CN104972046B - 一种功能梯度热锻模及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能梯度热锻模，包括基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分，基体部分体积占90～99%，基体部分采用中耐热韧性的热作模具钢H13；连接部分为位于基体部分与模膛功能梯度层部分之间的过渡区域，连接部分采用合金材料；模膛功能梯度层部分采用以SiC与合金复合的金属陶瓷材料；合金为镍合金或钴合金。本发明还公开了一种功能梯度热锻模的制造工艺。本发明的模膛功能梯度层部分采用SiC与镍合金或钴合金复合的金属陶瓷材料，SiC粉末表面镀有Ni或Co膜,由于镍合金和钴合金都是自熔合金，增强了SiC粉与合金粉末的浸润性，促进了SiC粉末与合金粉末的融合，提高了强度和质量，有效延长了热锻模的使用寿命。

Description

一种功能梯度热锻模及其制造工艺
技术领域
本发明涉及热锻模加工技术领域，具体涉及一种功能梯度热锻模及其制造工艺。
背景技术
热锻模的工作环境非常严酷，由于受到周期性的热负荷和机械负荷的冲击，导致热锻模过早的实效，其寿命非常短，成产成本高。热锻模在以下两个因素的共同作用下失效的：一是高温导致的模具表面机械性能下降，另一个是交变的热应力和机械应力，其中，热应力是机械应力的10倍，其起着主要作用。因此，要提高热锻模的寿命，必须提高热锻模的高温强度、高温疲劳强度、高温韧性、高温耐磨性，同时还要降低热锻模工作时的热应力和机械应力。
虽然通过热处理及表面处理的方法可以提高模具表面的高温性能，但是目前的技术要么性能的提高幅度不大，而且制造工艺复杂，耗费大量的人力物力，且热锻模的工作寿命延长有限。如授权公告号为CN100358652C的专利申请中公开了一种热锻模，主要由基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层组成。模膛表面覆层为纯陶瓷层构成，制造难度很大；采用喷焊工艺制造过渡层部分和模膛表面覆层，对带有圆弧部分的模膛很难通过喷焊工艺实现，同时喷焊后各层的表面很不平滑，需要花费大量的人工进行打磨；模膛表面覆层的只有一层，模膛表面覆层（陶瓷层）和过渡层（金属层）间的结合强度差，同时从金属层到陶瓷层是突然过渡，这使材料的性能（弹性模量、热导率、比热容、热膨胀系数等）跨度大，模膛表面覆层抗剥离性能差。
热锻模的使用寿命短，严重制约着模具业的发展以及企业经济效益的提高。因此，有必要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种使用寿命长的功能梯度热锻模及其制造工艺。
本发明采用的技术方案是：一种功能梯度热锻模，包括基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分，所述基体部分体积占90～99%，基体部分采用中耐热韧性的热作模具钢H13；所述连接部分为位于基体部分与模膛功能梯度层部分之间的过渡区域，连接部分采用合金材料；所述模膛功能梯度层部分采用以SiC与合金复合的金属陶瓷材料；所述合金为镍合金或钴合金。
按上述方案，所述连接部分由合金粉末喷涂而成。
按上述方案，所述模膛功能梯度层部分由SiC粉末与合金粉末混合喷涂而成。
按上述方案，与连接部分所采用的合金材料相对应，SiC粉末表面镀有Ni膜或Co膜。
按上述方案，所述模膛功能梯度层部分根据其厚度分层。
按上述方案，从连接部分到模膛表面，模膛功能梯度层部分的合金粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式减小，SiC粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式增加。
按上述方案，所述模膛功能梯度层部分分为10层，从连接部分至模膛表面依次为第一层至第十层，第一层至第十层中，合金粉末与SiC粉末的质量比依次分别为95:5、90:10、85:15、80:20、75:25、70:30、65:35、60:40、55:45、50:50。
