王華君，洪 峰，周小光，李 秋，王華昌

（武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

碳化鈮覆層模具在冷擠壓過程中的溫度場與磨損行為

王華君，洪 峰，周小光，李 秋，王華昌

（武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

在冷擠壓模具表面制造碳化鈮（NbC）覆層，可望滿足惡劣的工作環(huán)境對冷擠壓模具表面性能的需求。本文以套筒零件的冷擠壓為例，通過有限元建模與Archard磨損模型相結合的方法，獲得了無覆層凸模和不同厚度的碳化鈮覆層凸模在冷擠壓過程中的溫度場變化和磨損規(guī)律。研究結果表明：相對于無覆層凸模，碳化鈮覆層凸模在有限元模擬冷擠壓過程中服役性能良好，可降低模具內(nèi)部溫度，顯著增強模具表面的耐磨性能；覆層厚度過厚或者過薄都會降低模具表面的耐磨性，覆層厚度為10μm時耐磨性最好。以上研究可探索碳化鈮覆層在冷擠壓過程中對模具的保護作用。

冷擠壓；模具；碳化鈮覆層；溫度場；磨損深度

冷擠壓模具是保證擠壓件尺寸和精度的重要工裝，是保證擠壓件表面質量的重要因素之一。冷擠壓模具工作時，坯料受到強烈三向壓應力作用，發(fā)生劇烈的塑性流動，由于被擠壓材料的變形抗力較高，使模具承受強大的擠壓反作用力和摩擦力。冷擠壓模具工作環(huán)境惡劣，在摩擦、循環(huán)交變載荷和非對稱交變應力載荷的作用下，模具表面易出現(xiàn)磨損、疲勞開裂、塑性變形等缺陷[1]。磨損是其冷擠壓模具的主要失效形式，降低磨損率必將提高冷擠壓模具的可靠性及壽命。模具壽命長短直接影響產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的提高，提高擠壓模具壽命對降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益有著十分重要的意義。

通過表面覆層技術，如TD、CVD、PVD、堆焊等工藝，可以在模具表面形成硬質覆層，從而滿足工模具表面高溫強韌性的要求。TD法鹽浴滲鈮[2－5]是近些年來發(fā)展起來的一種表面強化工藝，研究表明，形成的NbC（Niobium carbide）覆層化學性能穩(wěn)定，具有高硬度、耐磨性、抗蝕性、抗氧化性等，可以有效提高工模具的壽命。在冷擠壓模具表面制造碳化鈮覆層，具備高硬度、高強度、高耐壓性能與足夠的耐熱性能，可望滿足惡劣的工作環(huán)境對冷擠壓模具表面性能的需求。對冷擠壓模具碳化鈮覆層的溫度場變化和磨損規(guī)律[6][9]進行計算，可獲得碳化鈮覆層在冷擠壓過程中的服役性能。

本文以套筒零件的冷擠壓模具為例，通過有限元建模與Archard磨損模型[10]相結合的方式計算不同厚度碳化鈮覆層在冷擠壓過程中的溫度場和磨損，研究不同厚度碳化鈮覆層對冷擠壓模具溫度場和磨損的影響，探究碳化鈮覆層在冷擠壓過程中對模具的保護作用。

1 冷擠壓Archard磨損模型及有限元建模

對于冷擠壓模型，選用Archard磨損模型對模具在冷擠壓成形過程中的磨損量進行預測。Archard模型公式如下：

式中：dV為磨損體積；dP為表面壓力；dL為滑行長度；K為磨損因子；H為模具初始硬度。

以套筒零件的冷擠壓工藝為例，建立其成形過程有限元模型。為了縮短模擬計算時間，提高計算精度，取該軸對稱模型的1/4進行有限元數(shù)值仿真，如圖1所示。

圖1 套筒零件的冷擠壓有限元模型

在冷擠壓有限元模型中，坯料材料為10鋼，模具材料為Cr12；覆層選用NbC，其熱膨脹系數(shù)為6.5×10-6K，熱導率為14.24W·m-1·K-1。坯料與凸模、凹模之間的摩擦因子設為0.12，熱傳導系數(shù)為5W·m-1·K-1；模具基體材料的初始硬度為60HRC，NbC覆層的初始硬度為75HRC；將坯料材料劃分為30000個網(wǎng)格，凸模劃分為40000個網(wǎng)格，每步步長為0.12mm，總模擬步數(shù)為80；凸模冷擠壓速度2mm·s-1。

