一種功能梯度熱鍛模及其制造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱鍛模加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功能梯度熱鍛模及其制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]熱鍛模的工作環(huán)境非常嚴(yán)酷，由于受到周期性的熱負荷和機械負荷的沖擊，導(dǎo)致熱鍛模過早的實效，其壽命非常短，成產(chǎn)成本高。熱鍛模在以下兩個因素的共同作用下失效的:一是高溫導(dǎo)致的模具表面機械性能下降，另一個是交變的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，其中，熱應(yīng)力是機械應(yīng)力的10倍，其起著主要作用。因此，要提高熱鍛模的壽命，必須提高熱鍛模的高溫強度、高溫疲勞強度、高溫韌性、高溫耐磨性，同時還要降低熱鍛模工作時的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。
[0003]雖然通過熱處理及表面處理的方法可以提高模具表面的高溫性能，但是目前的技術(shù)要么性能的提高幅度不大，而且制造工藝復(fù)雜，耗費大量的人力物力，且熱鍛模的工作壽命延長有限。如申請?zhí)枮?00510019961.8的專利申請中公開了一種熱鍛模，主要由基體部分、過渡層部分和模膛表面覆層組成。模膛表面覆層為純陶瓷層構(gòu)成，制造難度很大；采用噴焊工藝制造過渡層部分和模膛表面覆層，對帶有圓弧部分的模膛很難通過噴焊工藝實現(xiàn)，同時噴焊后各層的表面很不平滑，需要花費大量的人工進行打磨；模膛表面覆層的只有一層，模膛表面覆層(陶瓷層)和過渡層(金屬層)間的結(jié)合強度差，同時從金屬層到陶瓷層是突然過渡，這使材料的性能(彈性模量、熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)等)跨度大，模膛表面覆層抗剝離性能差。
[0004]熱鍛模的使用壽命短，嚴(yán)重制約著模具業(yè)的發(fā)展以及企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。因此，有必要對現(xiàn)有技術(shù)進行改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用壽命長的功能梯度熱鍛模及其制造工藝。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種功能梯度熱鍛模，包括基體部分、連接部分和模膛功能梯度層部分，所述基體部分體積占90?99%，基體部分采用中耐熱韌性的熱作模具鋼H13;所述連接部分為位于基體部分與模膛功能梯度層部分之間的過渡區(qū)域，連接部分采用合金材料；所述模膛功能梯度層部分采用以SiC與合金復(fù)合的金屬陶瓷材料；所述合金為镲合金或鈷合金。
[0007]按上述方案，所述連接部分由合金粉末噴涂而成。
[0008]按上述方案，所述模膛功能梯度層部分由SiC粉末與合金粉末混合噴涂而成。
[0009]按上述方案，與連接部分所采用的合金材料相對應(yīng)，SiC粉末表面鍍有Ni膜或Co膜。
[0010]按上述方案，所述模膛功能梯度層部分根據(jù)其厚度分層。
[0011]按上述方案，從連接部分到模膛表面，模膛功能梯度層部分的合金粉末所占的質(zhì)量分數(shù)逐層呈階梯式減小，SiC粉末所占的質(zhì)量分數(shù)逐層呈階梯式增加。
[0012]按上述方案，所述模膛功能梯度層部分分為10層，從連接部分至模膛表面依次為第一層至第十層，第一層至第十層中，合金粉末與SiC粉末的質(zhì)量比依次分別為95:5、90:10、85:15、80:20、75:25、70:30、65:35、60:40、55:45、50:50。
[0013]一種如上所述的功能梯度熱鍛模的制造工藝，包括以下幾個步驟:
步驟一，根據(jù)具體的鍛件，設(shè)計出鍛模工藝與模具圖；
步驟二，根據(jù)第一歩的設(shè)計結(jié)果，用有限元專業(yè)軟件對模鍛成形過程進行連續(xù)仿真分析，獲得鍛模在熱平衡時的溫度場和應(yīng)力場；鍛模某點應(yīng)力與熱作模具鋼H13在該點溫度下的熱疲勞強度相對應(yīng)，則該點為失效臨界點，鍛模的所有失效臨界點形成失效曲面，失效曲面與模膛表面之間的區(qū)域為失效區(qū)域；為了便于制造，將失效曲線中離模膛表面距離最遠的點作為整個鍛模的失效臨界點，該點到模膛表面的距離為失效深度；
