自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，基体采用H11钢或H13钢制成；支撑层采用奥氏体耐热钢制成，支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；强化隔热层采用金属陶瓷材料制成，强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；自润滑层为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。本发明专利技术提出的自润滑异质材料复合结构热锻模，使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势，同时避免或减少使用润滑剂，显著增强了模具强度，有效提高了使用寿命，改善了锻造生产对环境的破坏。

Self lubricating heterogeneous material composite structure hot forging die and preparation method thereof

The invention discloses a self lubricating heterogeneous material composite structure of hot forging die, including die and mould core and mould core comprises a substrate, sequentially arranged on the supporting layer, strengthening insulation layer and a self-lubricating layer, the substrate is made of H11 steel or H13 steel; the supporting layer is made of austenitic heat-resistant steel, support layer through the welding way welding on the substrate; strengthen the heat insulation layer is made of metal ceramic material, thermal insulation layer by plasma powder welding on the supporting layer; self lubricating layer for bonding phase and hard phase and lubricating phase composition of self-lubricating materials by powder metallurgy sintering method in die cavity surface. Self lubricating composite structure of hot forging die of heterogeneous material provided by the invention, so that each material play its performance advantages in their respective working conditions, and avoid or reduce the use of lubricants, enhance the strength of the mold, improve service life, improve the environmental destruction of forging production.

