一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具及制備方法，其模具型腔的內(nèi)表面設(shè)有氧化鋯或氧化鋁涂層，涂層的表面設(shè)有硅藻土絕熱涂料，模具的外側(cè)套裝有銅套筒，銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，螺旋冷卻水道設(shè)置在模具的兩側(cè)和底部，銅套筒外側(cè)還套有支撐套筒；其方法包括以下步驟：S1、根據(jù)待成型的液態(tài)模鍛件設(shè)計并制作出模具；S2、在模具型腔的內(nèi)表面噴涂氧化鋯或氧化鋁涂層；S3、在模具的外側(cè)套裝銅套筒，銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，螺旋冷卻水道設(shè)置在模具的兩側(cè)和底部；S4、在銅套筒外側(cè)套裝支撐套筒；S5、液態(tài)模鍛每個鍛件前，需在模具涂層的表面噴涂硅藻土絕熱涂料。本發(fā)明能夠降低模具溫度，提高黑色金屬液態(tài)模鍛模具的使用壽命。
【專利說明】一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬液態(tài)模鍛領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]黑色金屬指的是鋼和鑄鐵，鋼液態(tài)模鍛的澆注溫度范圍在1530?1600°C，鑄鐵液態(tài)模鍛溫度范圍在1300?1420°C。在現(xiàn)有的黑色金屬液態(tài)模鍛生產(chǎn)過程中，由于澆注溫度高，模具溫度通?？缮仙?000°C以上，導(dǎo)致高溫回火，普通熱處理難以發(fā)揮作用，因而模具表面硬度迅速降低而軟化，導(dǎo)致模具出現(xiàn)熔蝕、熱疲勞與塑性變形等失效形式，從而導(dǎo)致模具壽命大大降低，生產(chǎn)成本提高，難以實現(xiàn)工業(yè)穩(wěn)定化生產(chǎn)。
[0003]哈爾濱工業(yè)大學(xué)的霍文燦課題組(鋼質(zhì)液態(tài)模鍛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990)對鋼平法蘭和碳鋼平環(huán)等零件的液態(tài)模鍛工藝進行了研究，主要是從模具材料入手，采用不經(jīng)過熱處理的低碳鋼或中碳結(jié)構(gòu)鋼作為模具型腔的材料。由于沒有經(jīng)過熱處理，同時低中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼韌性好，可避免模具型腔出現(xiàn)熱疲勞裂紋。但是碳素結(jié)構(gòu)鋼的高溫強度低，難以承受鋼液態(tài)模鍛環(huán)境下的成型載荷，其模具的平均壽命只有200?250次，換模頻繁。高頻率的模具更換打斷了生產(chǎn)節(jié)奏，從而影響鋼質(zhì)液態(tài)模鍛的穩(wěn)定化工業(yè)生產(chǎn)。
[0004]齊丕驤(擠壓鑄造，國防工業(yè)大學(xué)出版社，1984)介紹了美國在黑色金屬液態(tài)模鍛工藝中采用鑰基合金TZM作為模具材料的情況。鑰基合金本身具有良好的抗高溫性能，可以承受黑色金屬的澆注溫度，模具壽命高。但是鑰基合金的生產(chǎn)要求特殊，高溫下容易氧化，在模具生產(chǎn)過程中要求在真空環(huán)境中等溫鍛造，我國目前的生產(chǎn)條件尚難以達到鑰基合金真空成形的要求。同時，鑰基合金TZM價格昂貴，影響了黑色金屬液態(tài)模鍛的經(jīng)濟性。
[0005]如何提高模具壽命已經(jīng)成為黑色金屬液態(tài)模鍛生產(chǎn)中的重要問題。北京交通大學(xué)邢書明在中國發(fā)明專利CN101293270A公布了一種高熔點金屬液態(tài)模鍛涂料及其制備方法，該專利通過制備一種隔熱涂料涂刷在模具表面起到降低模具表面溫度和保護模具材料的作用，由于所用的涂料其熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，可以起到較好的隔熱作用。由于黑色金屬液態(tài)模鍛時澆注溫度高達1600°C，單靠涂料隔熱難以將模具的溫度降低到合理的工作范圍之內(nèi)。模具使用壽命與使用溫度密切相關(guān)，溫度過高超過其合理的工作范圍將會導(dǎo)致模具快速失效。