一种型腔表层随形网状结构热锻模具及其制备方法转让专利
申请号 : CN201910434664.1
文献号 : CN110180983B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 张建生 , 周杰 , 甘玉平 , 王秋韵 , 张谦 , 杨绿峰 , 叶群 , 唐鑫森 , 莫歆韵 , 王林海 , 赖宇 , 谭双
申请人 : 重庆杰品科技股份有限公司 , 重庆大学 , 重庆佛思坦智能装备有限公司 , 重庆梦尔法增材科技有限责任公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种型腔表层随形网状结构热锻模具的制备方法,所述型腔表层随形网状结构热锻模具包括模具基体,在模具基体上依次形成有夹心层、过渡层和强化层,所述强化层通过构造强化层沟槽被分隔为若干彼此隔断的小单元,所有强化层沟槽互联互通呈网状结构,在强化层沟槽中填充有耐高温软质材料;所述过渡层通过构造过渡层沟槽被分隔为若干彼此隔断的小单元,所有过渡层沟槽互联互通呈网状结构,在过渡层沟槽中填充有普通软质材料;所有过渡层沟槽与强化层沟槽上下完全正对;其特征在于:包括如下步骤:
1)采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体;其中,型腔部位预留堆焊余量;
2)在步骤1)浇注好的待焊模具基体上,沿预留堆焊处的形状,堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层焊材;
3)在步骤2)焊好夹心层的模具基体上,沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状,堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材,将夹心层焊材全部覆盖包住,并继续焊至模具型腔轮廓线下预先设计厚度处;
4)在步骤3)焊好过渡层的模具基体上,按照预先设计的过渡层沟槽网状结构,加工出对应的过渡层沟槽网状结构,过渡层沟槽的深度与过渡层厚度对应;
5)在步骤4)的过渡层沟槽中,用塑性好、延伸率高的普通软质材料进行堆焊填充,填充厚度与过渡层厚度一致,使普通软质材料表面与过渡层表面平齐;
6)在步骤5)过渡层和普通软质材料表面,堆焊耐高温耐磨的强化层焊材,覆盖模具主要耐磨工作区域或全部耐磨区域,焊至型腔轮廓线上预先设计厚度处;
7)在步骤6)焊好强化层的模具基体上,按照预先设计的强化层沟槽网状结构,加工出对应的强化层沟槽网状结构,强化层沟槽的深度与强化层厚度对应;
8)在步骤7)的强化层沟槽中,用耐高温软质材料进行堆焊填充,填充厚度与强化层厚度一致,使耐高温软质材料表面与强化层表面平齐;
9)将步骤8)得到的模具进行回火缓冷工艺、机械加工及其他后处理工序,即得所述型腔表层随形网状结构热锻模具。
2.根据权利要求1所述的一种型腔表层随形网状结构热锻模具的制备方法,其特征在于:所述普通软质材料的硬度为HRC 10‑30,在常温下力学性能为:屈服强度σs≥550MPa,抗拉强度σb≥750MPa,延伸率δ≥14.7%,收缩率Ψ≥31.2%,冲击功Akv≥30J,400℃时的压缩强度≥550MPa;耐高温软质材料的硬度为HRC 20‑35,在常温下力学性能为:屈服强度σs≥700MPa,抗拉强度σb≥980MPa,延伸率δ≥16.6%,收缩率Ψ≥31.5%,冲击功Akv≥35J,
600℃下压缩强度≥500MPa。
3.一种型腔表层随形网状结构热锻模具的制备方法,所述型腔表层随形网状结构热锻模具包括模具基体,在模具基体上依次形成有夹心层、过渡层和强化层,所述强化层通过构造强化层沟槽被分隔为若干彼此隔断的小单元,所有强化层沟槽互联互通呈网状结构,在强化层沟槽中填充有耐高温软质材料;所述过渡层通过构造过渡层沟槽被分隔为若干彼此隔断的小单元,所有过渡层沟槽互联互通呈网状结构,在过渡层沟槽中填充有普通软质材料;所有过渡层沟槽与强化层沟槽上下完全正对;其特征在于:包括如下步骤:
1)采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体;其中,型腔部位预留堆焊余量;
