一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法技术

本发明专利技术公开一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法，所述夹心层锻模在铸钢基体和双金属梯度堆焊材料层之间，堆焊一层比两者塑性更好屈服强度更低的夹心层软质焊接材料；所述锻模夹心层堆焊的制备方法，包括如下步骤：把铸钢作为锻模基体，在基体层上先焊接夹心层软材料；在已焊夹心层材料的基体上再堆焊过渡层材料，将夹心层材料全部焊接包裹覆盖，形成堆焊过渡层；最后焊接高温耐磨层材料；焊接完成后回火去应力，再进行机械加工获得模具；本发明专利技术夹心层锻模使用寿命长、具有较高铸钢基体承压能力；本发明专利技术方法从根本上解决锻模寿命低及模具制造成本高的关键瓶颈问题，能够支撑高温和高压下的各类材料的模锻成形，给锻模制造提供全新制造方法。

【技术实现步骤摘要】
一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法
本专利技术属于模具
，具体涉及一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法。
技术介绍
随着国家重型装备制造业的发展，大飞机、船舶制造等装备制造业需要迅速提升能力。世界上最大的大型模锻液压机（8万吨压机）应运而生，其使用的锻模已广泛应用于航空、航天、核电、石化等领域的大型模锻件生产制造中，如大飞机机身框架、起落架、发动机涡轮盘等，这些锻件的锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等，均需要采用锻模来成形。然而，难变形材料（高温合金、钛合金等）大型锻件的成形温度高，在锻造成形过程中因锻件与模具接触时间长，模具承受压力高，型腔表层温升快，温度迅速升高至700℃以上，导致模具工作区域强度、硬度迅速降低，造成模具变形很大、磨损很严重，模具寿命极低，模锻1-2件后模具变形高达10mm以上，模具严重失效不能再使用等问题。目前，只有采用H13钢等材料来制备大型模锻液压机锻模，才能满足大型锻模液压机的生产需要；然而，尽管采用锻造H13钢模块来制造锻模时寿命有所延长，但H13钢价格昂贵，锻坯材料和锻后热处理费用较普通工艺方法提高近1倍，锻模制造成本相当高。因此，制造成本高、模具寿命极低已成为制约大型难变形材料模锻生产的关键瓶颈，也成为大型模锻液压机能否用得起的关键瓶颈。寻找一种能够显著提高锻模的使用寿命，同时可降低模具制造成本的锻模制备方法，已成为本
亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种使用寿命较长、承压能力较高的夹心层锻模。本专利技术的另一个目的是提供一种锻模夹心层堆焊的制备方法，该方法能较好地延长锻模的寿命、缩短新产品开发周期，同时又能降低模具制造成本，从根本上解决了大型难变形材料模锻用模具寿命极低、以及模具制造成本昂贵的关键瓶颈问题。实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种夹心层锻模，包括铸钢基体A、过渡层C和高温耐磨层D；在铸钢基体A和过渡层C之间堆焊一层夹心层B；所述夹心层B较所述铸钢基体A和过渡层C两者塑性更好，屈服强度更低；其中，夹心层B的塑性范围为：δ延伸率≥14.7%，ψ收缩率≥31.2%；屈服强度范围为：σs屈服强度≥550MPa。优选地，夹心层B的δ延伸率为14.7%~20%，ψ收缩率为31.2%~36%，σs屈服强度为550~570MPA。一种锻模夹心层堆焊的制备方法，包括如下步骤：1）采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体；其中，型腔部位预留堆焊余量；所预留堆焊余量厚度视具体的模具种类和型号而定，一般可预留40~90mm。2）在步骤1）浇注好的待焊模具基体上，沿预留堆焊处的形状，堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层软质焊材，焊至模具型腔轮廓线下14~16mm；所述塑性好且屈服强度低是指其力学性能指标能达到以下标准：σs屈服强度≥550MPa，σb抗拉强度≥760MPa，δ延伸率≥14.7%，ψ收缩率≥31.2%，硬度30～35HRC；这样，当制得的模具受高压峰值应力后，夹心层在过渡层与铸钢基体之间起着软垫作用，首先产生弹性变形甚至微量塑性变形，将高压峰值应力迅速扩散减弱，有效保护铸钢基体的安全，不会因铸钢基体承受的峰值应力值过高，而导致铸钢基体破裂。3）在步骤2）焊好夹心层的模具基体上，沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状，堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材材料，将夹心层材料全部覆盖包住，并继续焊至模具型腔轮廓线下8~11mm；所述强度和硬度较高是指其力学性能指标能达到以下标准：σs屈服强度≥790MPa，σb抗拉强度≥1100MPa，δ延伸率≥11.7%，ψ收缩率≥28.9%，硬度45～50HRC；这样，过渡层既能与夹心层结合良好，又能与模具上部区域的铸钢基体有效连接，还能与随后的高温耐磨层结合良好。由于夹心层材料的加入，过渡层与铸钢基体之间的应力扩散变得更加均匀，在型腔下方应力集中区域可以有效地保护铸钢基体的安全，并防止过渡层材料在承受横向拉应力时出现裂纹源。