同時，該涂料的涂刷和使用過程復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具及制備方法，能夠降低模具溫度，提高黑色金屬液態(tài)模鍛模具的使用壽命。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具，所述模具的型腔的內(nèi)表面設(shè)有氧化鋯或氧化鋁涂層，所述涂層的表面內(nèi)設(shè)有硅藻土絕熱涂料，所述模具的外側(cè)套裝有銅套筒，所述銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，所述螺旋冷卻水道設(shè)置在所述模具的兩側(cè)和底部，所述銅套筒外側(cè)還套有支撐套筒。[0008]上述方案中，所述模具由H13鋼制成。
[0009]上述方案中，所述硅藻土絕熱涂料包括以下組分，以重量百分比表示為:長白硅藻土 20%?24%，鈉基膨潤土 5%?8%，羥甲基纖維素鈉0.1%?0.5%，水64%?73%，錳酸鈉
1% ?3%。
[0010]上述方案中，所述銅套筒由CrZrCu制成。
[0011]上述方案中，所述支撐套筒由45CrNi或42CrMo制成。
[0012]本發(fā)明還提供了一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，包括以下步驟:
[0013]S1、根據(jù)待成型的液態(tài)模鍛件設(shè)計并制作出模具；
[0014]S2、在模具型腔的內(nèi)表面噴涂氧化鋯或氧化鋁涂層；
[0015]S3、在模具的外側(cè)套裝銅套筒，所述銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，所述螺旋冷卻水道設(shè)置在所述模具的兩側(cè)和底部；
[0016]S4、在銅套筒外側(cè)套裝支撐套筒；
[0017]S5、液態(tài)模鍛每個鍛件前，在模具涂層的表面噴涂硅藻土絕熱涂料。
[0018]上述方案中，所述步驟S5在模具需要投入工作時進行，在噴涂硅藻土絕熱涂料前先將模具預(yù)熱到180?330°C。
[0019]上述方案中，所述氧化鋯或氧化鋁涂層的厚度為0.2?0.5mm。
[0020]上述方案中，所述硅藻土絕熱涂料包括以下組分，以重量百分比表示為:長白硅藻土 20%?24%，鈉基膨潤土 5%?8%，羥甲基纖維素鈉0.1%?0.5%，水64%?73%，錳酸鈉
1% ?3%。
[0021]上述方案中，，硅藻土絕熱涂料的厚度為0.4?0.8mm。
[0022]實施本發(fā)明的黑色金屬液態(tài)模鍛模具及制備方法，具有以下有益效果:
[0023]1、本發(fā)明采用了絕熱與導(dǎo)熱相結(jié)合的熱管理方法，通過模具選材、冷卻結(jié)構(gòu)、涂層、涂料間的協(xié)同作用，改善了黑色金屬液態(tài)模鍛模具的工作環(huán)境，模具工作溫度可以降低到其有效使用溫度范圍，避免模具型腔快速異常失效，從而大幅度提高模具壽命，促進黑色金屬液態(tài)模鍛工藝的穩(wěn)定化生產(chǎn)。
[0024]2、本發(fā)明中采用工具鋼作為模具材料，改變了高溫液態(tài)成形中采用高溫合金作為模具的選材模式，降低了材料成本；同時采用的銅合金導(dǎo)熱裝置可重復(fù)使用。以上措施提高了本發(fā)明的技術(shù)經(jīng)濟性。
[0025]3、本發(fā)明采用具有冷卻水道的銅套筒結(jié)構(gòu)作為冷卻結(jié)構(gòu)，具備近形冷卻的特點，可以使模具不同位置均勻冷卻，減少模具殘余熱應(yīng)力，防止因模具各部位熱變形量的不同所引起的零件尺寸的變化，同時提高了液態(tài)模鍛成型效率和成型質(zhì)量。
[0026]4、本發(fā)明采用硅藻土涂料和氧化鋯涂層結(jié)合隔熱的方法，通過涂料和涂層的綜合隔熱作用，可以減緩金屬液的溫降速度，避免金屬液因內(nèi)外溫度相差過大而產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷；氧化鋯或氧化鋁涂層可以對模具模膛起到保護作用，防止高溫金屬液對模具的氧化和磨損，同時可以起到減小對模具的熱沖擊、提高模具壽命的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中:
[0028]圖1是本發(fā)明黑色金屬液態(tài)模鍛模具的結(jié)構(gòu)示意圖；[0029]圖2是實施例1中模具型腔經(jīng)液態(tài)模鍛后的溫度分布圖；
[0030]圖3是實施例1中模具型腔、銅套筒、支撐套筒經(jīng)液態(tài)模鍛后的溫度分布圖；
