壓鑄模的功能梯度材料涂層性能分析

吳和保，石向陽

武漢工程大學機電工程學院,湖北 武漢 430205

0 引 言

模鑄是現代制造業的一個重要分支，在很多行業都得到應用.壓鑄模的模具比較復雜，因而制作成本較高，在壓鑄件的生產成本中占有很大的比例[1].壓鑄模的使用壽命長短直接影響鑄件的生產成本、生產效率，以及鑄件的質量.選用合適模具材料很重要，但是一般都會在模具表面進行處理，以延長模具使用壽命.目前主要的處理方法有傳統處理技術、表面擴散技術、涂層、氮化+涂層、擴散+涂層等[2]，目前應用廣泛的還是傳統處理技術，傳統處理技術比較成熟，而且成本很低，在一些要求不是很高的壓鑄中可以滿足質量要求.隨著科學技術的發展，對壓鑄零件的質量要求越來越高，對壓鑄模的要求也隨之提高.單一的處理方法不能很好的滿足各方面的性能要求，復合的表面處理方法可以在一定程度上解決這個問題.傳統的陶磁涂層膜有優良的耐溶損性、耐過燒性、耐粘著性；但耐熱裂性則基本上沒有改善，主要是傳統涂層與基體的粘接強度不高，在熱應力作用下易脫落[3].功能梯度涂層由于組織成分是連續變化的，與基體的粘接強度高，有效減小甚至消除了界面的殘余應力，減小熱應力和裂紋驅動力等[4].功能梯度材料(FGM)雖然沒有在市場上廣泛應用，但仍然是壓鑄模具表面處理技術的重要研究發展方向之一[5].

1 模型建立

圖1為一個法蘭毛胚零件的圖紙，通過有限元軟件建立的凹模模型如圖2所示.

圖1 法蘭毛胚 Fig.1 Flange blank

圖2 凹模Fig.2 Matrix

到目前為止梯度涂層的建模方法不是很完善，主要使用的是分層法，把梯度涂層分為若干層，細分的層數越多，就更接近理論上的模型；另外有一些FGM參數化信息建模方法，不過這些方法建模比較復雜.一般要求不是非常高的模型分析中常采用分層法，對于要求很高的模型分析可以采用其他建模方法.由于此模型要求不是非常高，采用分層法對梯度涂層進行建模，可以通過細分涂層層數使模型更接近理論模型.FGM涂層的厚度為10 μm，由于建模細密，會導致軟件分析計算時間過長.為了減少模型分析所要耗費的時間，把涂層細分為5層，5個分層涂層的參數逐漸變化.5層梯度涂層中涂層材料所占百分比分別為20%、40%、60%、80%、100%.在ANSYS軟件中對涂層部分進行網格細化使之更接近實際的模型，文中主要以凹模為例進行分析.

模具材料是H13熱作模具鋼，其彈性模量211 GPa，泊松比γ=0.28，熱膨脹系數13.5×10-6(20 ℃～650 ℃)，導熱系數28.8 W(m/K)-1(650 ℃).梯度涂層材料選用TiN(氮化鈦)，彈性模量450 GPa，去掉泊松比γ=0.22，熱膨脹系數4.8×10-6(20 ℃～650 ℃)，導熱系數64 W(m/K)-1(650 ℃)[6].文中以鋁合金壓鑄模為例：工作溫度以650 ℃，壓強以1×106Pa來計算.

2 有限元分析

2.1 溫度場及應力分析

通過有限元軟件根據上面的方法建立模型并進行分析，對比含有FGM涂層的模具和不含FGM涂層的模具的相關數據.

圖3 模具沿z軸的溫度變化 Fig.3 Change of temperature along the direction of z axis注：

由圖3某一時刻溫度變化圖可以看出涂覆有涂層的模具的溫度沿法向的下降趨勢比不含涂層的模具快.雖然模具內外表面溫度相差不是很大，但是模具的整體溫度分布卻不一樣，普通模具由內表面向外表面方向的溫度下降比較緩慢，而含涂層的模具的溫度下降較快.這使得含涂層的模具靠近內表面的部分承受熱應力比未含涂層的模具的小，可以一定程度上降低熱應力，提高模具的使用壽命.圖4表示的是沿模具法向的von miss stress的變化圖.含有涂層的von miss stress明顯比不含涂層的小.

2.2 不同涂層厚度時應力分析

通常涂層材料都具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性能好、高溫穩定性好的特點[7].作為涂層材料在高溫和沖蝕的環境中擁有比其他材料更長的使用壽命，在壓鑄模具的表面通過一定的方法涂覆功能梯度材料改善模具的表面性能.由于涂層材料的硬度較高，如果厚度太厚，在疲勞應力作用下易產生裂紋，甚至脫離，影響模具的表面質量.厚度太薄，則對表面的性能提高不是很明顯.通過對含有不同厚度涂層的模具的應力以及表面的剪切力進行分析，可以得到圖5和圖6.

圖5 模具沿z軸第一主應力變化圖Fig.5 Change of the first principal stress along the direction of z axis注：

圖6 模具表面的切應力變化圖Fig.6 Change of the shear stress along the direction of x axis注：

從圖5中可以看到涂層的厚度從0.01 mm變化到0.002 mm時模具的第一主應力的變化，從厚度為0.01 mm到0.004 mm時，整體上應力是隨涂層厚度的變小而減小，但是涂層厚度為0.002 mm時反而出現應力變大的情形，而模具內表面的應力的大小相差不是很大.模具表層應力沿法向呈現逐漸變小的趨勢，但是當模具內某點距離內表面的距離超過一定值后，應力基本趨于平緩.

圖6表示的是模具表面x-y平面上剪切力沿著z軸的方向模具表面剪切力的變化圖，不同的厚度時都表現出剪切力先減小后增大的趨勢.不同厚度時最小剪切力相差不大，最大剪切力隨厚度的下降而減小.在涂層厚度為0.002 mm時比涂層厚度為0.004 mm時剪切力有增加的趨勢.

3 結 論

通過ANSYS軟件的分析數據表明：(1)在壓鑄模的模具表面涂覆合適的功能梯度材料涂層可以使溫度場分布更合理，緩和熱應力，但是梯度涂層對熱應力的改善不是很明顯.由于涂層的硬度高、耐磨性好可以有效延長模具的使用壽命.(2)涂層厚度與模具的壽命有緊密聯系，涂層過厚，在應力、冷熱交替、沖刷和侵蝕等條件下，涂層更容易產生裂紋，以至脫離模具，這樣就會嚴重影響模具的表面質量，降低模具的使用壽命；涂層也不宜過薄，涂層太薄，對模具的性能提高不是很大.梯度涂層各方面的性能參數這里只做了有限的分析，還有很多需要研究人員進一步探索.

致 謝

感謝武漢工程大學科學研究基金對本研究工作的支持，同時感謝武漢工程大學材料實驗室的工作人員.

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