4）在步骤3）焊好过渡层的模具基体上，堆焊高温耐磨层焊材材料，覆盖模具主要耐磨工作区域或全部耐磨区域，焊至型腔轮廓线上4~6mm；所述高温耐磨层焊材材料的力学性能指标能达到以下标准：σs屈服强度≥1000MPa，σb抗拉强度≥1400MPa，δ延伸率≥9.6%，ψ收缩率≥26.5%，硬度50～55HRC；该层强硬度比过渡层和夹心层均高，延伸率、收缩率、冲击韧性和高温性能良好，为耐磨与抗热疲劳性能层，在锻模模具工作中起主要作用。通过上述三层堆焊层材料的协同配伍结合作用，由于夹心层材料在承受高压时具有一定的退让性，可以使高温耐磨层和过渡层的使用寿命得到延长。5）将三次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，进行空冷至室温；其中，回火温度为530~570℃，缓冷温度至160~180℃；这是因为模具在焊接热影响区会产生马氏体、奥氏体等不稳定组织，同时存在较大内应力；并且如果模具冷却速度过快，很容易产生淬硬组织，导致裂纹等缺陷；回火缓冷处理得到稳定的回火马氏体，可以提高组织稳定性，使模具在使用过程中不再发生组织转变，从而使其几何尺寸和性能保持稳定；同时消除内应力，以便改善模具的使用性能并稳定其几何尺寸；也提高其延性或韧性，调整模具的力学性能以满足使用要求；为了防止第一类回火脆性的产生，采用了高温回火，即回火温度控制在530℃~570℃；为了防止第二类回火脆性的产生，采用了二次回火缓冷工艺；第二次缓冷后，将模具放置空气中进行空冷至室温；这是因为缓冷至180℃以下后，组织及性能基本稳定，可在空气中冷却至室温。6）对步骤5）空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位，制得上述夹心层锻模。锻模堆焊后的部位，具有较高的硬度，一般的机械加工无法保证尺寸。堆焊后的型腔表面很不平整，可先用平面磨床或数控加工的盘刀加工出平面，钳工按图纸要求划线，先用电脉冲机床加工成形，再用数控铣削进行小余量的切削，或直接用砂轮打磨，使模具的各部分尺寸到位。作为优化，所述步骤1）中，需对浇注出的待焊模具进行在920℃淬火并在650℃回火的处理，并油冷至室温。这样，可消除残余铸态组织，又可使组织不致过热，避免得到退火组织，使其综合机械性能满足产品要求。在上述技术的步骤2）、3）和4）中，作为优化，在堆焊之前，需对待焊模具进行表面清洁处理，三次堆焊完成后去除堆焊层表面的氧化皮及焊渣。其中所述表面清洁处理指清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺以及铸造缺陷。具体地说可用碳弧气刨去除缩孔，龟裂等铸造缺陷，再用风砂轮枪清除沙、氧化皮、油污、铁锈、毛刺等，清洁模具表面。作为优化，在所述步骤2）、3）和4）中，在堆焊过程中间断性地敲击模具令其振动，振动频率为20～40次/分钟；这样可达到使熔敷金属延伸，防止氢脆，细化强化部位晶粒，圆滑棱角，减少应力集中，提高尺寸精度稳定性，消除堆焊表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制裂纹出现的目的，使堆焊金属疲劳寿命提高；其中细化晶粒不仅可以提高材料的强度，还可以改善其塑性和韧性；使得双层金属堆焊强化过程产生的应力得到较好的释放，令各堆焊层强硬性、韧性结合的更好。作为进一步优化，在所述步骤2）和3）中，夹心层材料根据最大应力分布状态仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种夹心层锻模，包括铸钢基体、过渡层和高温耐磨层；其特征在于，在铸钢基体和过渡层之间堆焊一层夹心层；所述夹心层的塑性范围为：δ延伸率≥14.7%，ψ收缩率≥31.2%；屈服强度范围为：σs屈服强度≥550MPa。

【技术特征摘要】
1.一种夹心层锻模，包括铸钢基体、过渡层和高温耐磨层；其特征在于，在铸钢基体和过渡层之间堆焊一层夹心层；所述夹心层的塑性范围为：δ延伸率14.7~20%，ψ收缩率31.2~36%；屈服强度范围为：σs屈服强度550~570MPa；夹心层的塑性高于所述铸钢基体和过渡层的塑性，夹心层的屈服强度低于所述铸钢基体和过渡层的屈服强度。2.一种锻模夹心层堆焊的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）采用铸钢作为模具基体材料浇注出待焊模具基体；其中，型腔部位预留堆焊余量；2）在步骤1）浇注好的待焊模具基体上，沿预留堆焊处的形状，堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层焊材；夹心层堆焊覆盖基体层弧度的40~60%；所述堆焊塑性好且屈服强度低是指其力学性能指标能达到以下标准：σs屈服强度≥550MPa，σb抗拉强度≥760MPa，δ延伸率≥14.7%，ψ收缩率≥31.2%，硬度30～35HRC；3）在步骤2）焊好夹心层的模具基体上，沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状，堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材材料，将夹心层材料全部覆盖包住，并继续焊至模...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杰，张建生，沈力，卢顺，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85