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通過(guò)對某些土壤動(dòng)物的觀(guān)察發(fā)現,其體表具有不同的凸包、凹坑、網(wǎng)格、條紋等非光滑形狀[1～3],而其體表的非光滑特征是其在穿過(guò)沙石、土壤的運動(dòng)過(guò)程中具有很好的耐磨性的主要原因[4～6]。壓鑄模具與工件接觸時(shí)間較長(cháng),模具溫升高,模具型腔表面易氧化,進(jìn)而形成脆性開(kāi)裂[7],導致磨損失效、尺寸超差[8]。據統計,壓鑄模具中由于磨損而導致失效的比例占模具失效總量的50%～60%,因此磨損是壓鑄模具的主要失效形式之一。提高模具壽命是國內外許多公司亟需解決的重大問(wèn)題,并已在提高模具鋼性能方面進(jìn)行了大量研究,而增強模具的耐磨性能,是提高其使用壽命的一個(gè)重要指標。經(jīng)研究發(fā)現,對模具進(jìn)行表面處理后,可提高其耐磨、耐蝕和潤滑性能,并防止粘模現象。本文利用激光加工非光滑表面模具,為生產(chǎn)具有優(yōu)良耐磨性能的非光滑表面模具提供借鑒。
1 試驗條件及方法
試驗材料選用3Cr2W8V熱作模具鋼,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。在試樣的端面上利用YAG脈沖激光器分別加工出分布間隔分別為1、2、3、4mm的條狀和網(wǎng)狀非光滑單元體,獲得非光滑表面試樣。激光加工的參數中,功率為5916W,脈沖寬度為310ms,頻率為310Hz。
表1 試驗用模具鋼化學(xué)成分%
利用HXD21000型顯微硬度計對非光滑表面進(jìn)行顯微硬度測試,顯微硬度測試點(diǎn)間隔約為012mm,載荷為1N,測試方向從非光滑單元體某一側起始邊緣垂直于激光掃描方向向著(zhù)基體內部(見(jiàn)圖1),其中黑色部分為非光滑單元體。耐磨性能試驗在銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗機上進(jìn)行,對磨材料為600目的SiC砂紙,磨損時(shí)施加載荷為5N。磨損試驗前后試樣均利用超聲波清洗,然后用FA2004電子天平稱(chēng)量,取3塊同類(lèi)試樣磨損后的平均質(zhì)量損失作為試驗結果,通過(guò)掃描電子顯微鏡觀(guān)察各種仿生非光滑表面試樣的磨損形貌。
(a)分布間隔為1mm(b)分布間隔為3mm
圖1 網(wǎng)狀試樣表面非光滑單元體及硬度測試方向示意圖
2 試驗結果及分析
2.1 非光滑單元體特征值及顯微硬度
表2是不同形狀和分布間隔非光滑試樣上單元體的面積比和體積的特征值結果。激光參數不變,單元體的寬度不變,非光滑單元體的面積比就與單元體的數目有關(guān)。而非光滑單元體的形狀和分布間隔決定單元體的數目,當非光滑單元體形狀確定后,隨非光滑單元體分布間隔的變小,在試樣表面上可以加工的非光滑單元體的數目增多,非光滑單元體的面積比和體積均增大。當非光滑單元體的間隔相同時(shí),網(wǎng)狀單元體的面積比和體積均較條狀的大。
表2 不同形狀和分布間隔非光滑試樣上單元體的特征值
各種分布間隔的網(wǎng)狀非光滑試樣表面的顯微硬度曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。隨單元體分布間隔增大,非光滑單元體及熱影響區處的顯微硬度提高,這是因為分布間隔越大，即單位基體材料面積上的非光滑單元體數量越少，基體部位面積越大，對激光處理的非光滑單元體的冷卻作用越強,因此形成的單元體的組織越細小,非光滑單元體顯微硬度值越高。另外加工的非光滑單元體處及熱影響區處硬度明顯高于材料基體處。條狀試樣表面顯微硬度曲線(xiàn)與網(wǎng)狀試樣趨勢相同。
2.2 非光滑單元體形狀和分布間隔對試樣耐磨性能的影響
圖3是不同形狀和分布間隔非光滑表面試樣的耐磨性能測試結果。與其對比的試樣是未進(jìn)行激光處理的光滑表面試樣和整體均進(jìn)行激光處理的光滑表面試樣,其中整體均進(jìn)行激光處理的試樣可以認為是非光滑單元體分布間隔為0mm的非光滑表面試樣。
圖2 不同分布間隔網(wǎng)狀非光滑試樣表面硬度
由圖3可見(jiàn),以2mm分布間隔試樣為例,經(jīng)過(guò)激光非光滑處理的條狀和網(wǎng)狀非光滑表面試樣的耐磨性能,均優(yōu)于未經(jīng)激光處理的光滑表面試樣。表面全部經(jīng)激光處理的試樣的耐磨性能低于網(wǎng)狀和條狀非光滑表面試樣。非光滑單元體形狀不同時(shí),各種非光滑試樣質(zhì)量損失不同,耐磨性能也不同。網(wǎng)狀非光滑試樣的質(zhì)量損失最小,耐磨性能最佳,條狀的次之。網(wǎng)狀試樣耐磨性能約比未處理光滑表面試樣高99%,條狀試樣約比光滑試樣高63%。
