燕山大学 高殿奎 付宇明 王 平 白象忠 李 慧
pes2008补丁
摘 要：运用电磁效应理论最新研究成果，采用脉冲放电方法，对3Cr2W8V 热挤压凸模的热疲劳裂纹实施了止裂试 验。止裂后的裂纹尖端变得十分圆整。达到了钝化止裂的目的。显微组织分析证明：止裂处出现了强韧性极高的超细化组织，改善了裂尖处的机械性能。止裂也为热疲劳裂缝刷镀修复创造了理想的先决条件。 关键词：脉冲放电止裂 3Cr2W8V 修复
中图分类号：O346.23；TG142.144 文献标识码：A 文章编号：1007–9289(2001)04–0042–03
1 引 言
塑性加工成型技术在现代工业生产中的地位非常重要，而在塑性加工成型中，模具是主要的工具。3Cr2W8V 是应用较多的热作模具钢。在锤锻模、挤压模、压力机锻模乃至压铸模中都被大量地使用。3Cr2W8V 热作模具在使用中最常出现的失效形式就是热疲劳。通过对裂纹止裂控制热疲劳裂纹的扩展，实现对已出现裂纹模具的修复是工业生产中迫切需要解决的问题。本文针对这一问题研究和探讨了3Cr2W8V 热作模具裂纹快速止裂和修复的原理和方法，并对止裂效果进行了分析。
2 裂纹止裂试验
2.1 试样的选取
从生产现场选取已失效的热挤压凸模为试验对象。热挤压凸模的热疲劳失效见图1。从凸模上抽样进行化学分析，平均成分见表1；
图1 失效的热挤压凸模 Fig.1 Failed thermal extrusion die
表1 热挤压凸模化学成分（%）
Table 1 Chemistry composition of thermal extrusion die C Si Mn Cr
W V P S
0.34 0.38 0.37 2.30 8.10 0.40 0.025 0.023声波测井
基金项目：河北省自然科学基金(599255)、国家自然科学基金(19772046) 作者简介：高殿奎 男 (1944－) 副教授 收稿日期：2001–02–12
由分析知：热挤压凸模的材料为3Cr2W8V ，经检测其平均硬度为49HRC 。在热疲劳裂纹处取样进行金相组织分析，结果见图2。由图2知：凸模的金相组织为回火马氏体+粒状碳化物。
图2 热挤压凸模金相组织（×500） Fig.2 The metallographic microstructure of thermal extrusion die
热挤压凸模最终热处理工艺为1 050 ℃油冷淬火，550 ℃回火。在热挤压凸模上用线切割割取试样，所取的试样上带有已形成的裂纹。试样尺寸为40 mm ×20 mm ×2 mm 。
2.2 常用的热疲劳裂纹修复方法的缺点
用3Cr2W8V 制作的热作模具多数体积较大、加工工艺复杂、成本很高。使用中一经产生热疲劳裂纹往往需要修复再用。现时生产中用得最多的修复方法是堆焊修复。由于3Cr2W8V 是高合金钢，
焊接性能差，不仅堆焊工艺严格而复杂，而且焊后易在裂纹尖端处产生二次裂纹，使修复失败。必须探求新的方法，以期使3Cr2W8V 裂纹止裂、修复简便而又效果良好。
2.3 裂纹止裂试验的理论基础
现代电磁热效应理论研究表明：带有裂纹的导电体，在通电的瞬间，裂纹尖端处电流密度高度集中。由于金属的电磁热效应，使裂纹尖端处熔化，形成局部焊口，增大裂纹尖端处的曲率半径而使裂
中国表面工程2001年第4期(总第53期) 43
纹钝化[1~4]。
断裂力学的研究结果指出：增加裂纹尖端的曲率半径使裂纹钝化，可以达到止裂的目的。据此可以设想，如能对裂纹尖端实施脉冲放电，可使裂尖熔化形成焊口。裂纹止裂试验装置即是在这一理论指导下自行设计制作的。
2.4 裂纹止裂试验装置
3Cr2W8V热疲劳裂纹止裂试验是在自制的ZL –1型超强度脉冲电流发生器上进行的。其工作原理为：采用倍压整流电路为电容组充电。由可控硅3CT控制电容放电，串联试件在电容放电回路中，可使试件获得瞬时电流。通过调整充电电容容量和放电电压来改变试件被施加的能量。
2.5 裂纹止裂试验过程
根据电磁热效应理论，由文献[4]的计算方法，可以计算出裂纹尖端温度场的分布状态。对于材料为3Cr2W8V的薄板，其电导率ó=7.77×107 (Ù・m)-1, 磁导率ì=2.50×10-3 H/m, 导热系数ë= 33.9 W/(m・Ｋ)，表面热扩散系数á0=40 W/ (m2・Ｋ), 导温系数á0=1.16×10-5m2/s, 密度ñ= 7850kg/m3, 板厚2 h=2×10-3m。按文献[4]有关公式计算得到在不同放电条件下裂纹尖端的温度值如表2：
表2 裂纹尖端处的温度值
Teble 2 Temperature around the crack tip
当选取的电压超过500 V时，裂纹尖端的温度超过了3Cr2W8V的熔点。所以选取500 V的电压进行脉冲放电止裂试验。止裂前，将试件串联在放电回路中，卡好试件，接通电源即完成了放电过程，具有快速、简捷、方便等优点。
根据计算结果选取电压数值进行试验，所得到的试验结果与文献[4]计算结果相符。止裂后，裂纹尖端熔化后的宏观形貌如图3。
3 止裂处的宏微观分析
3.1 裂纹尖端宏观分析
由图3知：脉冲放电止裂后，裂纹尖端熔化凝固后形状接近椭圆形。椭圆的边缘圆滑完整，无齿状凸起和坑状的凹陷。无宏观可见的二次裂纹，达到了钝化止裂的目的。止裂后的裂纹尖端可看作曲率半径为ñ，长半轴为2d的椭圆。其应力集中系数为[5]：
1
/
2+
=ρ
αd（1）
图3 裂纹尖端宏观形貌(×10)郑州大学文学院
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Fig.3 The macroscopic morphology around the crack tip 由图3知：d的尺寸已与ñ接近，所以止裂后的应力集中系数接近于3。即裂纹尖端应力集中情况类似于定位孔的作用。完全达到了止裂的目的裂尖形貌特征在很大程度上决定了材料的韧性，裂纹尖端的超钝化提高了材料的韧性。断裂力学研究结果表明：裂纹前缘的平面应变段材料断裂韧性的确定对裂纹的开裂起关键作用。裂尖处超钝化现象的出现对增韧体系表现得尤为明显，直接造成材料的增韧，提高了材料的起裂韧性J1c。由弹塑性断裂力学得知，材料的起裂韧性J1c表达为[6]：J1c=óyäc/d（2）
