CN106925708A - 自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，基体采用H11钢或H13钢制成；支撑层采用奥氏体耐热钢制成，支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；强化隔热层采用金属陶瓷材料制成，强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；自润滑层为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。本发明提出的自润滑异质材料复合结构热锻模，使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势，同时避免或减少使用润滑剂，显著增强了模具强度，有效提高了使用寿命，改善了锻造生产对环境的破坏。

Description

自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法

技术领域

本发明涉及热锻模技术领域，尤其涉及一种自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法。

背景技术

热锻模的工作条件是十分恶劣的，它要承受高温、高压以及热态金属坯料在模具型腔表面剧烈流动所造成的剧烈摩擦，导致模具表面产生龟裂损伤和热磨损，促使热锻模失效，因而热锻模寿命低。现有技术采用温度分布区间来确定模具各层材料。但是这种结构，在具有冲击载荷设备（例如机械压力机、锻锤等）的作用下，在热锻模近表层存在低硬度区，形成类似“豆腐渣”状的破坏，无法有效地支撑堆焊覆层，因此通过温度梯度设计制造的复合材料热锻模，在具有冲击性载荷的热锻设备的作用下效果欠佳，其模具寿命难以有效延长。

另外，在金属塑性加工过程中，为防止模具与坯料粘模与卡模，提高产品精度，延长模具寿命会使用润滑剂。然而，润滑剂的使用会造成污染环境，对环境友好的固体自润滑成为一种趋势。现有模具固体自润滑技术一般采用热喷涂制备的表面覆层，其厚度薄且结合强度有限。在高温重载的循环冲击作用下，容易造成热锻模涂层脱落和完整性破坏，从而加速失效。

采用整体模块的热锻模结构简单、使用方便、加工成本较低，然而其缺点也很明显。如H13钢制成整体模块，其红硬性差、易磨损，局部发生磨损后需要全部更换，不仅造成能源浪费，还会增加生产成本。

机械压力机（例如热模锻压力机、螺旋压力机等）是现在普遍使用的热锻装备之一，由于冲击载荷使得模具近表层破坏而引起表层硬质部位失效，不得不整体更换，模具寿命难以得到提升；此外润滑剂的使用及其后处理会污染环境，破坏生态圈。

综上，现有热锻模设计与制造存在以下不足：1、均质的热锻模以及梯度热锻模均存在设计方法上的不足；2、使用润滑剂作为润滑方式不仅生产成本提高还污染环境，而热喷涂涂层的自润滑方式则存在涂层结合强度不足，尤其是在冲击性的热力载荷作用下容易加速破坏；3、整体模块其经济性不高，易浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法，旨在提高其结构强度，大幅度提高整体寿命，同时避免或减少了润滑剂对环境的污染，促进锻造工艺的可持续发展。

为实现上述目的，本发明提供一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，所述模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，

所述基体采用H11钢或H13钢制成；

所述支撑层采用奥氏体耐热钢制成，所述支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；

所述强化隔热层为金属陶瓷材料制成，所述强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；

所述自润滑层采用粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。

优选地，所述粘接相为Ni、Mo和Al的混合物，所述硬质相为Cr₂O₃，所述润滑相为CaF₂和BaF₂的混合物。

优选地，所述粘接相的质量百分比为60-75%，硬质相的质量百分比为15-20%，润滑相的质量百分比为5-25%。

优选地，所述奥氏体耐热钢为Crl7Nil2Mo2或0Crl8Nil0Ti。

优选地，所述金属陶瓷材料为自熔合金粉末和WC、CrC或Al₃O₂三者中一种。

优选地，所述自熔合金粉末为钴基或者镍基的自熔合金粉末。

优选地，所述金属陶瓷材料中WC、CrC或Al₃O₂的质量百分比为10-35%。

优选地，所述支撑层层厚为4-12mm；所述强化隔热层层厚为2-4mm；所述自润滑层层厚为2-4mm。

本发明进一步提出一种基于上述的自润滑异质材料复合结构热锻模的制备方法，包括以下步骤：

通过有限元软件对模具在连续工作条件下的应力场进行热力耦合仿真分析，将应力场中的等压力线进行划分，结合热模锻工艺要求，确定模芯的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层的厚度；