2)在步骤1)浇注好的待焊模具基体上,沿预留堆焊处的形状,堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层焊材;
3)在步骤2)焊好夹心层的模具基体上,沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状,堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材,将夹心层焊材全部覆盖包住,并继续焊至模具型腔轮廓线下预先设计厚度处;
4)在步骤3)过渡层焊材表面,堆焊耐高温耐磨的强化层焊材,覆盖模具主要耐磨工作区域或全部耐磨区域,焊至型腔轮廓线上预先设计厚度处;
5)在步骤4)的模具基体上,按照预先设计的网状沟槽结构,加工出对应的网状沟槽结构,沟槽的深度及达夹心层焊材表面;
6)在步骤5)的网状沟槽结构中,先用塑性好、延伸率高的普通软质材料堆焊填充,普通软质材料填充厚度与过渡层厚度一致,使普通软质材料表面与过渡层表面平齐;然后再用耐高温软质材料堆焊填充,耐高温软质材料填充厚度与强化层厚度一致,使耐高温软质材料表面与强化层表面平齐;
7)将步骤6)得到的模具进行回火缓冷工艺、机械加工及其他后处理工序,即得所述型腔表层随形网状结构热锻模具。
4.根据权利要求3所述的一种型腔表层随形网状结构热锻模具的制备方法,其特征在于:所述普通软质材料的硬度为HRC 10‑30,在常温下力学性能为:屈服强度σs≥550MPa,抗拉强度σb≥750MPa,延伸率δ≥14.7%,收缩率Ψ≥31.2%,冲击功Akv≥30J,400℃时的压缩强度≥550MPa;耐高温软质材料的硬度为HRC 20‑35,在常温下力学性能为:屈服强度σs≥700MPa,抗拉强度σb≥980MPa,延伸率δ≥16.6%,收缩率Ψ≥31.5%,冲击功Akv≥35J,
600℃下压缩强度≥500MPa。
说明书 :
一种型腔表层随形网状结构热锻模具及其制备方法
技术领域
背景技术
模加工对象及加工中面临的复杂恶劣环境往往使其寿命很低、成本很高。中国发明专利“一
种基于铸钢基体的双金属层堆焊制备锻模的方法(ZL200910104604X)”和“一种夹心层锻模
及锻模夹心层堆焊的制备方法(ZL201510171656.4)”在一定程度上较好地解决了大型锻模
生产成本高、使用寿命低的难题。其中ZL 201510171656.4在铸钢基体和过渡层之间设置一
层夹心层,所述夹心层较铸钢基体和过渡层两者塑性更好,屈服强度更低;当模具承受高压
应力时,夹心层在过渡层与铸钢基体之间起着软垫作用,使铸钢基体层上的应力分布更加
均匀,将高压峰值应力迅速扩散减弱,使铸钢基体承受的峰值应力值得以降低,避免峰值应
力直接导致铸钢基体产生裂纹,造成模具断裂失效,从而提高铸钢基体的承压安全性、提高
夹心层模具的承压能力和整体安全性能。虽然上述专利在一定程度上解决了寿命和耐压的
问题,但由于大型锻模往往涉及难变形材料的加工,随着产量的增加,难变形材料成形用大
型锻模在生产了数十件锻件后,型腔表层还是会出现众多长条形不规则裂纹,并影响大型
锻模寿命、模锻安全生产和高端装备制造成本及国际竞争力,解决这些裂纹是当前大型模
锻件生产新的急待解决的瓶颈。究其原因,国内外由传统方法制造的锻模,因型腔面积大,
在服役前后某些环节,如模具制造时的堆焊环节、模具投入使用生产构件时的高温环节,这
些环节温度应力都非常大,从而导致锻模型腔表面在使用时间久后会不同程度产生大量裂
纹。
发明内容
纹的形成和扩展,提高锻模寿命。
元,所有强化层沟槽互联互通呈网状结构,在强化层沟槽中填充有耐高温软质材料。
槽与强化层沟槽上下完全正对。
℃时的压缩强度≥550MPa;耐高温软质材料的硬度为HRC 20‑35,在常温下力学性能为:屈
服强度σs≥700MPa,抗拉强度σb≥980MPa,延伸率δ≥16.6%,收缩率Ψ≥31.5%,冲击功
Akv≥35J,600℃下压缩强度≥500MPa。
轮廓线下预先设计厚度处;
轮廓线下预先设计厚度处;
再用耐高温软质材料堆焊填充,耐高温软质材料填充厚度与强化层厚度一致,使耐高温软
质材料表面与强化层表面平齐;
的网沟,然后在网沟中填充软质材料,填充的网格状高延伸率软质材料和强化层块状耐高
