CN101088674A - 一种加固型快速粉末冶金模具制造方法 - Google Patents

Abstract

一种加固型快速粉末冶金模具的制造方法，包括以下步骤：制备粉末材料；制作模具的型芯模型；制作金属网架；制坯；取出压坯并去除压坯中的型芯；烧结；表面处理。由于压坯内含有金属网架。本发明具有如下特点：通过网架结构提高模具的综合机械性能，不需要激光等复杂、精密的贵重设备。在型腔附近，建立与其表面大体平行且密度较大的网格，特别是可以通过布置高密度悬臂筋，对周边粉体起支撑加强的作用，提高型腔表面性能。制作工艺简单，成本低。不需要CAD STL数据切片扫描来控制模具制作过程，制作速度快。

Description

一种加固型快速粉末冶金模具制造方法

技术领域

本发明涉及的是模具的制造方法，尤其是一种加固型快速粉末冶金模具制造方法。

背景技术

粉末冶金成形技术，就是将几种颗粒或粉末状的金属或金属与非金属材料均匀混合后的粉末材料置于型腔模型内，通过压制成形、烧结、后处理等工序，获得所需制品的工艺方法。粉末冶金与金属的熔炼及铸造方法有本质的不同。它是先将均匀混合的粉料压制成形、借助于粉末原子间吸引力与机械咬合作用，使制品结合为具有一定强度的整体，然后再在高温下烧结，由于高温下原子活动能力增强，使粉末接触面积增多，同时通过原子扩散，进一步提高了粉末冶金制品的强度，并获得与一般合金相似的组织。

粉末冶金成形技术作为一种应用广泛的精密成形技术，具有少无切屑加工、材料利用率高、制造过程清洁高效、生产成本低的优点，并可制造形状复杂和难以加工的产品。粉末冶金成形技术通过灵活可变的材料配方实现零件的独特性能，特别适用于复合材料的制备。实践表明，通过对批量生产过程的精确控制，可使粉末冶金产品达到很高的精度并兼有良好的尺寸一致性。经精整后的零件精度达IT6-IT7级，经复压复烧精整后的零件精度可达IT5-IT6级。粉末冶金齿轮的精度可达滚齿加工的相同精度。粉末冶金零件的表面粗糙度可达到Ra1.0-6.3。

粉末冶金成形还具有以下优点：

1、可制造金属与金属、金属与非金属的复合材料。不同材料的组合，便于利用每一种材料的特性。

2、能制成难熔合金(如钨-钼合金)或难熔金属及其碳化物的粉末制品(如硬质合金)，金属或非金属氧化物、氮化物、硼化物的粉末制品(如Al₂O₃陶瓷、氮化硅陶瓷等)。它们用一般熔炼和铸造方法很难生产。

3、能制成由互不溶解的金属或金属与非金属组成的伪合金。如银钨合金、铜钨合金、银铝合金等。可直接制出质量均匀的多孔性制品，如含油轴承、过滤元件等。

4、可直接制出尺寸准确、表面光洁的零件，如油泵齿轮等，一般可省去或大大减少切削加工工时，使之材料利用率高，能显著降价制造成本。

但是，现有粉末冶金成形技术还存在一些明显的缺点：

由于粉末冶金制品内部总存在空隙，因此其力学性能较差，其强度比相应的锻件或铸件低约20％-30％。因此当采用现有粉末冶金成形技术制作模具时，上述缺点将直接影响模具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是针对上述粉末冶金成形制品存在的不足，提供一种加固型快速粉末冶金模具的制造方法。

本发明加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

一、制备粉末材料：例如铁基合金、不锈钢粉等；

二、制作模具的型芯模型：可采用石腊、木材、树脂、金属等作为结构材料；

三、制作金属网架：金属网架的外部总体形状一般与模具形状基本相同，但尺寸略小，

四、制坯：

1)向钢制压坯阴模底面放入深度为5-20mm粉末料，并且适当压实；

2)在金属网架上涂以粘结剂，在型芯上与型腔接合部位涂以脱模剂；

3)将金属网架和型芯放入钢制压坯阴模中；

4)向钢制压坯阴模中放入剩余粉末材料，并且进行压实，单位压力随粉末材料、型芯、模具形式和尺寸不同而不同，一般可达500MPa左右；

五、将压坯从钢制压坯阴模中取出，并去除压坯中的型芯；

六、烧结：将步骤五获得的压坯放入炉子中进行烧结，保持通以保护性氩气或氮气或混以少量氢气以防氧化，首先缓慢加热至粉体熔点75％左右，然后保温3-5小时，确保粉体之间、粉体与网架之间很好地焊合，最后缓慢冷却至室温后取出，即成为模具坯体，需要指出的是，不同的粉体材料烧结工艺有所差别，例如，某些铁基合金需要以正火方式冷却。

