大幅提高压铸件冲头使用寿命的试验研究

    压铸件冲头所处的工况条件十分恶劣,使用寿命很低。少数工厂采用耐热合金钢冲头,其使用寿命也只有十余个班次。而采用球墨铸铁作为冲头材料其使用寿命则更低。由此因停机而造成的经济损失,仅以一个中等生产规模的压铸单位为例,每年就达数万元,其中尚未计入如材料、工时及电力消耗等损失。本课题所研究的主要目的,从改变原有的冲头材料着手,放弃那些性能不够稳定且又难以及时供应的球墨铸铁,改用来源丰富、质量有保证、价格合理、规格统一的45号中碳钢材料,通过表面强化处理,提高表面硬度和韧性,使其寿命在原来的基础上提高6-10倍,从而取得了良好的经济效益和社会效益。

  1 冲头磨损的机理分析

  当两种材料的表面相对滑动时,由于材料表面原子之间存在着吸力,在其接触表面会出现粘着现象。当两个表面紧靠且又沿着法向分离或沿切向移动时,原子吸力倾向于将一个表面材料拉向另一个表面,而形成磨屑,其磨损量的大小,可用J. F. Archard公式加以表达:磨损量(磨损体积V)与载荷L及距离X成正比,而与磨损表面硬度P成反比,即:

  V=KLX/3P (1)

  式中:K为磨擦系数。K与润滑条件、相配的摩擦金属有关。

  此外,磨损体积与构成磨擦付材料的不同硬度之间,存在着平方反比关系。如令Vs和Ps分别代表磨擦付中较软材料的磨损体积和表面硬度;Vh和Ph代表较硬材料的磨损体积和表面硬度,则其间的关系,可按下式表达。

  (VS/Vh) 2 = (Ph/PS) 2 (2)

  从摩擦系数K及公式(2)中得知:为了减少粘着磨损,在选用材料时应注意:1)要求减少磨损的表面应选用硬的材料;2)应选用表面之间相互作用小或不相容的配对材料作摩擦付。

  因此,我们研究工作的重点放在:为了减少粘着磨损,可以通过提高硬度和改变配对材料的种类并使用润滑剂来解决。

  2 试验条件

  2.1选择试验用的工件材料的依据

  工件(冲头)采用了45号中碳钢,此种钢种属于调质钢,最适宜作渗硼处理。其渗硼后的组织表面,可以获得锯齿状的硼化物,与基体结合牢固,耐磨性好,而且还可以通过渗硼后的淬火、回火来提高基体强度。45号中碳钢的淬火温度都在840^860℃范围,与现有的渗硼温度接近,使渗后的工件可以直接淬火,减少加热次数、节约能源、降低成本。

  2.2试验用的渗剂材料

  本试验采用固体粉末渗剂,取其操作简单方便,不需添置专用设备,渗后容易与工件分离,便于在生产中推广应用等诸方面的优点。

  粉末渗剂的主要组成物中计有:碳化硼(B4C),为提供硼原子的主要来源,以氟硼酸钾

  (KBF4)作为活化剂,可加速催渗过程,以碳化硅(SiC)作为载体(填充剂)。

  固体粉末渗硼原理属于气态催化反应的气相渗硼。氟硼酸钾是活性很高的成分,在530 0C就可分解,到800 OC即全部分解,其所分解出来的气态和固态硼化物,都是促进渗硼的重要物质,是提高渗剂活性和参与渗硼化学反应最重要的气体。在渗硼温度下由KBF4热分解所形成的气态BF3的反应式如下:

  KBF4>530 0C KF+BF3 ↑

  BF3在渗硼温度下与B4C中因氧化而形成的B203发生强烈的还原反应而生成低价的次氧化硼(B202)而促进渗硼过程,即:

  2 B203 +2BF3 =3B202+3F2 ↑

  此处的B202是一种极不稳定的氧化物,会按下式分解,形成稳定的B2C3同时释放出活性硼原子:

  3B203 =2B203+2 [B]

  氟硼酸钾热分解生成的BF3可与B4C直接产生下列反应,析出硼原子和低价的BF2:

  2BF3+B4C=3BF2 ↑ +3 [B] +C

  氟硼酸钾还与B,C在氧的参与下,直接进行下述化学反应而析出硼原子:

  2KBF4+B4C+02 =K20+4BF2 ↑+2「B〕+CO ↑

  以上两式的反应产物中均有BF2生成,而BF2又因不稳定而分解,析出硼原子。由此可以确定,以B4C为供硼剂的渗剂活性好、渗速快,这也是我们选用渗剂的理论基础。



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