用于提高热加工工具磨损特性的耐磨堆焊技术外文翻译资料

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用于提高热加工工具磨损特性的耐磨堆焊技术

Dong-Gyu Ahn1,#

朝鲜光绪大学机械工程系，东营光辉大道309号，韩国501-759

＃通讯作者/电子邮件：smart @ chosun.ac..kr，电话： 82-62-230-7043，传真： 82-62-230-7234

关键词：耐磨堆焊技术，磨损性能，热加工工具，耐磨堆焊材料，使用寿命，关键技术，耐磨堆焊的应用，未来研究课题

热加工过程的严酷运行条件导致热加工工具过早失效。 热加工工具的主要失效原因是热软化现象引起的工具表面的磨损。几位研究人员在热加工工具的寿命延长技术方面把注意力集中到了具有保护性的覆盖涂层技术上，所谓的耐磨堆焊，是为了防止热加工工具的过早磨损。本文回顾了最近关于耐磨堆焊技术在热加工工具的应用上的研究。除此之外，还讨论了关于提高热加工工具磨损性能的相关的主要技术和先进堆焊技术。最后，介绍能延长热加工工具的使用寿命和提高耐磨性能的堆焊技术的未来研究课题。

手稿收到：2013年5月15日/接受：2013年6月17日

1. 介绍

热加工工艺如热锻，热轧，热挤压，热冲压，压铸等，广泛应用于大规模生产金属和非金属零件。热加工工具的质量影响最后产品的尺寸精度和性能。工具的模具成本占整个制造成本的5-30％。在大量生产中，工具的维修占据了主要的加工费用。可以通过提高工具的使用寿命来减少维修费用。除此之外，提高工具的使用寿命可以减少制造和再加工的使用的材料和能量。

热加工工具必须承受严酷的运转条件：(a)高温的工作环境（ge; 500o C），（b)巨大的成型载荷，(c)高速运转，(d)热工件的反复滑动，(e)重复的热和机械载荷。这些严酷的工作条件导致模具过早失效。因此，热加工工具的使用寿命比冷加工的要短。

如表1所示，热成型工具的典型失效形式为：磨损，机械疲劳，塑性变形，热疲劳。兰格等人认为热锻的主要失效是由工具表面的磨损引起的。此外，他们还报道，磨损失效的频率几乎达到典型故障的70％。压铸工具的代表性故障是侵蚀磨损和热裂纹以及焊接和腐蚀。Venkatesan等人报道了压铸工具的主要失效模式是工具表面的磨损。几篇研究论文介绍了热加工工具的磨损是由工具的热软化以及模具和工件之间的局部粘结引起的。

如公式1所示，磨损体积很大程度上取决于磨损系数，硬度，施加的法向力和滑动距离。当材料的温度升高时硬度降低。这是由于工具钢中的马氏体分解成铁素体和碳化物的速率随着工具钢的温度的升高而提高。当工具钢的温度大于A1( 723o C）时，热加工工具钢的硬度迅速降低。因为此时工具钢中的马氏体完全转化为铁素体和碳化物。表2不同温度下SKD6工具钢的洛氏硬度。

提高热加工工具硬度和使用寿命的一种代表性方法是热处理工艺。虽然热处理被应用于热加工工具，但是一般通过重复的热加工工艺来进行工具表面的退火。结果在重复的热加工的过程中工具表面的硬度减小。因为热处理工往往被应用于整个工具，会引起工具的不必要变形。另一个提高热加工工具硬度的方法是采用表面镀层技术。各种各样的涂层技术，例如气体氮化，等离子体氮化，等离子体气相沉积，化学气相沉积等被用来提高热加工工具的耐磨性。涂层的厚度一般小于100mm.涂层技术会在工具上形成脆性层。几篇研究论文报道了由于涂层的脱落，在重复的热加工过程中防护涂层可能在巨大的成型载荷和高速运转时失去作用。除此之外，当涂层中出现裂纹后，裂纹会迅速地扩展到防护涂层里。