温抗变形硬质材料相结合获得软硬结合、强韧匹配的型腔表层,构建的有序网沟及填充的
软质材料可充分释放模具型腔表面在焊接过程以及在未来模具服役条件下可能出现的较
大拉应力,从而有效避免裂纹的形成与扩展,延长大型锻模的寿命,化被动为主动。
附图说明
具体实施方式
用本大型锻模。为了从根本上解决长条形裂纹的形成与扩展问题,通过分析裂纹的形成机
制后,本发明特提出网构化思路,简称网构化(网格状高延伸率软质材料和块状耐高温抗变
形硬质材料结合获得软硬结合、强韧匹配的型腔表层)。
强化层D通过强化层沟槽分隔为若干彼此隔断的小单元,所有强化层沟槽互联互通呈网状
结构,在强化层沟槽中填充有耐高温软质材料F。本发明强化层材料和耐高温软质材料相结
合能够获得软硬结合、强韧匹配的型腔表层,可充分释放模具型腔表面在焊接过程以及在
模具服役条件下可能出现的较大拉应力。
的效果,本发明过渡层C按强化层的构思进行了同样的分隔和沟槽填充,即所述过渡层C通
过过渡层沟槽分隔为若干彼此隔断的小单元,所有过渡层沟槽互联互通呈网状结构,在过
渡层沟槽中填充有普通软质材料E;所有过渡层沟槽与强化层沟槽上下完全正对。
和位置即可(和模具型腔尺寸相关);宽度为5mm左右(考虑加工方便性和效果)。沟槽形状没
有特殊要求,一般气刨后为鱼鳞状半圆形截面。
℃(工作温度)时的压缩强度≥550MPa;耐高温软质材料F的硬度为HRC 20‑35;在常温下的
力学性能为:屈服强度σs≥700MPa,抗拉强度σb≥980MPa,延伸率δ≥16.6%,收缩率Ψ≥
31.5%,冲击功Akv≥35J,600℃(工作温度)下压缩强度≥500MPa。在工作温度不高于500℃
的前提下(如铝合金锻件成形用的锻模,型腔表层温度最高只有400℃左右),可考虑选用同
种软质材料,即普通软质材料E。温度高时(难变形材料,如钛合金、高温合金等,型腔表层温
度能够达到600‑700℃),如果强化层沟槽仍然填充普通软质材料,会迅速压塌变形,这是比
裂纹更严重的失效,所以本发明对强化层沟槽填充的耐高温软质材料F进行了上述要求。
强度≥550MPa,σb抗拉强度≥760MPa,δ延伸率≥14.7%,ψ收缩率≥31.2%,硬度30~
35HRC;优选夹心层B的δ延伸率为14.7%~20%,ψ收缩率为31.2%~36%,σs屈服强度为
550~570MPA。过渡层C力学性能指标:σs屈服强度≥790MPa,σb抗拉强度≥1100MPa,δ延伸率
≥11.7%,ψ收缩率≥28.9%,硬度45~50HRC;强化层D力学性能指标:σs屈服强度≥
1000MPa,σb抗拉强度≥1400MPa,δ延伸率≥9.6%,ψ收缩率≥26.5%,硬度50~55HRC。上述
指标同样适合本申请。实际操作中,本发明所用夹心层材料硬度还可以大幅降低,降低到10
~30HRC,塑性指标基本不变,工作温度在500℃以下时夹心层可以与普通软质材料E一致;
经长期产业化试验,强化层材料实际改用钴基高温合金材料,常温下硬度适中(便于机加工
获得精确尺寸),而高温下具有强化效应能够保持良好的强度;各材料之间成分/组织过渡
良好,能够实现有效的冶金结合。
料层的上表层堆焊一层耐高温的相较普通软质材料较硬些的软质材料,从而设计了网状焊
缝坡口的梯度填充方法,并对相应的材料进行优选设计与匹配。
举了一种具体的锻模对应的制备方法,但是以下的各步骤对于不同形状和种类的锻模以及
各种锻模基体材料,均应视为是适合的。
缝坡口)位置设计;
先堆焊过渡层,然后构建过渡层沟槽,再对过渡层沟槽进行填充;再堆焊强化层,然后构建
强化层沟槽,再对强化层沟槽进行填充。本发明中沟槽(焊缝坡口)一般通过气刨方式构造。
结构和块状结构设计方法、网状结构化材料优选设计与匹配方法。
层出现裂纹的问题。
裂能力,提高锻模使用寿命;若应用于成形温度低于500℃材料成形用大型锻模的制备,网
格状的焊缝坡口可采用单一普通软质材料,同样能够显著提高锻模使用寿命。
利用,可实现资源的节约和材料的循环使用,符合国家绿色制造的要求。以下为一个废旧模
具修复再造实施例。
并去除型腔表层裂纹,预留堆焊余量30mm;
量;
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。