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涂层工具的新概念

D. Bonin

Syndicat National de l#39;Estampage et de le Forge (SNEF)

Maison de la meacute;canique

39 41 Rue Louis Blanc

92400 Courbevoie

France

摘要

在热锻件中，工具的成本很高(高达零件价格的15%)。。工具被锻造公司并且生产认为是可消耗的产品。长期以来，刀具一般都是由电火花加工而成，但现在越来越多地采用高速切削加工。这些机器能够加工非常坚硬的材料(高达1600 MPa)。热锻最大的问题之一是在700◦C时工具钢的弱点。在工具上焊接更硬的材料，但没有取得真正的成功。目前的建议正在解决这个问题。新的概念是用爆炸焊接形成两层扁平材料，而不是用机械加工来制作刀具雕刻，甚至不是制造电焊镀层。在适当的温度下，通过锻造这种“双层”材料来制作雕刻材料。如果需要非常精确的尺寸，最终将进行精细加工。刀具寿命将提高三至四倍，刀具价格应更低。在锻件价格方面，根据所采用的锻造工艺，锻件价格将从4%下降到10%。

关键词：工具，落锻，爆炸焊接，电焊，沉积，高温合金，工具寿命

落锤锻造的现状

过程描述

一个加热至1250◦C的小方坯放置在较低的模具中，如图1所示。上模向下压在下模上，铸坯在雕刻中成形，图2.多余的材料包含在闪光灯中，锻造后将被切割。特别是在A、B、C、D、E点，应力是非常重要的。(热应力、化学应力和机械应力)并且工具将被损坏，特别是在这些点。

图1：模锻工艺描述示意图

当前的问题

一种常用于制造工具的钢是经热处理的Z38CDV 5，但大约600◦C的钢失去了它的大部分性能。要锻造的材料加热到1250◦C。该材料与工具的接触时间取决于锻造设备。锻造行业的实际情况是，刀具表面温度可达到600◦C~700◦C。热应力与机械应力(在加工过程中都是不可避免的)结合在一起产生磨损的工具和高的刀具成本。这些工具是通过在一块金属块中加工整个雕刻而成的。这种金属将在加工后或加工前进行热处理。这种加工的成本相当高。

图2：落锤锻造的形成

当前的解决问题

为了减少锻造工具的磨损，一种解决方案是在特殊金属的表面沉积焊接，能够在600至700℃的温度下保持其机械性能。在这里，主要成分是镍或钴的合金可以使用，通常称为高温合金。高温合金的沉积是通过焊接，无论是用电极或焊丝进行电焊，还是激光焊接或火炬焊。在后两种情况下，高温合金作为粉末被引入。热会熔化粉末和表面，并焊接所需的镀层。完整的刀具表面可以被处理(图3)，或者只处理工具将被迅速损坏的部分(图4)。

现有解决办法的缺点

1. 堆焊后，必须进行精密加工，才能获得优质的表面。实际的技术无法以合理的成本实现那种加工。不均匀的焊接过的合金和太粗糙的表面使加工变得不可能。

图3：工具形成的焊缝隙沉积

图4：关键部位的焊缝沉积

2.焊接过程是对钢进行加热，使钢的力学性能下降，在I J K L点处刀具很快就会损坏。

爆炸焊接描述

爆炸焊接允许焊接大而平坦的表面，这一技术称为熔覆。将被熔覆的板抛向母材（图5, 6和图8），并且在不加热两种材料的情况下实现焊接（图7）。大多数材料可以爆炸焊接，如果某些条件得到实现(低屈服强度，高延性)。该技术在化工、造船等领域有着广泛的应用，并且可用来制造工具。

图5：爆炸包层过程 图6：爆炸连接过程

图7：用于计算爆炸和相 图8：爆炸复合板的界面

隔距离的图的例子

爆炸焊接提出的解决方案

通过爆炸焊接，两张扁平和大(几平方米)的金属片将被组装成另一块(图9)。其中一种是由合适的工具钢制成的支撑板。另一种是厚度在毫米到厘米之间的高温合金板材。它将具有跟以前通过焊接而成的任何沉积一样的功能。

图9：制造爆炸焊接钢板的过程

爆炸后，将产生几平方米的双金属材料.大面积双金属材料焊接完成后，刀具雕刻将分几个步骤进行热锻成形。

第一步是切割正确数量的双金属材料，如图9所示.适当数量的双金属材料将被切割(一般是一些平方分米).只焊接一小部分双金属材料是可能的.出于经济原因，建议从大板中切割出一小部分。

