CN106271482A - 多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法 - Google Patents

Abstract

一种多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法，解决现有技术存在的铸锭过程中由于注速、铸温控制不当，使得铸成的钢锭内部存在空洞、裂纹、偏析等缺陷，成材率低，影响模具钢模块质量的问题。该方法包括：把轧制板坯作为金属单元体，将堆叠的板坯单元体装入到由普通碳钢焊接成的箱体内，并对箱体进行抽真空和密封；根据锻件内部空洞型缺陷闭合条件制定锻造和加热工艺，使金属板坯单元体通过高温保压焊合成整体坯料；拆除箱体后将板坯单元体返炉进行高温扩散，再把坯料锻造至模具钢模块要求的尺寸。该方法避免了浇筑钢锭常见的偏析、夹杂、缩孔、疏松、裂纹等缺陷，提升了模具钢模块的整体质量，提高了材料的利用率，降低了能耗，经济效益明显。

Description

多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种将多个相同材质的金属板坯单元体通过表面净化处理，真空封装，锻造过程中高温保压，来消除板坯单元体间的空洞型缺陷的多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法。

背景技术

工业的快速发展带动了模具产业的发展，从而使得模具用钢铁材料也随之发展起来。从模具钢的发展历程不难看出，模具钢发展到现在已逐步系列化，主要包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢和特殊用途模具钢，其中塑料模具钢的市场需求占据第一位。随着全球经济产业结构的不断调整，制造业等传统工业在向发展中国家转移。我国劳动力资源丰富，劳动力成本低，制造业发展迅速，模具行业市场巨大，已成为模具制造大国，但还称不上模具强国。近几年，我国模具工业一直以每年15％左右的增长速度发展。

近三年我国模具总产值分别达到450亿元、530亿元和620亿元。但同时必须看到，我国每年还要从日本、瑞典、法国、德国、奥地利等国进口约6万吨左右的高档模具钢，要花费大量的外汇。这说明我们与世界先进水平相比，在模具的品种、质量、尺寸规格、性能及服务等方面还存在差距，还难以满足市场需求。国内钢铁企业生产的中厚板及锻造企业生产的模块在品种规格系列化和质量水平上与国际企业相比仍有较大差距，高档塑料模具钢长期依赖进口。

目前，国内生产模块的原料主要是静态浇筑钢锭或电渣重熔钢锭。电渣重熔钢锭质量相对好，成本较高，一般模具钢的电渣成本为2500元/吨。电渣锭的收弧端和引弧端通常存在夹渣等缺陷，需要切除，材料的利用率一般在80％左右。而浇筑钢锭常见的缺陷有：偏析、夹杂、气体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤。这些缺陷的形成与冶炼，浇铸和冷却等过程紧密相关，而且钢锭愈大，缺陷愈严重，这些缺陷也往往是造成大型锻件报废的主要原因，大幅度降低了钢锭的成材率。并且钢锭内部的缺陷是不可视的，这些缺陷也很难通过冶炼工艺的改进而消除。传统的锻造过程中，钢锭的冒口和锭尾由于存在的缺陷较多，通常需要切除，材料的利用率一般为75％左右。

据相关专利文献报导，公告号为CN102950428B的“塑料模具钢钢板的加工方法”，公告号为CN103060699B的“冷作模具钢的加工方法”，以及公告号为CN102936692B的“冷冲模模具钢的加工方法”等模具钢的加工方法，都是通过一定化学组分的原料浇注形成模具钢坯料，浇注成型的模具钢钢锭经过降温，加热，保温，炉冷，然后再加热、保温、冷却来制得所需类别的模具钢。这些方法虽然工艺简单，材料成本低，制得的模具钢具有一定的机械性能，但这类方法对破坏金属的连续性、引起显微裂纹、降低模具钢浇注后力学性能的异相质点类夹杂，以及钢锭中残存气体(例如氧、氮、氢等)最终以氧化物和氮化物形式，在钢锭内形成的导致钢材塑性降低的锻件内部白点和氢脆等缺陷，无法起到有效的消除作用，影响模具钢的性能。