式中，d为无量纲因子，是硬化指数n和三轴约束度的函数；óy为材料的屈服应力；äc为裂尖张开位移。式（2）表明：J1c除正比于材料的屈服应力óy 外，还正比于裂尖张开位移äc。裂尖处的超钝化将明显地提高äc值，有效地改善了J1c。裂尖的超钝化行为，极大地降低了该处的应力集中，从而可抑
制裂纹的扩展。可见，脉冲放电止裂后不但消除了裂尖处的应力集中，也提高了裂尖处的裂纹形成功。
3.2 裂纹尖端形成了强韧性极高的组织
裂纹尖端的金相显微组织，如图4中的白组织为白亮组织。在脉冲放电瞬间，电流密度可达到[7] 105～107A/cm2，放电时间仅为十几微秒。由于放电能量在时间和空间上的高度集中，使该区的局部材料熔化。放电时产生的骤热使部分材料抛离基体，向周围溅射。放电在空气介质中进行，空气电离产生的氮离子和氧离子，同时发生了冶金化学过程，形成了氮化物、合金化合物等耐腐蚀性能极高
放电电压（V） 500 600 700 裂纹尖端温度（℃）
1580 1780 2050
44 3Cr2W8V热疲劳裂纹的止裂与修复高殿奎等
的物质。即在金相显微镜下呈现白的白亮层组织。3Cr2W8V钢的白亮层组织主要由W2C、WC、Cr7C3、CrC、CrN −
εFe3N等组成。白亮组织具有非常高的硬度和耐磨性、热硬性和耐腐蚀性。由图4可见，在白亮层之间也存在黑的、极细的隐晶马氏体组织。这说明不需剥层试验即可证明白亮层覆盖在隐晶马氏体的上面。脉冲放电时，裂尖处以极高的速度加热，又以极高的速度激冷。加热的温度已远超过3Cr2W8V钢的Accm线。所以裂尖处在瞬间完成了奥氏体的形成和转变过程。使得奥氏体晶粒超细化并得到极微细的隐晶马氏体组织。而超细化的马氏体组织使得裂尖处获得了极高的强韧性，提高了裂尖处的裂纹形成和扩展功。
图4 止裂裂纹尖端的显微组织(×500)
Fig.4 The microstructure of crack prevented around the crack tip 4 热疲劳裂纹的修复
4.1 止裂已为修复打下基础
3Cr2W8V模具热疲劳裂纹经脉冲放电止裂后，裂纹尖端膨大变圆，实现了钝化止裂。如能将剩下的裂缝填平，则可达到修复的目的。热作模具工作时模具表面既要被加工件加热，又要受冷却液的冷却。在恶劣的条件下工作，表面粗糙度要求不高。如能填平热疲劳裂缝又能确保裂尖不向前扩展，则可达到修复的目的。脉冲放电后的裂纹尖端为热疲劳裂纹的修复创造了充分的条件。
4.2 裂纹的刷镀修复
铅球场地画法刷镀是在试件上进行的。将裂缝手工清理，用有机溶剂除油后，进行活化处理。先用硫酸型强活化液、后用柠檬酸型弱活化液活化。活化时间约为60 s，以使裂缝露出新鲜表面，然后用镀笔刷镀[8]。用特殊镍为底层、高堆积碱铜为尺寸镀层、快速镍为工作层，刷镀填平裂缝后，用油石磨光即可使用。
试验也证明了止裂后刷镀修复的试样与没有热疲劳裂纹的试样抗拉、抗压强度基本相同。而没有经过止裂直接刷镀修复的试样，抗拉、抗压强度都很低。这就说明了止裂不仅为修复创造了先决条件，而且是可修复的必要条件。
5 结论
(1) 通过对3Cr2W8V热作模具热疲劳裂纹的脉冲放电止裂，使裂纹尖端熔化，凝固后膨大变圆，钝化了裂纹尖端，降低了裂纹尖端的应力集中系数，达到了止裂目的。在止裂的基础上，对热疲劳裂纹的裂缝部分进行了刷镀修复。试验表明：热疲劳裂纹刷镀前必须先经过止裂，否则，尖锐裂尖的应力集中会使模具在工作状态下引起裂尖迅速扩展使修复失效。而止裂后修复则可使模具恢复使用状态。
(2) 裂纹的脉冲放电止裂在国内外的研究才刚刚开始。只要使止裂设备功率达到所需要的数值，就可以将此研究成果应用于工业模具止裂与修复之中，必将获得极大的经济效益和社会效益。
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作者地址：河北秦皇岛市海港区河北大街西段438号066004
燕山大学机械工程学院
Tel：(0335)8050159
residual stress. Experiment results showed that the bilayer film has fine adhesion; between film and substrate and good elastic modulus measured by four-ball bending test 63.4 GPa；the hardess of films/is dependent on the load applied; Considerblely high tensible residual stress is present in the film by X–Ray diffraction method, its value is 160 MPa.
Key words: PVD; bilayer film; adhesion; mechanical properties