一种如上所述的功能梯度热锻模的制造工艺，包括以下几个步骤：
步骤一，根据具体的锻件，设计出锻模工艺与模具图；
步骤二，根据第一歩的设计结果，用有限元专业软件对模锻成形过程进行连续仿真分析，获得锻模在热平衡时的温度场和应力场；锻模某点应力与热作模具钢H13在该点温度下的热疲劳强度相对应，则该点为失效临界点，锻模的所有失效临界点形成失效曲面，失效曲面与模膛表面之间的区域为失效区域；为了便于制造，将失效曲线中离模膛表面距离最远的点作为整个锻模的失效临界点，该点到模膛表面的距离为失效深度；
步骤三，将锻模在空间上分为基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分，模膛功能梯度层部分的厚度等于锻模的失效深度；连接部分和基体部分的总厚度等于模膛深度减去失效深度；其中，连接部分介于基体部分和模膛功能梯度层部分之间；作出整副模具的工程图；
步骤四，确定基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分的材料：基体部分采用中耐热韧性热作模具钢H13；连接部分采用镍合金或钴合金：模膛功能梯度层部分对应采用SiC粉末与镍合金或钴合金粉末混合，SiC粉末的表面对应镀有Ni膜或Co膜；将模膛功能梯度层部分分层，从连接部分到模膛表面，模膛功能梯度层部分中合金粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式减少，SiC粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式增加；
步骤五，用常规方法加工制作锻模基体部分；
步骤六，在锻模基体部分上喷涂连接部分；
步骤七，在连接部分上制造模膛功能梯度层部分，采用喷涂的方式逐层喷涂混合的合金粉末和表面镀有Ni膜或Co膜的SiC粉末，每叠加一层，合金粉末的质量分数减少；每叠加一层，锻模均符合相应工程图的形状和尺寸，得锻模毛坯；
步骤八，将锻模毛坯放入热等静压设备进行热等静压处理；
步骤九，对热等静压处理后的锻模表面进行打磨抛光处理，直至符合粗糙度要求为止。
按上述方案，在所述的步骤四中，模膛功能梯度层部分的分层由失效深度确定，失效深度越大，层数越多。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的模膛功能梯度层部分采用SiC与镍合金或钴合金复合的金属陶瓷材料，选择SiC作为模膛梯度层部分的陶瓷组分，由于其为非金属碳化物，高温性能好，提高了材料的抵抗失效的能力，热膨胀系数小，受热后产生的热应力小；同时，连接部分对应采用的镍合金或钴合金使基体部分和模膛功能梯度层部分连接更紧密，热锻模的强度更高。
2、模膛功能梯度层部分作为热锻模的主要受力部分，采用的金属陶瓷材料其中SiC粉末表面镀有Ni膜或Co膜，由于镍合金和钴合金均是自熔合金，SiC粉表面的Ni膜或Co增强了SiC粉与合金粉末的浸润性，促进了模膛功能梯度层部分的合金粉末与SiC粉末的融合，提高了金属陶瓷的强度和质量，克服了模膛功能梯度层部分的性能缺陷，有效延长了热锻模的使用寿命。
3、连接部分和模膛功能梯度层部分均采用喷涂的方式预加工，加工表面平滑，符合模膛表面外形，克服了采用传统方式如等离子喷焊和激光熔覆处理技术等引起的一系列缺陷，如加工表面不平滑、表面金属陶瓷材料难以实现金属和陶瓷组分呈连续梯度变化、不能有效处理非平面等等。
4、采用热等静压技术，促进了功能梯度热锻模喷涂材料的结合，实现了模膛表面的致密化。
5、采用有限元软件绘制出热锻模的失效区域，为设计使用寿命更长的热锻模提供了理论基础。
附图说明
图1是本发明一个具体实施例的结构示意图。
其中：1、基体部分；2、连接部分；3、模膛功能梯度层部分。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地解释说明。
