摘 要

本文主要对GH2135粉末微束等离子熔覆材料的热疲劳性能进行研究。目前工业上常用的热作模具钢是H13钢（4Cr5MoSiV1），但其高温性能难以满足日益发展的模具工业的需求。而GH2135合金拥有优秀的高温性能，对其性能的研究对实际工业生产有积极的意义。

通过等离子粉末堆焊技术，使用GH2135合金对H13钢表面进行强化，研究所得熔覆层的抗氧化性能与热疲劳性能。试验结果表明GH2135合金覆层比H13钢有更好的抗氧化性与热疲劳性能。

关键词：GH2135；H13钢；等离子堆焊；热疲劳；

Abstract

In this paper, the thermal fatigue properties of GH2135 powder microbeam plasma cladding materials are studied. At present the industry commonly used hot work die steel is H13 steel (4Cr5MoSiV1), but its high temperature performance is difficult to meet the growing demand for mold industry. The GH2135 alloy has excellent high temperature performance, its performance research on the actual industrial production has a positive meaning.

The surface of H13 steel was strengthened by using plasma powder welding technology, and the oxidation resistance and thermal fatigue performance of the obtained cladding layer were studied by using GH2135 alloy. The experimental results show that the GH2135 alloy coating has better oxidation resistance and thermal fatigue performance than H13 steel.

Key Words: GH2135; H13 steel; plasma surfacing; thermal fatigue;

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2热作模具钢工况及失效形式 1

1.2.1热作模具钢的工况 1

1.2.2热作模具钢的失效形式 1

1.3模具表面的强化与修复 2

1.4热作模具钢高温性能的研究现状 3

1.4.1热稳定性 4

1.4.2热疲劳 4

1.5本文研究内容及其意义 5

第二章 等离子堆焊覆层制备及试验设计 6

2.1 GH2135覆层制备 6

2.1.1焊前准备 6

2.1.2堆焊试样的制备 6

2.1.3焊后处理 7

2.2热稳定性试验 7

2.3热疲劳试验 7

2.3.1热疲劳性能的表征方法 8

2.3.2热疲劳试验内容 8

2.4高温氧化试验 9

第三章 试验及其数据分析 11

3.1热疲劳试验及数据分析 11

3.1.1裂纹产生时间及裂纹长度与循环次数关系 11

3.1.2热疲劳裂纹的形貌 12

3.2高温抗氧化性试验及数据分析 13

3.3热稳定性试验及数据分析 15

3.4本章小结 17

第四章 结论 18

参考文献 19

致 谢 20

第一章 绪论

1.1引言

铸造产业素来享有“工业之母”的称号,在国民经济中占有相当重要的位置，为汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业提供基础服务,运输工具、机械制造、甚至是高精尖的航天国防工业都需要铸造业生产提供的相关零部件。^[1]

其中，压力铸造部分需要模具工业给予支持。压铸模具一般使用热作模具钢制成，其工作条件十分恶劣，在承受较大冲击力同时与高温金属接触，还要经受反复的加热与冷却，其表面容易产生热疲劳裂纹。因此，如何改善模具的性能，提高模具使用寿命成了一个亟需解决的问题。

1.2热作模具钢工况及失效形式

1.2.1热作模具钢的工况

热作模具钢在工作过程中，模腔与高温金属直接接触，导致模腔表面温度高达400℃，局部区域可达700℃，故模腔表面金属容易出现高温软化现象导致硬度降低。同时，模腔过高的表面温度需要快速冷却，这就形成了一个周期型的冷热交替环境，材料在此受热膨胀和冷却收缩的循环中，不断受到拉应力和压应力，极易形成疲劳裂纹，导致性能不足以满足生产需求而失效。热作模具冲压高温金属时，模具型腔与高温金属表面相接触，在巨大的冲压力作用下，模腔表面与高温金属表面产生相对位移，而造成摩擦磨损，导致模具型腔表层产生划痕和尺寸变化，对生产零部件的尺寸精确度有巨大影响。

1.2.2热作模具钢的失效形式

热作模具钢在工作过程中，受到高温、冷热周期性交替和冲压力作用下，模腔表面容易出现高温软化、产生热疲劳裂纹以及高温摩擦磨损等现象，导致模具失效。^[2]

1、高温软化

热作模具钢在使用过程中，高温金属坯料和模腔表面直接接触导致模具表层温度迅速提高，通常可以达到600℃，局部区域可达700℃。在如此高温下，模具表面通常会因为高温软化导致硬度下降，在经受锻压的冲击力时会被破坏而失效。因此，热稳定性是衡量模具寿命长短重要指标。

2、热疲劳

热疲劳是指由温度变化引起的材料受热膨胀和冷却收缩受到约束，从而在材料内部产生热应力，当温度反复交替变化时，材料内部也不断受到热应力的作用，慢慢产生裂纹并不断扩展最终导致材料失效的过程。在生产加工中，热作模具钢与高温金属坯料接触，模腔表层温度迅速上升至600℃以上，而模腔内层还维持着较低的温度，这样表层材料由于温度快速上升而产生的热膨胀受到内层低温材料的限制，从而产生压应力。当坯料压铸成型脱落后，模腔表面被喷洒冷却液，表层材料温度急速下降，而内层材料经过上一阶段缓慢加热后，温度要高于此时急速冷却的表层材料，从而产生拉应力。这一过程不断的循环后，模腔表层材料积累的热应力到达一定程度后便产生热疲劳裂纹。

热疲劳性能是制约模具材料寿命的重要因素。影响热作模具热疲劳性能的影响因素较多，可分为材料的内部组织及性能和外部服役条件两大类。内部组织及性能包括材料的化学成分、组织结构以及力学性能和物理性能等，是影响模具钢热疲劳性能的主要因素。但是耐热疲劳性能是模具材料在具体的服役环境下的性能表现，如果服役条件发生变化，其耐热疲劳性也会发生变化。

1.3模具表面的强化与修复

在实际工业生产中，一旦模具由于上述原因发生失效，则生产出的零部件产品品质会达不到设计要求而报废。而在现代工业中，提高模具的使用寿命可以明显提高生产效率和降低生产成本。如何提高模具的使用寿命则具有重要的意义。

在提高模具寿命方面，现在应用较为广泛的方法是通过表面工程技术来改善模具表面的材料性能，如提高模具表面的耐磨性、高温稳定性等，同时不改变内层性能，使其保有足够的强韧性，这样便能提高模具的综合性能，达到提高模具使用寿命的目的。