壓鑄模的功能梯度材料涂層性能分析

吳和保，石向陽(yáng)

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430205

0 引 言

模鑄是現(xiàn)代制造業(yè)的一個(gè)重要分支，在很多行業(yè)都得到應(yīng)用.壓鑄模的模具比較復(fù)雜，因而制作成本較高，在壓鑄件的生產(chǎn)成本中占有很大的比例[1].壓鑄模的使用壽命長(zhǎng)短直接影響鑄件的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率，以及鑄件的質(zhì)量.選用合適模具材料很重要，但是一般都會(huì)在模具表面進(jìn)行處理，以延長(zhǎng)模具使用壽命.目前主要的處理方法有傳統(tǒng)處理技術(shù)、表面擴(kuò)散技術(shù)、涂層、氮化+涂層、擴(kuò)散+涂層等[2]，目前應(yīng)用廣泛的還是傳統(tǒng)處理技術(shù)，傳統(tǒng)處理技術(shù)比較成熟，而且成本很低，在一些要求不是很高的壓鑄中可以滿(mǎn)足質(zhì)量要求.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)壓鑄零件的質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)壓鑄模的要求也隨之提高.單一的處理方法不能很好的滿(mǎn)足各方面的性能要求，復(fù)合的表面處理方法可以在一定程度上解決這個(gè)問(wèn)題.傳統(tǒng)的陶磁涂層膜有優(yōu)良的耐溶損性、耐過(guò)燒性、耐粘著性；但耐熱裂性則基本上沒(méi)有改善，主要是傳統(tǒng)涂層與基體的粘接強(qiáng)度不高，在熱應(yīng)力作用下易脫落[3].功能梯度涂層由于組織成分是連續(xù)變化的，與基體的粘接強(qiáng)度高，有效減小甚至消除了界面的殘余應(yīng)力，減小熱應(yīng)力和裂紋驅(qū)動(dòng)力等[4].功能梯度材料(FGM)雖然沒(méi)有在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用，但仍然是壓鑄模具表面處理技術(shù)的重要研究發(fā)展方向之一[5].

1 模型建立

圖1為一個(gè)法蘭毛胚零件的圖紙，通過(guò)有限元軟件建立的凹模模型如圖2所示.

圖1 法蘭毛胚 Fig.1 Flange blank

圖2 凹模Fig.2 Matrix

到目前為止梯度涂層的建模方法不是很完善，主要使用的是分層法，把梯度涂層分為若干層，細(xì)分的層數(shù)越多，就更接近理論上的模型；另外有一些FGM參數(shù)化信息建模方法，不過(guò)這些方法建模比較復(fù)雜.一般要求不是非常高的模型分析中常采用分層法，對(duì)于要求很高的模型分析可以采用其他建模方法.由于此模型要求不是非常高，采用分層法對(duì)梯度涂層進(jìn)行建模，可以通過(guò)細(xì)分涂層層數(shù)使模型更接近理論模型.FGM涂層的厚度為10 μm，由于建模細(xì)密，會(huì)導(dǎo)致軟件分析計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng).為了減少模型分析所要耗費(fèi)的時(shí)間，把涂層細(xì)分為5層，5個(gè)分層涂層的參數(shù)逐漸變化.5層梯度涂層中涂層材料所占百分比分別為20%、40%、60%、80%、100%.在ANSYS軟件中對(duì)涂層部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化使之更接近實(shí)際的模型，文中主要以凹模為例進(jìn)行分析.

模具材料是H13熱作模具鋼，其彈性模量211 GPa，泊松比γ=0.28，熱膨脹系數(shù)13.5×10-6(20 ℃～650 ℃)，導(dǎo)熱系數(shù)28.8 W(m/K)-1(650 ℃).梯度涂層材料選用TiN(氮化鈦)，彈性模量450 GPa，去掉泊松比γ=0.22，熱膨脹系數(shù)4.8×10-6(20 ℃～650 ℃)，導(dǎo)熱系數(shù)64 W(m/K)-1(650 ℃)[6].文中以鋁合金壓鑄模為例：工作溫度以650 ℃，壓強(qiáng)以1×106Pa來(lái)計(jì)算.

