CN107116138B - 用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具及其制备方法 - Google Patents

用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，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，基体采用热作模具钢制成；支撑层为奥氏体耐热钢或不锈钢焊条，支撑层堆焊在基体之上；强化隔热层采用碳化钨或碳化铬粉末和自熔合金粉末混合制备的金属基陶瓷材料制成，强化隔热层利用粉末等离子喷焊技术堆焊在支承层之上；自润滑层的材料为润滑相、粘接相以及硬质相的混合物，自润滑层以粉末冶金烧结的方法在强化隔热层上形成覆层。本发明提出的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，满足了高强钢板热冲压过程中对热冲压模具的性能要求。

Description

用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具及其制备方法
技术领域
本发明涉及冲压模具技术领域，尤其涉及一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具及其制备方法。
背景技术
随着汽车行业的飞速发展，能源短缺、环境污染等问题的加剧，汽车节能减排成为全球国家与众多汽车公司需要解决的重要课题。由于汽车能源消耗与车身重量息息相关，车身轻量化成为车身制造行业的关键技术。高强度钢成形性好、强度高以及碰撞能力优异，可以减少汽车车身的重量，提高车身安全性能。在汽车车身采用高强钢板，一方面保证汽车使用的安全性，另一方面尽量减少汽车车身的重量，以至于增加汽车的能量使用率，减少油耗和尾气排放。
高强钢板的固有力学性能决定其难以采用常温冲压工艺生产，必须使用热成形工艺进行加工，这使得高强钢板冲压模具的服役环境变得恶劣。高强钢板的高屈服应力，以及高强钢与冲压模具之间的剧烈摩擦磨损，降低了冲压模具的使用寿命。
目前在高强钢板冲压模具行业，一般采用表面强化技术来提高模具寿命，如PVD、CVD、TD及热喷涂等。传统的表面处理技术在一定程度上可以提高模具表面的综合性能，但在冲压模具表面获得的覆层通常较薄，在热冲压载荷作用下容易破坏其表面的完整性而产生粘着、咬合等失效，从而影响热冲压模具的使用。
同时，热冲压过程中使用的耐热型润滑剂，随着温度升高会变薄失效；润滑剂使用增加了零件的清理工序；润滑剂中的硫和氯会污染环境。以上原因影响汽车轻量化的可持续发展。
目前，固体自润滑材料是一种新的润滑解决方案，CN102825135A公开了一种具有自润滑涂层的铁素体不锈钢冲压模具，其提出了一种带有自润滑涂层的冲压模具。CN102389922A一种具有自润滑涂层的镍基超耐热合金冲压模具也提出了带有自润滑涂层的一种冲压模具。但上述两篇文献所述的模具结构涂层的选材，选用的是化学性能比较稳定的材料，主要针对模具在工作过程中的高温氧化问题，其不足之处主要有：（1）涂层比较薄，在高温重载的条件下容易破坏，影响其完整性而加速破坏；（2）采用喷涂工艺进行多种材料的连接，结合强度不够，导致涂层容易脱落；（3）基体材料采用大体积高温材料，难以合理利用材料。而且，针对广泛使用的高强钢板热冲压工艺过程的热力耦合冲击的问题，此种方案效果有限。
综上所述，高温工作环境、热冲压载荷以及润滑剂成为高强钢板热冲压模具使用过程中需要解决的重要问题，也是高强钢板车身制造的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具及其制备方法，旨在满足高强钢板热冲压过程中对模具的性能要求。
为实现上述目的，本发明提供一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，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，
所述基体采用热作模具钢制成；
所述支撑层为奥氏体耐热钢或不锈钢焊条，所述支撑层堆焊在基体之上；
所述强化隔热层采用碳化钨或碳化铬粉末和自熔合金粉末混合制备的金属基陶瓷材料制成，所述强化隔热层采用粉末等离子喷焊技术喷焊在支撑层之上；
所述自润滑层的材料为润滑相、粘接相以及硬质相的混合物，所述自润滑层以粉末冶金烧结的方法在强化隔热层上形成覆层。
优选地，所述热作模具钢为H10钢、H11钢或H13钢。
优选地，所述奥氏体耐热钢为0Cr23Ni13或0Cr25Ni20。
优选地，所述强化隔热层中碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为15-40%，自熔合金粉末的质量分数为60-85%。
优选地，所述润滑相为Ag2MoO4，所述粘接相为镍基合金，硬质相为Cr2O3。
优选地，所述自熔合金粉末为镍基或铁基自熔合金粉末。
优选地，所述强化隔热层中，润滑相的质量分数为10%-20%，粘接相的质量分数为60%-70%，硬质相的质量分数为10%-30%。
优选地，所述支撑层厚度为4-12mm，所述强化隔热层厚度为4-8mm，所述自润滑层厚度为2-4mm。
本发明进一步提出一种基于上述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的制备方法，包括以下步骤：
根据具体的冲压件，按照现有技术设计出热冲压工艺与模具图；