而公开号为CN105499459A的“异质金属构筑成形方法”，公开了一种异质金属构筑成形方法，包括制备由第一材料制成的至少一个第一基元和由第二材料制成的多个第二基元构成的多个基元，将多个基元堆垛成预定形状，将堆垛成预定形状的多个基元封装成预制坯，再通过锻焊使得多个基元之间的界面焊合以将预制坯制成毛坯等步骤。该成形方法中制备基元的过程只是简单地描述为“将多块小规格金属坯下料为指定尺寸”，并没有具体介绍基元截面尺寸的确定依据和方式，比较笼统，不利于方法的实施。并且，该成形方法中对预制坯实施的镦粗与锻焊的步骤描述，也只是简单地叙述了镦粗的下压变形量，没有涉及镦粗过程中温度、保温时间和焊接比压之间的关系，难以实现多个基元内部裂纹的充分焊合，不能完全消除基元的空洞型缺陷，故无法满足同质金属类模具钢的锻造质量要求。

铸锭过程中由于操作不当或注速、铸温控制不当，使得铸成的钢锭内部存在空洞、裂纹、偏析和第二相等缺陷。这些缺陷在钢锭制造过程中普遍存在，而且钢锭越大，钢锭的内部冶金质量越难保障。而模具钢一般是需要锻造成方体，剁刀口及圆形钢锭对成材率都有一定的影响；并且，钢锭切除一般靠剁刀切除或锯切，需要耗费大量工时和燃料。故有必要对现有的模具钢的加工方法进行改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种将多个相同材质的金属板坯单元体通过表面净化处理，真空封装，锻造过程中高温保压，来消除板坯单元体间的空洞型缺陷的多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法。

本发明所采用的技术方案是：该多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法包括如下步骤：

步骤一、根据材质计算焊合所需应变量及温度等因素的影响，依据在锻件的生产过程中，锻坯内部宏观与微观空洞型缺陷的闭合条件：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面体的切应变

V₀——原始的空洞率

其中，

确定空洞的面积，再根据空洞面积确定板坯单元体的截面尺寸，选择出合适尺寸的轧制板坯；

步骤二、多个相同材质的金属板坯单元体在进行堆叠之前，对板坯单元体的接触面进行处理，首先去除板坯单元体表面的氧化皮，然后用有机溶剂清洗板坯单元体的表面；以确保板坯单元体需要焊接的接触面高度清洁，无杂质、油渍及表面氧化物等残留，尽可能地减少模具钢模块的缺陷；

步骤三、将清洁后的板坯单元体逐层堆叠，然后快速地转入到由普通碳钢焊接成的箱体内，堆叠的板坯单元体装箱后，焊接上箱体盖，然后将箱体内部抽真空，并对整个箱体进行密封；

步骤四、将内部装有堆叠板坯单元体的箱体放在加热炉的垫铁上，单元体的堆叠面平行于水平面，然后开始对箱体进行加热，加热工艺为：在350℃保温4小时后，以小于或等于50℃/小时的升温速率将温度升高到650℃，在650℃保温7小时，然后再以50℃/小时的升温速率将温度升高到850℃，并在850℃保温9小时后，以50℃/小时的升温速率，使温度上升到1200℃，最后在1200℃保温20小时；

步骤五、把加热后的箱体吊装到水压机的墩粗平台上，对箱体以及其内部的堆叠板坯单元体进行墩粗保压焊合，墩粗保压焊合的温度、保温时间和焊接比压三者满足菲克第二定律，使板坯单元体的裂隙型缺陷充分的焊合；菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

将代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——扩散时间(s)

C——扩散物质的体积浓度(kg/m³)

x——距离(m)

