CN116475704A - 一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法，模具包括模具主体和成形定位组件，制造工艺包括：步骤S1、选取耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料；步骤S2、采用选取的钢材料进行焊接得到模具，热处理时效、机械加工，对模具主体的工作面进行抛光；步骤S3、将模具主体的非工作面进行防锈处理；将成形定位组件进行防锈处理。本发明模具具有优异的防锈性能，不会出现漆面开裂和脱落的风险，模具具有较长的寿命，材料成本降低70％以上，模具使用维护成本降低；能确保复合材料产品型面精度和表面质量长期稳定，有利于批量生产用于复合材料零件模具，实现高质量、低成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料模具制造技术领域，特别涉及一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法。
背景技术
现代飞机的制造过程中大量采用先进复合材料，复合材料零件是在模具下进入到热压罐中进行热压成形的，成形使用的模具型面的轮廓精度、高温高压气密性及表面质量(粗糙度、波纹度)对复合材料产品的精度、表面质量有极大影响，因此复合材料模具的精度、气密性、表面质量长期的稳定性是确保复合材料产品精度、表面质量稳定性的必要条件。
目前，模具制造常用的材料为低膨胀合金材料、炭纤维复合材料、铝合金材料、普通钢材料。低膨胀合金材料(如4J36)热膨胀系数小、密度大、不易大气锈蚀、使用寿命长，制造周期短；但成本为普通钢的30倍以上。炭纤维复合材料热膨胀系数小、密度小、不会大气锈蚀；但制造周期长、成本为普通钢的20倍以上、使用寿命较短，低膨胀合金材料和炭纤维复合材料成本都较高，不适合于制造成本要求较低的复合材料模具；铝合金材料密度较小、不易大气锈蚀、使用寿命较长，制造周期短；但热膨胀系数很大，成本为普通钢的3-5倍，不适合于制造固化温度超过100℃的大型、复杂、精密复合材料产品的模具。普通钢材料密度大、成本低，制造周期短、使用寿命长；但热膨胀系数较大、易大气锈蚀，适合于精度要求不严苛、有成本控制要求的一般复合材料产品的模具，常用的如国产普通钢材料如Q235A、20钢等，国外普通钢材料如AISI1015、ST37-2、ST52、ASTM A572 GR50等，由于其材料成本最低、采购最易、焊接性能和成形、加工性能最好，因此长期是国内、外航空航天领域一般复合材料产品模具最常用的材料，针对此类普通钢材料复合材料模具的防锈处理为喷涂耐高温油漆或做常规氧化处理，钢材料模具使用一段时间后都会产生锈蚀，锈蚀都会直接影响复合材料零件的几何精度及表面质量，会造成产品质量问题，严重时会导致产品报废，损失很大。因此，研究复合材料模具防锈技术，包括各类零件基体本身的防锈性能，以及对各类零件进行适应性的加强防锈处理，对于提高复合材料产品表面质量，避免报废、降低成本，十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中低成本的普通钢材料复合材料模具零件防锈性能差、影响复合材料产品表面质量，甚至造成复合材料产品报废的问题，提供一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法，从而提高复合材料产品的表面质量，防止复合材料产品报废。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法，模具包括模具主体和成形定位组件，制造工艺包括以下步骤：
步骤S1、选取耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料；
步骤S2、采用步骤S1选取的钢材料进行焊接得到模具，然后进行热处理时效、机械加工，对模具主体的工作面进行抛光；
步骤S3、将模具主体的非工作面按照以下步骤进行防锈处理：
步骤S311、对模具主体的非工作面进行表面清洁处理；表面清洁处理包括对非工作面吹砂除锈，打磨表面焊渣、未脱落的氧化物，然后除油除尘；
步骤S312、在模具主体非工作面上喷涂耐温性能的底漆，固化，固化条件为：升温至80±10℃保温50±20分钟；
步骤S313、在模具主体非工作面上喷涂耐温性能的面漆，固化，固化条件为：升温至80±10℃保温50±20分钟；