[0031]圖4是實施例2中模具型腔經(jīng)液態(tài)模鍛后的溫度分布圖；
[0032]圖5是實施例2中模具型腔、銅套筒、支撐套筒經(jīng)液態(tài)模鍛后的溫度分布圖。
【具體實施方式】
[0033]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具3的型腔的內(nèi)表面設(shè)有氧化鋯或氧化鋁涂層2。模具3的外側(cè)套裝有銅套筒4，銅套筒4上設(shè)有螺旋冷卻水道，螺旋冷卻水道設(shè)置在模具3的兩側(cè)和底部，銅套筒4外側(cè)還套有支撐套筒5。液態(tài)模鍛每個鍛件前，涂層2的表面內(nèi)設(shè)有硅藻土絕熱涂料I。
[0035]本實施例中，模具3由H13鋼制成，成本相對較低。H13鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較高，為28.8w/ (m.°C)，具備一定的傳熱能力的同時具有較好的力學(xué)性能。
[0036]氧化鋯或氧化鋁涂層2的導(dǎo)熱系數(shù)較小，為2.09w/ (m.°C)，同時具有良好的隔熱、抗熱沖擊、熱腐蝕性和抗高溫氧化性能。氧化鋯或氧化鋁涂層2可以通過熱噴涂或等離子噴涂的方式附著在模具3型腔表面。氧化鋯或氧化鋁涂層2的厚度為0.2~0.5mm。
[0037]硅藻土絕熱涂料I的 導(dǎo)熱系數(shù)〈0.25w/(m.?)，其包括以下組分，以重量百分比表示為:長白硅藻土 20%~24%，鈉基膨潤土 5%~8%，羥甲基纖維素鈉0.1%~0.5%，水64%~73%，錳酸鈉1%~3%。
[0038]銅套筒4由CrZrCu制成，其導(dǎo)熱系數(shù)高達330w/ (m.? )，軟化溫度比紫銅提高了150°C，其強度和硬度也比銅有較高的提升。
[0039]支撐套筒5由45CrNi或42CrMo制成，具備較好的強度，可以起到支撐模具3結(jié)構(gòu)的作用。
[0040]本發(fā)明還提供了一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，其具有以下兩個優(yōu)選的實施例:
[0041]實施例1:
[0042]S1、根據(jù)待成型的液態(tài)模鍛件設(shè)計并制作出模具。待成型的液態(tài)模鍛件為一個直徑為200mm，高度為300mm材料為鑄鋼的液態(tài)模鍛件，鑄鋼的澆注溫度為1590°C。按現(xiàn)有工藝設(shè)計出液態(tài)模鍛工藝和液態(tài)模鍛模具，模具材料選用H13鋼(適宜工作溫度區(qū)間為350-650°C)，根據(jù)強度要求將模具加工成直徑為90mm，高度為300的圓柱狀。
[0043]S2、通過等離子熱噴涂在模具的型腔表面噴涂一層氧化鋯涂層，可以對模具基體起到較好的抗氧化、隔熱作用，涂層厚度為0.2~0.5mm。
[0044]S3、在模具的外側(cè)套裝銅套筒，銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，螺旋冷卻水道設(shè)置在模具的兩側(cè)和底部。銅套筒加工成直徑為200_，高度為300_的套筒，同時在套筒內(nèi)側(cè)加工螺旋水道，水道直徑為1mm，高度為3mm，在套筒底部加工同樣的水道，組成雙水道螺旋冷卻結(jié)構(gòu)，將銅套筒在模具基體外側(cè)，利用銅的優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，降低模具溫度。
[0045]S4、在銅套筒外側(cè)套裝支撐套筒。外側(cè)支撐套筒加工成直徑為200mm，高度為350mm的圓環(huán)狀套筒，材料使用45CrNi，強度較高，起到較好的支撐作用。[0046]S5、液態(tài)模鍛每個鍛件前，在涂層的表面噴涂硅藻土絕熱涂料。將模具進行預(yù)熱270°C左右，通過預(yù)熱可以有效地降低模具的熱應(yīng)力，便于噴涂硅藻土?xí)r及時干燥，有利于硅藻土絕熱涂料在模具上快速覆著。在模具表面噴涂一層硅藻土絕熱涂料，涂料厚度為
0.4?0.8mm,通過涂層和涂料的作用可以有效地降低模具溫度，并起到抗熱沖擊、熱腐蝕性和抗高溫氧化。硅藻土絕熱涂料包括以下組分，以重量百分比表示為:長白硅藻土 20%?24%,鈉基膨潤土 5%?8%,羥甲基纖維素鈉0.1%?0.5%,水64%?73%,錳酸鈉1%?3%。