板坯单元体的裂纹在墩粗保压焊合过程中，经过裂尖钝化、裂纹分节、裂腔球化、空洞愈合及质量均匀化等阶段，最终完成愈合；

步骤六、拆除堆叠板坯单元体外侧的箱体，然后将板坯单元体返炉；

步骤七、对墩粗保压焊合的堆叠板坯单元体进行高温扩散处理，裂隙型缺陷的焊合是通过原子扩散来实现的，原子扩散走过的平均距离与扩散时间的平方根成正比，一般满足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距离

τ——保温时间

K——常数，与材质有关

步骤八、锻造至模具钢模块要求的尺寸。

所述步骤二，对板坯单元体的接触面进行处理时，采用铣床去除板坯单元体表面的氧化皮。

所述步骤二，对板坯单元体的接触面进行处理后，需保证加工后的板坯单元体表面粗糙度小于6.3。

所述步骤二，在去除板坯单元体表面的氧化皮之后，用来清洗板坯单元体表面的有机溶剂是丙酮或酒精。

所述步骤五，生产2738模具钢模块时，该材质的焊接温度为1100～1150℃，焊接比压力为6～11MPa，焊接时间为30～60min。

所述步骤五，生产XPM模具钢模块时，该材质的焊接温度为1120～1180℃，焊接比压力为6～11MPa，焊接时间为30～50min。

所述步骤五，生产H13模具钢模块时，该材质的焊接温度为1100～1160℃，焊接比压力为7～12MPa，焊接时间为40～60min。

所述步骤七，堆叠板坯单元体模具钢模块高温扩散的速度是50～70mm/h。

本发明的有益效果：通过提出一种多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法：即把符合成分要求的轧制板坯作为金属单元体，将堆叠的板坯单元体装入到由普通碳钢焊接成的箱体内，并对整个箱体进行抽真空和密封；根据锻件内部空洞型缺陷闭合条件制定出合理的锻造和加热工艺，使多个金属板坯单元体通过高温保压焊合成整体坯料；拆除箱体，然后将板坯单元体返炉进行高温扩散处理，把坯料锻造至模具钢模块要求的尺寸。该方法制得的胚料与传统的浇筑钢锭相比，避免了浇筑钢锭常见的偏析、夹杂、气体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤等缺陷，提高了模具钢模块的整体质量；并且，坯料不需要去除冒口和锭尾，提高了材料的利用率，降低了能耗，具有显著的经济效益。

附图说明

图1是本发明的板坯单元体堆叠的示意图。

图2是本发明的板坯单元体装入到金属箱体内墩粗保压焊合的示意图。

图3是本发明的工艺路线图。

图4是本发明的加热曲线图。

图中序号说明：1金属板坯单元体、2水压机上横梁、3上墩粗板、4金属箱体、5下墩粗板、6水压机下平台。

具体实施方式

根据图1～4详细说明本发明的具体步骤。该多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法包括：

步骤一，为了选择出合适尺寸的轧制板坯，根据材质计算焊合所需应变量及温度等因素的影响，以确定板坯单元体的截面尺寸。

依据金宁等研究的锻件空洞性缺陷在塑性加工过程中的变化问题，采用数学解析的方法研究了锻件内部空洞性缺陷在塑性加工过程中的压合机制、条件和判据，以空洞力学为基础，推导出了压合锻件内部空洞性缺陷的判据，并根据研究结果探讨了FM法、WHF法及V型砧锻造工艺中锻件内部柱状空洞的闭合规律、闭合路径和闭合速度。以多孔可压缩材料的塑性理论和空洞力学为基础推导得出，在锻件的生产过程中，锻坯内部宏观与微观空洞型缺的闭合条件可以表示为：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面体的切应变

V₀——原始的空洞率

其中，

根据以上公式可确定空洞的面积，根据空洞面积确定板坯单元体的截面尺寸，选择出合适尺寸的轧制板坯，以确保经过后续加工，生产出质量可靠的产品。

步骤二，进行堆叠之前，采用铣床去除多个相同材质的金属板坯单元体表面的氧化皮，以对板坯单元体的接触面进行处理，并保证经铣床加工后的表面粗糙度小于6.3。然后用丙酮或酒精等有机溶剂清洗板坯单元体的表面，以确保板坯单元体需要焊接的接触面高度清洁，并且无杂质、油渍及表面氧化物等残留，尽可能地减少最终成品模具钢模块的缺陷。