利用有限元软件对高强钢板热冲压成形过程进行热力耦合有限元分析，获取热冲压模具的温度场和热应力场的分布情况；
根据热冲压模具的温度场和热应力场的分布情况及热冲压过程中的润滑工艺的需要，将其热冲压模具分为基体、支撑层、强化隔热层和自润滑层四部分，并确定每个部分的厚度；
根据确定出的每个部分的厚度加工热冲压模具。
优选地，所述根据确定出的每个部分的厚度加工热冲压模具的步骤具体包括：
制造凸模的基体并进行热处理；
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喷焊形成强化隔热层；
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具毛坯；
对模具毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。
本发明提出的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，针对模具不同部分对于材料性能的不同要求，合理的选择模具材料，从而使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势。其中：
（1）基体选取中高温下结构强度与耐冲击性好的热作模具钢；
（2）支撑层所受应力最大，是最容易发生粉碎性破坏的位置，性能要求既要韧性好强度高，又要具有一定的焊接性能，因此选用奥氏体耐热钢或不锈钢焊条。另外，支撑层采用堆焊的方法堆焊在基体之上，其覆层不仅能与基体良好结合，且较厚的堆焊覆层在高温下的强度也比较高，在高强钢板热冲压过程中对强化隔热层起到了支撑作用；
（3）强化隔热层选取具有隔热功能和耐磨性能的金属基陶瓷材料，采用粉末等离子喷焊技术喷焊在支撑层之上。碳化物的金属基陶瓷材料耐高温，高硬度，且高温下的抗磨损性能较好，能良好解决高强钢板热冲压过程中最常见的高温摩擦磨损失效问题；
（4）自润滑层的材料分为润滑相、粘接相和硬质相，润滑相起到润滑的作用，粘接相提高了自润滑层与强化隔热层之间的结合性，硬质相提高了自润滑层的硬度。
综上，本自润滑异质材料模具满足了高强钢板热冲压过程中模具的表面使用要求，同时避免了因现有技术中使用耐热型润滑剂产生的污染环境问题。使用本用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，符合了高强钢板热冲压过程中对模具的性能要求，解决了其高温工作环境、热冲压载荷以及润滑剂的问题，在降低成本和提高模具寿命的同时也保护了环境。
附图说明
图1为本发明用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具优选实施例的结构示意图。
图中，1-基体，2-支撑层，3-强化隔热层，4-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。
本发明提出一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具。
参照图1，本优选实施例中，一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，包括依次设置的基体1、支撑层2、强化隔热层3以及自润滑层4，其中，
基体1采用热作模具钢制成；
支撑层2为奥氏体耐热钢或不锈钢焊条，支撑层2堆焊在基体1之上；
强化隔热层3采用碳化钨或碳化铬粉末和自熔合金粉末混合制备的金属基陶瓷材料制成，强化隔热层3采用粉末等离子喷焊技术喷焊在支撑层之上；
自润滑层4的材料为润滑相、粘接相以及硬质相的混合物，自润滑层4以粉末冶金烧结的方法在强化隔热层3上形成覆层。
强化隔热层3中，润滑相的质量分数为10%-20%，粘接相的质量分数为60%-70%，硬质相的质量分数为10%-30%。支撑层2厚度为4-12mm，强化隔热层3厚度为4-8mm，自润滑层4厚度为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。
具体地，基体1的体积占模具总体积的90%-95%。热作模具钢为H10钢、H11钢或H13钢。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%）。其高温性能好，性价比高。
奥氏体耐热钢为0Cr23Ni13或0Cr25Ni20。0Cr23Ni13，其成分为：C（≤0.080%）、Ni（12.00%-15.00%）、Cr（22.00%-24.00%）、S（≤0.030%）、P（≤0.035%）、Si（≤1.000%）；0Cr25Ni20，其成分为：C（≤0.080%）、Ni（19.00%-22.00%）、Cr（24.00%-26.00%）、S（≤0.030%）、P（≤0.035%）、Si（≤1.000%）。奥氏体耐热钢有着优良的耐蚀性能，同时具有良好的高温力学性能，堆焊在基体1表面，该覆层高温结构强度好，对强化隔热层3起到了支撑作用。
强化隔热层3中碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为15-40%，自熔合金粉末的质量分数为60-85%。自熔合金粉末为镍基或铁基自熔合金粉末。其中，镍基自熔合金粉末的成分为：C（0.50%-1.10%）、B（3.00%-4.50%）、Si（3.50%-5.00%）、Cr（15.00%-20.00%）、Fe（≤5.00%）；铁基自熔合金粉末的成分为：C（0.30%-0.40%）、B（1.50%-1.60%）、Si（11.00%-12.00%）、Cr（12.00%-13.00%）、 Ti（1.00%-2.00%）、 Mo（0.70%-0.80%）。具体可根据模具的工作条件选取合适比例的粉末，一般模具表面工作温度越高，碳化物在表面强化层中的含量越高，使强化隔热层3具有高硬度、高耐磨性、耐高温等特点，可以起到隔绝部分热量，减小模具热应力增加表面耐磨性的效果。
