一种超高温成型模具及其制备方法

专利名称：一种超高温成型模具及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属成型模具技术领域，具体而言，涉及一种超高温成型模具及其制备方法。
背景技术：
高熔点金属(黑色金属、铜合金及不锈钢等)广泛应用于工业生产的各个领域。高熔点金属热成型温度通常在1000°c以上，对模具材料的高温机械性能要求非常高。在超高温成型工况下，采用任何高性能特种材料都无法同时满足模具所需要的高温强韧性能、高温磨损性能、冷热疲劳性能和高温冲蚀性能，极低的模具使用寿命限制了超高温成型技术的推广应用。现有技术研究表明，与常规模具材料相比，高熔点钼基合金、钨基合金及陶瓷材料制备的超高温成型模具，模具使用寿命有一定提高，但提高并不显著，加上材料价格昂贵及钨合金资源的稀缺性，严重制约其普及应用。目前，国内外尚没有一种模具材料能够完全满足超高温成型模具的实际应用需求。中国专利《金刚石复合涂层拉丝模制备方法》(专利号ZL01113027. X)和中国专利 《碳化硅陶瓷和金刚石复合拉拔模具制备方法》(专利号ZL200810040138. 9)分别提出以大孔径硬质合金模具和碳化硅陶瓷模具为衬底，用化学气相法在模具内孔表面沉积常规金刚石和纳米金刚石复合涂层，制成金刚石涂层模具，能提高模具工作寿命5-10倍以上。但硬质合金和陶瓷材料均采用烧结成型，其强度和韧性较低，且难以成型复杂型腔的模具，不能满足压力成型模具对强韧性能和成型复杂形状零件的要求，由于采用化学气相法沉积金刚石涂层的沉积时间至少6小时以上，存在生产效率低的缺点和制造成本高的压力，加热到 IOOO0C，金刚石会缓慢变成石墨，且金刚石热导率高，一般为136. 16W/ (m · K)，无法有效阻碍金属液温度传导给模具基体，不适用于超高温成型模具。进一步检索，尚未发现超高温成型模具及其制备方法。

发明内容
本发明旨在提供一种超高温成型模具及其制备方法，以解决现有技术中的超高温成型模具强度及韧性较低、成型复杂型腔困难的技术问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种超高温成型模具。该超高温成型模具包括金属基材衬底，其上具有工作表面；粘结层，喷涂在金属基材衬底的工作表面上；以及热障层，喷涂在粘结层上。进一步地，金属基材为热作模具钢、塑料模具钢中的一种。进一步地，粘结层为Ni-Cr合金、NiCrAlY合金中的一种，其中，所述Ni-Cr合金由质量百分含量为77-79%的Ni、质量百分含量为19-21%的Cr以及质量百分含量为彡4%的杂质组成，所述NiCrAlY合金由质量百分含量为72. 5%的Ni、质量百分含量为19%的Cr、质量百分含量为8%的Al以及质量百分含量为0. 5%的Y组成。
进一步地，粘结层的厚度为0. 05-0. 1mm。进一步地，热障层的材质为氧化钇稳定的氧化锆或氧化钙稳定的氧化锆，其中氧化钇稳定的氧化锆中氧化锆的质量百分含量为92%，氧化钇的质量百分含量为8%，氧化钙稳定的氧化锆中氧化锆的质量百分含量为94%，氧化钙的质量百分含量为6%。进一步地，热障层的厚度为0.2-0. 9mm。根据本发明的另一个方面，提供一种超高温成型模具的制备方法。该制备方法包括以下步骤制作金属基材衬底；采用热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层；采用热喷涂的方法，在粘结层的表面形成热障层。进一步地，该制备方法包括以下步骤制作金属基材衬底，打磨金属基材衬底的外表面至粗糙度为Ra25_50 ；采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层；采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在粘结层的表面形成热障层基层； 以及对热障层基层进行研磨抛光形成热障层。