在关于提高热加工工具的使用寿命研究上，好几个研究者把注意力集中到保护覆盖涂层技术的研究上，既所谓的耐磨堆焊，来克服热加工工具的热处理和表面涂层技术的缺点。表面硬化技术利用功能梯度材料和产品（FGM＆FGP）的概念，其可用于制造具有选择性不同性质的异质材料，以获得所需的涂层的性能和特性。因为表面硬化技术可以在涂覆材料和工具钢之间产生强烈的冶金结合，所以可以防止硬质层的剥落和分层。表面硬化技术可以使用广泛的沉积材料来实现涂层的期望性能和特性。可以根据设计尺寸来控制耐堆焊层的厚度。堆焊层的厚度一般大于1mm。随着高密度能源、迅速的加工过程和复杂的制造系统的出现，耐磨堆焊技术的应用和生产力显著提高。

本文回顾了近来耐磨堆焊在热加工工具的应用的研究。除此之外，还讨论了关于提高热加工工具磨损性能的相关的主要技术和先进堆焊技术。最后，介绍能延长热加工工具的使用寿命和提高耐磨性能的堆焊技术的未来研究课题。

1. 堆焊技术的原理和方法

图三表明了堆焊技术的原理。在耐磨堆焊技术中，更硬的材料被放置在基层。堆焊技术一般被用于提高某一部分的磨损和抗腐蚀性能，或者用于修复磨损不堪的表面。

如图四所示，为了把堆焊技术应用于某一零件，该零件被分解为耐磨层和基层。通过直觉、工程分析和实验来决定堆焊层的尺寸和应用区域。因此，分解表面通过估量来区分堆焊层和基层。由于沉积的珠粒的尺寸和收缩以及侧表面上的阶梯，硬面技术难以形成硬面层的准确形状。因此，用于硬化层的后处理的工具路径数据，例如研磨，抛光等，需要提高耐磨堆焊层的尺寸精度。如图四所示，为了在设计状态中考虑后处理的深度，需要零件几何的偏移设计。

堆焊耐磨层的性能和表现主要取决于堆焊材料和堆焊层的厚度，还有沉积工艺的类型和参数。3钴基合金，镍基合金和铁基合金广泛用于硬面工具表面。根据沉积工艺，耐磨堆焊技术可分为焊接，激光熔覆和直接金属快速加工。

1. 耐磨堆焊材料

3.1钴基超级合金

钴基超级合金因为他们优秀的耐磨性、抗腐蚀和耐高温性能，经常被用于堆焊工具钢表面。除此之外，钴基超级合金比镍基超级合金有更好的抗热疲劳性能和可焊性。表一展示了钴基超级合金的标称成分。钴基超级合金的主要成分是Co和Cr。高铬成分提高了高温时的抗腐蚀性。镍成分增加延展性。W、Mo、C提高了耐磨性。钴基体中的铬、钨、钼和碳化碳增强了钴基超级合金。钴基超级合金相对镍基超合金具有更优异的焊接性和耐热疲劳性。不像镍基合金和铁基合金，钴基合金可以在空气和氩气环境中熔化。Stellite家族是最受欢迎的用来堆焊工具钢的镍基超级合金。图五展示了不同温度下耐磨堆焊材料硬度的差异性。斯特雷特对腐蚀性，腐蚀性，磨蚀性和金属对金属的磨损条件具有极高的抵抗力直到其初始金属温度的近90％。镍，铁（Fe），碳，硅（Si）和硼（B）组分增加了Stellite的冲击耐磨性和工作温度。Stellite6和Stellite21被广泛应用于堆焊工具钢。Stellite6和Stellite21的最初熔化温度分别是1350℃和1280℃，几乎达到1495℃。几位学者表示Stellite6不能承受冲击载荷。

