CN107520446B - 高温仿生自润滑热作模具材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温仿生自润滑热作模具材料，包括基体骨架和固体润滑材料，基体骨架为合金粉末通过快速成形技术制备而成的具有分布规律的微孔结构的金属骨架，金属骨架内的微孔之间相互连接贯通，固体润滑材料储存在金属骨架的内部微孔中以在模具工作时析出起到润滑减摩作用。本发明提出的高温仿生自润滑热作模具材料，解决了润滑剂与基体浸润性能差，润滑剂与基体界面结合强度低以及烧结过程固体润滑剂烧损不足，基体胞孔形状与分布难以控制，导致微孔连通性存在缺陷及材料强度随机性的问题。

Description

高温仿生自润滑热作模具材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热作模具材料技术领域，尤其涉及一种高温仿生自润滑热作模具材料及其制备方法。
背景技术
模具在服役过程中，由于待成形金属的变形流动，在模具表面产生激烈的摩擦，使得模具表层材料磨损，模具的加工外形及粗糙度发生变化，从而造成被加工零件的形状、尺寸和表面质量不符合要求，此时模具则失效。而润滑是减少摩擦降低模具磨损的最为有效的措施。
尤其热作模具在工作时，与热态金属相接触，会引起模腔表层金属受热，模腔表层金属产生热磨损与热疲劳(龟裂)这两方面的问题。通常采用的润滑剂是液态高温润滑油脂。在高温高压的工作条件下，最初加注的液态油脂成分首先蒸发，仅仅残留固体成分起到润滑作用，其粘性会随温度的升高呈指数下降，承载性能变差。模具的摩擦部位直接与坯料直接接触，会使模具的磨损情况加重，不足以维持模具长时间的良好润滑，故短期内需要再次加注高温润滑脂，这导致液态高温润滑脂的利用率低，工件的生产成本及对模具的维护成本增加。在此极端环境下，普通的液态润滑油、润滑脂已不能适用成形工艺的要求。同时，挥发的润滑脂被人体吸入后易引起头晕、恶心等不适，且润滑脂对水体、土壤和大气造成污染，它的使用严重的影响了环境保护与社会的可持续发展。
相对液态润滑剂而言，固态润滑剂具有承载能力高、高温化学稳定性好等优点，具有良好的润滑性能；同时不易挥发，污染小，利用率高。高温自润滑材料是一种新的固态润滑材料，理想高温固体自润滑材料的组元应包括高温抗氧化和高强度基体、耐磨相和固体润滑剂，利用热力耦合作用驱动基体材料中的润滑剂向摩擦表面析出并扩散。高温自润滑模具材料适应了建设资源节约型、环境保护型社会的需求，促进社会可持续发展。因此，如何采用新技术方法将固体润滑剂与模具结合，制备高温自润滑热作模具材料将成为零部件高温成形工程上的研究热点。
高温自润滑材料的制备主要包括利用各种制膜技术、混元法。通过制膜技术制作出的涂层和覆膜使用寿命短，工业上的使用受到限制。混元法是直接将固体润滑剂粉末添加到基体材料中，通过热压、烧结、熔炼等技术制备成整体复合材料。然而，在高温烧结过程中，固体润滑剂容易烧损，影响材料的润滑特性，会直接导致材料的强度、韧性以及耐磨性的降低。现有技术混元法则存在基体胞孔形状与分布难以控制，甚至形成局部堵塞的问题，造成自润滑效果减弱。同时，也造成基体承载能力存在随机性等缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高温仿生自润滑热作模具材料及其制备方法，旨在解决润滑剂与基体浸润性能差，润滑剂与基体界面结合强度低以及烧结过程固体润滑剂烧损不足，基体胞孔形状与分布难以控制，导致微孔连通性存在缺陷及材料强度随机性的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种高温仿生自润滑热作模具材料，包括基体骨架和固体润滑材料，所述基体骨架为合金粉末通过快速成形技术制备而成的具有分布规律的微孔结构的金属骨架，金属骨架内的微孔之间相互连接贯通，固体润滑材料储存在金属骨架的内部微孔中以在模具工作时析出起到润滑减摩作用。
优选地，所述快速成形技术包括激光直接烧结技术、激光选区烧结技术和激光选区熔化技术。
优选地，所述基体骨架采用Co-Cr合金、H13钢、GH2135、5CrMnMo或5CrNiMo合金粉末制成。
