專利名稱：一種壓鑄模及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓鑄模及其制備方法，特別是涉及一種屬黑色或有色金屬鑄件生產(chǎn)所用的壓鑄模及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓鑄模的工作條件很惡劣，它承受高溫、高壓及周期性熱-機械負(fù)荷，要求壓鑄模材料具有良好的高溫強度、高溫韌性、高溫耐磨性及耐周期性熱負(fù)荷及機械負(fù)荷的疲勞性能?，F(xiàn)有的壓鑄模由壓鑄模鋼和模膛表面覆層組成，國內(nèi)外所用各種壓鑄模鋼均不能完全滿足壓鑄模的工作性能要求。尤其是高溫時的強硬性能指標(biāo)與韌性、耐疲勞性指標(biāo)，是一對矛盾的兩個方面，難以兼得。雖然采用不同的熱處理及表面強化處理，可以局部調(diào)和兩側(cè)面的對立性。但仍然不能完全滿足壓鑄模工作性能的要求。特別是黑色金屬的壓鑄，由于模具材料的制約，不能普遍推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有的壓鑄模使用壽命低，嚴(yán)重制約壓鑄模的技術(shù)水平和經(jīng)濟效益的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用壽命高的壓鑄模及其制備方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種壓鑄模，其特征在于它主要由基體部分1、過渡層部分2和模膛表面覆層3組成，基體部分1的體積占90-95％，基體部分1采用普通的壓鑄模5CrNiMo鋼或5CrMnMo鋼；過渡層部分2位于基體部分1與模膛表面覆層3之間，過渡層部分分為2-6層，按照從基體部分至模膛表面由低溫至高溫階梯變化選用各個過渡層的鋼質(zhì)材料；模膛表面覆層3的材料為WC或TiC；基體部分1、過渡層部分2的各層和模膛表面覆層3的材料各自均是均質(zhì)材料。
所述的過渡層部分2的各個過渡層的鋼質(zhì)材料為3Cr2W8V、W18Cr4V、H系鋼質(zhì)材料(如H13、H19、H21)、6W5Cr4V2鋼或鋼結(jié)硬質(zhì)合金等。
所述的過渡層部分2分為4層，第一過渡層的材料為H13，第二過渡層的材料為H19，第三過渡層的材料為6W5Cr4V2，第四過渡層的材料為鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
一種壓鑄模的制備方法，其特征在于包括如下步驟第一步，根據(jù)具體的鑄件，按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計出壓鑄模工藝與模具圖；第二步，根據(jù)第一步的設(shè)計結(jié)果，用有限元專業(yè)軟件對壓鑄成形過程進行仿真分析，根據(jù)壓鑄模的熱平衡確定壓鑄模平衡溫度；用有限元軟件對壓鑄模的溫度場、機械應(yīng)力場、熱應(yīng)力場及綜合應(yīng)力場進行仿真分析；溫度場中的等溫線按50-100℃劃分；第三步，將壓鑄模在空間上分為基體部分、過渡層部分和模膛表面覆層，基體部分的體積占90-95％，用溫度場中的等溫線將過渡層部分分為2-6層；并分別作出壓鑄?；w部分的工程圖，基體部分疊加一個過渡層時的工程圖，基體部分疊加二個過渡層時的工程圖……，基體部分疊加所有過渡層時的工程圖；第四步，確定基體部分、過渡層部分和模膛表面覆層的材料基體部分采用普通的壓鑄模5CrNiMo鋼或5CrMnMo鋼；過渡層部分根據(jù)各層的工作溫度變化幅度、具體溫度區(qū)間、溫度應(yīng)力及機械應(yīng)力的大小，確定各層材料應(yīng)具備的彈性模量、熱脹系數(shù)、傳熱系數(shù)、熱容量、屈服應(yīng)力等參數(shù)，按照從基體部分至模膛表面由低溫至高溫階梯變化選用各個過渡層的相應(yīng)溫度工作區(qū)間的鋼質(zhì)材料(每一種鋼質(zhì)材料都有最適應(yīng)的溫度工作區(qū)間，根據(jù)過渡層部分的各層的工作溫度區(qū)間選用相應(yīng)的鋼質(zhì)材料，如H19最適應(yīng)的溫度工作區(qū)間為450-550℃)；所述的模膛表面覆層的材料為WC或TiC；基體部分、過渡層部分的各層和模膛表面覆層的材料各自均是均質(zhì)材料；第五步，用常規(guī)方法加工制作壓鑄?