CN108817117B - 多区域异质材料复合结构温热挤压模及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多区域异质材料复合结构温热挤压模，在模具轴向的方向上，将模具分为截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域，其中，截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域均为合金粉末通过增材制造技术制备而成；截面积不变区域用热作模具钢粉末通过增材制造技术制成；截面积减小圆角过渡区域采用碳化钨或碳化铬和自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。本发明提出的多区域异质材料复合结构温热挤压模，可提高模具的综合性能和使用寿命，并合理利用材料。

Description

多区域异质材料复合结构温热挤压模及其制备方法
技术领域
本发明涉及挤压模具技术领域，尤其涉及一种多区域异质材料复合结构温热挤压模及其制备方法。
背景技术
随着汽车工业的迅猛发展和国际市场竞争的日益激烈，高性能、高精度、低成本以及节能降耗的汽车零部件制造与成形技术已成为汽车工业发展的必然趋势，也是提高产品竞争力的最佳途径。冷挤压成形技术由于具有生产效率高、材料利用率高、成形零件尺寸精度高的优点，因而广泛应用于凸轮轴、齿轮轴等重要汽车轴类零部件的生产。冷挤压成形由于受到材料变形抗力和塑性的限制，变形程度有限，因此其应用受到一定的限制。温热挤压成形技术作为一种在冷挤压成形基础上发展起来的塑性成形新技术，具有冷挤压成形技术的优点，突破了冷挤压中零件形状、零件材料、需增加中间热处理工序及变形抗力的局限性，在国内外受到了越来越广泛的应用。
在温热挤压成形过程中，由于坯料和模具之间存在非常高的滑动速度和较高的温度交换，并且在模具圆角过渡处特别是模具横截面积大幅度减小的位置会产生非常大的正压力，导致模具失效而使模具寿命降低。通常温热挤压成形过程中的模具失效分为磨粒磨损、塑形变形和热机械疲劳三种。经研究表明，其中磨粒磨损和塑性变形是导致温热挤压模具在服役环境中失效的主要原因。
目前，对于如何提高温热挤压模具的寿命，研究人员提出了很多方法，如改进成形工艺、优化模具结构、选用先进的高温模具材料、以及对模具进行表面强化处理等，虽然在某些条件下达到了一定的效果，但还是具有不足之处，其主要体现在：(1)模具型腔由于受到工件形状与尺寸的限制，难以大幅度的对模具型腔尺寸和模具结构进行优化处理；(2)由于模具不同区域坯料和模具表面的作用力不一样导致模具不同位置磨损不均匀，局部区域磨损严重，模腔形状尺寸优化区域在磨损过程中得不到长久保持而导致优化失效；(3)大体积采用高温材料，不能合理利用材料而造成模具材料的浪费，难以发挥材料的性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多区域异质材料复合结构温热挤压模及其制备方法，旨在提高模具的综合性能和使用寿命，并合理利用材料。
为实现上述目的，本发明提供一种多区域异质材料复合结构温热挤压模，在模具轴向的方向上，将模具分为截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域，其中，
所述截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域均为合金粉末通过增材制造技术制备而成；
所述截面积不变区域用热作模具钢粉末通过增材制造技术制成；
所述截面积减小圆角过渡区域采用碳化钨或碳化铬和自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
优选地，当截面积减小圆角过渡处区域设置有多个区域时，尺寸较小区域的复合材料粉末其高温下耐磨性能优于或等于尺寸较大区域的复合材料粉末。
优选地，当截面积减小圆角过渡处区域分为第一截面积减小圆角过渡处区域和第二截面积减小圆角过渡处区域时，
第一截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨或碳化铬和铁基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成；
第二截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨或碳化铬和镍基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
优选地，当截面积减小圆角过渡处区域分为第一截面积减小圆角过渡处区域、第二截面积减小圆角过渡处区域和第三截面积减小圆角过渡处区域时，
第三截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨或碳化铬和钴基自熔性合金粉末混合制备的复合材料。
优选地，所述第一截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为10％-15％，铁基自熔性合金粉末的质量分数为85％-90％；所述第二截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为15％-25％，镍基自熔性合金粉末的质量分数为75％-85％；所述第三截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬质量分数为25％-35％，钴基自熔性合金粉末的质量分数为65％-75％。
