CN110899707B - 用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法及其应用。根据锻模不同的型腔结构，设计沿着型腔表面均匀分布的粉末随形体积增材层，且可根据模具的服役性能要求设计相应的增材层厚度和成分。增材层由两部分构成，一部分是与锻模基体相接触的结合层，另一部分是与锻件相接触的耐磨层。将完成粉末增材和增密后的锻模进行烧结，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层。该方法修复效率高,无焊接烟尘，绿色环保；能够在锻模型腔表面形成随形修复层，采用多层材料形成梯度结构，既保证了层间材料的结合性又满足了面层材料的硬度和耐磨性，提高了修复锻模的使用寿命。

Description

用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法及其应用

技术领域

本发明涉及热锻模具修复再制造技术领域，具体涉及一种用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法及其应用。

背景技术

热锻模生产具有成本低、质量好及效率高等优点，是现代工业生产中广泛采用的一种工艺设备，也是目前金属加工领域重要的发展方向。热锻模具在服役过程中受到严酷的高温-交变载荷作用，其模具型腔易受磨损、塑性变形及热疲劳裂纹等影响而失效，导致热锻模具使用寿命较短，若重新制造新模具，既浪费时间又增加成本。对失效锻模采用再制造技术进行修复，既能提高材料利用率，降低生产成本，又能实现节能降耗循环利用，对提高企业市场竞争力具有重要的意义。

经查阅相关文献，目前国内外对失效的热锻模具常用的修复技术有冷加工和热加工两种方式，冷加工方式锻模可修复次数有限，材料利用率不高而较少采用。热加工修复技术是现今常用的修复方式，目前常采用的热修复技术有：1.堆焊修复技术、2.电刷镀修复技术、3.热喷涂修复技术，其中以堆焊修复技术最为常用。文献1(胡随芯,秦训鹏,胡泽启,邓庆文,武建祥.热作模具堆焊修复再制造技术发展现状与趋势[J].热加工工艺,2019,48(05):10-16)和文献2(刘斌,崔志杰.模具修复技术及发展趋势[J].模具工业,2017,43(02):1-5)分别介绍了目前模具修复中常用技术的优缺点及发展趋势。

上述不同修复技术对失效热锻模具的修复取得了较好的效果，但同时也存在一些问题。例如目前常用的堆焊修复技术有人工堆焊和机器人堆焊，人工堆焊修复对操作人员焊接技术要求较高，操作人员受高温、烟尘影响工作环境较恶劣，手工操作逐层堆焊效率低、工作强度大，焊材利用率低，修复后性能较差；机器人堆焊修复存在修复效率不高，堆焊质量不稳定，修复成本高，只能进行水平分层堆焊，不能沿着热锻模具型面随形形成均匀分布的修复层，无法适应模具表面高硬度、耐磨性及红硬性等服役要求等问题；电刷镀修复技术镀层较薄，对大面积损坏区域难以修复，金属刷镀液易造成环境污染；热喷涂修复技术涂层残余应力较大，涂层材料与基体材料粘合强度较低，耐腐蚀和耐磨性较差。

发明内容

针对上述问题，为解决现有热锻模具修复再制造技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法及其应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

第一方面本发明提供一种用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法，其特征在于：根据锻模不同的型腔结构，设计沿着型腔表面均匀分布的粉末随形体积增材层，且可根据模具的服役性能要求设计相应的增材层厚度和成分；所述增材层由两部分构成：一部分是与锻模基体相接触的结合层，另一部分是与锻件相接触的耐磨层；将完成粉末增材和增密后的锻模进行烧结，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层；对增材层进行形变致密和机械加工，制造出满足要求的型腔形状和尺寸。

具体步骤如下：

(a)锻模损伤清理：

对失效锻模型腔进行清理，清除全部缺陷层，清理的损伤部位包括如下区域：热锻模具型腔的疲劳层、裂纹、磨损及变形；对热锻模具损伤部位可采用如下方式进行清理：打磨、碳弧气刨和机械加工，根据锻模失效情况确定合适的清理深度；需要对清理后的型腔进行着色探伤，以探测是否完全清除裂纹等缺陷；

(b)结合层粉末体积增材：

按照结构设计要求，沿锻模型腔表面注入25～50mm厚的结合层粉末并进行一次性粉末体积增材形成结合层；所述结合层粉末材料应与锻模基体材料具有良好的冶金相容性；

(c)结合层粉末增密：

采用粉末增密模具对结合层粉末加压使其增密压实；

(d)耐磨层粉末体积增材：

沿结合层表面注入25～50mm厚的耐磨层粉末，经粉末体积增材后形成耐磨层；耐磨层粉末材料应具有较高的抗疲劳能力、热稳定性和耐磨性；根据热锻模具不同服役性能要求，在锻模型腔不同部位设计不同的耐磨层厚度和粉末成分；

(e)耐磨层粉末增密：

采用粉末增密模具对耐磨层粉末加压使其增密压实；

(f)增材层烧结：

将完成粉末体积增材和增密压实的锻模送入烧结炉，在相应的保护气氛中进行烧结，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层；