；w部分；第六步，在壓鑄?；w部分上逐層疊加各過渡層，疊加方法為堆焊法，每疊加一層后均應(yīng)符合相應(yīng)工程圖的形狀和尺寸，得壓鑄模毛坯；第七步，對壓鑄模毛坯的型槽表面粗糙度處理，至達到粗糙度要求為止；第八步，對粗糙度處理后的壓鑄模毛坯進行模膛表面覆層處理，同時進行整體綜合熱處理，得產(chǎn)品。
所述的第三步中的過渡層部分的分層數(shù)由模膛表面最高工作溫度與基體部分工作溫度間的差值確定，模膛表面最高工作溫度與基體部分工作溫度間溫差越大，分層數(shù)越多。
所述的第四步中的過渡層部分的各個過渡層的鋼質(zhì)材料為3Cr2W8V、W18Cr4V、H系鋼質(zhì)材料(如H13、H19、H21)、6W5Cr4V2鋼或鋼結(jié)硬質(zhì)合金等。
本發(fā)明采用壓鑄模由基體部分1、過渡層部分2和模膛表面覆層3組成，使每一層材料所承受的溫度變化幅度大大減少(一般情況是壓鑄模分為幾層，溫度變化幅度就減少到幾分之一)，因而每一層材料的熱應(yīng)力峰值也就大幅度減小。壓鑄模具有功能梯度材料性能，完全滿足各種嚴(yán)酷工作條件對壓鑄模工作性能的苛刻要求，使壓鑄模使用壽命顯著提高。
本發(fā)明首先用現(xiàn)有的有限元專業(yè)軟件對具體壓鑄模的工作過程進行仿真分析，求解其溫度場、機械應(yīng)力場、熱應(yīng)力場的分布情況及其變化規(guī)律和影響因素；其次根據(jù)對壓鑄模的仿真分析結(jié)果設(shè)計出合適的壓鑄模功能梯度材料組成；最后制造出的壓鑄模具有功能梯度材料性能，完全滿足各種嚴(yán)酷工作條件對壓鑄模工作性能的苛刻要求，使壓鑄模使用壽命顯著提高。有限元專業(yè)軟件對具體壓鑄模的工作過程進行的仿真分析表明，壓鑄模在工作過程中的熱應(yīng)力峰值與機械應(yīng)力峰值之比為8-10，造成壓鑄模損傷的主要原因是熱應(yīng)力，而機械應(yīng)力造成的損傷很小。熱應(yīng)力的大小是由溫度變化幅度決定的。由于本發(fā)明將壓鑄模在材料制備上分為4-8層(含基體部分、過渡層部分的各層、模膛表面覆層)，使每一層材料所承受的溫度變化幅度大大減少(一般情況是壓鑄模分為幾層，溫度變化幅度就減少到幾分之一)，因而每一層材料的熱應(yīng)力峰值也就大幅度減小。另外在各層材料的選定上確保各層材料在在工作過程中的熱應(yīng)力峰值與機械應(yīng)力峰值的作用下均能處于完全的彈性狀態(tài)。熱應(yīng)力的大幅降低及各層材料的選材適當(dāng)，使用壽命大幅度提高便是必然的。用本發(fā)明的方法制造的壓鑄模，其制作成本與現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)，但其使用壽命比現(xiàn)有壓鑄模有大幅度(十倍以上)提高。


圖1是本發(fā)明的壓鑄模的結(jié)構(gòu)示意中1-基體部分，2-過渡層部分，3-模膛表面覆層。
具體實施例方式
如圖1所示，一種壓鑄模，它主要由基體部分1、過渡層部分2和模膛表面覆層3組成，基體部分1的體積占90-95％，基體部分1采用普通的壓鑄模5CrNiMo鋼或5CrMnMo鋼；過渡層部分2位于基體部分1與模膛表面覆層3之間，過渡層部分2分為4層，第一過渡層的材料為H13，第二過渡層的材料為H19，第三過渡層的材料為6W5Cr4V2，第四過渡層的材料為鋼結(jié)硬質(zhì)合金；模膛表面覆層3的材料為WC或TiC；基體部分1、過渡層部分2和模膛表面覆層3的材料各自均是均質(zhì)材料。
