 但離子注入一般只能直線行進 不能繞行 故對 復雜和有內(nèi)孔的模具注入困難 四是由于離子注入在真空系統(tǒng)中進行 模具表面 也不會被氧化 可作為模具的最終工藝 五是注入層薄 一般小于l g m 設備造價 高 影響離子注入的推廣應用 1 3 3 擴散滲入技術(shù) 江蘇大學碩士學位論文 擴散滲入又稱化學熱處理 即利用元素的擴散性能 在含有滲入元素的活性介 質(zhì)中通過擴散 轟擊等作用 將待滲元素分解活化后滲入基體表面 以提高表面 性能的一種表面強化技術(shù) h 1 3 鋼表面進行離子滲氮 n c 共滲 n c v 共滲 s n c 共滲 c n o s b 五元共滲啪1 等離子擴散滲入處理后 均表現(xiàn)出 良好的強化效果 擴散滲入具有以下特點 一 它的實質(zhì)是利用外加元素的固態(tài)擴散滲入進行 重結(jié)晶 遵守相圖和結(jié)晶規(guī)律 動力是濃度梯度 二 設備簡單 無公害 滲層 較深且脆性小 模具的強化變形小 工作周期長 1 3 4 氣相沉積技術(shù) 根據(jù)沉積機制的不同 氣相沉積技術(shù)一般分為物理氣相沉積 p v d 化學 氣相沉積 c v d 和等離子體化學氣相沉積 p c v d 等三種類別 而根據(jù)沉積 時物理機制的不同 p v d 技術(shù)又包括真空蒸鍍 濺射鍍膜 離子鍍等三種方法 利用離子鍍 p c v d 等氣相沉積技術(shù)在h 1 3 鋼表面得到t i n 2 玎 c r n t i c n s 嘲 t i a i n 1 等硬質(zhì)薄膜 模具的減摩抗磨性能 高溫穩(wěn)定性 耐腐蝕能力等都得 到了顯著的提高 有效延長了h 1 3 熱作模具的使用壽命 各種氣相沉積技術(shù)各有優(yōu)缺點哺 1 p v d 技術(shù)的沉積速度快 無污染 但薄 膜的致密性稍差 c v d 技術(shù)沉積的薄膜均勻性好 內(nèi)應力低 但沉積速度慢 并 且沉積氣氛中氯化氫含量多 如處理不當會腐蝕設備和污染環(huán)境 p c v d 技術(shù)則綜 合了p v d 和c v d 技術(shù)的優(yōu)勢 成膜速度快 膜層致密 附著力強 是目前最受材 料工作者關注的表面強化技術(shù)之一 而模具表面等離子體化學氣相沉積陶瓷薄膜 被認為是最有可能轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)的模具表面強化措旋 1 4 n 系列薄膜的研究現(xiàn)狀 作為第一個產(chǎn)業(yè)化的硬質(zhì)薄膜材料 t i n 薄膜具有優(yōu)異的力學性能 良好的防 腐性能 可靠的化學惰性以及獨特的金黃色外觀等特點 而其工藝過程又符合 綠 色制造 的理念 所以被廣泛應用于工模具的表面強化 半導體器件 裝飾鍍膜 等領域 t i n 薄膜的制備方法有許多種 包括磁控濺射 2 1 離子鍍 1 p c v d 技 術(shù)洶 1 等 其中多弧離子鍍因離化率高 鍍膜速度快 薄膜均勻性好等優(yōu)點成為 江蘇大學碩士學位論文 制備t i n 薄膜最有效的技術(shù) 理論分析表明洶 1 過渡族金屬的二元氮化物 碳化物及硼化物往往可以彼 此互溶 從這個角度考慮 我們就可以用鋼的合金化思路 添加含有氮化物 碳 化物或硼化物的合金元素對t i n 薄膜的組織性能進行優(yōu)化設計 這些元素進入t i n 晶體的某些晶胞位置后取代t i 原子 從而形成含有合金元素的f f i x m e l x 料復合 薄膜 如果這些晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和t i n 晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)相差較大 那么含有 t i