2 計算結果分析

2.1 溫度場

圖2所示為冷擠壓進行到最后階段凸模的溫度場，其中圖2a、2b分別為采用無覆層和NbC覆層凸模進行冷擠壓最后階段凸模的溫度場。

圖2 冷擠壓最后階段凸模的溫度場

由圖2可知，在冷擠壓過程中模具溫度會上升，凸模圓角處的模具溫度最高。模具溫度上升是由于模具與坯料強烈的摩擦作用和坯料劇烈變形而產(chǎn)生了大量熱量的結果。當冷擠壓到第80步時，無覆層凸模最高溫度達到82.9℃，NbC覆層凸模最高溫度達到79.9℃。模具內(nèi)部溫度沿著模具接觸底部縱深遞減，越靠近模具圓角模具內(nèi)部點溫度就越高，NbC覆層模具內(nèi)部溫度明顯低于無覆層的模具溫度。

2.2 磨損分析

圖3為冷擠壓結束后凸模磨損深度示意圖，其中圖3a、3b分別為采用無覆層和NbC覆層凸模進行擠壓時凸模的磨損深度示意圖。

圖3 凸模磨損深度示意圖

由圖3可知，在冷擠壓過程中凸模圓角磨損最嚴重，這是由于在整個變形過程中凸模圓角處胚料處于三向壓應力狀態(tài)，在模具作用下，沿著軸向徑向不斷發(fā)生塑性流動，因此磨損較嚴重。圖3a、3b顯示，無覆層、NbC覆層冷擠壓凸模最大磨損深度分別為17.9×10-5mm、7.5×10-5mm，有碳化鈮覆層凸模的磨損深度遠低于無覆層的凸模。結果表明，碳化鈮覆層可增強模具表面的耐磨性能，明顯提高模具的使用壽命。

3 厚度對覆層性能的影響

3.1 溫度場

圖4所示為不同厚度碳化鈮覆層模具溫度場，其中4a、4b、4c、4d分別為厚度5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層模具溫度場。

圖4 不同厚度碳化鈮覆層模具溫度場

由圖4可知，5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層模具最高溫度為80.6℃、79.9℃、79.6℃、78.8℃。從碳化鈮覆層模具最高溫度的變化趨勢可以看出，隨著覆層厚度的增加，模具內(nèi)部溫度逐漸降低，覆層越厚，其隔熱效果越好，模具內(nèi)部溫度越低。產(chǎn)生圖4結果的原因是：碳化鈮覆層導熱系數(shù)比基體材料要低，在模具表面起到熱屏障的作用，阻止熱量進入模具，降低了模具溫度，從而可減少模具因溫度過高而產(chǎn)生的變形。

圖5 不同厚度碳化鈮覆層凸模的磨損深度示意圖

3.2 磨損分析

圖5為不同厚度碳化鈮覆層凸模的磨損深度示意圖，其中5a、5b、5c、5d分別為厚度5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層模具磨損深度示意圖。

由圖5可知，5μm、10μm、15μm、20μm的碳化鈮覆層凸模的磨損深度分別為 8.2×10-5mm、7.5×10-5mm、8.2×10-5mm、9.12×10-5mm。從磨損深度可以得出，碳化鈮覆層厚度為10μm時，最大磨損深度最?。划敻矊雍穸葹?5μm與20μm時，厚度越厚覆層磨損量越大。不同厚度碳化鈮覆層凸模的磨損深度說明，覆層厚度不是越厚耐磨性就越好，這是由于碳化鈮覆層的磨損機理為疲勞剝落磨損，覆層過薄會導致覆層的破裂，覆層過厚會導致覆層的剝落，都會降低模具表面的耐磨性。