将成形定位组件按照以下步骤进行防锈处理：
步骤S321、对成形定位组件进行表面清洁处理；表面清洁处理包括酸洗、除油、除锈、清洗；
步骤S322、在成形定位组件表面上化学镀防腐合金，然后将成形定位组件加热至220±20℃、保温120±20分钟。
本发明提供了一种防锈钢材料模具制造工艺，选择耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料用于模具制造，按照模具结构对钢材料进行裁切和焊接，接着进行热处理时效、机械加工，对模具主体的工作面进行抛光通过抛光使模具工作面满足贴合面的几何精度和粗糙度要求，模具采用耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料，模具具有很好的防锈性能；然后对模具主体和成形定位组件分别进行进行防锈处理，模具主体非工作面的防锈处理是采用喷涂耐温性能的底漆和面漆，喷涂底漆和面漆之后均通过加热固化，底漆与金属基体钢材料的粘接性更好，面漆与底漆的粘接更好，能够降低底漆、面漆在模具“冷-热-冷”循环中因热胀冷缩而引起的漆面开裂和脱落的风险，从而有效提高防锈能力；成形定位组件防锈处理是采用化学镀防腐合金，模具耐磨性很好，且表面层致密性极高，因此防锈效果优异。
进一步地，选取钢材料的具体过程为：
步骤S11、对备用的钢材料进行化学成分测试；
步骤S12、根据化学成分通过Larrabee-Coburn方法计算耐大气腐蚀性能系数；
步骤S13、选择耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料作为模具材料。
更进一步地，选取钢材料时，要求耐大气腐蚀性能系数≥6.5。耐大气腐蚀性能系数反映了钢材料的耐腐蚀性能，耐大气腐蚀性能系数高制备得到的模具的防锈性能越好，在实际工程中可以根据应用的需求选择耐大气腐蚀性能系数满足要求的钢材料。
进一步地，选取的钢材料为Q235NH或Q295GNH。
进一步地，模具主体包括框架、成形模板、龙门架，模具主体是整个模具的主要结构，模具主体尺寸较大，成形定位组件包括加强筋成形块、小镶块、钻模板和真空接头，成形定位组件用于复合材料的成形和定位，成形定位组件的尺寸较小。
进一步地，防腐合金为镍-磷合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的防锈钢材料模具制造选择耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料，按照模具结构对钢材料进行裁切和焊接，接着进行热处理时效、机械加工，对模具主体的工作面进行抛光通过抛光使模具工作面满足贴合面的几何精度和粗糙度要求，模具采用耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料，模具工作面依然具有很好的防锈性能；然后对模具主体和成形定位组件分别进行进行防锈处理，模具主体防锈处理是采用喷涂耐温性能的底漆和面漆，喷涂底漆和面漆之后均通过加热固化，底漆与金属基体钢材料的粘接性更好，面漆与底漆的粘接更好，能够降低底漆、面漆在模具“冷-热-冷”循环中因热胀冷缩而引起的漆面开裂和脱落的风险，从而有效提高防锈能力；成形定位组件防锈处理是采用化学镀防腐合金，提高模具的耐磨性和抗蚀性很好，且表面层致密性极高，防锈效果优异。
2、本发明防锈钢材料模具具有优异防锈性能，在复合材料零件制备时的“冷-热-冷”条件下不会出现漆面开裂和脱落的风险，模具具有较长的寿命，模具使用维护成本降低。本发明采用低成本的钢板材料制造模具，防锈性能好，相对于防锈性能好的低膨胀合金材料和炭纤维复合材料的，本发明的材料成本降低70％以上；相对于Q235A材料的传统防锈技术，本发明制备的模具防锈性能够提升5-10倍，能确保复合材料产品型面精度和表面质量长期稳定，有利于批量生产用于复合材料零件模具，实现高质量、低成本的目的，使(批量生产的复合材料零件精度稳定、质量稳定。
附图说明：
图1为提高复合材料模具防锈性能的制造方法的流程示意图；
图2为钢材料经耐大气腐蚀性能试验后的现场图(a)Q235NH；(b)Q235A。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