优选地，所述热作模具钢粉末为H11钢、H13钢、4Cr5MoSiV1钢或W18Cr4V钢合金粉末。
优选地，所述截面积减小圆角过渡处区域包括变径过渡段以及位于其上下两端的截面不变过渡段，截面不变过渡段的高度为h，
Figure BDA0001662987790000031
D1为靠近该截面积减小圆角过渡处区域较大端处截面积不变区域的内径，D2为靠近该截面积减小圆角过渡处区域较小端处截面积不变区域的内径。
优选地，所述增材制造技术包括直接金属激光烧结、选择性激光融化成型和选择性激光烧结。
本发明进一步提出一种基于上述的多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法，包括以下步骤：
根据具体的工件设计出温热挤压工艺与模具图；
通过有限元软件对挤压件成形过程中模具的应力场以及模具磨损和塑性变形量进行模拟与评估，根据磨损程度和对模具进行区域划分，确定每个区域的高度；
确定出每个区域所选用的材料以及各自采用的加工工艺；
根据确定出每个区域的高度，利用增材制造方法加工温热挤压模具。
优选地，所述根据确定出每个区域的高度，利用增材制造方法加工温热挤压模具的步骤具体包括：
根据确定出的每个区域的高度，在三维实体模型中按所分区域进行切层处理，得到二维切片；
将二维切片的数据导入快速成型机中，根据不同区域确定的合金粉末制备出具有不同区域不同材料的多区域异质材料复合结构的温热挤压模具；
对模具毛坯进行打磨以满足粗糙度的要求。
本发明提出的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其有益效果如下：
(1)模具截面积不变区域即磨损最小区域选择价格低廉、热力学性能较好的热作模具钢；
(2)模具截面积减小的圆角过渡区域磨损量大，最容易受到破坏，选用碳化物与自熔性合金粉末制备而成的复合材料耐高温、高硬度，且在高温下抗磨损性能较好，能解决温热挤压过程中最常见的磨损失效导致模具寿命降低的问题；
(3)将模具进行区域划分，根据不同区域磨损程度的不同导致对材料性能要求的不同，合理选择各区域对应的材料，避免材料的浪费；
(4)采用增材制造技术，利用“自下向上”的材料逐层累积方法，克服了传统制造方法的限制，能够加工出具有复杂截面的轴类零件。
附图说明
图1为本发明多区域异质材料复合结构温热挤压模一实施例的剖视结构示意图；
图2为图1的局部放大结构示意图；
图3为本发明多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法的流程示意图。
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。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。
本发明提出一种多区域异质材料复合结构温热挤压模。
参照图1，本优选实施例中，一种多区域异质材料复合结构温热挤压模，在模具轴向的方向上，将模具分为截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域，其中，
截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域均为合金粉末通过增材制造技术制备而成；
截面积不变区域用热作模具钢粉末通过增材制造技术制成；
截面积减小圆角过渡区域采用碳化钨或碳化铬和自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
具体地，当截面积减小圆角过渡处区域设置有多个区域时，尺寸较小区域(图1中区域4)的复合材料粉末其高温下耐磨性能优于或等于尺寸较大区域(图1中区域2)的复合材料粉末。因尺寸较小区域的磨损量大于尺寸较大区域。
当截面积减小圆角过渡处区域分为第一截面积减小圆角过渡处区域(图1中区域2)和第二截面积减小圆角过渡处区域(图1中区域4)时，
第一截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨或碳化铬和铁基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成；
第二截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨或碳化铬和镍基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
当截面积减小圆角过渡处区域分为第一截面积减小圆角过渡处区域、第二截面积减小圆角过渡处区域和第三截面积减小圆角过渡处区域时，
第三截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨或碳化铬和钴基自熔性合金粉末混合制备的复合材料。
第一截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为10％-15％，铁基自熔性合金粉末的质量分数为85％-90％。铁基自熔性粉末的成分为：C(0.3％-0.40％)、B(1.50％-1.60％)、Si(11.00％-12.00％)、Cr(12.00％-13.00％)、Ti(1.00％-2.00％)、Mo(0.7％-0.8％)。具体根据模具的工作条件选取合适比例的粉末。碳化钨和碳化铬作为一种硬质相，加入合金粉末当中能提高材料硬度，使得耐磨性更好。但由于铁基合金粉末成形性较差，相比镍基合金，加入的硬质相要相对少一点，一般在10％-15％左右。