七、表面处理：将步骤六的模具坯体按常规工艺进行表面渗铜、抛光等处理，制成模具。

所述金属网架的网格形式和密度可以根据需要进行调整，建立与表面大体平行且密度较大的网格，离型腔表面越远，各层网格的间距逐渐变大。

所述金属网架可以在容易出现磨损的型腔表面附近布置较高密度悬臂筋，悬臂筋的悬臂端距离模腔表面约为5-15mm，进一步对周边粉体起支撑加强的作用；

所述金属网架距离型腔附近的网格材料可以选择与粉体接近的成分，以便烧结时相互之间能较好地焊合。

对于注塑模等，所述步骤三制作的金属网架内可设有冷却系统。

所述的冷却系统是多层水冷管网或由铍铜等高导热性材料构成的多层冷却网，相邻层之间间距为10至100mm，视模具尺寸、冷却网形式与尺寸及型腔复杂程度不同而定；

所述冷却系统是与型芯表面走向一致的水冷管网或由铍铜等高导热性材料构成的冷却网，并在三维空间上环绕模具型腔。

所述多层水冷却管网的每层水冷网是相互独立水路。当试模发现问题后，可以对各层水冷网进行不周的温度控制，取得最佳的运水方式。

本发明加固型快速粉末冶金模具的制造方法设计科学，具有如下特点：

1)由于压坯内含有金属网架，通过网架结构提高粉末冶金快速模具的综合机械性能，不需要激光等复杂、精密的贵重设备。

2)在型腔附近，建立与其表面大体平行且密度较大的网格，特别是可以通过布置高密度悬臂筋，对周边粉体起支撑加强的作用，提高型腔表面性能。

3)这种冷却系统形式可以根据型腔形状进行最佳配置，完全可以避免受常规模具加工方法限制而不得不走直线的不合理形式。预置多层冷却系统，通过各层独立控制的多层冷却网将热量逐层带出，模具温度相对均匀，控制灵活，试模后调整方便，从而显著增强模具使用性能、大大提高热传导速率、延长模具使用寿命、显著提高生产力。

4)制作工艺简单，成本低。

5)不需要CAD STL数据切片扫描来控制模具制作过程，制作速度快。

本发明加固型快速粉末冶金模具的制造的具体方法由以下附图和实施例详细给出。

附图说明

图1是金属网架加固粉体的结构示意图；

图2是型腔附近金属网格有规则变化的金属网架结构示意图；

图3是型腔附近设有高密度悬臂筋的金属网架结构示意图；

图4是模具型腔内预置多层水路的结构示意图。

具体实施方式

实施例：

一、制备粉末材料：采用铁基合金Fe-0.77％C-1％Cu，200目粒度；

二、制作模具的型芯：采用T8碳素工具钢制作型芯1，如图1所示；

三、制作金属网架：采用GB/T3206-1982，45号硬状态优质碳素结构钢丝，钢丝直径Φ1.20，将钢丝焊接成金属网架2，离型腔表面越远，各层网格的间距逐渐变大(见图2)，同时在型腔表面附近布置悬臂筋3(见图3)，悬臂筋3的悬臂端与型腔表面的距离为5mm，进一步对周边粉末材料4起支撑加强的作用；

四、多层冷却系统设置：

如图4所示，在金属网架2上距型腔表面10mm处植入两层高导热率铍铜线5(QBe2Φ3mm)，使其与型腔表面走向一致并在三维空间上环绕模具型腔，两层高导热率铍铜线5相距为10mm。