复合材料零件生产的模具采用低成本的钢材料，模具的工作面有非常高的几何精度、粗糙度质量、高温高压气密要求，模具的表面采用喷涂耐高温油漆处理，实际生产中发现，模具使用一段时间后，模具在热压罐内用高速气流加热的密闭环境下，耐高温油漆会因与钢材料的热胀冷缩系数不一致发生松弛、脱层，脱层落的地方会产生锈蚀，松弛、脱层、大小不一的漆皮、漆屑、锈皮、锈屑等会发生脱落，不但污染热压罐的仪器、仪表，有时还会刺破真空气密袋，造成复合材料零件因破袋而报废，模具的工作面的锈蚀直接影响复合材料零件的几何精度及表面质量。
一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法，模具包括模具主体和成形定位组件，如图1所示，制造工艺包括以下步骤：
步骤S1、选取耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料；
选取钢材料的具体过程为：
步骤S11、对备用的钢材料进行化学成分测试；
步骤S12、根据化学成分通过Larrabee-Coburn方法计算耐大气腐蚀性能系数；
步骤S13、选择耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料作为模具材料。
选取钢材料标准为GB/T 4171-2008《耐候结构钢》、GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》，通过Larrabee-Coburn方法计算常见钢材料的耐大气腐蚀性能系数，计算结果如下表1。
表1常见钢材料的性能参数
常用的钢材料由于其化学成分波动范围较大，造成钢材实际的耐大气腐蚀性能波动较大，从表1可以看出，有的材料的耐大气腐蚀性能指数I的最大值很低，Imax＜2，如国产Q235A、国外ST52,理论上其耐大气腐蚀性能很差，有的材料的耐大气腐蚀性能指数I的最小值较高(Imin＞5)，如国产Q235NH、Q295GNH，理论上其耐大气腐蚀性能较好，且I值越大，耐大气腐蚀性能越好；有的材料耐大气腐蚀性能指数I最小值很低、最大值很高，如国产20钢，理论上其耐大气腐蚀性能有的差(I＝0.25)、有的好(I＝6.4),波动范围大。本实施例选择Q235NH作为制造模具的钢材料。
为了试验Q235NH的耐大气腐蚀性能，将Q235NH、Q235A材料试块随着复合材料试件在热压罐中进行热压，热压条件为180-200℃/24-72h,循环进行，3个月左右，Q235NH钢材料表面未发现脱落的锈粉(图2(a))，而Q235A发生了严重锈蚀(图2(b))，说明Q235NH的防锈性能显著高于Q235A。
在一些实施例中，选取钢材料时，要求耐大气腐蚀性能系数≥6.5。耐大气腐蚀性能系数反映了钢材料的耐腐蚀性能，耐大气腐蚀性能系数高制备得到的模具的防锈性能越好，在实际工程中可以根据应用的需求选择耐大气腐蚀性能系数满足要求的钢材料。
步骤S2、采用步骤S1选取的钢材料进行焊接照得到模具，然后进行热处理时效、机械加工，对模具主体的工作面进行抛光；
按照不同的功能，将模具分为模具主体和成形定位组件，模具主体包括框架、成形模板、龙门架等，模具主体是整个模具的主要结构，模具主体尺寸较大，成形定位组件包括加强筋成形块、小镶块、钻模板和真空接头等，成形定位组件用于复合材料的成形和定位，成形定位组件的尺寸较小。模具主体和成形定位组件根据不同的要求，采用不同的钢材料制造，但均需要满足耐大气腐蚀性能系数≥5，采用步骤S1选取的钢材料按模具数模对每个零件放加工余量后数控下料进行裁切，组合焊接得到不同结构的模具主体和成形定位组件，然后将模具主体和成形定位组件进行热处理时效，热处理时效条件为加热到600摄氏度，保温2h，按照设定的降温速率降温。机械加工是对模具中需要设定的形状进行加工，如曲面加工。抛光是对模具主体工作面进行处理，模具工作面指模具与复合材料零件的贴合面，通过抛光使模具工作面满足贴合面的几何精度和粗糙度要求。
步骤S3、将模具主体非工作面按照以下步骤进行防锈处理：
步骤S311、对模具主体的非工作面进行表面清洁处理；表面清洁处理包括对非工作面吹砂除锈，打磨表面焊渣、未脱落的氧化物，然后除油除尘；
步骤S312、在模具主体非工作面上喷涂耐温性能≥300℃的底漆，然后进行固化，固化条件为：升温至80±10℃保温50±20分钟；
步骤S313、在模具主体非工作面上喷涂耐温性能≥300℃的面漆，然后进行固化，固化条件为：升温至80±10℃保温50±20分钟；
将成形定位组件按照以下步骤进行防锈处理：
步骤S321、对成形定位组件进行表面清洁处理；表面清洁处理包括酸洗、除油、除锈、清洗；