2 有限元分析

2.1 溫度場(chǎng)及應(yīng)力分析

通過(guò)有限元軟件根據(jù)上面的方法建立模型并進(jìn)行分析，對(duì)比含有FGM涂層的模具和不含F(xiàn)GM涂層的模具的相關(guān)數(shù)據(jù).

圖3 模具沿z軸的溫度變化 Fig.3 Change of temperature along the direction of z axis注：

由圖3某一時(shí)刻溫度變化圖可以看出涂覆有涂層的模具的溫度沿法向的下降趨勢(shì)比不含涂層的模具快.雖然模具內(nèi)外表面溫度相差不是很大，但是模具的整體溫度分布卻不一樣，普通模具由內(nèi)表面向外表面方向的溫度下降比較緩慢，而含涂層的模具的溫度下降較快.這使得含涂層的模具靠近內(nèi)表面的部分承受熱應(yīng)力比未含涂層的模具的小，可以一定程度上降低熱應(yīng)力，提高模具的使用壽命.圖4表示的是沿模具法向的von miss stress的變化圖.含有涂層的von miss stress明顯比不含涂層的小.

2.2 不同涂層厚度時(shí)應(yīng)力分析

通常涂層材料都具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性能好、高溫穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[7].作為涂層材料在高溫和沖蝕的環(huán)境中擁有比其他材料更長(zhǎng)的使用壽命，在壓鑄模具的表面通過(guò)一定的方法涂覆功能梯度材料改善模具的表面性能.由于涂層材料的硬度較高，如果厚度太厚，在疲勞應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋，甚至脫離，影響模具的表面質(zhì)量.厚度太薄，則對(duì)表面的性能提高不是很明顯.通過(guò)對(duì)含有不同厚度涂層的模具的應(yīng)力以及表面的剪切力進(jìn)行分析，可以得到圖5和圖6.

圖5 模具沿z軸第一主應(yīng)力變化圖Fig.5 Change of the first principal stress along the direction of z axis注：

圖6 模具表面的切應(yīng)力變化圖Fig.6 Change of the shear stress along the direction of x axis注：

從圖5中可以看到涂層的厚度從0.01 mm變化到0.002 mm時(shí)模具的第一主應(yīng)力的變化，從厚度為0.01 mm到0.004 mm時(shí)，整體上應(yīng)力是隨涂層厚度的變小而減小，但是涂層厚度為0.002 mm時(shí)反而出現(xiàn)應(yīng)力變大的情形，而模具內(nèi)表面的應(yīng)力的大小相差不是很大.模具表層應(yīng)力沿法向呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，但是當(dāng)模具內(nèi)某點(diǎn)距離內(nèi)表面的距離超過(guò)一定值后，應(yīng)力基本趨于平緩.

圖6表示的是模具表面x-y平面上剪切力沿著z軸的方向模具表面剪切力的變化圖，不同的厚度時(shí)都表現(xiàn)出剪切力先減小后增大的趨勢(shì).不同厚度時(shí)最小剪切力相差不大，最大剪切力隨厚度的下降而減小.在涂層厚度為0.002 mm時(shí)比涂層厚度為0.004 mm時(shí)剪切力有增加的趨勢(shì).

3 結(jié) 論

通過(guò)ANSYS軟件的分析數(shù)據(jù)表明：(1)在壓鑄模的模具表面涂覆合適的功能梯度材料涂層可以使溫度場(chǎng)分布更合理，緩和熱應(yīng)力，但是梯度涂層對(duì)熱應(yīng)力的改善不是很明顯.由于涂層的硬度高、耐磨性好可以有效延長(zhǎng)模具的使用壽命.(2)涂層厚度與模具的壽命有緊密聯(lián)系，涂層過(guò)厚，在應(yīng)力、冷熱交替、沖刷和侵蝕等條件下，涂層更容易產(chǎn)生裂紋，以至脫離模具，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響模具的表面質(zhì)量，降低模具的使用壽命；涂層也不宜過(guò)薄，涂層太薄，對(duì)模具的性能提高不是很大.梯度涂層各方面的性能參數(shù)這里只做了有限的分析，還有很多需要研究人員進(jìn)一步探索.

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金對(duì)本研究工作的支持，同時(shí)感謝武漢工程大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室的工作人員.

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