第二截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为15％-25％，镍基自熔性合金粉末(镍基合金粉末可选用Ni460、Ni420或Ni60A等)的质量分数为75％-85％。镍基合金粉末的成分为C(0.50％-1.10％)、B(3.00％-4.50％)、Si(3.50％-5.00％)、Cr(15.00％-20.00％)、Fe(≤5.00％)，具体根据模具的工作条件选取合适比例的粉末。镍基合金成形性能好，因此，相比铁基合金，加入的硬质相可以多一点，可通过加入硬质相提高硬度从而提高高温下的耐磨性，一般在15％-25％。因第二截面积减小圆角过渡处区域的磨损量大于第一截面积减小圆角过渡处区域，而镍基合金相比铁基合金在高温下抗氧化性能和耐磨性能更好、抗回火稳定性能以及其它高温下的性能更好，但价格相对昂贵。
第三截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬质量分数为25％-35％，钴基自熔性合金粉末的质量分数为65％-75％。第三截面积减小圆角过渡处区域其合金粉末的耐高温性更强。
热作模具钢粉末为H11钢、H13钢、4Cr5MoSiV1钢或W18Cr4V钢合金粉末。区域1，3，5采用的热作模具钢粉末为H11钢、H13钢、4Cr5MoSiV1钢或W18Cr4V钢合金粉末，其性价比较高。其中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(<0.30％)、P(<0.030％)。
参照图2，截面积减小圆角过渡处区域包括变径过渡段以及位于其上下两端的截面不变过渡段，截面不变过渡段的高度为h，h满足以下范围：
Figure BDA0001662987790000061
D1为靠近该截面积减小圆角过渡处区域较大端处截面积不变区域的内径，D2为靠近该截面积减小圆角过渡处区域较小端处截面积不变区域的内径。区域4中h的确定方法与区域2相同。
具体地，增材制造技术包括直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光融化成型(SLM)和选择性激光烧结(SLS)。其中SLS工艺使用的是粉末状材料，在计算机的操控下激光器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。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。目前，这三种工艺均可以用来制备复合材料，与其他快速成型工艺相比，SLS工艺通过高温烧结、金属浸润、热等静压等后续处理，烧蚀有机粘接剂并填充其他液态金属材料，从而获得致密的金属零件，逐渐成为了金属增材制造的重点研究方向。
本发明提出的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其有益效果如下：
(1)模具截面积不变区域即磨损最小区域选择价格低廉、热力学性能较好的热作模具钢；
(2)模具截面积减小的圆角过渡区域磨损量大，最容易受到破坏，选用碳化物与自熔性合金粉末制备而成的复合材料耐高温、高硬度，且在高温下抗磨损性能较好，能解决温热挤压过程中最常见的磨损失效导致模具寿命降低的问题；
(3)将模具进行区域划分，根据不同区域磨损程度的不同导致对材料性能要求的不同，合理选择各区域对应的材料，避免材料的浪费；
(4)采用增材制造技术，利用“自下向上”的材料逐层累积方法，克服了传统制造方法的限制，能够加工出具有复杂截面的轴类零件。
本发明进一步提出一种多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法。
参照图3，本优选实施例中，一种基于上述的多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10，根据具体的工件设计出温热挤压工艺与模具图；
步骤S20，通过有限元软件对挤压件成形过程中模具的应力场以及模具磨损和塑性变形量进行模拟与评估，根据磨损程度和对模具进行区域划分，确定每个区域的高度；
步骤S30，确定出每个区域所选用的材料以及各自采用的加工工艺；
步骤S40，根据确定出每个区域的高度，利用增材制造方法加工温热挤压模具。
步骤S40具体包括：
根据确定出的每个区域的高度，在三维实体模型中按所分区域进行切层处理，得到二维切片；
将二维切片的数据导入快速成型机中，根据不同区域确定的合金粉末制备出具有不同区域不同材料的多区域异质材料复合结构的温热挤压模具；
对模具毛坯进行打磨以满足粗糙度的要求。
本发明提出的多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法，对具体温热挤压工艺过程进行仿真分析，求解出温度场、应力场以及磨损量；根据分析结果的综合考虑，将模具在轴向方向上进行区域的划分，选取每个区域的材料；再利用快速成形技术进行模具的加工。解决了挤压模腔形状尺寸优化限制的问题。同时针对不同区域磨损情况不同选用不同的模具材料，避免了大体积采用高温材料造成的材料浪费，使每种材料在各自工作条件下发挥其性能优势，既满足了对性能的要求，同时降低了模具成本。
