CN108213304A

CN108213304A - 一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法

Info

Publication number: CN108213304A
Application number: CN201810063775.1A
Authority: CN
Inventors: 夏玉峰; 张建生; 周杰; 刘杰; 丁蓉蓉
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: CHONGQING DAJIANG JIEXIN FORGING Co Ltd; CHONGQING JIEPIN TECHNOLOGY Co Ltd; Chongqing University
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: CN108213304B

Abstract

本发明公开了一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法，在模具基体上依次形成有过渡层、强化层和皮肤层，过渡层和强化层共同作为骨头层以起结构支撑作用，皮肤层作为与锻件接触的模具型腔表层并在高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能；常温下，模具基体、过渡层和强化层强度硬度依次递增，皮肤层强度硬度小于强化层，在热锻工况（650℃以上）下皮肤层强度硬度无明显下降。所述皮肤层为钴基或镍基高温合金焊材。本模具有效减少了表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，同时又有效提高大型锻模在高温重载工况下的使用性能，具有良好的高温耐磨损、抗变形作用。

Description

一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法

技术领域

本发明涉及大型热锻模具，具体涉及一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其多材料增材制造方法，属于模具技术领域。

背景技术

随着我国航空航天、核电、石化等国家战略需求领域的迅速发展，对大型化、整体化、精密化的高性能关键构件的需求日益增加。我国机械行业的重大标志性成果，世界最大模锻液压机（800MN模锻压机）应运而生。该压机投入使用以来，在国家重点领域大型关键构件的锻造成形过程中发挥了不可替代的作用，锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等。其使用的超大型锻造模具不仅面临着重量大（单套重量高达50～100吨）、制造成本高（单套成本高达400~500万元）、制造周期长等问题，而且按照传统方法制造的超大型锻模由于锻压工步持续时间长（部分难变形材料锻件成形时间≥2 min），在高温重载工况下模具发生表面开裂、剧烈塑性变形、磨损失效等问题，寿命极低。

为解决大型锻模制造成本高的问题，本团队曾提出名称为“一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法”（专利号为ZL 200910104604X）的发明专利申请。该申请利用铸钢作为锻模基体，形成波浪形基体表面，并通过在基体层上进行双层金属堆焊，再回火去应力，模具最后机加工成型。实际应用表明，该方法应用于铝合金锻件用锻模可降低制造成本15-30%以上，提高模具使用寿命3倍以上。为解决难变形材料成形时模具寿命极低的问题，基于上述专利申请，本团队又提出了名称为“一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法”（专利号为ZL 2015101716564）的发明专利申请。该夹心层制造新方法，在高压下允许“夹心层”发生较大弹性变形，将模具型腔下面的集中峰值应力迅速扩散衰减，并以近似均匀分布应力（原为楔形分布）传递到铸钢基体层上，从而使铸钢基体所受的最大应力减低，铸钢基体在承压时更加安全。该方法有效的保护了铸钢基体，避免了峰值应力直接导致铸钢基体产生断裂失效的问题。在实际使用过程中，成功锻造出合格的飞机吊尾框钛合金锻件，铸钢基体未发现任何变形及裂纹，完好无损。

然而又出现了新的问题，按照硬度梯度增加的思路，锻模表面硬度可达到HRC50以上，高硬度不仅导致机加工困难，也容易引起表层裂纹。同时，由于难变形材料成形温度更高、锻压工步持续时间更长等原因，原有模具表层硬度在锻压1-2件结束后明显降低约HRC10度以上，持续使用过程中易产生较大的塑性变形。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，即按照各层硬度梯度一直增加思路制造的锻模在高温高压下表层易变形和开裂且存在加工困难的问题，本发明的目的在于提出一种拳头式仿生结构大型热锻模具及其制造方法，本模具有效减少了表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，同时又有效提高大型锻模在高温重载工况下的使用性能，具有良好的高温耐磨损、抗变形作用。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种拳头式仿生结构大型热锻模具，包括模具基体，在模具基体上依次形成有过渡层、强化层和皮肤层，过渡层和强化层共同作为骨头层以起结构支撑作用，皮肤层作为与锻件接触的模具型腔表层并在高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能；常温下，模具基体、过渡层和强化层强度硬度依次递增，皮肤层强度硬度小于强化层，在热锻工况下皮肤层强度硬度无明显下降。并且，皮肤层材料在经历多次工艺循环后，常温测试硬度往往还有所上升。