3.2镍基超级合金

因为钴一种稀有金属，钴基超级合金粉末比镍基的要贵的多。铁基超级合金的最高工作温度远远小于镍基合金的工作温度。镍基超级合金在超出其原始熔化温度80%的温度下被用来承受载荷。

镍基超级合金的原始熔化温度在1200℃到1400℃之间浮动。表二展示了具有代表性的镍基的标称成分。镍基超级合金中的硼化物和碳化物提供了更高的硬度和耐磨性。铬、铝组分在提高表面的稳定性时被用来提供氧化物。几位学者表明当温度超过300℃时，镍基超级合金的磨损量和摩擦系数显著降低。斯托特等人报道说，温度升高促进氧化物和部分被氧化颗粒的产生和保留，而且压实的氧化物颗粒形成了保护性釉面。基于这些原因，镍基合金被广泛应用于堆焊钢材。在之前的研究工作中，镍基合金的耐磨实验的温度被限制在800℃之内。由于镍基超级合金具有反应性金属组成，因此需要真空环境来熔化镍基超级合金。几位学者表明镍基合金具有非常差的可切削性。因此需要适当的后处理技术来获得所希望得到的镍基合金堆焊组织形状。Deloro，Inconel和Colmonoy家族是用来堆焊产品镍基超级合金的典型商品名称。

3.3铁基超级合金

铁基超级合金被用作钴基超级合金的替代堆焊材料。铁基超合金通过固溶硬化和沉淀成型元素得到强化。Mo和Cr元素分为形成了M₆C和M₂₃C₆型碳化物。这些碳化物提高了堆焊表面的耐磨性。铁基合金相对钴基合金的可焊性更差。铁基超级合金的最高工作温度和允许的热穿透深度分别限制在近550℃和1mm。

Incoloy和NOREM家族是铁基超级合金的受欢迎的商品名称。表3显示了NOREM系列的标称组成。Ocken，Persson和Kim报道说，当实验温度低于190℃时，NOREM02具有与Stellite系列相当的耐磨性能。Suh等人 报道说，当实验温度低于300oC时，由NORORO02表面硬化表面的磨损特性优于Deloro50表面硬度。他们表明，NOREM 02具有很好的焊接性。

1. 耐磨堆焊技术

4.1焊接辅助堆焊技术

如表四所示，焊接辅助硬化面技术的耐磨层特性受焊接类型，焊接电流，焊接电压，脉冲频率，焊接速度，进给速度，焊接能量，预热温度，重叠率，层厚度和焊接路径的影响。如表四所示，焊接辅助硬化技术采用屏蔽金属电弧焊（SMAW），气体电弧焊（GMAW），钨极气体保护焊（GTAW），埋弧焊（SAW）和等离子转移弧焊（PTAW））作为沉积工艺。焊接型辅助硬化面技术的层厚度和稀释率分别为0.5-10.0mm和约10-50％。对焊接辅助硬化处理技术的研究主要集中在研究表面硬化材料对磨损特性和硬度的影响，以选择合适的表面硬化材料。

Kohopauml;auml;等人 通过pinon-disc实验研究了表面硬化材料对覆盖焊接试样的磨损特性的影响。实验样品由H13和DIN X40 CrMoV51热加工工具钢上的钴基和镍基超级合金的手动金属电弧焊制作。他们表明了在升高的温度中，通过镍基和钴基制造的试样的磨损量与H13工具钢相比显著减少。刘等人应用SMAW来创建钴基热加工工具钢板表面堆焊层。他们研究了碳含量对耐磨层的冲击硬化和硬度的影响。虽然SAW工艺是典型的叠层焊接技术，但是以前的研究工作中很难找到SAW工艺对热加工工具钢的硬化的应用。GMAW、GTAW和PTAW工艺的层厚度和稀释率比SMAW和SAW工艺小。此外，GMAW，GTAW和PTAW工艺的厚度和稀释率的偏差小于SMAW和SAW工艺的偏差。因此，最近对焊接辅助表面堆焊技术的最新研究作为覆盖焊接技术被用于GMAW，GTAW和PTAW工艺。