(g)增材层形变致密：

对烧结后的锻模型腔进行压力加工，进一步提高增材修复层的致密性；所述增材修复层粉末注入量应结合以下因素确定：修复区域的面积、修复层设计厚度、锻模型腔加工余量；

(h)锻模型腔加工：

对完成随形体积增材的锻模型腔进行机械加工，制造出满足要求的型腔形状和尺寸。

作为优选方案，所述步骤(b)、(d)中，可在粉末中均匀混入成形剂和润滑剂以改善后续粉末增密压实过程；

所述步骤(c)、(e)中，粉末增密后的相对密度达到85％以上；

所述步骤(b)、(c)、(d)、(e)中采用的注粉模具和粉末增密模具应与所需要修复的锻模型腔结构相匹配；根据锻模具体使用性能要求，可在结合层和耐磨层之间加入中间层，所述中间层粉末材料应具有良好的层间结合性和强韧性，有利于组织成分和力学性能的合理过渡；

所述步骤(g)中，增材层形变致密后的相对密度达到98％以上，使材料的致密性得到进一步提高，增加了增材层的韧性及强度，同时增材层又具有适量的孔隙，这些孔隙有助于改善热锻模具工作时的摩擦磨损性能。

第二方面，本发明还提供一种上述的用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法在对失效曲轴锻模进行粉末随形体积增材再制造中的应用。

第三方面，本发明还提供一种上述的用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法在对失效连杆锻模进行粉末随形体积增材再制造中的应用。

与现有的技术相比，本发明的优点及有益效果如下：

本发明的方法具体有以下优点：

1)传统修复技术采用逐点堆焊、满焊修复，该过程费时耗力；本发明采用粉末体积增材增密成形，改变现有技术工艺，，显著缩短修复时间，降低修复成本；

2)改变现有修复方法，修复过程无焊接烟尘产生，绿色、节能、环保；

3)易于机械化操作，修复效率高，劳动强度小，并可减少人为因素对修复质量的影响；

4)能沿着锻模型面随形修复，形成均匀熔覆层，能适应模具型面硬度、耐磨性要求，修复性能优良；

5)采用多层材料形成梯度修复层，适应模具不同深度梯度性能要求，满足模具服役性能要求；

6)修复层材料成分及厚度易于设计，一体化的随形体积增材修复层，既保证了层间材料的结合性又满足了面层材料的硬度和耐磨性；

7)增材层经形变致密后晶粒细化且组织均匀，同时又具有适量的孔隙，不仅提高材料的韧性及强度，还可以改善热锻模具工作时的摩擦磨损性能，延长修复后热锻模具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的工序流程图；

图2为本发明的结合层粉末注入示意图；

图3为本发明的耐磨层粉末增密示意图；

图4为本发明的增材层形变致密示意图。

其中：1、注粉装置；2、注粉模具；3、结合层粉末；4、清理后的锻模型腔；5、待修复模 具；6、粉末增密模具；7、耐磨层粉末；8、增材层形变致密模具；9、随形增材修复层；10、夹具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地详细阐述，但本发明的实施方式并不仅限于如下实施例。

实施例1对失效曲轴锻模进行粉末随形体积增材再制造

具体工艺过程如下：

步骤(a-1)：采用磨光机打磨清除曲轴锻模型腔内的氧化皮和石墨乳层，采用碳弧气刨对失效锻模型腔区域仔细清理，清除全部缺陷层。清理的损伤部位包括型腔的疲劳层、裂纹、磨损、变形等区域，清理深度为10～30mm，并缩小型腔的突出区域或增大型腔的凹入区域。采用显像剂和渗透剂对清理后的型腔表面进行着色探伤，以探测是否完全清除裂纹等缺陷。

步骤(b-1)：根据曲轴锻模服役性能要求及材料成分，设计结合层和耐磨层的厚度及粉末材料成分。在清理后的热锻模具型腔内沿型面注入25～50mm厚的结合层粉末，经粉末体积增材后形成结合层，结合层粉末材料成分与锻模基体材料成分相近，粉末粒度为50～100μm。

步骤(c-1)：采用与所修复的曲轴热锻模具型腔结构相匹配的粉末增密模具6对结合层粉末加压使其增密压实，施加压力为600～650MPa。

步骤(d-1)：沿结合层表面注入25～50mm厚的耐磨层粉末7，粉末粒度为50～100μm，经粉末体积增材后形成耐磨层。

步骤(e-1)：采用与所修复的曲轴热锻模具型腔结构相匹配的粉末增密模具6对耐磨层粉末7加压使粉末增密压实，压力大小为600～650MPa。

步骤(f-1)：将完成粉末增材和增密压实的曲轴锻模转移至烧结炉内进行烧结，采用还原性保护气氛，烧结温度为1000～1200℃，烧结50～80min后随炉冷却，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层。