所述模具基体硬度为27.4HRC；过渡层硬度约为HRC 35；强化层硬度在HRC 50以上；皮肤层硬度为HRC 30-35。

所述过渡层厚度为20-50 mm；强化层厚度为20-35 mm；皮肤层厚度为10-15 mm。

所述模具基体采用铸造模具钢材料铸造成形；过渡层和强化层为Cr-Mo-Ni-W-V系多元复合强化铁基材料。所述皮肤层具体为钴基或镍基高温合金焊材。

上述拳头式仿生结构大型热锻模具的制造方法，包括如下步骤：

1）根据需要加工的具体锻件设计出整体均质模具，再采用软件进行数值模拟，得到整体均质模具在工况下的温度场、应力场和载荷分布；

2）分别确定模具基体、过渡层、强化层和皮肤层的分布范围；

2.1）确定模具基体的分布：以待采用的模具基体材料在工况条件下的性能参数为基础，结合规定的安全系数后，由各截面失效临界点拟合出等寿命曲线，进而获得整体均质模具失效区域，该区域以下为模具基体；

2.2）确定过渡层的分布：以待采用的过渡层材料在工况条件下的性能参数为基础，结合规定的安全系数后，由各截面失效临界点拟合出等寿命曲线，进而获得整体均质模具失效区域，该区域以下到步骤2.1）确定的模具基体之间的区域为过渡层；

2.3）确定强化层的分布：以待采用的强化层材料在工况条件下的性能参数为基础，结合规定的安全系数后，由各截面失效临界点拟合出等寿命曲线，进而获得整体均质模具失效区域，该区域以下到步骤2.2）确定的过渡层之间的区域为强化层；

2.4）确定皮肤层的分布：根据强化层到模具型腔表层之间的厚度再结合适当的加工余量确定皮肤层的分布；

3）依据步骤2）确定的模具基体分布，采用预先确定好的模具基体材料浇注出模具基体；其中，工况条件下模具基体表面到模具型腔轮廓线之间预留堆焊余量50-100mm，用于后续堆焊过渡层、强化层和皮肤层；所述模具基体采用铸造模具钢JXZG 3材料浇注形成；所述JXZG 3的力学性能为：屈服强度σs=656MPa，抗拉度σb=850Mpa，热处理后硬度=27.4HRC，延伸率δ=16.2%，收缩率Ψ=25.7%，冲击功AKv=30.6J。

4）在步骤3）浇注好的模具基体上，沿预留堆焊区域，按预先确定好的材料堆焊过渡层；其中，过渡层表面到模具型腔轮廓线之间预留堆焊余量30-50mm，用于后续堆焊强化层和皮肤层；过渡层与模具基体组分接近，且过渡层材料强度硬度与塑韧性均衡，实现模具基体与强化层材料组分和机械性能的平稳过渡，有效提升多材料增材制造过程中的连接强度。

5）在步骤4）堆焊好过渡层的模具基体上，沿预留堆焊区域，按预先确定好的材料堆焊强化层；其中，强化层表面到模具型腔轮廓线之间预留堆焊余量10-15mm，用于后续堆焊皮肤层；该层焊材要求达到HRC 50以上，与过渡层通过冶金结合，形成仿生结构锻模的“骨头”，有效支撑整体结构在重载条件下不发生塑性变形。

6）在步骤5）堆焊好强化层的模具基体上，按预先确定好的材料堆焊皮肤层，皮肤层焊至模具型腔轮廓线上3-5 mm；该皮肤层材料常温下硬度较低（约HRC 30-35），但在650℃左右工况下强度硬度无明显下降。实际皮肤层为钴基或镍基高温合金焊材，在工况条件下通过碳化物强化和固溶强化，具有高温耐磨、抗变形特性。所述皮肤层材料：δ延伸率≥26.6%，ψ收缩率≥30.5%；高温650℃下压缩强度≥550MPa；与强化层结合强度≥750MPa，形成良好的冶金结合。

7）将步骤6）得到的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，空冷至室温。其中，回火温度为530~570℃，缓冷温度至160~180℃；为了防止第一类回火脆性的产生，采用了高温回火，即回火温度控制在530℃~570℃；为了防止第二类回火脆性的产生，采用了二次回火缓冷工艺；第二次缓冷后，将模具放置空气中进行空冷至室温。

8）对步骤7）空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸达到设计要求，最终得到所述仿生结构大型热锻模具。

作为优化，所述步骤3）中，需对浇注出的待焊铸钢模具基体进行在920℃淬火并在650℃回火的处理，并油冷至室温。这样，可消除残余铸态组织，又可使组织不致过热，避免得到退火组织，使其综合机械性能满足产品要求。