优选地，所述固体润滑材料为BaF2-CaF2玻璃态润滑体系或MoS2-石墨-Cr润滑体系，BaF2-CaF2玻璃态润滑体系中BaF2的质量分数为60%~70%，CaF2的质量分数是30%~40%；MoS2-石墨-Cr润滑体系中MoS2质量分数为50%~55%、石墨质量分数25%~30%、Cr质量分数为15%~20%。
优选地，当高温仿生自润滑热作模具材料用于冲头时，根据冲头的金属骨架孔隙率在其长度方向上至少分为三个区域，冲头靠近凹模一侧由近至远的三个区域的孔隙率按高、低、高分布。
优选地，当高温仿生自润滑热作模具材料用于凹模时，根据凹模的金属骨架孔隙率将其至少分为三个区域，凹模与冲头接触一侧由近至远的三个区域的孔隙率按高、低、高分布。
本发明进一步提出一种基于上述的高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法，包括以下步骤：
根据所要制备的金属骨架的形状和尺寸，在三维实体模型按孔隙率进行切层处理，得到二维切片层；
将二维切片层的数据导入快速成型机中，使混合均匀后金属粉末制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架；
将制备好的金属骨架用夹具固定，装入放有固体润滑材料的熔渗装置中进行真空熔渗处理。
优选地，将二维切片层的数据导入快速成型机中，使混合均匀后金属粉末制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架的步骤中，根据凹模与冲头孔隙率的不同，依次成型多个区域。
优选地，当润滑剂使用完，对金属骨架进行再次真空熔渗处理以将固体润滑材料渗入骨架内。
本发明提出的高温仿生自润滑热作模具材料，因金属材料与模具表面产生激烈的热力耦合作用，使润滑体通过微孔析出模具表面并吸附在上面，从而实现极端工况下模具的自补偿减摩抗磨性。本高温仿生自润滑热作模具材料制备的利用率高，基体微孔结构规则有序，在材料结构的制备上更接近汗腺结构，润滑油的析出原理符合人体发汗原理，从而使该材料表现出高的比刚度、比强度、耐磨性和接触稳定性。另外，本高温仿生自润滑热作模具材料基于快速成形技术制备出基体骨架，不通过烧结而成，克服了传统粉末冶金混元法润滑剂与基体浸润性能差，界面结合强度低，烧结过程固体润滑剂烧损等不足的问题，同时还克服了粉末冶金化学造孔而形成的基体胞孔分布随机而导致的基体承载能力的随机性等缺点。
附图说明
图1为本发明高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法在具体一实施例中设计的基体骨架一单元的结构示意图；
图2为本发明高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法在具体一实施例中设计基体孔隙率分布示意图；
图3为本发明高温仿生自润滑热作模具材料在的制备方法具体一实施例中设计冲头的结构示意图；
图4为本发明高温仿生自润滑热作模具材料在的制备方法具体一实施例中设计冲头的内部微孔排列放大示意图；
图5为本发明高温仿生自润滑热作模具材料在的制备方法具体一实施例中设计冲头的边缘放大示意图；
图6为本发明高温仿生自润滑热作模具材料在的制备方法具体一实施例中设计凹模的立体结构示意图；
图7为本发明高温仿生自润滑热作模具材料在的制备方法具体一实施例中设计凹模的剖面结构示意图；
图8为本发明高温仿生自润滑热作模具材料在的制备方法具体一实施例中设计凹模的俯视结构示意图。
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。
本发明提出一种高温仿生自润滑热作模具材料。
本优选实施例中，一种高温仿生自润滑热作模具材料，包括基体骨架和固体润滑材料，基体骨架为合金粉末通过快速成形技术制备而成的具有分布规律的微孔结构的金属骨架，金属骨架内的微孔之间相互连接贯通，固体润滑材料储存在金属骨架的内部微孔中以在模具工作时析出起到润滑减摩作用。
具体地，快速成形技术包括激光直接烧结技术（DMLS， Direct Matal LaserSintering）、激光选区烧结技术（SLS， Selective laser sintering）和激光选区熔化技术(SLM，Selective laser melting）。DMLS通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型。SLM技术是利用金属粉末在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却凝固而层层累积成型出三维实体的一种技术。金属骨架的制备需考虑其力学特性，并考虑其经济性。