图10：在锻造成形前的加工

在钢边加工中空形状，图10。根据所要制作的刀具锻造后的形状和深度，在刀具钢面加工适当而简单的空心形状。这种形状在雕刻的过程中会部分消失，这是下一步的任务。凹模形状控制雕刻品在锻造过程中的变形，方便它的锻造操作。在所有情况下，空心形状并不是强制性的。在保证双金属爆炸焊接质量的同时，可以进行锻造成形时，不需要空心形状。对于大型工具来说，锻造可能需要太大的力量。然后，可以使用图13所示的过程。

锻造成形

如图11双金属零件不论是否有空心形状，都会被加热到合适的锻造温度。(冷、温或热)。适当的成形冲头(必须预见热收缩)将被推到适当的深度。从而实现了锻造的最终形状。根据质量要求(精度)，锻造可以通过机器完成，也可以不通过机器完成。

图11：锻造成形

NB1：锻件成形工具的制作方法可用于标准工具完全由钢制成。

NB2:在不太深的情况下，可以从双金属材料上实现不锻造成形的双金属材料的工具。将选择一个足够的高温合金厚度来加工高温合金内部的整个成形过程，图12。

NB3:在一些大型工具的情况下，使用薄的素合金板可能是有趣的.在M和N点，图13，同样的缺点将不会发生在焊接。

必须根据特定的超级合金和钢进行锻造双金属刀具的适当热处理。可在锻压机床上固定工具的外部工具表面可加工，参照成形位置。

如果要求尺寸精度，成形将被加工并最终抛光。在其他情况下，可以省略雕刻的加工，只有抛光是足够的。

图12：加工成形

工具爆炸焊接的优点

刀具寿命是以前刀具寿命的三到四倍，已经经历过。减少工具制造成本是可能的.在热锻件中，材料成本为25%，加工成本为65%，热处理成本为10%。在这里，材料成本被认为是不变的。高温合

图13：加工后的爆炸层

金和爆炸焊接的成本增加了成本，但可以购买较便宜的钢。同时，热处理保持不变，加工大大减少。因此，该工具的估计总成本将低于传统的解决方案。降低锻件价格是可能的。锻件价格中的刀具成本在5%到15%之间，这取决于锻压机的类型、刀具的几何形状、润滑等。

在新概念中，锻件的成本估计在4%(锤子)到10%(压力机)之间。

NB:欧洲锻造联盟是国家锻造联盟的联合会。旨在对多层爆炸焊接概念进行进一步的研究。

外文翻译二

面向过程摩擦学试验研究干冷挤压表面处理的适用性

关键词：挤压，干金属成形，磨损，粘着，涂层，激光表面处理

摘要：在铝合金冷挤压过程中，通过过度润滑可以防止粘着磨损。虽然这会导致额外的工艺步骤，但也必须解决环境风险。因此，干金属成形，即通过涂层和形貌修饰避免润滑是可取的。本文首先给出了纯铝在干金属成形条件下裁剪表面行为的研究结果。

对AISI H11工具钢在冷挤压条件下进行了不同的表面处理(激光抛光和Mo2bc涂层)的压缩扭转摩擦磨损试验。法向应力比被测工件材料纯铝的初始屈服应力高六倍(AA 1050-o)适用。此外，还介绍了一种用于表征工具上的铝粘着物的策略。不同的形貌和涂层的存在对材料损失的影响 对粘着磨损进行了研究。

介绍

冷挤压工艺是众所周知的一个高度的材料使用和尺寸精度的成型件[1]。这种金属形成工艺的另外的特性是所形成的部件的良好表面质量和均匀的晶粒结构。工件的高表面质量和刀具的高耐久性通常是通过工艺的过度润滑来实现的。根据工件材料的不同，使用了不同种类的润滑剂(例如机油、碱性或锌皂)[2]。有时还使用转换层来增加工件的润湿性。从经济上和生态上来说，双方都希望用润滑油替代。一方面工艺步骤（清洁，润滑和清洁后）可能会被淘汰，另一方面潜在的环境风险，从不同的润滑油可以减少。

因此，最近研究的一个课题是干金属成形，由Vollertsen和Schmidt定义为“工件不需要清洗或钻孔就离开成形工具的过程”。 在进一步的生产步骤之前的NG“[3]。

本文首次研究了AISI H11(X37CrMoV5-1)工具钢在干金属成形条件下对纯铝(AA 1050-O)的摩擦学行为。转摩擦磨损用压缩-扭仪表征了粘着磨损行为.试验条件符合冷正向挤压载荷谱。一方面对工具钢进行表面处理(地形影响)，另一方面用Mo2BC(硬层的影响)对表面进行涂层处理。润滑试样的试验结果可作为参考。为了评估磨损行为，压缩扭转摩擦计的测量及白光干涉仪b的分析 给出了测试前后的情况。

