半固態(tài)加工模具表面強化與修復

文/陳威，高一翔，朱磊·裝甲兵工程學院機械工程系

半固態(tài)加工模具表面強化與修復

文/陳威，高一翔，朱磊·裝甲兵工程學院機械工程系

近年來，半固態(tài)金屬加工（Semi-Solid Metal Process or Semi-Solid Metal Forming簡稱SSM）技術發(fā)展很快，并在汽車工業(yè)等領域得到一定程度的應用。但真正投入大批量工業(yè)應用的仍是低熔點有色合金。原因是黑色金屬熔點高，操作難度大，而且沒有專門為黑色金屬半固態(tài)加工而研制的模具材料。

在1300℃以上高溫和高壓的條件下，二次加熱后，半固態(tài)合金有固相存在，此時合金含有較低的結晶潛熱，漿料的凝固速度較大?，F(xiàn)有的模具材料不能適合黑色金屬半固態(tài)加工模具在受力與加熱交互作用的惡劣條件，使得模具易損壞失效，壽命很低，常出現(xiàn)使用數(shù)次后模具工作零件變形的情況。降低模具成本、延長模具壽命已成為黑色金屬半固態(tài)加工技術亟待解決的問題之一。

自蔓延高溫合成（Self-Propagating Hightemperature Synthesis縮寫為SHS），是利用化合物生成時放出的反應熱，使合成反應自身能夠維持下去直至反應結束，從而在很短的時間里合成出所需材料的一種方法。反應產(chǎn)物為陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物等。

本文介紹基于自蔓延技術的半固態(tài)加工模具表面強化與修復研究的進展情況。主要內(nèi)容包括：靜態(tài)自蔓延法制備半固態(tài)金屬加工用陶瓷涂層模具；模具鋼表面堆焊金屬陶瓷修復工藝；金屬陶瓷模具內(nèi)襯自蔓延反應熱壓成形機理研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

制備陶瓷內(nèi)襯凹模

制備SHS涂層的方法大體可分為動態(tài)法和靜態(tài)法，并且一般都是以制備鋼管的防腐和耐磨涂層為主。動態(tài)法又稱為SHS離心鋁熱法，是利用鋁、鎂、硅、鎘等粉末與金屬氧化物發(fā)生反應的潛熱來加熱反應產(chǎn)物─陶瓷與金屬或陶瓷與陶瓷，由于反應溫度超過了陶瓷和金屬的熔點，整個體系處于熔融狀態(tài)。在離心力的作用下，熔體按密度大小分層，大密度的金屬組分與鋼管基體結合，小密度的陶瓷涂覆在鋼管的內(nèi)壁，形成陶瓷涂層。

目前，動態(tài)法只能用于直管件的涂層制備，尚不能實現(xiàn)細長管和彎管的涂層制備。靜態(tài)法又稱為重力分離法，是利用鋁熱反應的高溫使反應物處于熔融狀態(tài)，鋼管中反應物料上部形成了由金屬鐵與陶瓷兩相熔體組成的熔池。由于金屬相的密度大于陶瓷相的密度，在重力的作用下，兩相熔體分離，金屬鐵沉積于熔池的下部，熔融的陶瓷相浮于熔池的上部。隨著自蔓延反應的進行，液面逐漸下降，導致鐵的液相和陶瓷液相依次附于鋼管內(nèi)壁并結晶凝固，從而在鋼管內(nèi)壁形成了連續(xù)的、均勻的涂層。

自蔓延加壓致密化技術

自蔓延高溫合成過程中往往伴有液相存在而使反應產(chǎn)物具有觸變性或高溫塑性，通常采用加壓SHS致密化技術提高其致密性。SHS致密化技術的主要原理為：在燃燒反應過后，SHS產(chǎn)物仍處于很高溫度時立即施加外載荷，以獲得所需形狀的高致密材料和產(chǎn)品。該技術包括SHS軋制，SHS爆炸成形和SHS鍛造等。SHS是一個自加熱過程，不需外部熱源，產(chǎn)物溫度很高，一般在塑脆轉變溫度以上，因而較之傳統(tǒng)方法，設備簡單得多，效率也高得多。