4 結論

以套筒零件的冷擠壓模具為例，通過有限元建模與Archard磨損模型相結合的方式計算了不同厚度碳化鈮覆層模具在冷擠壓過程中的溫度場和磨損，探究碳化鈮覆層在冷擠壓過程中的服役性能，并得出以下結論：

（1）結合Archard磨損模型，有效地建立了基于碳化鈮覆層模具的冷擠壓過程有限元模型。

（2）NbC覆層在冷擠壓過程中服役性能良好，能降低模具內(nèi)部溫度，顯著增強模具表面耐磨性能，提高模具使用壽命。

（3）NbC覆層厚度過厚或過薄都會降低模具表面的耐磨性，厚度為10μm時耐磨性最優(yōu)。

[1]張慶飛，耿 渝，趙宏松.彈殼零件冷擠壓復合工藝分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（3）：78-80.

[2]孟令先，宋學進，張元國.冷作模具的失效分析與預防措施[J].鍛壓技術，2007，32（3）：134-136.

[3]孫啟坤，王華昌，王華君.TD法鹽浴滲鈮工藝及覆層性能研究[J].熱加工工藝，2012，41（4）：181-184.

[4]周超梅，解生澤，杜 弘.硼砂鹽浴滲鈮工藝及滲層性能的研究[J].熱加工工藝，2008，37（4）：84-85.

[5]X J Liu，H C Wang，D W Li，et al.Study on kinetics of carbide coatings growth by thermal diffusion process [J].Surface&Coatings Technology，2006，201（6）：2414-2418.

[6]李 偉，王成勇，田植誠，等.基于型面接觸應力分析的模具局部磨損[J].塑性工程學報，2013，20（5）：33-37.

[7]T ? Pedersen.Numerical modeling of cyclic plasticity and fatigue damage in cold-forging tools [J].International Journal of Mechanical Sciences，2000，42（4）：799-818.

[8]C K N Oliveira，R M M Riofano，L C Casteletti.Micro-abrasive wear test of niobium carbide layers produced on AISI H13 and M2 steels[J].Surface&Coatings Technology，2006，200（16-17）：5140-5144.

[9]熊貴芳，林啟權，王志剛.冷擠壓組合凹模失效分析及擠壓過程數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2009，38（9）：69-73.

[10]S Jahamir，N P Suh，E P Abrahamson.The delamination theory of wear and the wear of a composite surface [J].Wear，1975，32（1）：307-321.

Temperature field and wear behavior of NbC coating in the cold extrusion process

WANG Huajun,HONG Feng,ZHOU Xiaoguang,LI Qiu,WANG Huachang
（Department of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

NbC （Niobium carbide）coating on the surface of cold extrusion die is expected to meet requirement of the cold extrusion die surface during the poor working environment.Taking the cold extrusion process of sleeve part as an example in the text,the temperature field and wear law of uncoated punch and NbC coated punches with different thicknesshave been obtained in the cold extrusion process through the combination methods of the FEM and Archard's model.The research results show that the NbC coated punches have a better service performance in the FEM cold extrusion process,which can reduce the inside temperature of die and improve the wear resistance of the die surface;The wear resistance of the die surface is best when the coating thickness is10 μm while bigger or smaller thickness would reduce the resistance.The above research can explore the protective effect of NbC coating on the die in cold extrusion process.

NbC coating;Cold extrusion;Temperature field;Wear depth

TG156；TG375+.4

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.032

1672－0121（2016）04－0109－04

2016－03－19；

2016－04－29

國家自然科學基金資助項目（51475346）

王華君（1970－），男，博士，副教授，從事材料加工工程研究。E－mail：wanghuajunhb＠163.com