五、制坯：

1)向已安装在油压机工作台上的钢制压坯阴模6底面放入深度为5mm的粉末材料4，并且适当压实；

2)将型芯1、含多层冷却系统铍铜线5的金属网架2放入阴模6内，在型芯1上与型腔接合部位涂以脱模剂，以使烧结前进行脱模；

3)向阴模6中放入剩余粉末材料5(见图1)，并且进行压实，取单位压制力为500MPa，压坯密度接近或达到6.0g/cm3。

六、从阴模6中取出压坯，并去除压坯中的型芯1；

七、烧结：

将压坯放入炉子中进行烧结，在烧结过程中，保持通以氮气并混以少量氢气以防氧化，烧结过程分为以下几个阶段。

1)预烧阶段。缓慢加热至950度。粉末颗粒吸附的气体所含的水分在加热到100度以后将会被蒸发，并被炉子中的保护气氛带出；粉末在压制中会产生相当大的内应力。在脱模时，一部分内应力残留在压坯内部，当压坯受热时，这部分应力将会通过粉末颗粒的弹性恢复而消除；铁粉颗粒表面或多或少都会存在一定程序的氧化膜，保护性气体中的氢作为还原性气氛，氧化膜在950度下均能被还原。

2)烧结阶段：继续加热至1150度，并且保温25分钟。烧结主要是发生在铁颗粒之间，其烧结规律与单元系相同。

3)冷却阶段：为避免网状渗碳体的形成，缓慢冷却至900度，保温10分钟后，以正火工艺方式快速冷却至室温，即成为模具坯体；

八、表面处理：采用#600号砂纸，对步骤七获得的模具坯体进行抛光处理，制成模具。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施，只是限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1、一种加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

一、制备粉末材料：例如铁基合金、不锈钢粉等；

二、制作模具的型芯模型：可采用石腊、木材、树脂、金属等作为结构材料；

三、制作金属网架：金属网架的外部总体形状一般与模具形状基本相同，但尺寸略小；

四、制坯：

1)向钢制压坯阴模底面放入深度为5-20mm粉末材料，并且适当压实；

2)在金属网架上涂以粘结剂，在型芯上与型腔接合部位涂以脱模剂；

3)金属网架和型芯放入钢制压坯阴模中；

4)向钢制压坯阴模中放入剩余粉末材料，并且进行压实，单位压力随粉末材料、型芯、模具形式和尺寸不同而不同，一般可达500MPa左右；

五、将压坯从钢制压坯阴模中取出，并去除压坯中的型芯；

六、烧结：将步骤五获得的压坯放入炉子中进行烧结，保持通以保护性氩气或氮气或混以少量氢气以防氧化，首先缓慢加热至粉体熔点75％左右，然后保温3-5小时，确保粉体之间、粉体与网架之间很好地焊合，最后缓慢冷却至室温后取出，即成为模具坯体，需要指出的是，不同的粉末材料烧结工艺有所差别，例如，某些铁基合金需要以正火方式冷却。

七、表面处理：将步骤六的模具坯体按常规工艺进行表面渗铜、抛光等处理，制成模具。

2、根据权利要求1所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

所述金属网架的网格形式和密度可以根据需要进行调整，建立与表面大体平行且密度较大的网格，离型腔表面越远，各层网格的间距逐渐变大。

3、根据权利要求1或2所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

所述金属网架可以在容易出现磨损的型腔表面附近布置较高密度悬臂筋，悬臂筋的悬臂端距离模腔表面约为5-15mm，进一步对周边粉体起支撑加强的作用。

4、根据权利要求3所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

所述金属网架距离型腔附近的网格材料可以选择与粉体接近的成分，以便烧结时相互之间能较好地焊合。

5、根据权利要求4所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

对于注塑模等，所述金属网架内可设置冷却系统。

6、根据权利要求5所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

所述的冷却系统是多层水冷管网或由铍铜等高导热性材料构成的多层冷却网，相邻层之间距约10至100mm，视模具尺寸、冷却网形式与尺寸及型腔复杂程度不同而定。

7、根据权利要求6所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

所述冷却系统是与型芯表面走向一致的水冷管网或由铍铜等高导热性材料构成的冷却网，并在三维空间上环绕模具型腔。

8、根据权利要求7所述加固型快速粉末冶金模具的制造方法，其特征在于：

所述多层水冷却管网的每层水冷网是相互独立水路。

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