材料體系多達數(shù)十種，如TiC、TiB2、TiAl、NiAl等，并具有優(yōu)良的機械物理性能。SHS在生產(chǎn)大尺寸部件方面有特殊的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的粉末冶金技術則很難實現(xiàn)。利用SHS技術生產(chǎn)大尺寸部件，成本降低4～5倍。自蔓延—加壓致密化過程所涉及的物理化學現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 自蔓延—加壓致密化過程

當壓坯點燃后，燃燒波在壓坯中發(fā)生蔓延，粉末發(fā)生化學反應而轉變?yōu)榛衔锂a(chǎn)物。伴隨這一過程的進行，會發(fā)生熱量散失和氣體溢出。氣體主要是原始粉末表面所吸附的氣體而非反應產(chǎn)物。在適當?shù)臅r機加壓便有可能使壓坯達到致密化。

試驗條件

凹模的尺寸為φ100mm×33mm×50mm。材質為45鋼。凹模內(nèi)表面采用靜態(tài)自蔓延法制備表層為鋁基Al，過渡層為鐵基Fe2O3顆粒增強復合材料梯度陶瓷涂層。在管件熔涂工藝試驗的基礎上，進行了模具的熔涂試驗。Al粉和Fe2O3粉按化學計量配比混合，Al粉純度為97％，粒度200目，F(xiàn)e2O3粉粒度70目，工業(yè)純。

試驗過程

凹模的內(nèi)表面粗加工，將混合均勻的粉末，按填充密度為1.4～1.5g/cm3充填于凹模內(nèi)。上置引管、下置導管。將凹模、引管、導管固定在一起，并將引、導管的口用耐火磚蓋堵好，放入電阻式加熱爐內(nèi)。預熱溫度為750℃。達到溫度后保溫25min，取出模具，垂直放置，將引管口的耐火磚蓋移走，用特制打火機迅速點火。點燃后，鋁和氧化鐵按式⑴發(fā)生鋁熱反應：

由于放熱，反應可自行維持，溫度可達3428℃且凹模預熱溫度高，蔓延速度快，整個反應幾乎在整個凹模內(nèi)同時發(fā)生，造成劇烈的體積膨脹，凹模即刻處于紅熱狀態(tài)，反應產(chǎn)物以一定的速度沖向凹模內(nèi)表面，此時產(chǎn)物Fe和Al2O3均處于液態(tài)。因為Fe密度（7.86g/cm3）大于Al2O3密度（4.075g/cm3），而使液相分離，F(xiàn)e液在下層，Al2O3在上層，中間層為Al2O3和α-Fe的混合層，該層厚度比例較大。隨著自蔓延反應的不斷進行，液體界面不斷下移，Al2O3液相附于凹模內(nèi)壁并結晶凝固，最終在凹模內(nèi)壁形成連續(xù)的陶瓷涂層。Fe液最后凝固，形成集中鐵塊在導管中去除。

圖2 陶瓷內(nèi)襯半固態(tài)金屬加工模具

反應過程大約持續(xù)40s。反應完畢后，置于自然條件下自然冷卻，由于陶瓷與金屬的膨脹系數(shù)不同，冷卻后凹模對陶瓷產(chǎn)生壓應力，從而進一步增強了結合強度。最后去掉引、導管，得到凹模的粗坯。采用靜態(tài)自蔓延法制備的凹模內(nèi)襯復合涂層的尺寸精度和表面粗糙度一般達不到直接使用的要求。通常應對陶瓷涂層進行磨削加工。磨輪材質為金剛石。磨削過程中，添加乳化液，以避免因切削溫度高而使金剛石變軟和金剛石微粒的磨削性能因熱化學作用而降低。圖2為磨削后的陶瓷內(nèi)襯半固態(tài)金屬加工模具。

應用試驗

為了檢驗內(nèi)襯陶瓷涂層模具的性能，進行了鋼和鋁合金的半固態(tài)金屬加工應用試驗。澆注時模具預熱溫度350℃，保壓時間3min，模具潤滑采用石墨粉加機油。比壓97MPa，制件成形順利，鋁合金和鋼質半固態(tài)金屬加工后模具陶瓷涂層如圖3所示，未見損壞。