步骤(g-1)：采用简化的模具对烧结后的曲轴锻模型腔进行压力加工，压力为500～600MPa，温度为900～1200℃，进一步提高增材修复层的致密性。

步骤(h-1)：对完成随形体积增材的锻模型腔进行机械加工，制造出满足要求的曲轴锻模型腔形状和尺寸。

实施例2对失效连杆锻模进行粉末随形体积增材再制造

具体工艺过程如下：

步骤(a-1)：采用磨光机打磨清除连杆锻模型腔内的氧化皮和石墨乳层，采用碳弧气刨或数控机床对失效锻模型腔区域仔细清理，清除全部缺陷层。清理的损伤部位包括型腔的疲劳层、裂纹、磨损、变形等区域，清理深度为10～30mm。采用显像剂和渗透剂对清理后的型腔表面进行着色探伤，以探测是否完全清除裂纹等缺陷。

步骤(b-1)：根据连杆热锻模具服役性能要求，设计结合层和耐磨层的厚度及粉末材料成分。在清理后的热锻模具型腔内沿型面注入25～50mm厚的结合层粉末，经粉末体积增材后形成结合层，结合层粉末成分与锻模基体材料成分相近，粉末粒度为60～120μm。

步骤(c-1)：采用与所修复的连杆热锻模具型腔结构相匹配的粉末增密模具6对结合层粉末加压使其增密压实，施加压力为650～700MPa。

步骤(d-1)：沿结合层表面注入25～50mm厚的耐磨层粉末7，粉末粒度为60～120μm，经粉末体积增材后形成耐磨层。

步骤(e-1)：采用与所修复的曲轴热锻模具型腔结构相匹配的粉末增密模具6对耐磨层粉末7加压使粉末增密压实，压力大小为650～700MPa。

步骤(f-1)：将完成粉末增材和增密压实的连杆锻模转移至烧结炉内进行烧结，采用还原性保护气氛，烧结温度为1000～1200℃，烧结50～80min后随炉冷却，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层。

步骤(g-1)：采用简化的模具对烧结后的连杆锻模型腔进行压力加工，施加压力为550～650MPa，温度为900～1200℃，进一步提高增材修复层的致密性。

步骤(h-1)：对完成随形体积增材的锻模型腔进行机械加工，制造出满足要求的连杆锻模型腔形状和尺寸。

Claims (4)

1.一种用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法，其特征在于：根据锻模不同的型腔结构，设计沿着型腔表面均匀分布的粉末随形体积增材层，且根据模具的服役性能要求设计相应的增材层厚度和成分；所述增材层由两部分构成：一部分是与锻模基体相接触的结合层，另一部分是与锻件相接触的耐磨层；将完成粉末增材和增密后的锻模进行烧结，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层；对增材层进行形变致密和机械加工，制造出满足要求的型腔形状和尺寸；

具体步骤如下：

(a)锻模损伤清理，对失效锻模型腔进行清理，清除全部缺陷层，清理的损伤部位包括如下区域：热锻模具型腔的疲劳层、裂纹、磨损及变形；对热锻模具损伤部位采用如下方式进行清理：打磨、碳弧气刨和机械加工，根据锻模失效情况确定合适的清理深度；需要对清理后的型腔进行着色探伤，以探测是否完全清除缺陷；

(b)结合层粉末(3)体积增材，按照结构设计要求，沿锻模型腔表面注入25～50mm厚的结合层粉末(3)并进行一次性粉末体积增材形成结合层；

(c)结合层粉末(3)增密，采用粉末增密模具(6)对结合层粉末(3)加压使其增密压实；

(d)耐磨层粉末(7)体积增材，沿结合层表面注入25～50mm厚的耐磨层粉末(7)，经粉末体积增材后形成耐磨层；

(e)耐磨层粉末(7)增密，采用粉末增密模具(6)对耐磨层粉末(7)加压使其增密压实；

(f)增材层烧结，将完成粉末体积增材和增密压实的锻模送入烧结炉，在保护气氛中进行烧结，形成结合层和耐磨层一体化的随形体积增材层；

(g)增材层形变致密，对烧结后的锻模型腔进行压力加工，进一步提高增材修复层的致密性；

(h)锻模型腔加工，对完成随形体积增材的锻模型腔进行机械加工，制造出满足要求的型腔形状和尺寸。

2.根据权利要求1所述的用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法，其特征在于：所述步骤(b)、(d)中，在粉末中均匀混入成形剂和润滑剂以改善后续粉末增密压实过程；

所述步骤(c)、(e)中，粉末增密后的相对密度达到85％以上；

所述步骤(b)、(c)、(d)、(e)中采用的注粉模具(2)和粉末增密模具(6)应与所需要修复的锻模型腔结构相匹配；

根据锻模具体使用性能要求，在结合层和耐磨层之间加入中间层；所述中间层粉末材料具有良好的层间结合性和强韧性，有利于组织成分和力学性能的合理过渡；

所述步骤(g)中，增材层形变致密后的相对密度达到98％以上。

3.一种如权利要求2所述的用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法在对失效曲轴锻模进行粉末随形体积增材再制造中的应用。

4.一种如权利要求2所述的用于热锻模具再制造的粉末随形体积增材方法在对失效连杆锻模进行粉末随形体积增材再制造中的应用。

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