本發(fā)明涉及熱鍛模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模及其制備方法。

背景技術(shù)：

熱鍛模的工作條件是十分惡劣的，它要承受高溫、高壓以及熱態(tài)金屬坯料在模具型腔表面劇烈流動(dòng)所造成的劇烈摩擦，導(dǎo)致模具表面產(chǎn)生龜裂損傷和熱磨損，促使熱鍛模失效，因而熱鍛模壽命低?，F(xiàn)有技術(shù)采用溫度分布區(qū)間來(lái)確定模具各層材料。但是這種結(jié)構(gòu)，在具有沖擊載荷設(shè)備（例如機(jī)械壓力機(jī)、鍛錘等）的作用下，在熱鍛模近表層存在低硬度區(qū)，形成類似“豆腐渣”狀的破壞，無(wú)法有效地支撐堆焊覆層，因此通過(guò)溫度梯度設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料熱鍛模，在具有沖擊性載荷的熱鍛設(shè)備的作用下效果欠佳，其模具壽命難以有效延長(zhǎng)。

另外，在金屬塑性加工過(guò)程中，為防止模具與坯料粘模與卡模，提高產(chǎn)品精度，延長(zhǎng)模具壽命會(huì)使用潤(rùn)滑劑。然而，潤(rùn)滑劑的使用會(huì)造成污染環(huán)境，對(duì)環(huán)境友好的固體自潤(rùn)滑成為一種趨勢(shì)?，F(xiàn)有模具固體自潤(rùn)滑技術(shù)一般采用熱噴涂制備的表面覆層，其厚度薄且結(jié)合強(qiáng)度有限。在高溫重載的循環(huán)沖擊作用下，容易造成熱鍛模涂層脫落和完整性破壞，從而加速失效。

采用整體模塊的熱鍛模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、加工成本較低，然而其缺點(diǎn)也很明顯。如h13鋼制成整體模塊，其紅硬性差、易磨損，局部發(fā)生磨損后需要全部更換，不僅造成能源浪費(fèi)，還會(huì)增加生產(chǎn)成本。

機(jī)械壓力機(jī)（例如熱模鍛壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)等）是現(xiàn)在普遍使用的熱鍛裝備之一，由于沖擊載荷使得模具近表層破壞而引起表層硬質(zhì)部位失效，不得不整體更換，模具壽命難以得到提升；此外潤(rùn)滑劑的使用及其后處理會(huì)污染環(huán)境，破壞生態(tài)圈。

綜上，現(xiàn)有熱鍛模設(shè)計(jì)與制造存在以下不足：1、均質(zhì)的熱鍛模以及梯度熱鍛模均存在設(shè)計(jì)方法上的不足；2、使用潤(rùn)滑劑作為潤(rùn)滑方式不僅生產(chǎn)成本提高還污染環(huán)境，而熱噴涂涂層的自潤(rùn)滑方式則存在涂層結(jié)合強(qiáng)度不足，尤其是在沖擊性的熱力載荷作用下容易加速破壞；3、整體模塊其經(jīng)濟(jì)性不高，易浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模及其制備方法，旨在提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大幅度提高整體壽命，同時(shí)避免或減少了潤(rùn)滑劑對(duì)環(huán)境的污染，促進(jìn)鍛造工藝的可持續(xù)發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模，包括模套和模芯，所述模芯包括依次設(shè)置的基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層以及自潤(rùn)滑層，其中，

所述基體采用h11鋼或h13鋼制成；

所述支撐層采用奧氏體耐熱鋼制成，所述支撐層通過(guò)堆焊的方式焊在基體之上；

所述強(qiáng)化隔熱層為金屬陶瓷材料制成，所述強(qiáng)化隔熱層通過(guò)等離子粉末噴焊在支撐層之上；

所述自潤(rùn)滑層采用粘接相、硬質(zhì)相以及潤(rùn)滑相組成的自潤(rùn)滑材料以粉末冶金的方式燒結(jié)在模腔表面。

優(yōu)選地，所述粘接相為ni、mo和al的混合物，所述硬質(zhì)相為cr2o3，所述潤(rùn)滑相為caf2和baf2的混合物。

優(yōu)選地，所述粘接相的質(zhì)量百分比為60-75%，硬質(zhì)相的質(zhì)量百分比為15-20%，潤(rùn)滑相的質(zhì)量百分比為5-25%。