圖3 模具陶瓷涂層

應用試驗證明，采用靜態(tài)鋁熱法制備的半固態(tài)金屬加工模具凹模陶瓷內(nèi)襯涂層耐振性和高溫性能均好，這是由于其過渡層為Fe與Al2O3的復合材料結構。用作鋁合金或鋼質半固態(tài)金屬加工模具陶瓷內(nèi)襯時，其抗氧化性好，耐腐蝕與侵蝕，變形與磨損小，得到的半固態(tài)金屬加工制件表面質量良好。由于涂層與基體冶金結合，用作鋼質半固態(tài)金屬加工時，在比壓值較高時也不會因強度不足而損壞。

討論與分析

靜態(tài)自蔓延高溫合成法不僅可處理各種直徑的凹模，而且在處理一些非回轉體內(nèi)表面時，同樣顯示出巨大的優(yōu)越性，如各種耐蝕彎管狀凹模、異形管狀凹模及具有復雜的內(nèi)表面而又要耐蝕的模具。

Al2O3陶瓷涂層具有高硬度、高耐磨性、高脆性的特點。陶瓷涂層磨削的去除機理是脆性破壞，靠脆性龜裂破壞微細粉末狀磨粒。磨削時必須嚴格控制磨削力的大小。徑向磨削力大，作用于磨輪軸上的力就大，軸的彈性變形也隨之加大，容易產(chǎn)生振動而影響加工表面質量，降低磨削效率。所以，在磨削時，要控制好進刀量、磨削深度和轉速。

在基礎研究方面：

⑴跟蹤自蔓延高溫合成技術發(fā)展的腳步。

⑵涂層組織性能分析，根據(jù)分析結果調(diào)整粉末配方和涂敷工藝。

⑶研究制定適合于半固態(tài)金屬加工模具的涂層質量標準和檢測方法。

⑷建立評價涂層可靠性的數(shù)學建模。

⑸對涂層的傳熱性能進行深入的研究。

在應用研究方面：

⑴進一步研究和探索自蔓延高溫合成金屬陶瓷涂層技術在復雜形狀模具上的應用。

⑵熔涂后，對模具壽命和產(chǎn)品質量進行深入研究。

⑶分析自蔓延高溫合成技術應用于模具的經(jīng)濟效益。

模具表面修復

SHS焊接的特點

自蔓延高溫合成是一種合成材料的新技術，而SHS焊接則是該工藝一個新的應用領域。SHS焊接是指利用SHS反應的放熱及其產(chǎn)物來焊接的技術。應用燃燒合成技術，將壓制成形的粉末體置于被焊材料之間，利用粉末體燃燒合成的高溫反應熱及合成產(chǎn)物作為填充材料，在壓力的作用下實現(xiàn)被焊材料之間的連接。這種反應過程類似于燒結，加壓的目的是為了獲得致密性高的焊接接頭。

把SHS應用于焊接作為一種新型焊接技術有很多優(yōu)點：

⑴由于反應放熱，材料只需加熱至低于熔點幾百攝氏度的溫度，這樣可以節(jié)約能源。

⑵焊料中可以加入增強相，如增強粒子、短纖維、晶須等，以構成復合材料。

⑶焊接是可合成梯度材料（FGM）作為焊料來焊接異型材料，以克服母材間在化學、力學和物理性能上的不匹配。

⑷SHS焊接過程中的局部放熱，可減少熱影響區(qū)，避免對熱敏材料微觀組織的破壞，保持了材料的性能。

⑸由于生坯可壓成任意形狀，因而SHS焊接易焊制成不易制造的產(chǎn)品。

⑹SHS焊接適于對材料進行表面處理。SHS焊接可用來焊接同型及異型的難熔金屬，耐蝕氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷或金屬間化合物，可進行陶瓷─陶瓷、金屬─陶瓷、金屬─金屬的焊接。