步驟三，將鍛模在空間上分為基體部分、連接部分和模膛功能梯度層部分，模膛功能梯度層部分的厚度等于鍛模的失效深度；連接部分和基體部分的總厚度等于模膛深度減去失效深度；其中，連接部分介于基體部分和模膛功能梯度層部分之間；作出整副模具的工程圖；
步驟四，確定基體部分、連接部分和模膛功能梯度層部分的材料:基體部分采用中耐熱韌性熱作模具鋼H13 ;連接部分采用鎳合金或鈷合金:模膛功能梯度層部分對應(yīng)采用SiC粉末與鎳合金或鈷合金粉末混合，SiC粉末的表面對應(yīng)鍍有Ni膜或Co膜；將模膛功能梯度層部分分層，從連接部分到模膛表面，模膛功能梯度層部分中合金粉末所占的質(zhì)量分數(shù)逐層呈階梯式減少，SiC粉末所占的質(zhì)量分數(shù)逐層呈階梯式增加；
步驟五，用常規(guī)方法加工制作鍛?；w部分；
步驟六，在鍛模基體部分上噴涂連接部分；
步驟七，在連接部分上制造模膛功能梯度層部分，采用噴涂的方式逐層噴涂混合的合金粉末和表面鍍有Ni膜或Co膜的SiC粉末，每疊加一層，合金粉末的質(zhì)量分數(shù)減少；每疊加一層，鍛模均符合相應(yīng)工程圖的形狀和尺寸，得鍛模毛坯；
步驟八，將鍛模毛坯放入熱等靜壓設(shè)備進行熱等靜壓處理；
步驟九，對熱等靜壓處理后的鍛模表面進行打磨拋光處理，直至符合粗糙度要求為止。
[0014]按上述方案，在所述的步驟四中，模膛功能梯度層部分的分層由失效深度確定，失效深度越大，層數(shù)越多。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明的模膛功能梯度層部分采用SiC與鎳合金或鈷合金復(fù)合的金屬陶瓷材料，選擇SiC作為模膛梯度層部分的陶瓷組分，由于其為非金屬碳化物，高溫性能好，提高了材料的抵抗失效的能力，熱膨脹系數(shù)小，受熱后產(chǎn)生的熱應(yīng)力?。煌瑫r，連接部分對應(yīng)采用的鎳合金或鈷合金使基體部分和模膛功能梯度層部分連接更緊密，熱鍛模的強度更高。
[0016]2、模膛功能梯度層部分作為熱鍛模的主要受力部分，采用的金屬陶瓷材料其中SiC粉末表面鍍有Ni膜或Co膜，由于鎳合金和鈷合金均是自熔合金，SiC粉表面的Ni膜或Co增強了 SiC粉與合金粉末的浸潤性，促進了模膛功能梯度層部分的合金粉末與SiC粉末的融合，提高了金屬陶瓷的強度和質(zhì)量，克服了模膛功能梯度層部分的性能缺陷，有效延長了熱鍛模的使用壽命。
[0017]3、連接部分和模膛功能梯度層部分均采用噴涂的方式預(yù)加工，加工表面平滑，符合模膛表面外形，克服了采用傳統(tǒng)方式如等離子噴焊和激光熔覆處理技術(shù)等引起的一系列缺陷，如加工表面不平滑、表面金屬陶瓷材料難以實現(xiàn)金屬和陶瓷組分呈連續(xù)梯度變化、不能有效處理非平面等等。
[0018]4、采用熱等靜壓技術(shù)，促進了功能梯度熱鍛模噴涂材料的結(jié)合，實現(xiàn)了模膛表面的致密化。
[0019]5、采用有限元軟件繪制出熱鍛模的失效區(qū)域，為設(shè)計使用壽命更長的熱鍛模提供了理論基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中:1、基體部分；2、連接部分；3、模膛功能梯度層部分。
【具體實施方式】
[0022]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步地解釋說明。
[0023]如圖1所示的一種功能梯度熱鍛模，包括基體部分1、連接部分2和模膛功能梯度層部分3，基體部分I的體積占90?99%，基體部分I采用中耐熱韌性的熱作模具鋼H13 ；連接部分2為位于基體部分I與模膛功能梯度層部分3之間的過渡區(qū)域，連接部分2采用合金材料；模膛功能梯度層部分3采用以SiC與合金復(fù)合的金屬陶瓷材料；所述合金為鎳合金或鈷合金。
[0024]優(yōu)選地，連接部分2由合金粉末噴涂而成；模膛功能梯度層部分3由SiC粉末與合金粉末混合噴涂而成；與連接部分2所采用的合金材料相對應(yīng)，SiC粉末表面鍍有Ni膜或Co膜。
[0025]優(yōu)選地，模膛功能梯度層部分3根據(jù)其厚度分層。
[0026]優(yōu)選地，從連接部分2到模膛表面，模膛功能梯度層部分3的合金粉末所占的質(zhì)量分數(shù)逐層呈階梯式減小，SiC粉末所占的質(zhì)量分數(shù)逐層呈階梯式增加。
[0027]優(yōu)選地，模膛功能梯度層部分3分為10層，從連接部分2至模膛表面依次為第一層至第十層，第一層至第十層中，合金粉末與SiC粉末的質(zhì)量比依次分別為95:5、90:10、85:15、80:20、75:25、7