确定基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层选用的材料以及各自采用的加工工艺；

根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯。

优选地，所述根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯的步骤具体包括：

制造模芯的基体并进行热处理以及表面处理

在基体表面堆焊形成支撑层；

采用等离子粉末喷焊方法在支撑层表面形成强化隔热层；

在强化隔热层表面采用粉末冶金的方法，烧结制成自润滑层以获得模芯毛坯；

对模芯毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。

本发明提出的自润滑异质材料复合结构热锻模，模芯包括基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层，支撑层采用耐高温热强结构材料来加强热锻模易损伤部位的强度；强化隔热层采用高红硬性材料与隔热材料等离子粉末喷焊制备金属基陶瓷，具有增强模具表层与近表层高温强度与减少热量向模具基体传递的作用；自润滑层则采用高温自润滑材料，减少生产成本，改善环境，同时保证了结合强度。以上所述热锻模使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势，同时避免使用润滑剂，显著增强了模具强度，改善了生产环境，有效提高了使用寿命。

附图说明

图1为本发明自润滑异质材料复合结构热锻模的剖视结构示意图；

图2为本发明自润滑异质材料复合结构热锻模的俯视结构示意图；

图3为本发明自润滑异质材料复合结构热锻模中模芯的剖视结构示意图；

图中，1-模套，2-模芯，3-基体，4-支撑层，5-强化隔热层，6-自润滑层。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种自润滑异质材料复合结构热锻模。

参照图1至图3，本实施例中，一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套1和异质材料的模芯2，模芯2包括依次设置的基体3、支撑层4、强化隔热层5以及自润滑层6，其中，

基体3采用H11钢或H13钢制成；

支撑层4采用奥氏体耐热钢制成，支撑层4通过堆焊的方式焊在基体3之上；

强化隔热层5采用金属陶瓷材料制成，强化隔热层5通过等离子粉末喷焊在支撑层4之上；

自润滑层6为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。

在保证强度的前提下，模套1选用成本较低的40Cr、42CrMo等优质结构钢。当选用40Cr时，其成分为C（0.370%-0.440%）、Si（0.170%-0.370%）、Mn(0.500%-0.800%)、P（≤0.035%）、S（≤0.035%）、Cr（0.800%-1.100%）、Ni（≤0.030%）、Cu（≤0.030%）。选用42CrMo时，其成分为C（0.380%-0.450%）、Si（0.170%-0.370%）、Mn(0.500%-0.800%)、P（≤0.035%）、S（≤0.035%）、Cr（0.900%-1.200%）、Ni（≤0.030%）、Cu（≤0.030%）、Mo（0.150%-0.250%）。

模芯2的基体3占模芯2体积的80%以上，采用的材料为H11或H13钢，其性价比较高。H13钢牌号为4Cr5MoSiV1,成分为：C（0.320%-0.450%）、Si（0.800%-1.200%）、Mn（0.200%-0.500%）、Cr（4.750%-5.500%）、Mo（1.100%-1.750%）、V（0.800%-1.200%）、S（≤0.030%）、P（≤0.030%）。

支撑层4采用奥氏体耐热钢制成，其韧性较好，使用堆焊的方式焊在基体3之上，既能保证焊层之间的结合强度又能起到支撑强化作用。奥氏体耐热钢可以为Crl7Nil2Mo2或0Crl8Nil0Ti。其中Crl7Nil2Mo2的成分为C(≤0.08%)、Si(≤1.00%)、Mn(≤2.00%)、P(≤0.035%)、S(≤0.03%)、Ni（10%-14%）、Cr（16%-18%）、Mo（2%-3%）。如OCrl8NilOTi，其成分为C(≤0.08%)、Si(≤1.00%)、Mn(≤2.00%)、P(≤0.035%)、S(≤0.03%)、Ni（9%-12%）、Cr（17%-19%）、Ti（≥0.4%）。