上述一種壓鑄模的制備方法，包括如下步驟1、一個直徑為100mm，高度為160mm，材料為45鋼的壓鑄件；按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計出壓鑄工藝與壓鑄模具圖。
2、根據(jù)所設(shè)計的壓鑄工藝與模具圖，用有限元專業(yè)軟件對壓鑄成形過程進行仿真分析，根據(jù)壓鑄模的熱平衡確定壓鑄工作節(jié)奏和壓鑄模平衡溫度；再根據(jù)壓鑄工作節(jié)奏和壓鑄模平衡溫度，用另一有限元軟件對壓鑄模的溫度場、機械應(yīng)力場、熱應(yīng)力場及綜合應(yīng)力場進行仿真分析；溫度場中的等溫線按100℃劃分。
3、根據(jù)溫度場和綜合應(yīng)力場將壓鑄模在空間上分為基體部分、過渡層部分和模膛表面覆層(如圖1所示)，基體部分的體積占90-95％，并對過渡層部分進行分層。壓鑄模的預(yù)熱溫度通常為150-350℃，基體部分的工作溫度不低于壓鑄模的預(yù)熱溫度，根據(jù)壓鑄模的平衡溫度確定基體部分的工作溫度，模擬分析結(jié)果是基體部分的工作溫度是350℃，模膛表面最高工作溫度為1050℃，兩者相差700℃。用溫度場中的等溫線將過渡部分分為4層。并分別作出壓鑄?；w部分的工程圖1、工程圖1疊加第一個過渡層時的工程圖2、工程圖2疊加第二個過渡層時的工程圖3、工程圖3疊加第三個過渡層時的工程圖4、工程圖4疊加第四個過渡層時的工程圖5。
4、根據(jù)分層結(jié)果，選用基體部分的材料為5CrMnMo，第一過渡層的材料為H13(最適應(yīng)的溫度工作區(qū)間為350-450℃)，第二過渡層的材料為H19(最適應(yīng)的溫度工作區(qū)間為450-550℃)，第三過渡層的材料為6W5Cr4V2(最適應(yīng)的溫度工作區(qū)間為550-650℃)，第四過渡層的材料為鋼結(jié)硬質(zhì)合金(最適應(yīng)的溫度工作區(qū)間為650-750℃)，模膛表面覆層為WC?；w材料和各過渡層的材料各自均是均質(zhì)材料。
5、材料確定后，用常規(guī)方法加工制作壓鑄模基體部分。
6、再在壓鑄?；w上逐層疊加各過渡層，疊加方法為堆焊法，每疊加一層后均應(yīng)符合相應(yīng)工程圖的形狀和尺寸，得壓鑄模毛坯。
7、然后，對壓鑄模毛坯的型槽表面進行打磨拋光，使其粗糙度符合要求為止。
8、最后，對粗糙度處理后的壓鑄模毛坯進行模膛表面覆層處理，同時進行整體綜合熱處理，得產(chǎn)品，即可投入使用。
本發(fā)明得到的壓鑄模進行的壓鑄工作過程的模擬結(jié)果，壓鑄模各部分在工作過程中均處于完全的彈性狀態(tài)，一次性使用壽命達到80000多件，比原有使用壽命6000件高出10多倍。
權(quán)利要求
1.一種壓鑄模，其特征在于它主要由基體部分(1)、過渡層部分(2)和模膛表面覆層(3)組成，基體部分(1)的體積占90-95％，基體部分(1)采用普通的壓鑄模5CrNiMo鋼或5CrMnMo鋼；過渡層部分(2)位于基體部分(1)與模膛表面覆層(3)之間，過渡層部分分為2-6層，按照從基體部分至模膛表面由低溫至高溫階梯變化選用各個過渡層的鋼質(zhì)材料；模膛表面覆層(3)的材料為WC或TiC；基體部分(1)、過渡層部分(2)的各層和模膛表面覆層(3)的材料各自均是均質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓鑄模，其特征在于所述的過渡層部分(2)的各個過渡層的鋼質(zhì)材料為3Cr2W8V、W18Cr4V、H13、H19、H21、6W5Cr4V2鋼或鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓鑄模，其特征在于所述的過渡層部分(2)分為4層，第一過渡層的材料為H13，第二過渡層的材料為H19，第三過渡層的材料為6W5Cr4V2，第四過渡層的材料為鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