x m e l x n 晶胞的t i n 晶體的組織性能將發(fā)生明顯的變化 從而全面提高t i n 薄膜的 綜合性能 利用這種方法 在單一t i n 薄膜的基礎上研制出的一些多元薄膜t i c n t i a i n t i b n t 4 1 t i z f n 咖 t i s i n m l 等 在硬度 耐磨性 耐腐蝕性 抗高溫氧 化性等方面也都有不同程度的改善 表現(xiàn)出良好的使用性能 自2 0 世紀9 0 年代以來 人們更加關注多層復合薄膜技術(shù)的發(fā)展 由于多層復 合薄膜具有較強的界面效應 層間耦合效應等特征 因此顯示出與單層膜許多不 同的特性 譬如 通過多層復合的方式可以提高薄膜的韌性 其增韌機制主要是 裂紋尖端鈍化 裂紋分支及沿界面的界面開裂等 由于t i n 薄膜具有良好的韌性 用其作為多層復合薄膜的間隔層 可以調(diào)整整個膜一基范圍內(nèi)的應力分布情況 形 成合理的應力梯度分布 降低界面間的殘余內(nèi)應力 從而使復合薄膜表現(xiàn)出優(yōu)良的 機械性能及化學特性 t i c t i c n t i n 抽1 三層復合薄膜是第一個被用于商業(yè)硬質(zhì)合 金刀片的多層復合薄膜 相比較單一的t i n 薄膜而言 t i n n c n t i c r i c n t i n c r n t i n t i a i n t i n t i c n t i a i n t i n t i c n a 1 2 0 3 等多層復合薄膜的韌 性 耐磨性和耐腐蝕性等方面 也都有明顯的提高 隨著人們對t i n 薄膜研究的不斷深入 發(fā)現(xiàn)將傳統(tǒng)物理氣相沉積和其他一些新 的強化技術(shù)進行工藝復合 會極大地拓寬t i n 薄膜的使用性能和研究領域 文獻 采用化學鍍n i p 電鍍n i 電刷鍍n i 或?qū)w進行磷化氧化 離子氮化處理等 充 分發(fā)揮各種薄膜的特性 使t i n 薄膜的膜 基結(jié)合強度 耐磨性 抗氧化能力等性 能得到更大程度的改善 德國k l i n k 公司開發(fā)的預氮化4 t i n 薄膜復合工藝技術(shù)已經(jīng) 獲得了商業(yè)上的應用 近年來 隨著氣相沉積及真空技術(shù)的發(fā)展 采用載能粒子束 離子束 快中性 分子轟擊等 激光束等先進技術(shù)制各出性能更加優(yōu)越的高質(zhì)量t i n 納米單層 多 層復合薄膜 并逐步實現(xiàn)了低溫沉積 使薄膜的硬度 耐磨性 抗疲勞能力 抗 9 江蘇大學碩士學位論文 塑變抗力 抗腐蝕能力等得到顯著改善 利用納米技術(shù)m 1 實現(xiàn)對常規(guī)t i n 薄膜的優(yōu) 化 深入研究等離子體薄膜的微觀沉積及納米薄膜的強韌化機理 充分發(fā)揮t i n 復 合薄膜的優(yōu)勢 將會極大地拓寬t n 薄膜的應用領域 稀土元素由于電子層結(jié)構(gòu)的特殊性而具有諸多優(yōu)異性能 因此被專家們稱為 新材料的 寶庫 是目前國內(nèi)外材料學家們最關注的一組元素 我國稀土元素 的應用 從2 0 世紀8 0 年代的化學熱處理擴展到表面工程領域后 迅速取得了大量 的科研成果 研究表明呻 剛 添加適量的稀土元素 能夠進一步改善t i n 薄膜的綜 合性能 取得了不錯的強化效果 添加稀土元素后 表現(xiàn)出極強的活性元素效應 在薄膜與基體界面處的富集 使得t i n 薄膜的相組成發(fā)生了變化 塑性的t 湘增加 而脆性的t i 2 n 相減少 從而 減小了膜一基界面間的應力 提高了t i n 薄膜的膜 基結(jié)合強度 而t i n 薄膜的摩擦 磨損性能 高溫穩(wěn)定性等一些使用性能與膜 基結(jié)合強度密切相關 t i n 相 1 1 1 擇優(yōu)取向的形成及彌散氧化物的產(chǎn)生使得t