Fouilland等 使用GMAW工艺在55NiCrMoV7热加工工具钢块上堆焊Stellite21超合金，以研究焊接条件对每个表面层的微观结构形成的影响。他们利用了近50％的重叠。Fouil-

land等 还在55NiCrMoV7热加工工具钢上形成了钴基硬化层，以检查耐磨层的摩擦引起的加工硬化特性。他们从半自动和自动焊接顺序制造了硬质合金样品。另外，他们通过销盘实验研究了焊接顺序和程序对稀释率，摩擦感应加工硬化率，摩擦系数，轨道宽度和微观结构的影响。

Ocken利用GTAW和PTAW工艺将钴基，镍基和铁基超级合金堆焊在钢板上。他通过针对板磨损实验研究了耐磨层的耐磨性。他还表明，与镍基超级合金相比，铁和钴基超级合金的表面硬化层在空气和水环境中具有极佳的耐磨性能。Kim等人 通过块上滑动磨损实验检查了不同环境温度下耐磨层的耐磨性。他们使用GTAW工艺将NOREM02和Stellite6沉积在SUS304板上。另外，他们报道当温度大于180℃时，NOREM02的磨损损失突然增加。Farhani等人在25,400和550oC的温度下使用GTAW工艺在H11热加工工具钢上沉积Stellite21来制造针对盘磨损实验的引脚。磁盘由T2工具钢制成。他们报道，Stellite21的硬质合金样品在耐磨性方面优于H11标本。他们把硬质合金样品硬度的提高归因于在550℃时加工硬化形成了近600 Hv高硬度的表面层。Kashani等人 使用GTAW工艺在H11工具钢板上沉积Stellite6，Stellite21和Inconel 625，来研究在室温和550℃下耐磨层的磨损特性。滑动磨损实验是通过盘上摩擦计数器进行的。磁盘由T2工具钢制成。他们透露，Inconel625，Stellite21和Stellite6耐磨面样品的磨损体积远低于H11工具样品在550oC温度下的磨损量。他们报告说，硬化样品的磨损体积的降低是由于固体氧化物层的增加和耐高温层在高温下的加工硬化引起的。

Nicholosn 通过使用PTAW工艺来提高热加工工具钢耐磨性而获得了焊接堆焊层成分百分比的专利。Levin等人研究了用于侵蚀控制的焊接覆层涂层。他们使用PTAW工艺用钴基、镍基、铁基制作了11种类型的样本。他们报告说，PTAW工艺可以应用各种覆盖合金。Aoh和Chen在450℃的温度下通过针盘实验研究了热疲劳和氧化后Stellit6耐磨层的磨损特性。该销由SKD11工具钢制成。使用PTAW工艺在S45C工具钢上沉积Stellite6和Stellite6与30wt％Cr3C2来制造磁盘。他们报告说，当耐磨层和增强表面氧化物中Cr3C2的百分比提高耐磨性时，氧化物的形成增加。Gurumoorthy等使用PTAW工艺来研究316Nn不锈钢上的AWS NiCr-B耐磨层的微观组织和磨损特性的变化。他们透露，在300和550℃的温度下，硬质层的磨损体积要比室温下的磨损体积要小5%。他们报道，当实验温度从室温升高到550℃时，磨损表面的摩擦系数降低。他们将这些现象归因于以下事实：在升高的温度下快速形成釉面氧化物层可防止销和盘之间的直接相互作用，并且磨损损失因此降低。

几位研究人员报告说，稀释率决定了硬面层的硬度和质量。Kim报道说应该减小珠子的稀释率，以产生具有所需硬度的合适的硬化层。他还报道，可以通过重叠率的增加来降低珠子的稀释率。Kim透露，焊接辅助表面硬化技

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