基体骨架采用Co-Cr合金（质量分数配比一般为：Co 60%~65%、Cr 25%~30%、Mo4%~7%、Ti 1%~2%、Fe 3%）、H13钢、GH2135、5CrMnMo或5CrNiMo合金粉末制成。上述均为热作模具钢材料，具有耐热、耐蚀、耐磨、耐冲击的综合性能，且成形多孔结构的金属件仍具有良好的耐腐性、耐磨性及机械性能。
固体润滑材料为BaF2-CaF2玻璃态润滑体系或MoS2-石墨-Cr润滑体系，BaF2-CaF2玻璃态润滑体系中BaF2的质量分数为60%~70%，CaF2的质量分数是30%~40%；MoS2-石墨-Cr润滑体系中MoS2质量分数为50%~55%、石墨质量分数25%~30%、Cr质量分数为15%~20%。BaF2-CaF2润滑体系，能实现在高于400℃热作模具的润滑。石墨和二硫化钼都具有层状结构，因此，层与层之间容易滑动，容易产生润滑层。MoS2在热压过程中大部分分解，Cr与S形成的化合物是一种很好的高温润滑剂；Mo和石墨生成Mo2C以及WC都是硬质相，起到了强化基体的作用。
具体地，当高温仿生自润滑热作模具材料用于冲头时，根据冲头的金属骨架孔隙率在其长度方向上至少分为三个区域，冲头靠近凹模一侧由近至远的三个区域的孔隙率按高、低、高分布。当高温仿生自润滑热作模具材料用于凹模时，根据凹模的金属骨架孔隙率将其至少分为三个区域，凹模与冲头接触一侧由近至远的三个区域的孔隙率按高、低、高分布。文中举例分为三个区域，当分三个以上区域时，孔隙率的分布遵循由中部向两边递增的规律，如图2。
冲头和凹模设计三个区域其设计思路为：为了在模具使用寿命内储存足够的固体润滑材料，第一区域所取的微孔尺寸较大；第二区域选取微孔的尺寸减小，在固体润滑材料能够流通的前提下，保证了模具应具有的强度；第三区域选取的微孔尺寸再次增大，为了利于在摩擦和热应力的作用下固体润滑材料的析出，以提供足够的润滑剂吸附在摩擦表面，起到润滑减摩的作用。当润滑剂使用完，而金属骨架的强度、尺寸仍够生产使用，可考虑再次对基体骨架进行真空熔渗，将固体润滑材料渗入金属骨架内，继续参与生产过程中。
本高温仿生自润滑热作模具材料的方法步骤为：
1、设计 CAD模型stl切片：根据所要制备的金属多孔材料中框架的形状和尺寸，三维实体模型进行切层处理，得到二维切片层 ；
2、选取金属粉末混合：选取上述Co-Cr合金、H13钢、5CrMnMo、5CrNiMo等合金粉末之一，按照比例配制后，在混粉机中进行球磨混合，获得均匀的混合粉末；
3、采用快速成形方法制备基体骨架：将步骤（1）中二维切片层的数据导入快速成型机中。制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架；
4、真空熔渗：通过真空无压、加压或两者复合熔渗工艺。将步骤（2）中制备好的金属骨架用夹具固定，装入放有固体润滑材料的熔渗装置中，抽真空后加热至预定温度，开始熔渗，使润滑剂渗入基体骨架的空隙中。
本高温仿生自润滑热作模具材料的工作原理是：热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，模具在服役过程中，金属材料与模具表面产生激烈的热力耦合作用，使摩擦温度场温度上升，储存在具有规律微孔的基体骨架中的固体润滑材料，在热应力驱动作用下到达摩擦表面，敷在摩擦表面从而起到润滑作用，摩擦副在相对较低摩擦系数下运行，摩擦温度场也会降低。当润滑膜遭到破坏时，摩擦系数上升，也会导致摩擦温度场温度上升，促使固体润滑材料通过贯通的微孔向摩擦表面移动，摩擦系数重新降低，从而实现其高温自补偿润滑和耐磨功能。
本发明提出的高温仿生自润滑热作模具材料，因金属材料与模具表面产生激烈的热力耦合作用，使润滑体通过微孔析出模具表面并吸附在上面，从而实现极端工况下模具的自补偿减摩抗磨性。本高温仿生自润滑热作模具材料制备的利用率高，基体微孔结构规则有序，在材料结构的制备上更接近汗腺结构，润滑油的析出原理符合人体发汗原理，从而使该材料表现出高的比刚度、比强度、耐磨性和接触稳定性。另外，本高温仿生自润滑热作模具材料基于快速成形技术制备出基体骨架，不通过烧结而成，克服了传统粉末冶金混元法润滑剂与基体浸润性能差，界面结合强度低，烧结过程固体润滑剂烧损等不足的问题，同时还克服了粉末冶金化学造孔而形成的基体胞孔分布随机而导致的基体承载能力的随机性等缺点。