步骤S322、在成形定位组件表面上化学镀防腐合金，然后将成形定位组件加热至220±20℃、保温120±20分钟。在镀膜过程中，防腐合金为镍-磷合金，镀层厚度为0.008-0.01mm，镀膜完成后加热硬化稳定镀层，成品成形定位组件的表面硬度≥HV700。
模具主体和成形定位组件位于模具的不同位置，在成形复合材料过程中起到不同的作用，因此防锈性能要求也不同，成形定位组件在使用过程中具有更高的耐磨和防锈性能要求，且由于化学镀膜设备的液槽有尺寸限定，成形定位组件尺寸较小，能满足要求，因此成形定位组件表面均采用化学镀镍-磷合金处理，全部表面及内孔均能镀膜，模具主体采用喷涂耐高温油漆防锈处理。
现有技术中模具主体的防锈处理是喷涂耐高温油漆，存在油漆易脱落、模具易锈蚀的问题，本发明模具主体的防锈处理是在喷涂底漆和面漆之后均通过加热固化，底漆与金属基体钢材料的粘接性更好，面漆与底漆的粘接更好，能够降低底漆、面漆在模具“冷-热-冷”循环中因热胀冷缩而引起的漆面开裂和脱落的风险，从而有效提高防锈能力，将采用现有技术制造的模具主体与采用本发明防锈处理的模具主体进行防锈蚀性能试验，试验证明采用Q235NH材料的钢板，按本发明加热固化耐高温油漆，其防锈蚀性能提高了5倍以上。
现有技术中成形定位组件模具的防锈处理是进行氧化(发蓝)处理，因表面层防锈物质(以Fe3O4为主)致密性不足、硬度很低，特别是在复合材料模具“冷-热-冷”循环中,因热胀冷缩引起的表面防锈物质与基体的结合力越来越小，极易发生脱层，松散层吸收空气中水分后，还会加速基体锈蚀，从而导致表面层防锈性能越来越差、模具锈蚀越来越严重。本发明的成形定位组件采用化学镀镍-磷合金、加热硬化，镀层厚度0.008-0.01mm，能够实现镀层硬度≥HV700,成形后的模具耐磨性很好，且表面层致密性极高，因此防锈效果优异。将采用现有技术制造的成形定位组件模具与采用本发明防锈处理的成形定位组件进行防锈蚀性能试验，按本发明进行化学镀镍-磷合金、加热硬化，其防锈蚀性能提高了10倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种提高复合材料模具防锈性能的制造方法，其特征在于，模具包括模具主体和成形定位组件，制造工艺包括以下步骤：
步骤S1、选取耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料；
步骤S2、采用步骤S1选取的钢材料进行焊接得到模具，然后进行热处理时效、机械加工，对模具主体的工作面进行抛光；
步骤S3、将模具主体按照以下步骤进行防锈处理：
步骤S311、对模具主体的非工作面进行表面清洁处理；表面清洁处理包括对非工作面吹砂除锈，打磨表面焊渣、未脱落的氧化物，然后除油、除尘；
步骤S312、在模具主体非工作面上喷涂耐温性能的底漆，固化，固化条件为：升温至80±10℃保温50±20分钟；
步骤S313、在模具主体非工作面上喷涂耐温性能的面漆，固化，固化条件为：升温至80±10℃保温50±20分钟；
将成形定位组件按照以下步骤进行防锈处理：
步骤S321、对成形定位组件进行表面清洁处理；表面清洁处理包括酸洗、除油、除锈、清洗；
步骤S322、在成形定位组件表面上化学镀防腐合金，然后将成形定位组件加热至220±20℃、保温120±20分钟。
2.根据权利要求1所述的提高复合材料模具防锈性能的制造方法，其特征在于，选取钢材料的具体过程为：
步骤S11、对备用的钢材料进行化学成分测试；
步骤S12、根据化学成分通过Larrabee-Coburn方法计算耐大气腐蚀性能系数；
步骤S13、选择耐大气腐蚀性能系数≥5的钢材料作为模具材料。
3.根据权利要求2所述的提高复合材料模具防锈性能的制造方法，其特征在于，选取钢材料时，要求耐大气腐蚀性能系数≥6.5。
4.根据权利要求1所述的提高复合材料模具防锈性能的制造方法，其特征在于，模具主体包括框架、成形模板、龙门架，成形定位组件包括加强筋成形块、小镶块、钻模板和真空接头。
5.根据权利要求1所述的提高复合材料模具防锈性能的制造方法，其特征在于，防腐合金为镍-磷合金。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的提高复合材料模具防锈性能的制造方法，其特征在于，选取的钢材料为Q235NH或Q295GNH。
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