如图1所示的一种功能梯度热锻模，包括基体部分1、连接部分2和模膛功能梯度层部分3，基体部分1的体积占90～99%，基体部分1采用中耐热韧性的热作模具钢H13；连接部分2为位于基体部分1与模膛功能梯度层部分3之间的过渡区域，连接部分2采用合金材料；模膛功能梯度层部分3采用以SiC与合金复合的金属陶瓷材料；所述合金为镍合金或钴合金。
优选地，连接部分2由合金粉末喷涂而成；模膛功能梯度层部分3由SiC粉末与合金粉末混合喷涂而成；与连接部分2所采用的合金材料相对应，SiC粉末表面镀有Ni膜或Co膜。
优选地，模膛功能梯度层部分3根据其厚度分层。
优选地，从连接部分2到模膛表面，模膛功能梯度层部分3的合金粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式减小，SiC粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式增加。
优选地，模膛功能梯度层部分3分为10层，从连接部分2至模膛表面依次为第一层至第十层，第一层至第十层中，合金粉末与SiC粉末的质量比依次分别为95:5、90:10、85:15、80:20、75:25、70:30、65:35、60:40、55:45、50:50。
本发明中，若连接部分2采用镍合金，则模膛功能梯度层部分3采用以SiC与镍合金复合的金属陶瓷材料，该SiC粉末的表面镀有Ni膜；若连接部分2采用钴合金，则模膛功能梯度层部分采用以SiC与钴合金复合的金属陶瓷材料，该SiC粉末的表面镀有Co膜；SiC粉末表面的Ni膜或Co膜都非常薄，计算SiC粉末的质量时，Ni膜或Co膜的质量也包括在内。
以下以直径为120mm、高度为80mm、材料为45号钢的锻件为例，介绍其热锻模的制造工艺。所述热锻模的制造工艺具体包括以下几个步骤：
步骤一：按现有技术设计出直径为120mm、高度为80mm、材料为45号钢的锻件的锻模工艺与模具图。
步骤二：根据设计的锻模工艺与模具图，用有限元专业软件对模具材料为H13、锻件材料为45钢的模锻成形过程进行连续仿真分析，优化模锻的工作节奏和热平衡温度；根据优化后的工作节奏和热平衡温度，获得锻模在热平衡状态下的温度场和应力场；锻模某点应力等于H13钢在该点温度下的热疲劳强度，该点为失效临界点；沿着锻模型腔曲线，将各个失效临界点连接起来，形成锻模的失效曲面，失效曲面与模膛表面之间的区域为失效区域(其它为非失效区域)；由于模膛不同位置失效区域的深度不一样，为了方便加工，将失效曲面中离模膛表面距离最远的点作为整个锻模的失效临界点，该点到模膛表面的距离为失效深度，本锻件的锻模其失效深度约为2mm。
步骤三，将锻模在空间上分为基体部分1、连接部分2和模膛功能梯度层部分3，模膛功能梯度层部分3的厚度等于锻模的失效深度，即2mm；连接部分2和基体部分1的总厚度为模膛深度减去失效深度，连接部分2介于基体部分1和模膛功能梯度层部分3之间，连接部分2厚度为0.2mm，基体部分1的厚度为非失效深度减去连接部分2厚度；做出整个锻模的工程图。
步骤四，确定基体部分1、连接部分2和模膛功能梯度层部分3的材料：基体部分1采用中耐热韧性热作模具钢H13；连接部分2采用Ni60粉末；模膛功能梯度层部分3采用金属陶瓷粉末（Ni60粉末和表面镀有Ni膜的SiC粉末混合）；模膛功能梯度层部分3根据其厚度分为10层，每层厚度为0.2mm；从连接部分2模膛表面部分依次为第一层至第十层，第一层至第十层中，Ni60粉末与表面镀有Ni膜的SiC粉末的质量比依次分别为95:5、90:10、85:15、80:20、75:25、70:30、65:35、60:40、55:45、50:50。
步骤五，基体部分1、连接部分2和模膛功能梯度层部分3的材料确定后，用常规方法加工制作基体部分1。
步骤六，在基体部分1表面喷涂Ni60粉末形成连接部分2，连接部分2的厚度为0.2mm。
步骤七，在连接部分2上依次喷涂10层如步骤四所述质量比的Ni60粉末与表面镀有Ni膜的SiC粉末，每层厚度为0.2mm；每叠加一层，均符合相应工程图的形状和尺寸，得锻模毛坯。
步骤八，将锻模毛坯放入热等静压设备进行热等静压处理，处理温度为1100℃，压力为110MPa，保温2～3小时。