i n 薄膜的組織更加致密 有效改善了 t i n 薄膜的抗高溫氧化能力和耐腐蝕性 此外 稀土元素的添加還能顯著提高鍍膜 過程中的鈦料蒸發(fā)率 使成膜速率增加 在相同鍍膜時間內(nèi)得到較厚的t i n 薄膜 有人預言 隨著稀土基礎研究的不斷深入和稀土新材料的逐漸開發(fā) 將會引 發(fā)一場新的技術(shù)革命 我國是世界上最大的稀土資源國 占全世界總儲量的8 0 以上 遵照鄧小平同志 中東靠石油 中國靠稀土 和江澤民同志 搞好開發(fā)應 用把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢 的精神 國家自然科學學科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告 呻1 中指出 我國在功能材料的開發(fā)上 含稀土的金屬間化合物應予以特殊考慮 因為在參與全球競爭中我們有資源優(yōu)勢 不但要鼓勵在跟蹤基礎上的發(fā)展 安排 有關的基礎工作 還應鼓勵在新應用領域中的探索 基于以上的考慮并結(jié)合學校的現(xiàn)有條件 本論文利用物理氣相沉積技術(shù)中的 磁控濺射和離子鍍兩種鍍膜方法 在h 1 3 鋼基體上的制備t i n 薄膜 并且添加稀土 元素y 作為中間過渡層 以進行h 1 3 鋼的表面強化研究 1 5 課題的來源及主要內(nèi)容 1 5 1 課題的來源 江蘇大學碩士學位論文 本課題隸屬于 精密成形彈一塑性接觸磨損微觀機理與磨損控制 課題 是國家自 然科學基金資助項目 5 0 5 7 5 0 9 7 同時也是江蘇大學高級人才基金項目 0 4 j d g 0 3 7 1 5 2 課題的主要內(nèi)容 本文結(jié)合某廠的實際情況 對h 1 3 齒輪精鍛模具進行綜合的失效分析 在此基礎 上 基于學校的現(xiàn)有條件 采用磁控濺射和離子鍍兩種物理氣相沉積技術(shù) 在h 1 3 模 具鋼基體上沉積未加稀土元素y 的t f i n l 薄膜 以下通稱為t i n 薄膜 和添加稀土元素 y 的t f l l 薄膜 以下通稱為t i y n 薄膜 并對其組織成分 相結(jié)構(gòu) 顯微硬度 膜 基結(jié)合強度 高溫氧化性能及摩擦磨損性能進行研究 探討不同沉積方式及添加稀土 元素y 對麗n 薄膜綜合性能的影響 為提高h 1 3 齒輪精鍛模具的使用壽命提供可靠的 試驗依據(jù) 也為精密成形彈 塑性接觸磨損微觀機理與磨損控制的研究提供必要的數(shù)據(jù) 支持 本課題的主要研究工作如下 1 結(jié)合某廠的實際情況 對h 1 3 齒輪精鍛模具進行綜合的失效分析 并從模具設 計 加工工藝 工作條件 保養(yǎng)維護等方面對其影響因素進行系統(tǒng)的分析總結(jié) 2 利用磁控濺射和離子鍍兩種物理氣相沉積技術(shù) 在h 1 3 模具鋼基體上沉積t u i 薄膜 并且添加稀土元素y 作為中間過渡層處理 3 利用顯微硬度儀檢測t d i 系列薄膜的顯微硬度 利用劃痕法檢測t u n 系列薄 膜的膜 基結(jié)合強度 利用掃描電鏡和x 射線衍射對1 系列薄膜的成分及相結(jié)構(gòu)進行 分析 4 對面n 系列薄膜進行高溫摩擦磨損試驗 分析磁控濺射和離子鍍兩種物理氣相 沉積技術(shù)對其耐磨減摩性能的影響 并探討稀土元素y 的添加對薄膜的摩擦磨損性能 的影響 5 對t u n 系列薄膜進行高溫氧化試驗 分析磁控濺射和離子鍍兩種物理氣相沉積 技術(shù)對其抗高溫氧化能力的影響 并探討稀土元素y 的添加對薄膜的抗高溫氧化能力 的影響 1 1 江蘇大學碩士學位論文 本論文的課題方案如下圖所示 圖1 1 本課題方案的流程圖 f i g1 1t h ep r o j e c tf l o wc h a r to ft h i st h e