进一步地，粘结层和热障层形成过程中采用的热喷涂的方法是采用氧乙火焰棒材喷涂方法。进一步地，热喷涂时的氧气压力为0.4_0.6MPa，乙炔压力为0. 08-0. 12MPa， 压缩空气压力为0. 6-0. 8MPa,喷涂距离为85-100mm，棒材直径为Φ6-8πιπι，进给速度为 160-180mm/min，喷枪移动速度为 90_110mm/s。进一步地，热障层基层的厚度为0.3-lmm。本发明的一种超高温成型模具，由于在金属基材衬底上喷涂有粘结层和热障层， 所以其强度及韧性较高；且由于热障层的存在，其耐高温、耐磨损、抗氧化、隔热性能较好， 能够适用于各种高熔点金属成型温度达到1000°c以上的超高温成型工况；金属基材衬底成型复杂型腔相对于现有技术中烧结而成的硬质合金加工工艺简单，且易成型。


说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1示出了根据本发明实施例的超高温成型模具的局部结构示意图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。根据本发明的一种典型的实施方式，该超高温成型模具包括具有工作表面的金属基材衬底，喷涂在金属基材衬底的工作表面上的粘结层，以及喷涂在粘结层上的热障层。由于在金属基材衬底上喷涂有粘结层和热障层，所以其强度及韧性较高；且由于热障层的存在，其耐高温、耐磨损、抗氧化、隔热性能较好，能够适用于各种高熔点金属成型温度达到 IOOO0C以上的超高温成型工况；金属基材衬底成型复杂型腔相对于现有技术中烧结而成的硬质合金加工工艺简单，且易成型，加工成本低。本发明制备的超高温成型模具可广泛用于黑色金属压铸(或半固态)成型、铜合金压铸成型及不锈钢无缝钢管高温高速挤压等高熔点金属成型模具工作面瞬间温度达1000°c以上的工况，应用于替代硬质合金和陶瓷材料工模具产品，特别是硬质合金和陶瓷材料难以制备的复杂型腔模具。其不仅使用寿命比传统模具大幅度延长，而且能够提高生产效率，显著改善模具质量，有效节约原材料，降低生产成本，而且可大幅度减少超高温成型模具对硬质合金的依赖，对于减少钨、钴资源的消耗，有效解决硬质合金行业面临资源危机意义重大。 本发明中的金属基材可以是选自热作模具钢、塑料模具钢中的一种，其中，优选为热作模具钢，因为其具有良好的加工性能，更方便复杂型腔的成型，且具有优良的高温力学性能。粘结层可以为Ni-Cr合金、NiCrAlY合金中的一种，设置此粘结层可以缓解热障层和金属基材衬底之间的热膨胀差异，提高金属基材衬底的抗氧化性，可提高热障层的结合强度。优选地，Ni-Cr合金由质量百分含量为77-79%的Ni、质量百分含量为19-21%的Cr 以及质量百分含量彡4%的杂质组成，其中，杂质可以是狗、Mn、S、C、Si中的一种或多种； NiCrAlY合金由质量百分含量为72. 5%的Ni、质量百分含量为19%的Cr、质量百分含量为 8%的Al以及质量百分含量为0. 5%的Y组成，此种配比的Ni-Cr合金或NiCrAlY合金具有良好的化学稳定性和热稳定性优势。其中，Ni-Cr合金或NiCrAlY合金形成的粘结层的厚度为0. 05-0. 1mm，此厚度可使粘结层与金属基材衬底及热障层保持良好的结合力，并达到良好缓解热障层和金属基材衬底之间的热膨胀差异的效果，过薄的粘结层很难发挥缓解热膨胀差异的作用，过厚的粘结层容易因结合力降低而剥落。根据本发明一种典型的实施方式，热障层的材质为陶瓷涂层，可以是氧化钇稳定的氧化锆或氧化钙稳定的氧化锆，优选地，氧化钇稳定的氧化锆是^O2 (8%Y203稳定)，即氧化钇稳定的氧化锆中氧化锆的质量百分含量为92%，氧化钇的质量百分含量为8%，氧化钙稳定的氧化锆是^O2 (6%Ca0稳定)，即氧化钙稳定的氧化锆中氧化锆的质量百分含量为 94%，氧化钙的质量百分含量为6%。