金属陶瓷材料为自熔合金粉末和WC、CrC或Al₃O₂三者中一种。自熔合金粉末为钴基或者镍基的自熔合金粉末。即强化隔热层5为一定比例的钴基或者镍基的自熔合金粉末和WC、CrC或Al₃O₂粉末混合制备而成的金属基陶瓷材料，通过等离子粉末喷焊在支撑层4之上，在保证强度的前提下起到隔热的作用。加入镍基或者钴基自熔合金粉末可增强模具表面的耐磨性，WC、CrC或Al₃O₂是起隔热的作用，为了协调强度与隔热而设定WC、CrC或Al₃O₂的质量分数为10%-35%。

自润滑层6中，粘接相为Ni、Mo和Al的混合物（本实施例中为80%Ni、15%Mo、5%Al），硬质相为Cr₂O₃，润滑相为CaF₂和BaF₂的混合物（45% CaF₂、55%BaF₂）。保障强度的硬质相，其质量百分比为15-20%。为了在保障强度的同时还有比较好的润滑效果，设定润滑相的质量百分比为5-25%。连结硬质相与润滑相的粘接相，其质量百分比为60-75%。自润滑层6采用高温自润滑材料以粉末冶金的方式，烧结在模腔表面，一方面减少润滑剂的使用，另一方面解决了因热喷涂涂层的自润滑方式则存在涂层结合强度不足的情况。

支撑层4层厚为4-12mm；强化隔热层5层厚为2-4mm；自润滑层6层厚为2-4mm。厚的覆层能提高各层之间的结合力及模具结构的强度。

本实施例给出一自润滑异质材料复合结构热锻模的具体加工过程，如下所示。

1、根据热锻模工艺与模具图，用有限元软件Deform对热锻过程进行仿真分析，对模具在连续工作的条件下的温度场和热应力场进行仿真分析，将应力场中的等压力线按50-100MPa划分，确定支撑层4的层厚为8mm；

2、根据上一步的分析结果，结合热模锻工艺要求，将热锻模分为四个部分（基体3、支撑层4、强化隔热层5和自润滑层6）。由支撑层4层厚8mm，确定强化隔热层5的层厚为3mm，自润滑层的层厚为3mm。并绘制出模具图，即基体3分别叠加支撑层4、强化隔热层5与自润滑层6的工程图；

3、确定基体3、支撑层4、强化隔热层5与自润滑层6各层的材料以及加工工艺，其中，基体3选用材料为H11钢，支撑层4采用具有韧性较好的耐热钢0Cr25Ni20，用堆焊的方式焊在基体3部分3之上；强化隔热层5采用质量分数85%的钴基自熔合金粉末和质量分数15%的CrC粉末混合制备而成的金属陶瓷材料，通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；自润滑层6的组分为70%（80%Ni、15%Mo、5%Al）、20%Cr₂O₃、10%(45%CaF₂、55%BaF₂)，以粉末冶金的方式烧结制备；

4、用常规的方式分别制作模套1和模芯2的基体3，模芯2呈块状，模套1上开有凹陷的模芯安装座，分别对模芯2和模套1进行热处理和表面处理，并使模芯2的外形与模芯安装座的形状相匹配，并根据现有技术和设备设计好模腔形状，在模芯2上加工出凹陷的模腔；

5、用堆焊的方法在基体3表面堆焊支撑层4，然后进行热处理；接着等离子喷焊形成强化隔热层5，缓冷，并对模具毛坯的型腔表面进行打磨处理，直至满足一定粗糙度的要求；最后在表面以粉末冶金的方式制备自润滑层6，获得模芯2毛坯；