4.如權(quán)利要求1所述的一種壓鑄模的制備方法，其特征在于包括如下步驟第一步，根據(jù)具體的鑄件，按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計出壓鑄模工藝與模具圖；第二步，根據(jù)第一步的設(shè)計結(jié)果，用有限元專業(yè)軟件對壓鑄成形過程進行仿真分析，根據(jù)壓鑄模的熱平衡確定壓鑄模平衡溫度；用有限元軟件對壓鑄模的溫度場、機械應(yīng)力場、熱應(yīng)力場及綜合應(yīng)力場進行仿真分析；第三步，將壓鑄模在空間上分為基體部分、過渡層部分和模膛表面覆層，基體部分的體積占90-95％，用溫度場中的等溫線將過渡層部分分為2-6層；并分別作出壓鑄?；w部分的工程圖，基體部分疊加一個過渡層時的工程圖，基體部分疊加二個過渡層時的工程圖......，基體部分疊加所有過渡層時的工程圖；第四步，確定基體部分、過渡層部分和模膛表面覆層的材料基體部分采用普通的壓鑄模5CrNiMo鋼或5CrMnMo鋼；過渡層部分根據(jù)各層的工作溫度變化幅度、具體溫度區(qū)間、溫度應(yīng)力及機械應(yīng)力的大小，確定各層材料應(yīng)具備的彈性模量、熱脹系數(shù)、傳熱系數(shù)、熱容量、屈服應(yīng)力參數(shù)，按照從基體部分至模膛表面由低溫至高溫階梯變化選用各個過渡層的相應(yīng)溫度工作區(qū)間的鋼質(zhì)材料；所述的模膛表面覆層的材料為WC或TiC；基體部分、過渡層部分的各層和模膛表面覆層的材料各自均是均質(zhì)材料；第五步，用常規(guī)方法加工制作壓鑄?；w部分；第六步，在壓鑄?；w部分上逐層疊加各過渡層，疊加方法為堆焊法，每疊加一層后均應(yīng)符合相應(yīng)工程圖的形狀和尺寸，得壓鑄模毛坯；第七步，對壓鑄模毛坯的型槽表面打磨拋光，至達到粗糙度要求為止；第八步，對粗糙度處理后的壓鑄模毛坯進行模膛表面覆層處理，同時進行整體綜合熱處理，得產(chǎn)品。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種壓鑄模的制備方法，其特征在于所述的第三步中的過渡層部分的分層數(shù)由模膛表面最高工作溫度與基體部分工作溫度間的差值確定，模膛表面最高工作溫度與基體部分工作溫度間溫差越大，分層數(shù)越多。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種壓鑄模的制備方法，其特征在于所述的第四步中的過渡層部分的各個過渡層的鋼質(zhì)材料為3Cr2W8V、W18Cr4V、H13、H19、H21、6W5Cr4V2鋼或鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓鑄模及其制備方法。一種壓鑄模，其特征在于它主要由基體部分(1)、過渡層部分(2)和模膛表面覆層(3)組成，基體部分(1)的體積占90－95％，基體部分(1)采用普通的壓鑄模5CrNiMo鋼或5CrMnMo鋼；過渡層部分(2)位于基體部分(1)與模膛表面覆層(3)之間，過渡層部分分為2－6層，按照從基體部分至模膛表面由低溫至高溫階梯變化選用各個過渡層的鋼質(zhì)材料；模膛表面覆層(3)的材料為WC或TiC；基體部分(1)、過渡層部分(2)的各層和模膛表面覆層(3)的材料各自均是均質(zhì)材料。用本發(fā)明的方法制造的壓鑄模，其使用壽命長。
文檔編號B22D17/22GK1775418SQ200510019960
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日
發(fā)明者王華昌, 劉秀娟, 盛志剛, 陳永波, 吳彥西, 楊春 申請人:武漢理工大學(xué)