CN108746375B - 一种基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，包括如下步骤：a、在普通锻钢或铸钢基体上加工出随形冷却水道的下半部分形状；b、将与随形冷却水道形状相对应的铝合金管道压入步骤a所述的下半部分形状处；c、在所述基体和铝合金管道表面上进行过渡层的电弧增材制造；d、将电弧增材完毕后的模具镶块进行高温回火，同时熔化铝合金管道形成随形冷却水道；f、在机加工后的过渡层表面上激光熔覆耐高温磨损的强化层；g、对镶块表面强化层进行机械加工，使其满足模具型腔表面形状和尺寸精度要求。本发明方法解决了随形冷却水道难以加工的问题，延长了模具的寿命，提高了模具的冷却效率，降低了模具制造成本。
Description
技术领域
本发明属于模具制备领域，具体涉及一种基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法。
背景技术
超高强度钢板以其质量轻、强度高等特点广泛应用于汽车车身，并已成为减轻车身重量和提高车身碰撞强度及安全性能的重要途径。超高强度钢板需要通过热冲压成形技术得到，而热冲压模具又是热冲压成形技术的核心，因此有关热冲压模具性能的研究是十分必要的。热冲压模具作为一种新兴的热作模具，不同于传统的冲压模具，它在成形板料的同时，还需要对板料进行淬火，因此需要在热冲压模具内增设冷却水道以提高模具的冷却能力。同时热冲压模具由于在高温下长期服役，需要承受更大的交替热应力，更容易产生裂纹或者热疲劳失效问题，使用寿命短，且制造成本高。
针对热冲压模具的失效形式，目前多采用堆焊的方法对失效模具表面进行修复，其中堆焊方式又以电弧堆焊为主。电弧堆焊技术具有设备简单、易操作以及效率高的特点且成本不高，但是电弧堆焊由于每次堆焊厚度较大约为20mm，很难控制精度且浪费材料，后期机加量大，同时工件容易出现变形。激光熔覆作为一种新型的表面处理技术，该技术将激光熔覆表面强化技术和快速原型制造技术相结合，其熔覆材料的厚度仅为堆焊的十分之一，可以节省材料同时较好地控制精度，且激光熔覆层的晶粒细小，组织致密，具有良好的力学性能，可以延长模具的使用寿命。但是激光熔覆效率较低，成本较高，且熔覆厚度不宜太大，太大容易出现气孔和裂纹，从而易出现开裂的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，解决现有方法制备的热冲压模具镶块存在冷却效率低、使用寿命短且随形冷却水道难以加工的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，包括如下步骤：
a、在普通锻钢或铸钢基体上加工出随形冷却水道的下半部分形状；
b、将与随形冷却水道形状相对应的铝合金管道压入步骤a所述的下半部分形状处；
c、在所述基体和铝合金管道表面上进行过渡层的电弧增材制造；
d、将电弧增材完毕后的模具镶块进行高温回火，同时熔化铝合金管道形成随形冷却水道；
f、在机加工后的过渡层表面上激光熔覆耐高温磨损的强化层；
g、对镶块表面强化层进行机械加工，使其满足模具型腔表面形状和尺寸精度要求。
本发明通过在镶块基体上预先设置与随形冷却水道形状相适应的铝合金管道，再在镶块基体和铝合金管道上电弧增材过渡层，然后将铝合金管道在高温回火的过程中熔化，之后在过渡层上激光熔覆强化层，这样既便于随形冷却水道的加工，提高模具工作表面的冷却均匀性，而且由于过渡层和强化层的设置，可降低模具工作表面与冷却水道顶部的距离，有效提高了模具的冷却效率，还延长了模具的使用寿命。
在上述步骤a中，普通锻钢或铸钢可以为45#锻钢或45#铸钢。在上述步骤b中，铝合金管道熔点的温度应低于高温回火温度，如高温回火温度为500~650℃，则可选择熔点为475℃的7075-T651系列铝合金作为铝合金管道材料，其中铝合金管道也可以用铝棒代替。
作为优选，所述过渡层电弧增材至模具工作型腔表面下0~1mm。过渡层可选择热传导效率高、强度韧性处于基体和强化层之间的材料。
作为优选，所述强化层激光熔覆至模具工作型腔表面上0.1~0.5mm。强化层可选择强硬度和韧性好的材料，为耐高温和耐磨性能层，在热冲压成形模具工作中起主要作用。
作为优选，经高温回火后，再将过渡层加工至距离模具工作型腔表面下1~2mm。
作为优化，所述随形冷却水道的横截面为圆形、椭圆形或矩形。随形冷却水道可根据实际需要选择不同的形状，其横截面可以为为圆形、椭圆形或矩形的形状，也可以为其他形状。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明通过在基体上预先设置与随形冷却水道形状相适应的管道，再依次电弧增材过渡层、激光熔覆强化层，解决了随形冷却水道难以加工的问题，该方法加工的随形冷却水道可提高模具工作表面的冷却均匀性，而且由于过渡层和强化层的设置，可降低模具工作表面与冷却水道顶部的距离，从而使本发明方法制备的模具镶块冷却效率大大提高。
（2）本发明通过依次设置过渡层和强化层，提高了模具镶块工作区域的耐高温磨损、抗热疲劳等能力，从而提高了模具寿命，而且与采用单一昂贵模具钢材料制备热冲压模具镶块相比，本发明可采用普通铸钢或锻钢作为模具镶块基体，降低了模具制造成本。