以條狀非光滑表面試樣為例,非光滑單元體分布間隔分別為0、1、2、3、4mm時(shí),非光滑單元體的面積比分別為100%、56%、28%、28%、14%,間隔0mm(即整個(gè)表面均激光處理)的非光滑單元體面積比,約為分布間隔為4mm非光滑表面試樣的非光滑單元體面積比的7114倍,耐磨性能相對光滑試樣提高了56%,而間隔為1mm的非光滑表面試樣的非光滑單元體面積比,雖然只有間隔為4mm非光滑表面試樣的4倍,但耐磨性能卻相對提高了76%,間隔為2mm的非光滑試樣的非光滑單元體面積比,雖然只有間隔為4mm非光滑表面試樣的2倍,但耐磨性能卻相對提高了63%,間隔為4mm的非光滑表面試樣耐磨性能相對提高了39%。這因為非光滑單元體形狀相同時(shí),隨單元體分布間隔增大,單元體數目減少、分布密度減小,試樣的質(zhì)量損失增加,耐磨性能變差。分布間隔為2mm和3mm非光滑表面試樣的非光滑單元體面積比雖然相同,但耐磨性能提高幅度不同,這是非光滑單元體在材料上分布不同的結果。非光滑表面試樣隨非光滑單元體分布間隔減小,非光滑單元體占非光滑表面試樣表面的面積比增大,材料的質(zhì)量損失減少,耐磨性能有所提高。其中具有1mm和2mm分布間隔的非光滑試樣的耐磨性能較好,但非光滑單元體分布間隔為0mm,即試樣表面整體均進(jìn)行激光處理的光滑試樣的次之,具有4mm間隔非光滑單元體的非光滑試樣的耐磨性能較差。
2.3 分析討論
表面均勻分布的非光滑單元體分布間隔不同,磨損時(shí)試樣受到正壓力和磨料接觸面積不同,它有利于減小磨料對表面的作用,降低摩擦分量。非光滑表面試樣上的具有一定分布規律的非光滑單元體保證了基體的強韌性和不同的硬度分布,形成類(lèi)似生物體表面的非光滑表面,較硬的非光滑單元體支承載荷、抵抗磨損、阻止磨粒犁削,較軟的基體吸收能量、抵抗疲勞剝落,非光滑表面能將磨料對非光滑耐磨層表面的滑擦、鑿削變?yōu)闈L動(dòng),有效地減輕磨料對非光滑材料的磨損程度[5]。因此,并不是隨著(zhù)非光滑單元體的分布間距的無(wú)限減小,耐磨性大幅度提高。當非光滑單元體分布間隔減小到一定程度后,材料的耐磨性能提高幅度趨于平緩,而當對材料表面進(jìn)行整體激光處理時(shí),得到的光滑材料耐磨性能并不一定較具有一定分布間隔非光滑單元體的非光滑表面材料的性能好。
3 生產(chǎn)驗證
前述試驗結果表明模具鋼表面進(jìn)行激光非光滑處理后,材料的耐磨性能大大提高,因此將此方法在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機罩蓋壓鑄模具上進(jìn)行了試驗。試驗根據模具表面尺寸大小確定激光加工功率分別為2918、5916、8914W,脈沖寬度為20ms,頻率為2Hz。按照非光滑單元體與模具表面的比例設計非光滑單元體分布間隔為2mm。
通過(guò)現場(chǎng)實(shí)際應用,發(fā)現模具的耐磨性能明顯得到改善,模具的使用壽命大為提高。未經(jīng)激光處理非光滑的模具生產(chǎn)7萬(wàn)件后型腔表面上磨損嚴重,特別是接近澆口處和模具型腔的中心部位棱角已經(jīng)磨平,停產(chǎn)時(shí)有銹蝕出現,還有多條裂紋出現,已不能使用。目前經(jīng)過(guò)激光非光滑處理后的模具已超過(guò)原有壽命并且還在繼續服役中。同時(shí)由于模具非光滑處理后,模具的抗粘模性能改善,鑄件的脫模性良好,導致鑄件品質(zhì)也有所提高,收到了很好的經(jīng)濟效益。
4 結論
(1)將模具鋼材料經(jīng)激光非光滑處理成不同形狀后,耐磨性能均較光滑試樣得到改善。單元體的形狀不同,占試樣表面面積比和體積不同,材料的耐磨性能也不同。其中網(wǎng)狀試樣耐磨性能較好,條狀次之。
(2)隨非光滑單元體的分布間隔減小,非光滑單元體的數目增多,面積比和體積增大,非光滑試樣的耐磨性能提高。但全部激光處理的光滑表面試樣耐磨性能低于非光滑單元體分布間隔為1mm和2mm的非光滑試樣,高于非光滑單元體分布間隔大于2mm的非光滑試樣。
(3)非光滑單元體分布間隔不同,其硬度也不同。分布間隔增大,單元體及熱影響區處的顯微硬度提高。非光滑單元體分布間隔越大,基體面積越大,對單元體的冷卻作用越強,單元體顯微硬度值越高。
參考文獻
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