本发明进一步提出一种高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法。
参照图1至图8，本优选实施例中，一种基于上述的高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法，包括以下步骤：
根据所要制备的金属骨架的形状和尺寸，在三维实体模型按孔隙率进行切层处理，得到二维切片层；
将二维切片层的数据导入快速成型机中，使混合均匀后金属粉末制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架；
将制备好的金属骨架用夹具固定，装入放有固体润滑材料的熔渗装置中进行真空熔渗处理。
具体地，将二维切片层的数据导入快速成型机中，使混合均匀后金属粉末制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架的步骤中，根据凹模与冲头孔隙率的不同，依次成型多个区域。
当润滑剂使用完，对金属骨架进行再次真空熔渗处理以将固体润滑材料渗入骨架内，从而继续参与生产过程中。再次响应了建设资源节约型、环境保护型社会的需求，促进社会可持续发展。
当制作冲头时，其具体过程如下。
（1）为了有足够的空间储存润滑成分，且在模具工作的时候易于析出润滑成分，需调整微孔的尺寸和分布。针对冲头所设计出的结构分为孔隙度大小不同的三个区域，第一区域（对应图3中A处）微孔边长为20μm（微孔边长为图1中a），第二区域（对应图3中B处）微孔边长为10μm，第三区域（对应图3中C处）微孔边长为20μm，边直径为6μm（边直径为图1中b）。冲头尺寸如图3，冲头总长55mm，三个区域尺寸分别为15mm、30mm、10mm。冲头微孔结构如图4和图5所示，设计该结构孔隙结构，因为该结构相对于其他结构形状均匀、孔隙率较小，抗压强度和变形量都比较小，应力应变分布相对均匀，不容易产生局部缺陷。利用三维造型软件设计零件的三维实体模型，并对三维实体模型进行切片分层处理，得到二维切片层；
（2）采用Co-Cr合金粉末制备基体骨架，其具有耐热、耐蚀、耐磨、耐冲击的综合性能。将步骤（1）中所述二维切片层的数据导入SLM快速成型机中，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径。铺粉装置先把Co-Cr合金粉末材料平推到成型缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的粉末，加工出一层，然后成型缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的层上铺好金属粉末。设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到制备成步骤（1）中的多孔基体骨架；
（3）通过真空加压熔渗工艺。将步骤（2）中制备好的金属骨架用夹具固定，装入放有以BaF2-CaF2润滑体系为固体润滑材料的熔渗装置中，BaF2的比例为60%~70%，抽真空后加热至预定温度，开始熔渗，润滑剂即可渗入基体骨架的空隙中；
（4）基于快速成形技术的高温仿生自润滑冲头，将运用到热作模具上，通过镶嵌固定的方式，作为关键部位使用；
（5）当润滑剂使用完，而基体骨架的强度、尺寸仍够生产使用，可考虑再次对基体骨架进行真空熔渗，将固体润滑材料渗入骨架内，继续参与生产过程中。再次响应了建设资源节约型、环境保护型社会的需求，促进社会可持续发展。
当制作凹模时，其具体过程如下。
（1）如图6的凹模所设计出的结构分为孔隙度大小不同的三部分，按孔隙度的三个区域具体划分如图7和图8所示。第一区域（对应图7中A处）微孔边长为30μm，第二区域（对应图7中B处）微孔边长为20μm，第三区域（对应图7中C处）微孔边长为30μm，边直径均为8μm。利用三维造型软件设计零件的三维实体模型，并对三维实体模型进行切片分层处理，得到二维切片层；