（3）本发明结合电弧增材和激光熔覆技术制备热冲压模具，与只采用电弧增材技术相比，节省了材料，减少了机加工量，并且提高了强化层的精度，同时还避免了激光熔覆厚度太大，容易出现涂层开裂的问题，从而提高了镶块基体的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例中已加工出随形冷却水道下半部分形状的模具镶块基体的结构示意图。
图2为在图1中模具镶块基体上安置与随形冷却水道形状相对应的铝合金管道的结构示意图。
图3为在图2中模具镶块基体和管道表面上电弧增材制造出过渡层的结构示意图。
图4为在图3中模具镶块的过渡层上激光熔覆强化层的结构示意图。
图中a为镶块基体，b为铝合金管，c为随形冷却水道，d为过渡层，e为强化层，f为模具工作型腔表面。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本实施例制备的热冲压成形模具为普通热冲压成形模具中的镶块，制备方法包括以下步骤：
1）模具镶块基体材料选用45#锻钢，对锻造毛坯进行机加工，加工出随形冷却水道的下半部分形状（如图1所示），同时在镶块型面留出增材制造余量8mm（该厚度为铝合金管道最高的外表面至模具工作型腔表面的厚度）。再对镶块基体进行调质处理，提高其综合力学性能。
2）将与随形冷却水道形状相适应的铝合金管道压入步骤1）所述的下半部分形状处（如图2所示），然后在镶块基体和铝合金管道上堆焊铜合金材料，焊至模具工作表面下1mm。这样能有效连接基体层与强化层，降低焊材成本，以7075-T651系列铝合金作为铝合金管道材料。
3）对堆焊后的镶块表面进行高温回火处理，回火温度为600℃，缓冷至室温，消除残余应力，在高温回火的过程中铝合金管熔化。
4）高温回火后，对过渡层进行机械加工至模具工作型腔表面下2mm，因此过渡层最小厚度为6mm（如图3所示）。在过渡层表面激光熔覆钴基合金材料（如图4所示），熔覆至模具工作表面上0.3mm。其中激光熔覆的工艺参数为：光斑直径Ø4mm，扫描速度5mm/s，激光功率2500W，送粉量15g/min，搭接系数0.5，该条件可有效避免熔覆层产生气孔和裂纹的问题，提高镶块的力学性能，还有利于过渡层与强化层的结合。
5）最后再对镶块表面强化层进行机械加工，使其各部分尺寸到位。
图4为本实施例制备的模具镶块的结构示意图，本实施例中随形冷却水道的横截面为圆形。本实施例中，加工出的随形冷却水道的下半部分形状为随形冷却水道形状的一半，实际制备中，也可以小于随形冷却水道形状的一半。
本实施例制备的模具镶块在显微镜下观察，熔覆层质量良好，无气孔、裂纹等缺陷。同时利用维式硬度计对熔覆层硬度进行测量，检测出熔覆层表面硬度可达805.2HV，明显高于常用的热冲压模具制造的H13钢表面硬度（502.0HV）。对熔覆层进行高温摩擦磨损试验，试验力为180N，往复频率为2HZ，试验时间为180min，测得磨损量为10mg，而同样的试验条件下，常用于热冲压模具制造的H13钢的磨损量为15mg。可见本发明方法制备的热冲压模具镶块的硬度、高温耐磨性和热疲劳性都有了大幅度提高，且无裂纹、夹杂等缺陷，熔覆层与基体结合良好。
本发明制备的模具镶块经实际应用测试，冷却效率提高了20%，同时本发明基体材料采用便宜的ZG45铸钢或铸钢，使成本降低了约20%，同时熔覆层合金材料良好的高温性能以及梯度功能结构的采用使得模具寿命提高了2倍以上，由此使模具总的制造成本降低50%左右。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (5)
1.一种基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、在普通锻钢或铸钢基体上加工出随形冷却水道的下半部分形状；
b、将与随形冷却水道形状相对应的铝合金管道压入步骤a所述的下半部分形状处；
c、在所述基体和铝合金管道表面上进行过渡层的电弧增材制造；
d、将电弧增材完毕后的模具镶块进行高温回火，同时熔化铝合金管道形成随形冷却水道；
f、在机加工后的过渡层表面上激光熔覆耐高温磨损的强化层；
g、对镶块表面强化层进行机械加工，使其满足模具型腔表面形状和尺寸精度要求。
2.根据权利要求1所述的基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，其特征在于，所述过渡层电弧增材至模具工作型腔表面下0~1mm。
3.根据权利要求2所述的基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，其特征在于，经高温回火后，再将过渡层加工至距离模具型腔表面下1~2mm。
4.根据权利要求1所述的基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，其特征在于，所述强化层激光熔覆至模具工作型腔表面上0.1~0.5mm。
5.根据权利要求1基于电弧增材与激光熔覆制备热冲压模具镶块的方法，其特征在于，所述随形冷却水道的横截面为圆形、椭圆形或矩形。
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