SHS焊接工藝

根據(jù)母材或接頭的性能要求，配制粉末材料，把配制好的混合粉末壓制成坯，置于被焊材料之間的對接面，然后加熱引發(fā)焊料發(fā)生SHS反應，同時施加一定的壓力，進行焊接。一般來說，SHS焊接有三個過程：點火、加壓、保溫。點火的方式很多，如電弧、電火花、火焰、強電流、高溫爐、電子束、激光、高溫輻射和微波、化學爐等。加壓大小和加壓時間是焊接成敗的關鍵。SHS合成材料如果不加壓，由于材料本身的孔隙及反應中產(chǎn)生的氣體，將會導致大量的孔隙。不允許將反應物留在焊縫中，因此必須致密化，通常的方法是在反應過程中加壓，單純加壓可能不會獲得高密度，同時還應保溫。

SHS焊接的影響因素很多，主要包括：反應物的組成，反應原料的粒度及其分布，原坯相對密度；焊接過程中的加熱方式和速率；反應的點燃溫度和燃燒溫度；燃燒波的傳播方式；焊接層的厚度；外壓的大小和加壓的時間；母材的溫度和表面處理狀況；反應氣氛、反應產(chǎn)物均勻化過程以及接頭的冷卻速率和冷卻環(huán)境等。一般來說，要求焊接接頭完整，焊縫區(qū)產(chǎn)物密度高且物相均勻，這些因素都強烈依賴于SHS反應溫度。

反應產(chǎn)物的致密度與是否出現(xiàn)液相和焊接過程中施加的壓力大小有關。因此，在不影響接頭其他性能的前提下，要求焊接溫度和焊接壓力越大越好。最佳焊接溫度應大于反應的激發(fā)溫度，以便在反應過程中出現(xiàn)液相，獲得致密的接頭。當然，在焊接過程中如果出現(xiàn)液相，焊接壓力可適當減小，但無液相出現(xiàn)時，只要不使反應停止，焊接壓力越大越好。在焊接陶瓷等脆性材料時，焊接壓力必須慎重選擇，否則可能會在焊接過程中由于壓力過大，使母材受壓而破裂。

需解決的工藝問題

⑴親和性。這是任何焊接過程中都必須解決的首要問題。SHS焊接工藝可通過焊接界面反應形成中間過渡層，改善焊料反應產(chǎn)物與受焊母材的親和性，或通過形成液相潤濕母材表面，達到與母材親和的目的。

⑵焊縫區(qū)的致密性。這直接影響到接頭的強度。反應原料吸附的氣體和水分、反應過程中產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物以及反應物原料密度、原料平均密度、粒度分布、燃料層厚度、燃燒波的傳播方式和反應過程中的外壓大小和加壓時間都影響反應產(chǎn)物的相對密度。

⑶近縫區(qū)殘余熱應力所導致的裂紋。焊接過程中的加熱速率、冷卻速度和反應物原料的組成都影響接頭近縫區(qū)的裂紋萌生和擴展。用工藝方法防止熱裂紋的措施很多，如焊接工藝及規(guī)范、焊接接頭形式、焊接順序、預熱溫度，以及調(diào)整結構的剛度和焊接時的夾固條件。

⑷自蔓延反應產(chǎn)生的熱能必需足以熔化被焊接材料。

圖4 研制的自蔓延陶瓷焊條

金屬表面堆焊金屬陶瓷涂層

圖4為自蔓延金屬陶瓷焊條。所謂金屬陶瓷焊條是指全部采用金屬陶瓷材料制造的無芯金屬陶瓷棒。由于金屬陶瓷具有導電性可以引弧，而電弧產(chǎn)生的高溫可以熔化金屬和陶瓷形成熔池，因此可以用常用的氬弧焊方法在鋼表面進行堆焊。試驗選用40Cr鋼為母材，選用WSE315手工鎢極氬弧焊機（TIG）。焊前清理表面，然后用氧—乙炔火焰對試件進行預熱。堆焊工藝參數(shù)為：電壓58～60V；直流電流80A。