（2）采用H13钢合金粉末（质量分数配比一般为：C 0.4%、Si 1%、Mn 42%、Cr 5.2%、Mo 1.42%、V 1%、P 0.015%、S 0.015%）制备基体骨架，其具有高的抗冲击能力和高淬透性。使用SLS技术，采用铺粉棍将一层H13钢合金粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至制备成步骤（1）中的基体骨架；
（3）通过真空加压熔渗工艺。将步骤（2）中制备好的金属骨架用夹具固定，装入放有以MoS2-石墨-Cr润滑体系的固体润滑材料的熔渗装置中，MoS2-石墨-Cr润滑体系中MoS2的比例为50%~55%、石墨比例为25%~30%、Cr比例为15%~20%。抽真空后加热至预定温度，开始熔渗，润滑剂即可渗入基体骨架的空隙中；
（4）基于快速成形技术的高温仿生自润滑凹模，将运用到热作模具上，通过螺母、定位销固定，作为关键部位使用；
（5）当润滑剂使用完，而基体骨架的强度、尺寸仍够生产使用，可考虑再次对基体骨架进行真空熔渗，将固体润滑材料渗入骨架内，继续参与生产过程中。再次响应了建设资源节约型、环境保护型社会的需求，促进社会可持续发展。
本发明提出的高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法，制造出来的基体微孔结构规则有序，在材料结构的制备上更接近汗腺结构，润滑油的析出原理符合人体发汗原理，且可考虑润滑材料耗尽，再次对基体骨架进行真空熔渗，从而实现极端工况下热作模具的自补偿减摩抗磨性。
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 (6)

1.一种高温仿生自润滑热作模具材料，其特征在于，包括基体骨架和固体润滑材料，所述基体骨架为合金粉末通过快速成形技术制备而成的微孔结构的金属骨架，金属骨架内的微孔之间相互连接贯通，固体润滑材料储存在金属骨架的内部微孔中以在模具工作时析出起到润滑减摩作用；所述基体骨架采用Co-Cr合金、H13钢、GH2135、5CrMnMo或5CrNiMo合金粉末制成；当高温仿生自润滑热作模具材料用于冲头时，根据冲头的金属骨架孔隙率在其长度方向上至少分为三个区域，冲头靠近凹模一侧由近至远的三个区域的孔隙率按高、低、高分布；当高温仿生自润滑热作模具材料用于凹模时，根据凹模的金属骨架孔隙率将其至少分为三个区域，凹模与冲头接触一侧由近至远的三个区域的孔隙率按高、低、高分布，所述固体润滑材料为BaF2-CaF2玻璃态润滑体系或MoS2-石墨-Cr润滑体系。
2.如权利要求1所述的高温仿生自润滑热作模具材料，其特征在于，所述快速成形技术包括激光直接烧结技术、激光选区烧结技术和激光选区熔化技术。
3.如权利要求1所述的高温仿生自润滑热作模具材料，其特征在于，BaF2-CaF2玻璃态润滑体系中BaF2的质量分数为60%~70%，CaF2的质量分数是30%~40%；MoS2-石墨-Cr润滑体系中MoS2质量分数为50%~55%、石墨质量分数25%~30%、Cr质量分数为15%~20%。
4.一种基于权利要求1所述的高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据所要制备的金属骨架的形状和尺寸，在三维实体模型按孔隙率进行切层处理，得到二维切片层；
将二维切片层的数据导入快速成型机中，使混合均匀后金属粉末制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架；
将制备好的金属骨架用夹具固定，装入放有固体润滑材料的熔渗装置中进行真空熔渗处理。
5.如权利要求4所述的高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，将二维切片层的数据导入快速成型机中，使混合均匀后金属粉末制备出具有分布规律的微孔结构的金属骨架的步骤中，根据凹模与冲头孔隙率的不同，依次成型多个区域。
6.如权利要求4所述的高温仿生自润滑热作模具材料的制备方法，其特征在于，当润滑剂使用完，对金属骨架进行再次真空熔渗处理以将固体润滑材料渗入骨架内。
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