[0047]利用有限元分析軟件對黑色金屬液態(tài)模鍛過程進行模擬，從得到的結(jié)果來看如圖2，模具表面溫度降到620°C左右，在所用模具材料H13鋼的工作溫度范圍之內(nèi)。而從圖3中可以看出套筒的溫度也遠遠低于鉻鋯銅的軟化溫度550°C，所以整套模具系統(tǒng)可以滿足黑色金屬液態(tài)模鍛的工作環(huán)境，同時可以延長模具壽命，降低生產(chǎn)成本。
[0048]實施例2:
[0049]待成型件尺寸跟實施I 一致，工件材料換為鑄鐵，澆注溫度為1400°C。參照實施例I的模具加工過程，分別加工出模具、銅套筒與支撐套筒，把模具表面的氧化鋯涂層換成氧化鋁涂層。將模具預(yù)熱到250°C左右，液態(tài)模鍛每個鍛件前在模具表面涂刷一層硅藻土涂料。
[0050]通過有限元模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從圖4中看出模具型腔表面溫度降到540°C左右，在模具的工作溫度范圍之內(nèi)。而圖5中的銅套筒的溫度也遠遠低于鉻鋯銅的軟化溫度550°C，所以整套模具系統(tǒng)可以滿足黑色金屬液態(tài)模鍛的工作環(huán)境，同時可以延長模具壽命，降低生產(chǎn)成本。
[0051]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具，其特征在于，所述模具型腔的內(nèi)表面設(shè)有氧化鋯或氧化鋁涂層，所述涂層的表面內(nèi)設(shè)有硅藻土絕熱涂料，所述模具的外側(cè)套裝有銅套筒，所述銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，所述螺旋冷卻水道設(shè)置在所述模具的兩側(cè)和底部，所述銅套筒外側(cè)還套有支撐套筒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具，其特征在于，所述模具由H13鋼制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具，其特征在于，所述硅藻土絕熱涂料包括以下組分，以重量百分比表示為:長白硅藻土 20%?24%，鈉基膨潤土 5%?8%，羥甲基纖維素鈉0.1%?0.5%,水64%?73%,錳酸鈉1%?3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具，其特征在于，所述銅套筒由CrZrCu制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具，其特征在于，所述支撐套筒由45CrNi 或 42CrMo 制成。
6.一種黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、根據(jù)待成型的液態(tài)模鍛件設(shè)計并制作出模具； 52、在模具型腔的內(nèi)表面噴涂氧化鋯或氧化鋁涂層； 53、在模具的外側(cè)套裝銅套筒，所述銅套筒上設(shè)有螺旋冷卻水道，所述螺旋冷卻水道設(shè)置在所述模具的兩側(cè)和底部； 54、在銅套筒外側(cè)套裝支撐套筒； 55、液態(tài)模鍛每個鍛件前，在模具涂層的表面噴涂硅藻土絕熱涂料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，其特征在于，所述步驟S5在模具需要投入工作時進行，在噴涂硅藻土絕熱涂料前先將模具預(yù)熱到180?330°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，其特征在于，所述氧化鋯或氧化鋁涂層的厚度為0.2?0.5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，其特征在于，所述硅藻土絕熱涂料包括以下組分，以重量百分比表示為:長白硅藻土 20%?24%，鈉基膨潤土 5%?8%,羥甲基纖維素鈉0.1%?0.5%,水64%?73%,錳酸鈉1%?3%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的黑色金屬液態(tài)模鍛模具制備方法，其特征在于，硅藻土絕熱涂料的厚度為0.4?0.8mm。
【文檔編號】B22D18/02GK103706777SQ201310752585
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】王華君, 李相超, 桂千富, 冀運東, 徐德鑫, 彭春宇, 姚亮 申請人:武漢理工大學(xué)