近净成形技术之精密热处理改性与表面改性 - 天津大学研究生e .DOCVIP

近净成形技术之精密热处理改性与表面改性 刘玉亮 天津大学机械学院机械电子专业2012级研究生 摘要：近净成形技术始于20世纪70年代，并得到快速发展，其产值增长幅度远高于制造业产值增长幅度。热处理改性与表面改性技术是近净成形技术的一个分支，本论文综述了该技术的特点、在液压缸与工模具上的应用及发展趋势。 关键词：近净成形、精密热处理改性与表面改性、激光表面改性、液压缸、离子注入表面改性、工模具 0 前言 近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用做机械零件的成形技术。它将新材料、新能源、精密磨具技术、计算机技术、自动化技术等多种高新技术融入传统的毛坯成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本的成形技术。采用近净成形技术所获得的机械零件具有精确的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。 近净成形技术的发展对提高一个国家的工业竞争力有重大影响。近净成形技术是先进制造技术的一个重要内容，几乎所有的机械零部件都要通过成形与改性才能具有所需的形状及实用功能。据统计，全世界约有75%的钢材要经过塑性加工，有45%以上的钢材采用焊接技术得以成形。在工业发达国家精密成形铸件已占铸件总产量的25%-30%，而其产值达到铸件总产值的50%左右。我国制造业在一个相当长的时期将获得快速发展，据预测，一直到2020年制造业占我国GDP的比重将保持在35%左右的较高值。制造业特别是机械制造业的发展，要求生产过程节约能源、节约材料、提高资源利用效率，已成为能否以低成本、高质量、高效率参与国际市场竞争的十分重要的问题。发展、应用近净成形技术就是一个有效途径。 近净成形技术涵盖精密铸造成形、精密塑性成形、精密连接、精密热处理改性与表面改性、高精度模具等专业领域，是一项集新工艺、新材料、新装备以及相关高新技术成果于一体的综合技术。 1 技术特点 材料的性能并不单纯取决于材料的种类和成分，通过热处理和表面改性改变材料内部的组织，将大幅度改变材料性能。例如：高速钢在退火状态硬度不高于280HB并有相当好的塑性和韧性，在经过淬火回火之后则有很高的硬度、红硬性和耐磨性。由于溶入基体中的合金元素的含量以及奥氏体的晶粒度都和淬火温度有关，其趋势是硬度、红硬性随淬火温度提高而提高，韧性则随之下降，强度则是先升后降。利用这种规律，可以根据不同刀具和模具的使用特点选择各自最佳的淬火温度(表1)：车刀具的刃部和刀柄都比较厚实，对强度要求不高，承受冲击载荷较轻，可以采用接近于熔点的淬火温度，使尽可能多的合金元素和碳熔入奥氏体中，从而提高红硬性和耐磨性。钻头钻孔时刃口不易冷却，希望进尽可能提高其红硬性，但为防止扭断，占头需要有较高强度，因此其淬火温度略低于车刀。铣刀和绞刀的刃口较薄，为了避免崩刃，要求有足够的韧性，应适当降低淬火温度，小钻头使用时主要损坏方式是扭断或折断，为保证较高强度宜进一步降低淬火加热温度。冷挤压模具承受很高的应力，而对红硬性要求不高，所以选择出现强度峰值的淬火加热温度。而对于一些细长的或形状复杂，受较大冲击载荷的冷冲模，则应选择更低的淬火温度。表1说明用同一种钢制造的刀具或模具，应根据使用情况和失效的方式选择不同的淬火温度，其变化的范围达到150℃。但对于一个具体的工件而言，只允许±5℃的偏差。 表1 W6Mo5Cr4V2钢的淬火回火温度 工件类型 淬火温度(℃) 回火温度(℃) 车刀 1250～1260※1 560 钻头及简单形状，连续切削刀具 1240 560 形状复杂刀具 1230 560 高强薄刃刀具，小钻头 1200～1220※2 560 冷挤压凸模 1190 560 冷镦模 1150～1190※2 560～580※2 细长冲模及要求高韧性的工件 1100～1130※2 200 改进热处理技术，更充分发挥材料的潜力，往往是产品更新换代的催化剂。调质处理即淬火高温回火后的屈服强度大约在600～900Mpa之间，无论是强度和韧性都显著优于正火处理，因而成为结构钢常用的热处理工艺。在二次大战期间前苏联的研究人员发现30CrMnSi淬火和低温回火，或等温淬火后，屈服强度达到1500Mpa，并保持足够的韧性，用于制造飞机起落架。中、低碳结构钢淬火低温回火处理还应用于火炮防弹护板等军工产品，随后各国开发一系列以淬火和低温回火处理为特征的“超高强度钢”促进了不少重要产品的更新换代，例如：大功率燃气轮机的液压耦合器的转子，传递着几万以至几十万千瓦的功率，转速达每分钟2万转以上，原设计为SEA4340钢调质处理，屈服强度为800Mpa,后来采用淬火、低温回火处理，屈服强度达到1800Mpa，使整个耦合的重量减少到原来的1/4。这对于提高舰艇的性能是很有利的。 表面改性技术对高端产品的研发同样有重要作用，