步骤九，对热等静压处理后的锻模表面进行打磨抛光处理，直至符合粗糙度要求为止。
所得功能梯度热锻模进行的热锻工作过程的模拟,热锻模的各部分在工作过程中均处于完全的弹性和无疲劳状态。

Claims (5)

1.一种功能梯度热锻模，其特征在于，包括基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分，所述基体部分体积占90～99%，基体部分采用中耐热韧性的热作模具钢H13；所述连接部分为位于基体部分与模膛功能梯度层部分之间的过渡区域，连接部分采用合金材料；所述模膛功能梯度层部分采用以SiC与合金复合的金属陶瓷材料；所述合金为镍合金或钴合金；所述连接部分由合金粉末喷涂而成，所述模膛功能梯度层部分由SiC粉末与合金粉末混合喷涂而成；所述模膛功能梯度层部分根据其厚度平均分层；从连接部分到模膛表面，模膛功能梯度层部分的合金粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式减小，SiC粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式增加。
2.如权利要求1所述的一种功能梯度热锻模，其特征在于，所述模膛功能梯度层部分分为10层，从连接部分至模膛表面依次为第一层至第十层，第一层至第十层中，合金粉末与SiC粉末的质量比依次分别为95:5、90:10、85:15、80:20、75:25、70:30、65:35、60:40、55:45、50:50。
3.如权利要求2所述的一种功能梯度热锻模，其特征在于，与连接部分的合金材料对应，SiC粉末表面镀有Ni膜或Co膜。
4.一种如权利要求1所述的功能梯度热锻模的制造工艺，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一，根据具体的锻件，设计出锻模工艺与模具图；
步骤二，根据第一歩的设计结果，用有限元专业软件对模锻成形过程进行连续仿真分析，获得锻模在热平衡时的温度场和应力场；锻模某点应力与热作模具钢H13在该点温度下的热疲劳强度相对应，则该点为失效临界点，锻模的所有失效临界点形成失效曲面，失效曲面与模膛表面之间的区域为失效区域；为了便于制造，将失效曲线中离模膛表面距离最远的点作为整个锻模的失效临界点，该点到模膛表面的距离为失效深度；
步骤三，将锻模在空间上分为基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分，模膛功能梯度层部分的厚度等于锻模的失效深度；连接部分和基体部分的总厚度等于模膛深度减去失效深度；其中，连接部分介于基体部分和模膛功能梯度层部分之间；作出整副模具的工程图；
步骤四，确定基体部分、连接部分和模膛功能梯度层部分的材料：基体部分采用中耐热韧性热作模具钢H13；连接部分采用镍合金或钴合金：模膛功能梯度层部分对应采用SiC粉末与镍合金或钴合金粉末混合，SiC粉末的表面对应镀有Ni膜或Co膜；将模膛功能梯度层部分分层，从连接部分到模膛表面，模膛功能梯度层部分中合金粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式减少，SiC粉末所占的质量分数逐层呈阶梯式增加；
步骤五，用常规方法加工制作锻模基体部分；
步骤六，在锻模基体部分上喷涂连接部分；
步骤七，在连接部分上制造模膛功能梯度层部分，采用喷涂的方式逐层喷涂混合的合金粉末和表面镀有Ni膜或Co膜的SiC粉末，每叠加一层，合金粉末的质量分数减少，SiC粉末的质量分数增加；每叠加一层，锻模均符合相应工程图的形状和尺寸，得锻模毛坯；
步骤八，将锻模毛坯放入热等静压设备进行热等静压处理；
步骤九，对热等静压处理后的锻模表面进行打磨抛光处理，直至符合粗糙度要求为止。
5.如权利要求4所述的一种功能梯度热锻模的制造工艺，其特征在于，在所述的步骤四中，模膛功能梯度层部分的分层由失效深度确定，失效深度越大，层数越多。
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