步骤三、将清洁后的板坯单元体逐层堆叠，然后快速地转入到由普通碳钢焊接成的箱体内，堆叠的板坯单元体装入到普通碳钢构成的箱体后，焊接上箱体的上盖，使整个箱体闭合；然后再将箱体内部抽成真空，最后对整个闭合的箱体进行密封，准备进行下一道工序的加工。

步骤四，吊装内部装有堆叠板坯单元体的箱体，使其平放在加热炉的垫铁上，单元体的堆叠面平行于水平面布置。堆叠的板坯单元体的加热工艺曲线与普通钢锭的加热曲线相比，低温段、中温锻和高温段的保温时间都相对延长。在高温段保温时，堆叠板坯单元体的保温时间不能够按照单件最小截面尺寸的大小计算加热时间，而是要按照多件坯料堆叠方向尺寸计算加热时间，保温时间按照每100mm保温1.5小时计算。

具体的加热工艺为：首先，在350℃保温4小时后，以小于或等于50℃/小时的升温速率将温度升高到650℃，在650℃保温7小时，然后再以等于50℃/小时的升温速率将温度升高到850℃，并在850℃保温9小时后，以等于50℃/小时的升温速率，使温度上升到1200℃，最后在1200℃保温20小时。

把加热后的箱体吊装到水压机的墩粗平台上，对箱体以及其内部的堆叠板坯单元体进行墩粗保压焊合，

步骤五，对加热后的箱体以及其内部的堆叠板坯单元体进行墩粗保压焊合。用铁链把加热后的箱体吊到水压机的墩粗平台上，在吊装箱体时，要始终保证箱体内板坯单元体的堆叠面平行于水平面。墩粗保压焊合是本发明的关键，板坯单元体的裂隙型缺陷在温度、保温时间和焊接比压三者满足菲克第二定律时，能够实现充分的焊合。菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的，菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

将代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——扩散时间(s)

C——扩散物质的体积浓度(kg/m³)

x——距离(m)

实际上，固溶体中溶质原子的扩散系数D是随浓度变化的，为了使求解扩散方程简单些，往往近似地把D当做常数看待。根据菲克第二定律可知板坯单元体的裂纹在墩粗保压焊合过程中，经过裂尖钝化、裂纹分节、裂腔球化、空洞愈合及质量均匀化等阶段，最终完成愈合。

裂纹愈合过程分为裂尖钝化、裂纹分节、裂腔球化、空洞愈合及质量均匀化等几个阶段。对于已经墩粗到位的板坯单元体来说，根据焊接比压(压机的保压压力)，裂缝的焊接时间(保压时间)，以及材质的不同，最佳参数也不尽相同。当模具钢模块为2738(2738是德国DIN标准的钢材牌号)时，经过计算，该材质的最佳焊接温度为1100～1150℃，焊接比压力为6～11MPa，焊接时间为30～60min。当模具钢模块为XPM时，经过计算，该材质的最佳焊接温度为1120～1180℃，焊接比压力为6～11MPa，焊接时间为30～50min。当模具钢模块为H13时，经过计算，该材质的最佳焊接温度为1100～1160℃，焊接比压力为7～12MPa，焊接时间为40～60min。

步骤六、拆除堆叠板坯单元体外侧的由普通碳钢焊接成的箱体，然后将板坯单元体整体返炉。

步骤七，高温扩散的保温时间对焊合过程也非常重要。在同样的变形量和保温温度条件下,适当的延长保温时间可以改善焊合效果。裂隙型缺陷的焊合是通过原子扩散等机制实现的,原子扩散走过的平均距离与扩散时间的平方根成正比。一般满足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距离