優(yōu)選地，所述奧氏體耐熱鋼為crl7nil2mo2或0crl8nil0ti。

優(yōu)選地，所述金屬陶瓷材料為自熔合金粉末和wc、crc或al3o2三者中一種。

優(yōu)選地，所述自熔合金粉末為鈷基或者鎳基的自熔合金粉末。

優(yōu)選地，所述金屬陶瓷材料中wc、crc或al3o2的質(zhì)量百分比為10-35%。

優(yōu)選地，所述支撐層層厚為4-12mm；所述強(qiáng)化隔熱層層厚為2-4mm；所述自潤(rùn)滑層層厚為2-4mm。

本發(fā)明進(jìn)一步提出一種基于上述的自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模的制備方法，包括以下步驟：

通過(guò)有限元軟件對(duì)模具在連續(xù)工作條件下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行熱力耦合仿真分析，將應(yīng)力場(chǎng)中的等壓力線進(jìn)行劃分，結(jié)合熱模鍛工藝要求，確定模芯的基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層以及自潤(rùn)滑層的厚度；

確定基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層與自潤(rùn)滑層選用的材料以及各自采用的加工工藝；

根據(jù)確定出模芯的各層厚度及加工工藝加工模芯。

優(yōu)選地，所述根據(jù)確定出模芯的各層厚度及加工工藝加工模芯的步驟具體包括：

制造模芯的基體并進(jìn)行熱處理以及表面處理

在基體表面堆焊形成支撐層；

采用等離子粉末噴焊方法在支撐層表面形成強(qiáng)化隔熱層；

在強(qiáng)化隔熱層表面采用粉末冶金的方法，燒結(jié)制成自潤(rùn)滑層以獲得模芯毛坯；

對(duì)模芯毛坯進(jìn)行打磨以滿足粗糙度要求。

本發(fā)明提出的自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模，模芯包括基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層與自潤(rùn)滑層，支撐層采用耐高溫?zé)釓?qiáng)結(jié)構(gòu)材料來(lái)加強(qiáng)熱鍛模易損傷部位的強(qiáng)度；強(qiáng)化隔熱層采用高紅硬性材料與隔熱材料等離子粉末噴焊制備金屬基陶瓷，具有增強(qiáng)模具表層與近表層高溫強(qiáng)度與減少熱量向模具基體傳遞的作用；自潤(rùn)滑層則采用高溫自潤(rùn)滑材料，減少生產(chǎn)成本，改善環(huán)境，同時(shí)保證了結(jié)合強(qiáng)度。以上所述熱鍛模使每種材料在各自的工作條件下發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免使用潤(rùn)滑劑，顯著增強(qiáng)了模具強(qiáng)度，改善了生產(chǎn)環(huán)境，有效提高了使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模中模芯的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1-模套，2-模芯，3-基體，4-支撐層，5-強(qiáng)化隔熱層，6-自潤(rùn)滑層。

本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明的描述中，術(shù)語(yǔ)“橫向”、“縱向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，并不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

本發(fā)明提出一種自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模。

參照?qǐng)D1至圖3，本實(shí)施例中，一種自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模，包括模套1和異質(zhì)材料的模芯2，模芯2包括依次設(shè)置的基體3、支撐層4、強(qiáng)化隔熱層5以及自潤(rùn)滑層6，其中，

基體3采用h11鋼或h13鋼制成；

支撐層4采用奧氏體耐熱鋼制成，支撐層4通過(guò)堆焊的方式焊在基體3之上；

強(qiáng)化隔熱層5采用金屬陶瓷材料制成，強(qiáng)化隔熱層5通過(guò)等離子粉末噴焊在支撐層4之上；

自潤(rùn)滑層6為粘接相、硬質(zhì)相以及潤(rùn)滑相組成的自潤(rùn)滑材料以粉末冶金的方式燒結(jié)在模腔表面。

在保證強(qiáng)度的前提下，模套1選用成本較低的40cr、42crmo等優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)選用40cr時(shí)，其成分為c（0.370%-0.440%）、si（0.170%-0.370%）、mn(0.500%-0.800%)、p（≤0.035%）、s（≤0.035%）、cr（0.800%-1.100%）、ni（≤0.030%）、cu（≤0.030%）。選用42crmo時(shí)，其成分為c（0.380%-0.450%）、si（0.170%-0.370%）、mn(0.500%-0.800%)、p（≤0.035%）、s（≤0.035%）、cr（0.900%-1.200%）、ni（≤0.030%）、cu（≤0.030%）、mo（0.150%-0.250%）。