作为优化，步骤4）、5）和6）在堆焊之前，需对待焊模具进行表面清洁处理，三次堆焊完成后去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。其中所述表面清洁处理指清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺以及铸造缺陷。具体地说可用碳弧气刨去除缩孔，龟裂等铸造缺陷，再用风砂轮枪清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺等，清洁模具表面。

作为优化，在所述步骤4）、5）和6）中，在堆焊过程中间断性地敲击模具令其振动，振动频率为20～40次/分钟；这样可达到使熔敷金属延伸，防止氢脆，细化强化部位晶粒，圆滑棱角，减少应力集中，提高尺寸精度稳定性，消除堆焊表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制裂纹出现的目的。

作为进一步优化，步骤4）、5）和6）堆焊时需通入CO₂和Ar的混合气体进行保护，所述气体的体积比例为：Ar80%～90%，CO₂10%～20%。采取通入CO₂和Ar的混合气体，可保护熔池和熔滴，将它们与空气隔绝，防止焊缝产生气孔等缺陷。

作为再一步的优化，步骤4）、5）和6）堆焊前铸钢基体需预热至450～500℃，堆焊过程中模具温度需保持在300℃以上。实际作业中，一般要求连续堆焊作业，故实际预热一次就够了。这样，模具在堆焊时能保持一定温度，使熔敷金属与母材之间降低温度差的影响，避免从热影响区带来的种种缺陷。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过多材料梯度增材制造并形成冶金结合，最终获得拳头式仿生结构锻模。采用本发明得到的大型锻模，突破原有增材制造模具过程中强度硬度“低-中-高-更高”分布的设计思路，常温下强度硬度分布为“低-中-高-中”，有效减少了表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，但在工况高温条件下（650℃以上），皮肤层材料通过碳化物强化和固溶强化，使模具强度硬度分布为“低-中-高-较高”，有效提高大型锻模在高温重载工况下的使用性能。皮肤层材料在经历多次工艺循环后，硬度甚至有所上升。构成骨头层的过渡层和强化层为Cr-Mo-Ni-W-V系多元复合强化铁基材料，焊后组织主要由灰白色残余奥氏体，黑灰色板条状马氏体和弥散分布其中细小硬质相WC等组成，起到良好的结构支撑作用。本发明仿人体拳头结构，即骨头层和皮肤层的作用类似于人体拳头的骨骼和皮肤，所以叫拳头式仿生结构。

附图说明

图1-本发明拳头式仿生结构锻模某具体实施例结构示意图。

具体实施方式

本发明拳头式仿生结构大型热锻模具，包括模具基体、起结构支撑作用的骨头层和高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能的皮肤层。通过多材料梯度增材制造并形成冶金结合，最终获得仿生结构锻模。本发明的设计思想是将背景技术部分提到的“一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法”（专利号为ZL 200910104604X）制备的锻模（模具型腔表层硬度达到HRC50）作为“拳头”的“骨头”，可起到良好的结构支撑作用。进而通过电弧熔丝增材一层常温下强度硬度较低（HRC30-35左右）的材料（如钴基或镍基高温合金软材料）作为“拳头”的皮肤层，该层材料在650℃左右时强度硬度没有明显减低，可起到良好的高温耐磨损、抗变形作用。下面结合附图对本发明模具结构进行详细说明。

参见图1，从图上可以看出，本发明模具包括模具基体A，在模具基体A上依次形成有过渡层B、强化层C和皮肤层D，过渡层B和强化层C共同作为骨头层以起结构支撑作用，皮肤层D作为与锻件接触的模具型腔表层并在高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能；常温下，模具基体A、过渡层B和强化层C强度硬度依次递增，皮肤层D强度硬度小于强化层C，在热锻工况下（温度在650℃以上）皮肤层D强度硬度无明显下降，最终形成常温下强度硬度分布为“低-中-高-中”，而工况高温条件下强度硬度分布为“低-中-高-较高”的布局。

以上从整体思路上介绍了模具的结构特点及各层的要求。下面对各层的具体硬度强度要求、厚度要求及实际选用材料做进一步说明。

具体硬度说明，所述模具基体硬度为27.4HRC；过渡层硬度约为HRC35，强化层硬度在HRC 50以上；皮肤层硬度为HRC 30-35。

具体厚度说明，所述过渡层厚度为20-50 mm；强化层厚度为20-35 mm；皮肤层厚度为10-15 mm。

具体选材说明，模具基体采用铸造模具钢材料铸造成形；而过渡层和强化层则为Cr-Mo-Ni-W-V系多元复合强化铁基材料。所述皮肤层为钴基或镍基高温合金焊材，该皮肤层满足常温下强度硬度较低，但在650℃左右工况下强度硬度无明显下降的要求。