用線切割切取試樣用于對熔合區(qū)的組織和成分進行分析。經(jīng)粗磨、精磨和拋光處理后，用混合酸溶液（3ml硝酸+6ml鹽酸+6ml氫氟酸+150ml水）對試樣進行腐蝕。最后，用光學顯微鏡對熔合區(qū)進行顯微組織的觀察分析，并用Χ衍射分析儀配合掃描電鏡對熔合區(qū)的成分進行了分析。

試驗結果及分析

在光學顯微鏡下觀察到的試件橫截面組織如圖5所示。從圖5看出，堆焊層的組織成分分布均勻，過渡作用明顯。說明基體與過渡層以及頂面各層之間的連接情況良好，獲得了效果較好的堆焊層。

圖5 試件橫截面金相組織

試驗表明，采用隨焊錘擊致密化工藝可提高堆焊層的致密性和與基體的結合強度?？梢杂行У匦迯湍＞弑砻鎿p傷缺陷。由于堆焊層材料是在電弧的輔助作用下，利用廉價的原料自蔓延反應生成，具有節(jié)約成本、節(jié)省能源等優(yōu)點。

結束語

陶瓷材料的晶體結構決定了它高強度、高模量的性質，并具有優(yōu)良的耐高溫性能和化學穩(wěn)定性、較好的抗高溫氧化和抗高溫蠕變性。金屬陶瓷的性能介于金屬與陶瓷之間。金屬陶瓷比模具鋼熔點高得多，韌性、化學穩(wěn)定性好。傳統(tǒng)的金屬陶瓷采用粉末冶金法生產(chǎn)，真空熱壓效果較好，但設備復雜，工期長，成本高。

采用自蔓延致密化技術制備金屬陶瓷模具內(nèi)襯具有若干優(yōu)勢：

⑴節(jié)能。SHS反應充分利用化學反應本身放出的熱量，在合成過程中溫度可達1500～4000℃，不需從外界再補充能量。

⑵高效。無需熱量從外部傳遞到物料的過程，反應速度一般為0.1～20cm/s。

⑶質量高。在合成過程中，燃燒前沿溫度極高，可蒸發(fā)掉揮發(fā)性的雜質，因而產(chǎn)物通常是高純度的。

⑷成本低。原材料廉價、設備簡單、工藝節(jié)能，生產(chǎn)人員少，廠房面積小，采用“電固結”反應熱壓法可實現(xiàn)少或無切削加工，材料利用率高，機加工費用低。

⑸易于從試驗轉入規(guī)模生產(chǎn)。

⑹SHS反應產(chǎn)生的金屬陶瓷高溫性能突出、化學穩(wěn)定性好。

⑺設備小、精度高、質量好。反應后的一段時間內(nèi)產(chǎn)物具有觸變性，流動性好，成形設備噸位小，成形的模具精度高、質量好。

⑻材料可設計?？赏ㄟ^加入填料改變材料性能，使模具金屬陶瓷內(nèi)襯具有可設計性。

金屬陶瓷內(nèi)襯模具材料、模具結構及工藝設計：

⑴以反應產(chǎn)物碳化物的配方為基本配方，鎳、鐵金屬等為增韌劑。

⑵采用SHS反應后的擠壓觸變成形和“電固結”反應熱壓法提高模具致密度。“電固結”工藝要點是：采用石墨顆粒作為壓力傳遞介質和電熱體，石墨模具中裝滿石墨顆粒，準備合成的預成形模具坯料埋在其中，通電加熱點燃SHS反應，同時施加壓力，完成合成—致密化過程。

⑶金屬陶瓷、鋼套模具是通過在不同層的金屬陶瓷中填加10％～40％不同比例的金屬相，形成梯度材料，以提高自蔓延高溫合成模具的耐振性。在模具外層加40～60mm鋼套提高模具抗拉強度和安全性。鋼套與模具間的結合采用SHS焊接技術以保證其緊密結合。SHS焊可用鋁熱反應原理進行配方設計。SHS焊接靠在焊縫中產(chǎn)生高溫液相來形成強力結合。

陳威，研究員級高級工程師，主要從事自蔓延高溫合成技術研究。