模芯2的基體3占模芯2體積的80%以上，采用的材料為h11或h13鋼，其性價(jià)比較高。h13鋼牌號(hào)為4cr5mosiv1,成分為：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（≤0.030%）、p（≤0.030%）。

支撐層4采用奧氏體耐熱鋼制成，其韌性較好，使用堆焊的方式焊在基體3之上，既能保證焊層之間的結(jié)合強(qiáng)度又能起到支撐強(qiáng)化作用。奧氏體耐熱鋼可以為crl7nil2mo2或0crl8nil0ti。其中crl7nil2mo2的成分為c(≤0.08%)、si(≤1.00%)、mn(≤2.00%)、p(≤0.035%)、s(≤0.03%)、ni（10%-14%）、cr（16%-18%）、mo（2%-3%）。如ocrl8niloti，其成分為c(≤0.08%)、si(≤1.00%)、mn(≤2.00%)、p(≤0.035%)、s(≤0.03%)、ni（9%-12%）、cr（17%-19%）、ti（≥0.4%）。

金屬陶瓷材料為自熔合金粉末和wc、crc或al3o2三者中一種。自熔合金粉末為鈷基或者鎳基的自熔合金粉末。即強(qiáng)化隔熱層5為一定比例的鈷基或者鎳基的自熔合金粉末和wc、crc或al3o2粉末混合制備而成的金屬基陶瓷材料，通過(guò)等離子粉末噴焊在支撐層4之上，在保證強(qiáng)度的前提下起到隔熱的作用。加入鎳基或者鈷基自熔合金粉末可增強(qiáng)模具表面的耐磨性，wc、crc或al3o2是起隔熱的作用，為了協(xié)調(diào)強(qiáng)度與隔熱而設(shè)定wc、crc或al3o2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%-35%。

自潤(rùn)滑層6中，粘接相為ni、mo和al的混合物（本實(shí)施例中為80%ni、15%mo、5%al），硬質(zhì)相為cr2o3，潤(rùn)滑相為caf2和baf2的混合物（45%caf2、55%baf2）。保障強(qiáng)度的硬質(zhì)相，其質(zhì)量百分比為15-20%。為了在保障強(qiáng)度的同時(shí)還有比較好的潤(rùn)滑效果，設(shè)定潤(rùn)滑相的質(zhì)量百分比為5-25%。連結(jié)硬質(zhì)相與潤(rùn)滑相的粘接相，其質(zhì)量百分比為60-75%。自潤(rùn)滑層6采用高溫自潤(rùn)滑材料以粉末冶金的方式，燒結(jié)在模腔表面，一方面減少潤(rùn)滑劑的使用，另一方面解決了因熱噴涂涂層的自潤(rùn)滑方式則存在涂層結(jié)合強(qiáng)度不足的情況。

支撐層4層厚為4-12mm；強(qiáng)化隔熱層5層厚為2-4mm；自潤(rùn)滑層6層厚為2-4mm。厚的覆層能提高各層之間的結(jié)合力及模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

本實(shí)施例給出一自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模的具體加工過(guò)程，如下所示。

1、根據(jù)熱鍛模工藝與模具圖，用有限元軟件deform對(duì)熱鍛過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)模具在連續(xù)工作的條件下的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，將應(yīng)力場(chǎng)中的等壓力線按50-100mpa劃分，確定支撐層4的層厚為8mm；

2、根據(jù)上一步的分析結(jié)果，結(jié)合熱模鍛工藝要求，將熱鍛模分為四個(gè)部分（基體3、支撐層4、強(qiáng)化隔熱層5和自潤(rùn)滑層6）。由支撐層4層厚8mm，確定強(qiáng)化隔熱層5的層厚為3mm，自潤(rùn)滑層的層厚為3mm。并繪制出模具圖，即基體3分別疊加支撐層4、強(qiáng)化隔熱層5與自潤(rùn)滑層6的工程圖；

3、確定基體3、支撐層4、強(qiáng)化隔熱層5與自潤(rùn)滑層6各層的材料以及加工工藝，其中，基體3選用材料為h11鋼，支撐層4采用具有韌性較好的耐熱鋼0cr25ni20，用堆焊的方式焊在基體3部分3之上；強(qiáng)化隔熱層5采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的鈷基自熔合金粉末和質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的crc粉末混合制備而成的金屬陶瓷材料，通過(guò)等離子粉末噴焊在支撐層之上；自潤(rùn)滑層6的組分為70%（80%ni、15%mo、5%al）、20%cr2o3、10%(45%caf2、55%baf2)，以粉末冶金的方式燒結(jié)制備；