下面继续结合图1所示的模具结构对本发明制备方法进行详细说明，因本发明对现有技术作出创造性贡献的地方在于本发明方法的设计思路，而不是在于锻模形状和种类的选择，故本具体实施方式中只基于一种具体结构的锻模对本方法进行详细说明，但是本发明方法中的各步骤对于不同形状和种类的锻模，均应视为是适合的。

上述仿生结构大型热锻模具多材料增材制造方法，步骤如下：

1）以具体锻件为基础，设计出整体均质模具，采用Deform-3D平台进行数值模拟，得到整体均质模具在工况下的温度场、应力场和载荷分布。

2）以G35CrNiMo（也可以采用G35CrNiMo改良后的型号JXZG 3）在工况条件下的性能参数为基础，查阅手册选择安全系数=1.4后，由各截面失效临界点拟合出等寿命曲线，进而获得新型铸造模具钢失效区域，该区域以上至型腔表面处为骨头层和皮肤层。按上述方法依次确认骨头层(第一层采用CD124或者CD248，也可以采用改良后的型号JXGD 09；第二层采用CD650或者CD650E，也可以采用改良后的型号JXQH 20)和皮肤层（JXCo 22）分布范围，实现大型锻模的结构划分和功能层材料优选。

3）依据步骤2）结构模型，采用新型铸造模具钢JXZG 3材料浇注出模具基体。采用普通浇注工艺，模具型腔部位呈半圆弧形状，预留加工余量；浇注出的铸钢基体在920℃淬火并在650℃回火处理后，油冷至室温，以提高其力学性能。其中，工况条件下新型铸造模具钢失效区域以上部位预留堆焊余量80mm。所述JXZG 3的力学性能为：屈服强度σs=656MPa，抗拉度σb=850Mpa，热处理后硬度=27.4HRC，延伸率δ=16.2%，收缩率Ψ=25.7%，冲击功AKv=30.6J。

4）在步骤3）浇注好的待焊铸钢基体上，沿预留堆焊区域，堆焊与新型铸造模具钢组分接近的JXGD 09作为骨头层第一层（即过渡层），焊至模具型腔轮廓线下约35mm。过渡层材料强度硬度与塑韧性均衡，实现铸钢基体与骨头层第二层（即强化层）JXQH 20材料实现组分和机械性能的平稳过渡，有效提升多材料增材制造过程中的连接强度；

5）在步骤4）焊好过渡层的铸钢基体上，沿预设形状，堆焊强度和硬度较高的骨头层第二层JXQH 20焊材材料，并继续焊至模具型腔轮廓线下约12mm。该层焊材硬度要求在HRC 50以上（实际为HRC 52左右），与骨头层第一层通过冶金结合，形成仿生结构锻模的骨头，有效支撑整体结构在重载条件下不发生塑性变形。

6）在步骤5）焊好骨头层的模具上，堆焊高温耐磨、抗变形的皮肤层钴基高温合金焊材JXCo 22，焊至型腔轮廓线上约5 mm。所述皮肤层JXCo 22材料：δ延伸率=27.6%，ψ收缩率=36.1%；高温650℃下压缩强度=605MPa；与骨头层结合强度=988MPa，与骨头层形成良好的冶金结合。

本发明四层材料不局限于上述具体型号，在满足常温下强度硬度分布为“低-中-高-中”，而工况高温条件下强度硬度分布为“低-中-高-较高”的原则下可以选择现有所有适合的材料类型或者改进类型。

7）将三次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，进行空冷至室温。其中，回火温度为550℃，缓冷温度至180℃。

8）对步骤7）空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位，最终得到仿生结构大型锻模。这是因为缓冷至180℃以下后，组织及性能基本稳定，可在空气中冷却至室温。

在具体实施时，在上述步骤4）的堆焊之前，需对待焊铸钢基体进行堆焊强化前处理，包括：

a. 模具表面清洁处理，清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺以及铸造缺陷；

b. 整体预热模具至450℃；

c. 保温材料包覆模具，将待堆焊的模具型腔暴露出来；过程温度≥300℃。

在步骤4)、5)和6)的堆焊过程中，需：

a. 采用自动CO₂、Ar混合气体（保护气体体积比例：Ar80%，CO₂20%）保护堆焊工艺。

b. 多材料增材制造过程分多层进行。堆焊上一层合金材料后，去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。

整个焊接过程中，若模具温度低于300℃，必须重新装炉预热；焊制过程中，边焊边用榔头用力敲击。

因为本发明对于现有技术作出创造性贡献的地方最主要的是在于仿生结构设计方法和制造步骤的本身，故在具体实施方式中，很多数据或数值是公布的优化值，并没有就每一个具体的数值范围均举出不同的数值进行说明。应该视作只要这些数值属于本发明说明书中所述数值范围，就能够实施本发明并实现发明目的，仅仅只是实施效果可能有些不同。