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)

1.一种多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，在模具轴向的方向上，将模具分为截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域，其中，
所述截面积不变区域和截面积减小圆角过渡处区域均为合金粉末通过增材制造技术制备而成；
所述截面积不变区域用热作模具钢粉末通过增材制造技术制成；
所述截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨和自熔性合金粉末、或碳化铬和自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
2.如权利要求1所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，当截面积减小圆角过渡处区域设置有多个区域时，尺寸较小区域的复合材料粉末其高温下耐磨性能优于或等于尺寸较大区域的复合材料粉末。
3.如权利要求2所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，当截面积减小圆角过渡处区域分为第一截面积减小圆角过渡处区域和第二截面积减小圆角过渡处区域时，
第一截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨和铁基自熔性合金粉末、或碳化铬和铁基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成；
第二截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨和镍基自熔性合金粉末、或碳化铬和镍基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
4.如权利要求3所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，当截面积减小圆角过渡处区域分为第一截面积减小圆角过渡处区域、第二截面积减小圆角过渡处区域和第三截面积减小圆角过渡处区域时，
第三截面积减小圆角过渡处区域采用碳化钨和钴基自熔性合金粉末、或碳化铬和钴基自熔性合金粉末混合制备的复合材料粉末制成。
5.如权利要求4所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，所述第一截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为10％-15％，铁基自熔性合金粉末的质量分数为85％-90％；所述第二截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬粉末的质量分数为15％-25％，镍基自熔性合金粉末的质量分数为75％-85％；所述第三截面积减小圆角过渡处区域中，碳化钨或碳化铬质量分数为25％-35％，钴基自熔性合金粉末的质量分数为65％-75％。
6.如权利要求1所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，所述热作模具钢粉末为H11钢、H13钢、4Cr5MoSiV1钢或W18Cr4V钢合金粉末。
7.如权利要求1所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，所述截面积减小圆角过渡处区域包括变径过渡段以及位于其上下两端的截面不变过渡段，截面不变过渡段的高度为h，
Figure FDA0002316663360000021
D1为靠近该截面积减小圆角过渡处区域较大端处截面积不变区域的内径，D2为靠近该截面积减小圆角过渡处区域较小端处截面积不变区域的内径。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模，其特征在于，所述增材制造技术包括直接金属激光烧结、选择性激光融化成型或选择性激光烧结。
9.一种基于权利要求1至8中任意一项的多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据具体的工件设计出温热挤压工艺与模具图；
通过有限元软件对挤压件成形过程中模具的应力场以及模具磨损和工件的塑性变形量进行模拟与评估，根据磨损程度对模具进行区域划分，确定每个区域的高度；
确定出每个区域所选用的材料以及各自采用的加工工艺；
根据确定出每个区域的高度，利用增材制造技术加工温热挤压模具。
10.如权利要求9所述的多区域异质材料复合结构温热挤压模的制备方法，其特征在于，所述根据确定出每个区域的高度，利用增材制造技术加工温热挤压模具的步骤具体包括：
根据确定出的每个区域的高度，在三维实体模型中按所分区域进行切层处理，得到二维切片；
将二维切片的数据导入快速成型机中，根据不同区域确定的合金粉末制备出具有不同区域不同材料的多区域异质材料复合结构的温热挤压模具毛坯；
对温热挤压模具毛坯进行打磨以满足粗糙度的要求。
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