陶瓷涂层具有抗腐蚀性能强、抗冷热交变性能(或称耐候性)明显优于普通涂层的优点。优选地，热障层的厚度为0. 2-0. 9mm，具有此厚度的热障层既达到了隔热耐高温的目的，又有效避免了结合强度不足导致涂层剥落的技术问题。根据本发明的另一个方面，根据本发明的一种典型的实施方式，制备方法包括以下步骤制作金属基材衬底；采用热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层； 采用热喷涂的方法，在粘结层的表面形成热障层。优选地，该制备方法通过以下步骤实现 制作金属基材衬底，打磨金属基材衬底的外表面至粗糙度为Ra25_50 ；采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层；采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在粘结层的表面形成热障层基层；以及对热障层基层进行研磨抛光形成热障层。 其中，设置此粘结层可以缓解热障层和金属基材衬底之间的热膨胀差异，提高金属基材衬底的抗氧化性，并且其表面粗糙度为Ra25-50，可提高热障层的结合强度。在本发明中，金属基材衬底也可以按常规工艺预留涂层余量机加工成型后，用石英砂喷砂法清除模具工作面油斑、锈迹等污物，形成其表面粗糙度为Ra25-50磨砂面，用压缩空气吹净该喷砂面，有利于进一步提高热障层的结合强度。与化学气相法相比，热喷涂方法生产效率更高，更适宜实际生产应用；采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，可以使涂层均勻平整、结合强度高。在本发明中，可以采用金刚石砂轮或金刚锉对热障层基层研磨抛光，可以采用旋转研磨抛光方式。优选地，热障层基层的厚度为0. 3-lmm，经研磨抛光达到热障层0. 2-0. 9mm的厚度要求。根据本发明一种典型的实施方式，粘结层和热障层可以通过氧乙火焰棒材喷涂、氧乙火焰粉末喷涂或氧乙火焰线材喷涂形成，优选地，形成过程中采用的热喷涂的方法是采用氧乙火焰棒材喷涂方法，该方法与氧乙火焰粉末喷涂方法相比，送料更均勻，该方法与氧乙火焰线材喷涂相比，陶瓷棒材比陶瓷线材更易于制备。其中，热喷涂时的氧气压力为0. 4-0. 6MPa，乙炔压力为0. 08-0. 12MPa，压缩空气压力为0. 6-0. 8MPa，喷涂距离为 85-100mm，棒材直径Φ6-8ι πι，进给速度为160-180mm/min，喷枪移动速度为90_110mm/s。下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。铜合金压铸时，压铸模具直接与1100_1200°C的超高温熔融态铜合金接触，将铜合金压入模具型腔时，压铸模具承受较大压射力，极易发生热变形和热熔损。实施例1
根据本发明实施例1的压铸模具局部结构如图1所示，制备过程如下
1)沿用铜合金压铸模具原有选材方案，选用市售HHD热作模具钢制作金属基材衬底 10，按常规工艺预留0. 6mm作为涂层余量加工成型后，用石英砂喷砂法清除模具工作面油斑、锈迹等污物，打磨其表面粗糙度为Ra25的磨砂面，用压缩空气吹净该喷砂面；
2)选用市售Ni80Cr20棒材(即Ni-Cr合金，由质量百分含量为77-79%的Ni、质量百分含量为19-21%的Cr以及质量百分含量为彡4%的杂质组成)为粘结层原料，采用氧乙火焰棒材喷涂方法，采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层20 ；热喷涂具体工艺参数为氧气压力0. 5MPa,乙炔压力0. IMPa,压缩空气压力0. 7MPa, 喷涂距离90mm，棒材直径Φ 6mm，进给速度178mm/min，喷枪移动速度100mm/s，Ni80Cr20，粘结层厚度控制在0. 07-0. 09mm ；