本发明改变了传统的硬度梯度上升的大型锻模增材制造思路，增材一层仿拳头皮肤功能的表层材料，减少了由于表面高硬度带来的表层裂纹、难于机加工等问题，锻模皮肤层高温下良好的机械性能可有效延长大型锻模使用寿命。

最后需要说明的是，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。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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

1.一种拳头式仿生结构大型热锻模具，包括模具基体，其特征在于：在模具基体上依次形成有过渡层、强化层和皮肤层，过渡层和强化层共同作为骨头层以起结构支撑作用，皮肤层作为与锻件接触的模具型腔表层并在高温重载条件下具备耐磨损、抗变形性能；常温下，模具基体、过渡层和强化层强度硬度依次递增，皮肤层强度硬度小于强化层，在热锻工况下皮肤层强度硬度无明显下降。

2.根据权利要求1所述的拳头式仿生结构大型热锻模具，其特征在于：所述模具基体硬度为HRC 27.4；过渡层硬度约为HRC 35；强化层硬度在HRC 50以上；皮肤层硬度为HRC 30-35。

3.根据权利要求1所述的拳头式仿生结构大型热锻模具，其特征在于：所述过渡层厚度为20-50 mm；强化层厚度为20-35 mm；皮肤层厚度为10-15 mm。

4.根据权利要求1所述的拳头式仿生结构大型热锻模具，其特征在于：所述模具基体采用铸造模具钢材料铸造成形；过渡层和强化层为Cr-Mo-Ni-W-V系多元复合强化铁基材料。

5.根据权利要求1所述的拳头式仿生结构大型热锻模具，其特征在于：所述皮肤层为钴基或镍基高温合金焊材。

6.权利要求1所述的拳头式仿生结构大型热锻模具的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据需要成形的具体锻件设计出整体均质模具，再采用软件进行数值模拟，得到整体均质模具在工况下的温度场、应力场和载荷分布；

2.1）确定模具基体的分布：以待采用的模具基体铸钢材料在工况条件下的性能参数为基础，结合规定的安全系数后，由各截面失效临界点拟合出等寿命曲线，进而获得整体均质模具失效区域，该区域以下为模具基体；

3）依据步骤2）确定的模具基体分布，采用预先确定好的模具基体材料浇注出模具基体；其中，工况条件下模具基体表面到模具型腔轮廓线之间预留堆焊余量50-100mm，用于后续堆焊过渡层、强化层和皮肤层；

4）在步骤3）浇注好的模具基体上，沿预留堆焊区域，按预先确定好的材料堆焊过渡层；其中，过渡层表面到模具型腔轮廓线之间预留堆焊余量30-50mm，用于后续堆焊强化层和皮肤层；

5）在步骤4）堆焊好过渡层的模具基体上，沿预留堆焊区域，按预先确定好的材料堆焊强化层；其中，强化层表面到模具型腔轮廓线之间预留堆焊余量10-15mm，用于后续堆焊皮肤层；

6）在步骤5）堆焊好强化层的模具基体上，按预先确定好的材料堆焊皮肤层，皮肤层焊至模具型腔轮廓线上3-5 mm；

7）将步骤6）得到的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，空冷至室温；

7.根据权利要求6所述的拳头式仿生结构大型热锻模具的制造方法，其特征在于：所述模具基体采用铸造模具钢JXZG 3材料浇注形成；所述JXZG 3的力学性能为：屈服强度σs=656MPa，抗拉度σb=850Mpa，热处理后硬度=27.4HRC，延伸率δ=16.2%，收缩率Ψ=25.7%，冲击功AKv=30.6J。

8.根据权利要求6所述的拳头式仿生结构大型热锻模具的制造方法，其特征在于：所述皮肤层材料为钴基或镍基高温合金焊材：δ延伸率≥26.6%，ψ收缩率≥30.5%；650℃下压缩强度≥550MPa；与强化层冶金结合，结合强度≥750MPa。

9.根据权利要求6所述的拳头式仿生结构大型热锻模具的制造方法，其特征在于：步骤4）、5）和6）堆焊前，需将模具基体预热至450～500℃，堆焊过程中模具基体温度需保持在300℃以上。

10.根据权利要求6所述的拳头式仿生结构大型热锻模具的制造方法，其特征在于：步骤4）、5）和6）堆焊时，均需通CO₂和Ar的混合气体进行保护，所述混合气体的体积比为：Ar80%～90%，CO₂10%～20%。