4、用常規(guī)的方式分別制作模套1和模芯2的基體3，模芯2呈塊狀，模套1上開(kāi)有凹陷的模芯安裝座，分別對(duì)模芯2和模套1進(jìn)行熱處理和表面處理，并使模芯2的外形與模芯安裝座的形狀相匹配，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)好模腔形狀，在模芯2上加工出凹陷的模腔；

5、用堆焊的方法在基體3表面堆焊支撐層4，然后進(jìn)行熱處理；接著等離子噴焊形成強(qiáng)化隔熱層5，緩冷，并對(duì)模具毛坯的型腔表面進(jìn)行打磨處理，直至滿足一定粗糙度的要求；最后在表面以粉末冶金的方式制備自潤(rùn)滑層6，獲得模芯2毛坯；

6、對(duì)初步產(chǎn)品進(jìn)行形狀和尺寸的修正，并進(jìn)行打磨以滿足一定的粗糙度要求，獲得最終產(chǎn)品；

7、將模芯2裝入模套1的模芯安裝座，并使模芯2的模腔朝向模芯安裝座的外側(cè)，即制得具有多材料屬性的自潤(rùn)滑異質(zhì)材熱鍛模具。

本實(shí)施例提出的自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模，模芯2包括基體3、支撐層4、強(qiáng)化隔熱層5與自潤(rùn)滑層6，支撐層4采用耐高溫?zé)釓?qiáng)結(jié)構(gòu)材料來(lái)加強(qiáng)熱鍛模易損傷部位的強(qiáng)度，從而避免該部位“豆腐渣”狀損傷的產(chǎn)生。強(qiáng)化隔熱層5采用高溫自熔性合金與隔熱材料等離子粉末噴焊制備金屬基陶瓷，具有增強(qiáng)模具表層與近表層高溫強(qiáng)度與減少熱量向基體3傳遞的作用；自潤(rùn)滑層6則采用高溫自潤(rùn)滑材料，改善環(huán)境，同時(shí)保證了結(jié)合強(qiáng)度。以上所述熱鍛模使每種材料在各自的工作條件下發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免使用潤(rùn)滑劑，顯著增強(qiáng)了模具強(qiáng)度，有效提高了使用壽命，改善了潤(rùn)滑劑對(duì)環(huán)境的破壞。

本發(fā)明進(jìn)一步提出一種自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模的制備方法。

本優(yōu)選實(shí)施例中，一種基于上述的自潤(rùn)滑異質(zhì)材料復(fù)合結(jié)構(gòu)熱鍛模的制備方法，包括以下步驟：

通過(guò)有限元軟件對(duì)模具在連續(xù)工作條件下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行熱力耦合仿真分析，將應(yīng)力場(chǎng)中的等壓力線進(jìn)行劃分，結(jié)合熱鍛工藝要求，確定模芯的基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層以及自潤(rùn)滑層的厚度；

確定基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層與自潤(rùn)滑層選用的材料以及各自采用的加工工藝；

根據(jù)確定出模芯的各層厚度及加工工藝加工模芯。

具體地，所述根據(jù)確定出模芯的各層厚度及加工工藝加工模芯的步驟具體包括：

制造模芯的基體并進(jìn)行熱處理以及表面處理

在基體表面堆焊形成支撐層；

采用粉末等離子噴焊的方法在支撐層表面形成強(qiáng)化隔熱層；

在強(qiáng)化隔熱層表面采用粉末冶金的方法，燒結(jié)制成自潤(rùn)滑層以獲得模芯毛坯；

對(duì)模芯毛坯進(jìn)行打磨以滿足粗糙度要求。

具體地，應(yīng)力場(chǎng)中的等壓力線按50-100mpa劃分，確定支撐層的層厚為8mm，強(qiáng)化隔熱層的層厚為3mm，自潤(rùn)滑層層厚為3mm。

通過(guò)表面覆層技術(shù)以及基于溫度梯度設(shè)計(jì)制造的熱鍛模，在具有沖擊性載荷的熱鍛設(shè)備作用下效果欠佳，其模具壽命難以有效延長(zhǎng)。而本實(shí)施例中，對(duì)基體、支撐層、強(qiáng)化隔熱層與自潤(rùn)滑層進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與劃分，避免或減少潤(rùn)滑劑的使用,提高了本熱鍛模的使用壽命，改善了鍛造生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的破壞。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。