碳化鈮覆層模具在冷擠壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)與磨損行為

王華君，洪 峰，周小光，李 秋，王華昌

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

碳化鈮覆層模具在冷擠壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)與磨損行為

王華君，洪 峰，周小光，李 秋，王華昌

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

在冷擠壓模具表面制造碳化鈮（NbC）覆層，可望滿足惡劣的工作環(huán)境對(duì)冷擠壓模具表面性能的需求。本文以套筒零件的冷擠壓為例，通過(guò)有限元建模與Archard磨損模型相結(jié)合的方法，獲得了無(wú)覆層凸模和不同厚度的碳化鈮覆層凸模在冷擠壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化和磨損規(guī)律。研究結(jié)果表明：相對(duì)于無(wú)覆層凸模，碳化鈮覆層凸模在有限元模擬冷擠壓過(guò)程中服役性能良好，可降低模具內(nèi)部溫度，顯著增強(qiáng)模具表面的耐磨性能；覆層厚度過(guò)厚或者過(guò)薄都會(huì)降低模具表面的耐磨性，覆層厚度為10μm時(shí)耐磨性最好。以上研究可探索碳化鈮覆層在冷擠壓過(guò)程中對(duì)模具的保護(hù)作用。

冷擠壓；模具；碳化鈮覆層；溫度場(chǎng)；磨損深度

冷擠壓模具是保證擠壓件尺寸和精度的重要工裝，是保證擠壓件表面質(zhì)量的重要因素之一。冷擠壓模具工作時(shí)，坯料受到強(qiáng)烈三向壓應(yīng)力作用，發(fā)生劇烈的塑性流動(dòng)，由于被擠壓材料的變形抗力較高，使模具承受強(qiáng)大的擠壓反作用力和摩擦力。冷擠壓模具工作環(huán)境惡劣，在摩擦、循環(huán)交變載荷和非對(duì)稱交變應(yīng)力載荷的作用下，模具表面易出現(xiàn)磨損、疲勞開(kāi)裂、塑性變形等缺陷[1]。磨損是其冷擠壓模具的主要失效形式，降低磨損率必將提高冷擠壓模具的可靠性及壽命。模具壽命長(zhǎng)短直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提高，提高擠壓模具壽命對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的意義。

通過(guò)表面覆層技術(shù)，如TD、CVD、PVD、堆焊等工藝，可以在模具表面形成硬質(zhì)覆層，從而滿足工模具表面高溫強(qiáng)韌性的要求。TD法鹽浴滲鈮[2－5]是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種表面強(qiáng)化工藝，研究表明，形成的NbC（Niobium carbide）覆層化學(xué)性能穩(wěn)定，具有高硬度、耐磨性、抗蝕性、抗氧化性等，可以有效提高工模具的壽命。在冷擠壓模具表面制造碳化鈮覆層，具備高硬度、高強(qiáng)度、高耐壓性能與足夠的耐熱性能，可望滿足惡劣的工作環(huán)境對(duì)冷擠壓模具表面性能的需求。對(duì)冷擠壓模具碳化鈮覆層的溫度場(chǎng)變化和磨損規(guī)律[6][9]進(jìn)行計(jì)算，可獲得碳化鈮覆層在冷擠壓過(guò)程中的服役性能。

本文以套筒零件的冷擠壓模具為例，通過(guò)有限元建模與Archard磨損模型[10]相結(jié)合的方式計(jì)算不同厚度碳化鈮覆層在冷擠壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)和磨損，研究不同厚度碳化鈮覆層對(duì)冷擠壓模具溫度場(chǎng)和磨損的影響，探究碳化鈮覆層在冷擠壓過(guò)程中對(duì)模具的保護(hù)作用。

1 冷擠壓Archard磨損模型及有限元建模

對(duì)于冷擠壓模型，選用Archard磨損模型對(duì)模具在冷擠壓成形過(guò)程中的磨損量進(jìn)行預(yù)測(cè)。Archard模型公式如下：

式中：dV為磨損體積；dP為表面壓力；dL為滑行長(zhǎng)度；K為磨損因子；H為模具初始硬度。

以套筒零件的冷擠壓工藝為例，建立其成形過(guò)程有限元模型。為了縮短模擬計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，取該軸對(duì)稱模型的1/4進(jìn)行有限元數(shù)值仿真，如圖1所示。

圖1 套筒零件的冷擠壓有限元模型

在冷擠壓有限元模型中，坯料材料為10鋼，模具材料為Cr12；覆層選用NbC，其熱膨脹系數(shù)為6.5×10-6K，熱導(dǎo)率為14.24W·m-1·K-1。坯料與凸模、凹模之間的摩擦因子設(shè)為0.12，熱傳導(dǎo)系數(shù)為5W·m-1·K-1；模具基體材料的初始硬度為60HRC，NbC覆層的初始硬度為75HRC；將坯料材料劃分為30000個(gè)網(wǎng)格，凸模劃分為40000個(gè)網(wǎng)格，每步步長(zhǎng)為0.12mm，總模擬步數(shù)為80；凸模冷擠壓速度2mm·s-1。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)

圖2所示為冷擠壓進(jìn)行到最后階段凸模的溫度場(chǎng)，其中圖2a、2b分別為采用無(wú)覆層和NbC覆層凸模進(jìn)行冷擠壓最后階段凸模的溫度場(chǎng)。

圖2 冷擠壓最后階段凸模的溫度場(chǎng)