τ——保温时间

K——常数，与材质有关，一般合金钢为1.5

根据计算，堆叠板坯单元体模具钢模块高温扩散保温时间是一般钢锭锻件保温时间的1.7～2倍。一般钢锭的保温时间通常按照100mm/h的速度计算。

步骤八，根据工艺要求，将模具钢模块锻造至所要求的尺寸。

Claims (8)

1.一种多单元同质金属叠锻生产模具钢模块的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据材质计算焊合所需应变量及温度等因素的影响，依据在锻件的生产过程中，锻坯内部宏观与微观空洞型缺陷的闭合条件：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面体的切应变

V₀——原始的空洞率

其中，

确定空洞的面积，再根据空洞面积确定板坯单元体的截面尺寸，选择出合适尺寸的轧制板坯；

步骤二、多个相同材质的金属板坯单元体在进行堆叠之前，对板坯单元体的接触面进行处理，首先去除板坯单元体表面的氧化皮，然后用有机溶剂清洗板坯单元体的表面；以确保板坯单元体需要焊接的接触面高度清洁，无杂质、油渍及表面氧化物等残留，尽可能地减少模具钢模块的缺陷；

步骤三、将清洁后的板坯单元体逐层堆叠，然后快速地转入到由普通碳钢焊接成的箱体内，堆叠的板坯单元体装箱后，焊接上箱体盖，然后将箱体内部抽真空，并对整个箱体进行密封；

步骤四、将内部装有堆叠板坯单元体的箱体放在加热炉的垫铁上，单元体的堆叠面平行于水平面，然后开始对箱体进行加热，加热工艺为：在350℃保温4小时后，以小于或等于50℃/小时的升温速率将温度升高到650℃，在650℃保温7小时，然后再以50℃/小时的升温速率将温度升高到850℃，并在850℃保温9小时后，以50℃/小时的升温速率，使温度上升到1200℃，最后在1200℃保温20小时；

步骤五、把加热后的箱体吊装到水压机的墩粗平台上，对箱体以及其内部的堆叠板坯单元体进行墩粗保压焊合，墩粗保压焊合的温度、保温时间和焊接比压三者满足菲克第二定律，使板坯单元体的裂隙型缺陷充分的焊合；菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

将代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——扩散时间(s)

C——扩散物质的体积浓度(kg/m³)

x——距离(m)

板坯单元体的裂纹在墩粗保压焊合过程中，经过裂尖钝化、裂纹分节、裂腔球化、空洞愈合及质量均匀化等阶段，最终完成愈合；

步骤六、拆除堆叠板坯单元体外侧的箱体，然后将板坯单元体返炉；

步骤七、对墩粗保压焊合的堆叠板坯单元体进行高温扩散处理，裂隙型缺陷的焊合是通过原子扩散来实现的，原子扩散走过的平均距离与扩散时间的平方根成正比，一般满足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距离

τ——保温时间

K——常数，与材质有关

步骤八、锻造至模具钢模块要求的尺寸。

2.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤二，对板坯单元体的接触面进行处理时，采用铣床去除板坯单元体表面的氧化皮。

3.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤二，对板坯单元体的接触面进行处理后，需保证加工后的板坯单元体表面粗糙度小于6.3。

4.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤二，在去除板坯单元体表面的氧化皮之后，用来清洗板坯单元体表面的有机溶剂是丙酮或酒精。

5.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤五，生产2738模具钢模块时，该材质的焊接温度为1100～1150℃，焊接比压力为6～11MPa，焊接时间为30～60min。

6.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤五，生产XPM模具钢模块时，该材质的焊接温度为1120～1180℃，焊接比压力为6～11MPa，焊接时间为30～50min。

7.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤五，生产H13模具钢模块时，该材质的焊接温度为1100～1160℃，焊接比压力为7～12MPa，焊接时间为40～60min。

8.根据权利要求1所述的多单元同质金属叠锻生产主轴锻件的方法，其特征在于：所述步骤七，堆叠板坯单元体模具钢模块高温扩散的速度是50～70mm/h。