s i s 1 2 江蘇大學碩士學位論文 第二章h 13 齒輪精鍛模具的失效分析 本文主要是結(jié)合某廠的實際生產(chǎn)流程 對h 1 3 齒輪精鍛模具進行綜合的失效 分析 并從模具設計 加工工藝 工作條件 保養(yǎng)維護等方面對其影響因素進行系 統(tǒng)的分析總結(jié) 2 1h 1 3 齒輪精鍛的生產(chǎn)流程 某廠精鍛齒輪加工的生產(chǎn)流程如下所示 下料一車削外圓 除去表面氧化層 車 削余量為l 1 5 m m 一加熱一精鍛一退火一冷切邊一酸洗 或噴沙 一加熱一體 積精壓 精整 一冷切邊一酸洗 或噴沙 一膛孔 車背錐球面一熱處理一噴丸一 磨內(nèi)孔 磨背錐球面一檢測 涂油 包裝 卜上模座2 一拉桿3 一螺釘4 沖頭5 壓緊彈簧6 一導柱7 一壓緊套圈8 壓圈 9 凹模l o 壓力圈1 卜下模墊塊鑲塊1 2 下模墊塊1 3 一螺釘1 4 一彈簧墊圈1 5 一墊圈 1 6 一下模座1 7 頂桿 圖2 1 某齒輪精鍛模具的裝置圖 f i g2 1t h el o w e rd i eo fo o eg e a rd i ef o rp r e c i s i o nf o r g i n g 圖2 1 給出了該廠某齒輪精鍛模具的裝置圖 鍛造設備 3 0 0 t 摩擦壓力機 江蘇大學碩士學位論文 模具的預熱溫度為2 5 0 3 0 0 c 鍛造溫度 始鍛溫度為1 1 0 0 c 終鍛溫度為8 5 0 9 0 0 生產(chǎn)率為每分鐘鍛造齒輪3 0 件 工作過程中用水基石墨對系統(tǒng)進行潤滑和 降溫 以保證模具正常工作和工件順利脫模 據(jù)統(tǒng)計 該廠齒輪精鍛模具的平均壽 命約為1 2 0 0 件 2 2h 1 3 齒輪精鍛模具的失效形式 在第一章的內(nèi)容中已經(jīng)提到 熱作模具一般有磨損 斷裂和塑性變形等三種主 要的失效形式 作為一種典型的熱作模具 齒輪精鍛模具也有相似的情形 據(jù)某廠 的統(tǒng)計結(jié)果表明 約8 0 的齒輪精鍛模具是由于磨損 壓塌而引起齒面超差 屬 于正常失效 另有約2 0 的模具是由于早期斷裂或整體開裂 屬于非正常失效 還有一些模具兼有以上兩種失效形式 即使用幾次或幾十次就出現(xiàn)斷齒或整體開裂 現(xiàn)象 同時伴有磨損及壓塌 失效形式較為復雜 圖2 2 為該廠某齒輪精鍛模具 的局部失效圖 從圖中可以直接看出 其主要失效形式為 整體斷裂i 齒頂壓塌 i i 和齒面磨損 圖2 2h 1 3 齒輪精鍛模具的局部失效圖 f i 9 2 2 t h e p a r t f a i l u r ep i c t u r e o f i l l 3 9 e a r d i e f o r p r e c i s i o n f o r g i n g 2 3h 1 3 齒輪精鍛模具失效的原因分析 將該失效齒輪精鍛模具解剖成小塊 在宏觀斷口上切取所需試樣 經(jīng)過打磨 拋光之后 先采用4 的硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕 繼而在超聲波清洗儀上用 1 4 江蘇大學碩士學位論文 無水酒精清洗試樣表面 對其材質(zhì)進行化學成分分析 在o l y m p u s p m e 3 光學顯微 鏡上觀測其顯微組織 利用h v s 1 0 0 0 型數(shù)顯顯微硬度計測量其硬度 該廠的齒輪精鍛模具材料為h 1 3 鋼 4 c r 5 m o s i v l 各成分含量具體為 c 0 4 1 m c f 5 1 7 s i 0 9 5 m o 1 4 5 t o m n 0 4 1 m v 卻 9 9 這其中 c f 能夠提高鋼的抗氧化能力 抗腐蝕能力及淬透性 m o 能夠提高鋼的淬透性和熱強性 s i 能夠提高強度 硬度及彈性 還能增強鋼的 回火穩(wěn)定性及抗氧