由圖2可知，在冷擠壓過(guò)程中模具溫度會(huì)上升，凸模圓角處的模具溫度最高。模具溫度上升是由于模具與坯料強(qiáng)烈的摩擦作用和坯料劇烈變形而產(chǎn)生了大量熱量的結(jié)果。當(dāng)冷擠壓到第80步時(shí)，無(wú)覆層凸模最高溫度達(dá)到82.9℃，NbC覆層凸模最高溫度達(dá)到79.9℃。模具內(nèi)部溫度沿著模具接觸底部縱深遞減，越靠近模具圓角模具內(nèi)部點(diǎn)溫度就越高，NbC覆層模具內(nèi)部溫度明顯低于無(wú)覆層的模具溫度。

2.2 磨損分析

圖3為冷擠壓結(jié)束后凸模磨損深度示意圖，其中圖3a、3b分別為采用無(wú)覆層和NbC覆層凸模進(jìn)行擠壓時(shí)凸模的磨損深度示意圖。

圖3 凸模磨損深度示意圖

由圖3可知，在冷擠壓過(guò)程中凸模圓角磨損最嚴(yán)重，這是由于在整個(gè)變形過(guò)程中凸模圓角處胚料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，在模具作用下，沿著軸向徑向不斷發(fā)生塑性流動(dòng)，因此磨損較嚴(yán)重。圖3a、3b顯示，無(wú)覆層、NbC覆層冷擠壓凸模最大磨損深度分別為17.9×10-5mm、7.5×10-5mm，有碳化鈮覆層凸模的磨損深度遠(yuǎn)低于無(wú)覆層的凸模。結(jié)果表明，碳化鈮覆層可增強(qiáng)模具表面的耐磨性能，明顯提高模具的使用壽命。

3 厚度對(duì)覆層性能的影響

3.1 溫度場(chǎng)

圖4所示為不同厚度碳化鈮覆層模具溫度場(chǎng)，其中4a、4b、4c、4d分別為厚度5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層模具溫度場(chǎng)。

圖4 不同厚度碳化鈮覆層模具溫度場(chǎng)

由圖4可知，5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層模具最高溫度為80.6℃、79.9℃、79.6℃、78.8℃。從碳化鈮覆層模具最高溫度的變化趨勢(shì)可以看出，隨著覆層厚度的增加，模具內(nèi)部溫度逐漸降低，覆層越厚，其隔熱效果越好，模具內(nèi)部溫度越低。產(chǎn)生圖4結(jié)果的原因是：碳化鈮覆層導(dǎo)熱系數(shù)比基體材料要低，在模具表面起到熱屏障的作用，阻止熱量進(jìn)入模具，降低了模具溫度，從而可減少模具因溫度過(guò)高而產(chǎn)生的變形。

圖5 不同厚度碳化鈮覆層凸模的磨損深度示意圖

3.2 磨損分析

圖5為不同厚度碳化鈮覆層凸模的磨損深度示意圖，其中5a、5b、5c、5d分別為厚度5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層模具磨損深度示意圖。

由圖5可知，5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層凸模的磨損深度分別為 8.2×10-5mm、7.5×10-5mm、8.2×10-5mm、9.12×10-5mm。從磨損深度可以得出，碳化鈮覆層厚度為10μm時(shí)，最大磨損深度最??；當(dāng)覆層厚度為15μm與20μm時(shí)，厚度越厚覆層磨損量越大。不同厚度碳化鈮覆層凸模的磨損深度說(shuō)明，覆層厚度不是越厚耐磨性就越好，這是由于碳化鈮覆層的磨損機(jī)理為疲勞剝落磨損，覆層過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致覆層的破裂，覆層過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致覆層的剝落，都會(huì)降低模具表面的耐磨性。

4 結(jié)論

以套筒零件的冷擠壓模具為例，通過(guò)有限元建模與Archard磨損模型相結(jié)合的方式計(jì)算了不同厚度碳化鈮覆層模具在冷擠壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)和磨損，探究碳化鈮覆層在冷擠壓過(guò)程中的服役性能，并得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合Archard磨損模型，有效地建立了基于碳化鈮覆層模具的冷擠壓過(guò)程有限元模型。

（2）NbC覆層在冷擠壓過(guò)程中服役性能良好，能降低模具內(nèi)部溫度，顯著增強(qiáng)模具表面耐磨性能，提高模具使用壽命。

（3）NbC覆層厚度過(guò)厚或過(guò)薄都會(huì)降低模具表面的耐磨性，厚度為10μm時(shí)耐磨性最優(yōu)。

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Temperature field and wear behavior of NbC coating in the cold extrusion process

WANG Huajun,HONG Feng,ZHOU Xiaoguang,LI Qiu,WANG Huachang
（Department of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

NbC （Niobium carbide）coating on the surface of cold extrusion die is expected to meet requirement of the cold extrusion die surface during the poor working environment.Taking the cold extrusion process of sleeve part as an example in the text,the temperature field and wear law of uncoated punch and NbC coated punches with different thicknesshave been obtained in the cold extrusion process through the combination methods of the FEM and Archard's model.The research results show that the NbC coated punches have a better service performance in the FEM cold extrusion process,which can reduce the inside temperature of die and improve the wear resistance of the die surface;The wear resistance of the die surface is best when the coating thickness is10 μm while bigger or smaller thickness would reduce the resistance.The above research can explore the protective effect of NbC coating on the die in cold extrusion process.

NbC coating;Cold extrusion;Temperature field;Wear depth

TG156；TG375+.4

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.032

1672－0121（2016）04－0109－04

2016－03－19；

2016－04－29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475346）

王華君（1970－），男，博士，副教授，從事材料加工工程研究。E－mail：wanghuajunhb＠163.com