6、对初步产品进行形状和尺寸的修正，并进行打磨以满足一定的粗糙度要求，获得最终产品；

7、将模芯2装入模套1的模芯安装座，并使模芯2的模腔朝向模芯安装座的外侧，即制得具有多材料属性的自润滑异质材热锻模具。

本实施例提出的自润滑异质材料复合结构热锻模，模芯2包括基体3、支撑层4、强化隔热层5与自润滑层6，支撑层4采用耐高温热强结构材料来加强热锻模易损伤部位的强度，从而避免该部位“豆腐渣”状损伤的产生。强化隔热层5采用高温自熔性合金与隔热材料等离子粉末喷焊制备金属基陶瓷，具有增强模具表层与近表层高温强度与减少热量向基体3传递的作用；自润滑层6则采用高温自润滑材料，改善环境，同时保证了结合强度。以上所述热锻模使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势，同时避免使用润滑剂，显著增强了模具强度，有效提高了使用寿命，改善了润滑剂对环境的破坏。

本发明进一步提出一种自润滑异质材料复合结构热锻模的制备方法。

本优选实施例中，一种基于上述的自润滑异质材料复合结构热锻模的制备方法，包括以下步骤：

通过有限元软件对模具在连续工作条件下的应力场进行热力耦合仿真分析，将应力场中的等压力线进行划分，结合热锻工艺要求，确定模芯的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层的厚度；

确定基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层选用的材料以及各自采用的加工工艺；

根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯。

具体地，所述根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯的步骤具体包括：

制造模芯的基体并进行热处理以及表面处理

在基体表面堆焊形成支撑层；

采用粉末等离子喷焊的方法在支撑层表面形成强化隔热层；

在强化隔热层表面采用粉末冶金的方法，烧结制成自润滑层以获得模芯毛坯；

对模芯毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。

具体地，应力场中的等压力线按50-100MPa划分，确定支撑层的层厚为8mm，强化隔热层的层厚为3mm，自润滑层层厚为3mm。

通过表面覆层技术以及基于温度梯度设计制造的热锻模，在具有冲击性载荷的热锻设备作用下效果欠佳，其模具寿命难以有效延长。而本实施例中，对基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层进行合理设计与划分，避免或减少润滑剂的使用,提高了本热锻模的使用寿命，改善了锻造生产对环境的破坏。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，其特征在于，所述模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，

所述基体采用H11钢或H13钢制成；

所述支撑层采用奥氏体耐热钢制成，所述支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；

所述强化隔热层采用金属陶瓷材料制成，所述强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；

所述自润滑层为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。

2.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述粘接相为Ni、Mo和Al的混合物，所述硬质相为Cr₂O₃，所述润滑相为CaF₂和BaF₂的混合物。

3.如权利要求2所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述粘接相的质量百分比为60-75%，硬质相的质量百分比为15-20%，润滑相的质量百分比为5-25%。

4.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述奥氏体耐热钢为Crl7Nil2Mo2或0Crl8Nil0Ti。

5.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述金属陶瓷材料为自熔合金粉末和WC、CrC或Al₃O₂三者中一种。

6.如权利要求5所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述自熔合金粉末为钴基或者镍基的自熔合金粉末。

7.如权利要求5所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述金属陶瓷材料中WC、CrC或Al₃O₂的质量百分比为10%-35%。

8.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述支撑层层厚为4-12mm；所述强化隔热层层厚为2-4mm；所述自润滑层层厚为2-4mm。

9.一种基于权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过有限元软件对模具在连续工作条件下的应力场进行热力耦合仿真分析，将应力场中的等压力线进行划分，结合热锻工艺要求，确定模芯的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层的厚度；

确定基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层选用的材料以及各自采用的加工工艺；

根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯。

10.如权利要求9所述的自润滑异质材料复合结构热锻模的制备方法，其特征在于，所述根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯的步骤具体包括：

制造模芯的基体并进行热处理以及表面处理

在基体表面堆焊形成支撑层；

采用等离子粉末喷焊方法在支撑层表面形成强化隔热层；

在强化隔热层表面采用粉末冶金的方法，烧结制成自润滑层以获得模芯毛坯；

对模芯毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。