压缩.扭矩.摩擦力计

为了检验不同的表面处理和涂层的摩擦学性能，采用了[4]描述的压缩-扭转摩擦磨损计的修正设计。压缩-扭转摩擦计能够将接触压力扩大到被测工件材料(退火状态下的纯铝；aa 1050-O)屈服应力的倍数。 工件试样的制作(图1)。工具试件由气动缸轴向加载，并压在旋转工件试件上。工件试样在两个试样接触之前已经以恒定的速度旋转。 在样品分离之前，保持相对运动。用于表征摩擦学系统从旋转到固定侧的扭矩、载荷和滑翔。 长度是测量的。

图1：已使用的工件和工具试件的设计，封装环和定位面在剖面和全视图中；最后接触区域为红色。

用过的工具试件设计的圆形试样面积约为95.03mm2。封装采用黄铜制成的圆环(壁厚为4.5mm)。此外，工件试样 沿所述封装的间隙，以使所述工件材料发生塑性变形。因此，两个试件之间的接触面积从50.26mm2增加到最95.03mm2.试验采用冷全正挤压试验条件。全正挤压的本质特征是高相对表面压力（接触应力P 初始屈服应力sigma;Y0)高达6.4[1]。

因此，以最后的接触面积（A1=95.03mm2）和测量的初始屈服应力的用纯铝（sigma;y=25MPa）的考虑，在试验荷载为14.5 kN的。因此，所获得的相对表面压力约为6。实验的转速为60r/min，满载时为两转滑动距离。实验 都是在干燥状态下进行的。为了尽量减少磨损，选用WISURA AK 3080润滑剂作为参考。

试样制备

工具试件由AISI H11制成，这是一种热作钢，通常用于模具插入件、心轴或冷锻或热锻过程中的冲头等高应力零件。AISI H11有效，可用于各种质量等级，如附加结构处理(EST)或电渣重熔(ESR)。其中最显著的差别是显微组织的纯度和均匀性：与EST相比，ESR级材料的纯度进一步提高，达到了最小值。 微观结构中的硫化物和氧化物包裹体。所有刀具试样均在真空条件下进行热处理，硬度为55~56HRC，然后用表面磨床进行研磨。DIN ENISO 3274的表面粗糙度Ra=0.31plusmn;0.0 7m。提出了提高工具钢表面粘着性的两种策略。一方面用激光抛光对形貌进行改性，另一方面用Mo2BC进行涂层。

激光抛光。

激光抛光金属是基于激光辐射对薄表面层的重熔。利用连续波激光辐射(宏激光波尔)实现了宏观结构的光顺。一个熔池是由入射激光束产生的。在重熔过程中，由于熔融材料的表面张力，表面粗糙度被平滑。空间小波的粗糙度 通过微激光抛光可降低小于80mu;m的THS。微激光器抛光脉冲激光辐射是将小于5m的薄表面层重熔和微边缘汽化的结合(图2A)。

图2：a)通过重熔具有脉冲激光辐射的薄表面层的激光抛光的示意图b)对经测试的表面形貌的真实粗糙度Sa的光谱分析空间波长大于40thinsp;平度thinsp;80thinsp;micro;M保持几乎不受影响，而降低粗糙度thinsp;lt;thinsp;40thinsp;micro;M结果明显高于表面的光泽。因此，采用微激光抛光可以改善晶粒表面的功能性能。Lieding[6]表明脉冲激光抛光引发爆炸蒸发 硫化物和氧化物包裹体，导致表面形成陨石坑。虽然这些陨石坑增加了平均粗糙度，但这种随机模式的间接结构对表面粘着磨损行为的影响尚不清楚。

由EST和ESR级材料制成的样品采用脉冲激光抛光。脉冲重复频率为fprrthinsp;=thinsp;20thinsp;kHz，平均激光功率PLthinsp;=thinsp;72thinsp;W，径迹偏移Dythinsp;=thinsp;30thinsp;m，扫描方向单脉冲重叠率为80%。

激光微抛光工艺导致微粗糙度的光滑化，使传统的粗糙度指标如Ra不受影响。微观粗糙度和表面光泽度的变化不能用常规的力学方法来充分反映[7]。因此，微激光抛光表面的测量是 用白光干涉法进行非接触式测量。通过对表面粗糙度的谱分析来研究捕获的表面轮廓，该表面粗糙度是通过将表面轮廓与高斯载荷函数相似的离散卷积得到的。 国际标准化组织11562(图2B)。相应的表面可以在图3中找到。

图3：试件的表面形貌；a)地面(初始表面)，b)Mo2bc涂层，c)激光抛光(EST质量)，d

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