【技术实现步骤摘要】
自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法
本专利技术涉及热锻模
，尤其涉及一种自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法。
技术介绍
热锻模的工作条件是十分恶劣的，它要承受高温、高压以及热态金属坯料在模具型腔表面剧烈流动所造成的剧烈摩擦，导致模具表面产生龟裂损伤和热磨损，促使热锻模失效，因而热锻模寿命低。现有技术采用温度分布区间来确定模具各层材料。但是这种结构，在具有冲击载荷设备（例如机械压力机、锻锤等）的作用下，在热锻模近表层存在低硬度区，形成类似“豆腐渣”状的破坏，无法有效地支撑堆焊覆层，因此通过温度梯度设计制造的复合材料热锻模，在具有冲击性载荷的热锻设备的作用下效果欠佳，其模具寿命难以有效延长。另外，在金属塑性加工过程中，为防止模具与坯料粘模与卡模，提高产品精度，延长模具寿命会使用润滑剂。然而，润滑剂的使用会造成污染环境，对环境友好的固体自润滑成为一种趋势。现有模具固体自润滑技术一般采用热喷涂制备的表面覆层，其厚度薄且结合强度有限。在高温重载的循环冲击作用下，容易造成热锻模涂层脱落和完整性破坏，从而加速失效。采用整体模块的热锻模结构简单、使用方便、加工成本较低，然而其缺点也很明显。如H13钢制成整体模块，其红硬性差、易磨损，局部发生磨损后需要全部更换，不仅造成能源浪费，还会增加生产成本。机械压力机（例如热模锻压力机、螺旋压力机等）是现在普遍使用的热锻装备之一，由于冲击载荷使得模具近表层破坏而引起表层硬质部位失效，不得不整体更换，模具寿命难以得到提升；此外润滑剂的使用及其后处理会污染环境，破坏生态圈。综上，现有热锻模设计与制造存在以下不足：1、均质的热锻模以及梯度热锻模均存在设计方法上的不足；2、使用润滑剂作为润滑方式不仅生产成本提高还污染环境，而热喷涂涂层的自润滑方式则存在涂层结合强度不足，尤其是在冲击性的热力载荷作用下容易加速破坏；3、整体模块其经济性不高，易浪费。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种自润滑异质材料复合结构热锻模及其制备方法，旨在提高其结构强度，大幅度提高整体寿命，同时避免或减少了润滑剂对环境的污染，促进锻造工艺的可持续发展。为实现上述目的，本专利技术提供一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，所述模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，所述基体采用H11钢或H13钢制成；所述支撑层采用奥氏体耐热钢制成，所述支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；所述强化隔热层为金属陶瓷材料制成，所述强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；所述自润滑层采用粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。优选地，所述粘接相为Ni、Mo和Al的混合物，所述硬质相为Cr2O3，所述润滑相为CaF2和BaF2的混合物。优选地，所述粘接相的质量百分比为60-75%，硬质相的质量百分比为15-20%，润滑相的质量百分比为5-25%。优选地，所述奥氏体耐热钢为Crl7Nil2Mo2或0Crl8Nil0Ti。优选地，所述金属陶瓷材料为自熔合金粉末和WC、CrC或Al3O2三者中一种。优选地，所述自熔合金粉末为钴基或者镍基的自熔合金粉末。优选地，所述金属陶瓷材料中WC、CrC或Al3O2的质量百分比为10-35%。优选地，所述支撑层层厚为4-12mm；所述强化隔热层层厚为2-4mm；所述自润滑层层厚为2-4mm。本专利技术进一步提出一种基于上述的自润滑异质材料复合结构热锻模的制备方法，包括以下步骤：通过有限元软件对模具在连续工作条件下的应力场进行热力耦合仿真分析，将应力场中的等压力线进行划分，结合热模锻工艺要求，确定模芯的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层的厚度；确定基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层选用的材料以及各自采用的加工工艺；根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯。优选地，所述根据确定出模芯的各层厚度及加工工艺加工模芯的步骤具体包括：制造模芯的基体并进行热处理以及表面处理在基体表面堆焊形成支撑层；采用等离子粉末喷焊方法在支撑层表面形成强化隔热层；在强化隔热层表面采用粉末冶金的方法，烧结制成自润滑层以获得模芯毛坯；对模芯毛坯进行打磨以满足粗糙度要求。本专利技术提出的自润滑异质材料复合结构热锻模，模芯包括基体、支撑层、强化隔热层与自润滑层，支撑层采用耐高温热强结构材料来加强热锻模易损伤部位的强度；强化隔热层采用高红硬性材料与隔热材料等离子粉末喷焊制备金属基陶瓷，具有增强模具表层与近表层高温强度与减少热量向模具基体传递的作用；自润滑层则采用高温自润滑材料，减少生产成本，改善环境，同时保证了结合强度。以上所述热锻模使每种材料在各自的工作条件下发挥其性能优势，同时避免使用润滑剂，显著增强了模具强度，改善了生产环境，有效提高了使用寿命。附图说明图1为本专利技术自润滑异质材料复合结构热锻模的剖视结构示意图；图2为本专利技术自润滑异质材料复合结构热锻模的俯视结构示意图；图3为本专利技术自润滑异质材料复合结构热锻模中模芯的剖视结构示意图；图中，1-模套，2-模芯，3-基体，4-支撑层，5-强化隔热层，6-自润滑层。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本专利技术提出一种自润滑异质材料复合结构热锻模。参照图1至图3，本实施例中，一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套1和异质材料的模芯2，模芯2包括依次设置的基体3、支撑层4、强化隔热层5以及自润滑层6，其中，基体3采用H11钢或H13钢制成；支撑层4采用奥氏体耐热钢制成，支撑层4通过堆焊的方式焊在基体3之上；强化隔热层5采用金属陶瓷材料制成，强化隔热层5通过等离子粉末喷焊在支撑层4之上；自润滑层6为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。在保证强度的前提下，模套1选用成本较低的40Cr、42CrMo等优质结构钢。当选用40Cr时，其成分为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%）。选用42CrMo时，其成分为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的基体3占模芯2体积的80%以上，采用的材料为H11或H13钢，其性价比较高。H13钢牌号为4C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，其特征在于，所述模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，所述基体采用H11钢或H13钢制成；所述支撑层采用奥氏体耐热钢制成，所述支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；所述强化隔热层采用金属陶瓷材料制成，所述强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；所述自润滑层为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。

【技术特征摘要】
1.一种自润滑异质材料复合结构热锻模，包括模套和模芯，其特征在于，所述模芯包括依次设置的基体、支撑层、强化隔热层以及自润滑层，其中，所述基体采用H11钢或H13钢制成；所述支撑层采用奥氏体耐热钢制成，所述支撑层通过堆焊的方式焊在基体之上；所述强化隔热层采用金属陶瓷材料制成，所述强化隔热层通过等离子粉末喷焊在支撑层之上；所述自润滑层为粘接相、硬质相以及润滑相组成的自润滑材料以粉末冶金的方式烧结在模腔表面。2.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述粘接相为Ni、Mo和Al的混合物，所述硬质相为Cr2O3，所述润滑相为CaF2和BaF2的混合物。3.如权利要求2所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述粘接相的质量百分比为60-75%，硬质相的质量百分比为15-20%，润滑相的质量百分比为5-25%。4.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述奥氏体耐热钢为Crl7Nil2Mo2或0Crl8Nil0Ti。5.如权利要求1所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所述金属陶瓷材料为自熔合金粉末和WC、CrC或Al3O2三者中一种。6.如权利要求5所述的自润滑异质材料复合结构热锻模，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华君，齐珍珍，姚振华，韩念，熊新红，李骢，惠有科，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42