自润滑层4中，10%-20%的润滑相为Ag2MoO4，60%-70%的粘接相为镍基合金（本实施例中采用80%Ni+15%Mo+5%Al），10%-30%的硬质相为Cr2O3。具体可根据实际情况，合理选择配比。其中Ag2MoO4作为润滑相，起到润滑的作用，镍基合金作为粘接相，提高了自润滑层4与强化隔热层3之间的结合性，Cr2O3作为硬质相，可提高自润滑层4的硬度。
本高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的具体实施例的制作过程如下：
1、根据给定材料、形状和尺寸的冲压件，根据现有技术和设备设计出冲压工艺和模具图；
2、用Deform有限元软件对高强钢板热冲压成型过程进行仿真分析，根据模具的热平衡确定模具平衡温度；再根据模具的平衡温度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；温度场中的等温线按100℃进行划分；
3、根据上一步的分析结果，综合温度与应力的影响，同时考虑热冲压过程中润滑工艺的需求，将模具为基体1、支撑层2、强化隔热层3和自润滑层4四个部分。模拟分析的结果是热冲压模的温度分布为200-600℃,用等温线将模具分为三个部分：200-250℃的区域为基体1;250-450℃的区域为支撑层2;450℃以上为强化隔热层3。根据热冲压过程润滑工艺的需要，模具表面设计自润滑层4。绘制出模具基体1、基体1叠加支撑层2、基体1叠加支撑层2和强化隔热层3及基体1叠加支撑层2、强化隔热层3层和自润滑层4的模具图；
4、根据温度场与应力场的模拟结果综合考虑，基体1选用H13钢,成分为：C（0.400%）、Si（1.000%）、Mn（0.350%）、Cr（5.000%）、Mo（1.500%）、V（1.000%）、S（0.020%）、P（0.020%）；支撑层2选用的材料为焊接性能较好的奥氏体耐热钢0Cr25Ni20，成分为：Ni（20.00%）、Cr（25.00%）、S（0.010%）、P（0.015%），堆焊在基体1上，厚度为8mm；强化隔热层3的材料采用65%镍基自熔合金粉末和35%碳化钨粉末混合制备而成的碳化物金属陶瓷材料，其中镍基自熔合金粉末的成分为：C（0.800%）、B（4.000%）、Si（4.500%）、Cr（18.00%）、Fe（4.000%），采用粉末等离子喷焊的方法叠加在支撑层2上，厚度为5mm；自润滑层4采用高温自润滑镍基含g2MoO4复合材料，其具体成分为：20%Ag2MoO4+60%镍基复合材料（80%Ni+15%Mo+5%Al）+20%Cr2O3，采用粉末冶金技术烧结在强化隔热层3上表面，厚度为3mm；
5、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，获得最终产品即具有多属性的自润滑异质材料热冲压模具。
本发明提出的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，针对模具不同部分对于材料性能的不同要求，合理的选择模具材料，从而使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势。其中：
（1）基体选取中高温下结构强度与耐冲击性好的热作模具钢；
（2）支撑层所受应力最大，是最容易发生粉碎性破坏的位置，性能要求既要韧性好强度高，又要具有一定的焊接性能，因此选用奥氏体耐热钢或不锈钢焊条。另外，支撑层采用堆焊的方法堆焊在基体之上，其覆层不仅能与基体良好结合，且较厚的堆焊覆层在高温下的强度也比较高，在高强钢板热冲压过程中对强化隔热层3起到了支撑作用；
（3）强化隔热层选取具有隔热功能和耐磨性能的金属基陶瓷材料，采用粉末等离子喷焊技术喷焊在支撑层之上。碳化物的金属基陶瓷材料耐高温，高硬度，且高温下的抗磨损性能较好，能良好解决高强钢板热冲压过程中最常见的高温摩擦磨损失效问题；
（4）自润滑层的材料为分为润滑相、粘接相和硬质相，润滑相起到润滑的作用，粘接相提高了自润滑层与强化隔热层之间的结合性，硬质相提高了自润滑层的硬度。
综上，本自润滑异质材料模具满足了高强钢板热冲压时模具的表面使用要求，同时避免了因现有技术中使用耐热型润滑油产生的污染环境问题。使用本用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，符合了高强钢板热冲压过程中对模具的性能要求，解决了其高温工作环境、热冲压载荷以及润滑剂的问题，在降低成本和提高模具寿命的同时也保护了环境。
本发明进一步提出一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的制备方法。
本发明提出一种基于上述用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10，根据具体的冲压件，按照现有技术设计出热冲压工艺与模具图；
步骤S20，利用有限元软件对高强钢板热冲压成形过程进行热力耦合有限元分析，获取热冲压模具的温度场和热应力场的分布情况；