Influence of Temperature on Properties of Nitrogen Ion Implantation of Ti6Al4V Alloy ZHAI Q ing TONG Honghui MO Zhitao TANG Deli GENG Man ZHENG Yongzhen……………………(36~39) Abstract: Specimens of Ti6Al4V alloy were ion- implanted using a nitrogen plasma source N-PSII at temperature from 100℃to 600℃with dosage of 4×-2. Auger Electron Spectroscopy (AES) was used to determine the nitrogen concentration profiles. Micro hardness measurement and pin-on-disk wear were performed to evaluate the improvements of the surface modification. X-ray Diffraction (XRD) was employed to determine the phases presented in the surface modified layer. The thickness of implanted layer increased by about an order of magnitude when the temperature was elevated from 100℃ to 600℃. Higher surface hardness and wear resistance were also obtained at higher temperature. With the increase of temperature, new phases (TiN, Ti2N) were performed in the surface modified layer.
Key words: Ti6Al4V alloy; ion-implantation; surface modifcation
Research on Application of Va cuum Vapor Plating Technique for Forming Antifriction Alloy Coating on Bush CHEN Lingshan GAN Huiqing CHEN Boling CHEN Boxian…………………………(40~41) Abstract: In this paper, a vacuum vapor plating technique for forming Pb-Sn alloy coating on bush was describ ed. Testing results showed that the quality and performances of the Pb-Su alloy coating
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vapor plating
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Study on Effect of Lubricating Additives on Wear- Resistance of Nodular Cast Iron Modified by Laser
Microprecision Treatement XIA Yanqiu LIU Weimin XUE Qunji Lin ziguang…………(45~47)
Abstract: Nodular cast iron specimens were treated by laser microprecision technology. The friction and wear behavior of the modified samples were investigated on
a SRV testing machine. The results showed that laser
microprecision treatment can offer nodular cast iron a good surface topography and high rigidity, which are beneficial to tribology properties under lubrication with additives. The wear-resistance can be increased one or two orders of magnitude. This paper selested 6 additives in liquid paraffin oil their wear-resistance are ranged by the order: Zinc dialkydithiophosphate (ZDDP)>Molybdenum dialkydithiophosphate (MoDTP) >Tricresyl phosphate (TCP)>sulphurized olefin(SO)>
boroning oleic acid glyceride(BOG)>chlorinated paraffin(CP). In addition, the surface topography and element distribution were analyzed by Scanning electrical microscope(SEM) and Energy dispersive X-ray analysis(EDS) as well.烟草专卖行政处罚程序规定
Key words:Laser microprecision treatement; extreme
pressure anti-wear additives; nodular cast iron
IV
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