步骤S30，根据温度场和热应力场的分布情况及热冲压过程中润滑工艺的需要，将其热冲压模具分为基体、支撑层、强化隔热层和自润滑层四部分，并确定每个部分的厚度；
步骤S40，根据确定出的每个部分的厚度加工热冲压模具。
步骤S30中，根据温度场和热应力场的分布情况及热冲压过程中润滑工艺的需要，将热冲压模分为四个部分：温度场中250℃以下的区域为基体，250—450℃之间的区域为支撑层，450℃以上为强化隔热层，模具表面为自润滑层。根据热力耦合计算及等效应力分区的结果及热冲压过程中润滑工艺的需要，将支撑层的厚度设计为4-12mm，强化隔热层的厚度为4-8mm，自润滑层厚度为2-4mm。绘制出模具基体、基体叠加支撑层、基体叠加支撑层和强化隔热层及基体叠加支撑层、强化隔热层和自润滑层的模具图。
本实施例中，步骤S40具体包括：
制造凸模的基体并进行热处理；
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喷焊形成强化隔热层；
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具毛坯；
对模具毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。
本发明提出的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的制备方法，通过有限元分析软件对具体的高强钢板热冲压工艺过程进行仿真分析，求解其温度场和热应力场的分布情况；其次根据温度场与应力场的分析结果综合考虑，选取各层的材料和层厚，并绘制工程图；最后制备的模具不仅满足其工作时的性能要求，而且降低了制造成本。
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)

1.一种用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，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，
所述基体采用热作模具钢制成；
所述支撑层为奥氏体耐热钢制成，所述支撑层堆焊在基体之上；
所述强化隔热层采用碳化钨或碳化铬粉末和自熔合金粉末混合制备的金属基陶瓷材料制成，所述强化隔热层利用粉末等离子喷焊技术喷焊在支撑层之上；
所述自润滑层的材料为润滑相、粘接相以及硬质相的混合物，所述自润滑层以粉末冶金烧结的方法在强化隔热层上形成覆层。
2.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述热作模具钢为H10钢、H11钢或H13钢。
3.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述奥氏体耐热钢为0Cr23Ni13或0Cr25Ni20。
4.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述强化隔热层中碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为15-40%，自熔合金粉末的质量分数为60-85%。
5.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述润滑相为Ag2MoO4，所述粘接相为镍基合金，硬质相为Cr2O3。
6.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述自熔合金粉末为镍基或铁基自熔合金粉末。
7.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述自润滑层中，润滑相的质量分数为10%-20%，粘接相的质量分数为60%-70%，硬质相的质量分数为10%-30%。
8.如权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具，其特征在于，所述支撑层厚度为4-12mm，所述强化隔热层厚度为4-8mm，所述自润滑层厚度为2-4mm。
9.一种基于权利要求1所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据具体的冲压件，按照现有技术设计出热冲压工艺与模具图；
利用有限元软件对高强钢板热冲压成形过程进行热力耦合有限元分析，获取热冲压模具的温度场和热应力场的分布情况；
根据热冲压模具的温度场和热应力场的分布情况及热冲压过程中的润滑工艺的需要，将其热冲压模具分为基体、支撑层、强化隔热层和自润滑层四部分，并确定每个部分的厚度；
根据确定出的每个部分的厚度加工热冲压模具。
10.如权利要求9所述的用于高强钢板热冲压的自润滑异质材料模具的制备方法，其特征在于，所述根据确定出的每个部分的厚度加工热冲压模具的步骤具体包括：
制造凸模的基体并进行热处理；
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喷焊形成强化隔热层；
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具毛坯；
对模具毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。
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