3)选用市售复合陶瓷棒材^O2(6%CaO稳定)为热障层原料，采用喷涂粘结层相同的热喷涂方法和工艺参数，在粘结层表面喷涂^O2 (6%CaO稳定)热障层基层，厚度控制在 0. 6-0. 7mm,用金刚石砂轮研磨抛光至工作尺寸形成0. 51-0. 53 mm的热障层30，获得本发明实施例1的超高温成型模具，用于铜合金压铸成型。实施例2
1)沿用铜合金压铸模具原有选材方案，选用市售HHD热作模具钢制作金属基材衬底， 按常规工艺预留涂层余量加工成型后，用石英砂喷砂法清除模具工作面油斑、锈迹等污物， 打磨其表面粗糙度为Ra50的磨砂面，用压缩空气吹净该喷砂面；
2)选用市售M80Cr20棒材为粘结层原料，采用氧乙火焰棒材喷涂方法，采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层20 ；热喷涂具体工艺参数为氧气压力0. 4MPa，乙炔压力0. 12MPa，压缩空气压力0. 6MPa，喷涂距离85mm，棒材直径Φ 7mm，进给速度160mm/min，喷枪移动速度90mm/s，Ni80Cr20粘结层厚度控制在 0. 05-0. Imm ；
3)选用市售复合陶瓷棒材^O2(8%Y203稳定)为热障层原料，采用喷涂粘结层相同的热喷涂方法和工艺参数，在粘结层表面喷涂^O2 (8%Y203稳定)热障层基层，厚度控制在 0. 3-1. Omm，用金刚石砂轮研磨抛光至工作尺寸形成0. 2-0. 9 mm的热障层，获得本发明实施例1的超高温成型模具，用于铜合金压铸成型。实施例3
1)沿用铜合金压铸模具原有选材方案，选用市售HHD热作模具钢制作金属基材衬底， 按常规工艺预留涂层余量加工成型后，用石英砂喷砂法清除模具工作面油斑、锈迹等污物，打磨其表面粗糙度为Ra50的磨砂面，用压缩空气吹净该喷砂面；
2)选用市售NiCrAlY棒材(即NiCrAlY合金，由质量百分含量为72.5%的Ni、质量百分含量为19%的Cr、质量百分含量为8%的Al以及质量百分含量为0. 5%的Y组成)为粘结层原料，采用氧乙火焰棒材喷涂方法，采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在金属基材衬底的工作表面形成粘结层；热喷涂具体工艺参数为氧气压力0. 6MPa,乙炔压力0. 08MPa，压缩空气压力0. 8MPa，喷涂距离100mm，棒材直径Φ8πιπι，进给速度180mm/min，喷枪移动速度 110mm/s, NiCrAlY 粘结层厚度控制在 0. 05-0. Imm ；
3)选用市售复合陶瓷棒材^O2(8%Y203稳定)为热障层原料，采用与喷涂粘结层相同的热喷涂方法和工艺参数，在粘结层表面喷涂^O2 (8%Y203稳定)热障层基层，厚度控制在 0. 3-1. Omm，用金刚石砂轮研磨抛光至工作尺寸形成0. 2-0. 9 mm的热障层，获得本发明实施例1的超高温成型模具，用于铜合金压铸成型。对比例1
选用市售HHD热作模具钢作为铜合金压铸模具坯料，按常规工艺不留余量加工获得压铸模具成品，该常规工艺是HHD热作模具钢坯料采用二次电渣重熔工艺冶炼，经1240°C 16h 保温均勻化处理后，三镦三拔锻造制成圆棒坯料，按压铸模具最终尺寸预留0. 2-0. 5mm余量粗加工制成压铸模具半成品，将压铸模具半成品经高温淬火(淬火温度1060-1080°C，保温Ih后空冷)、回火处理(回火温度580-600°C，保温2h，回火2_3次，硬度45-48HRC)，最后精加工获得压铸模具成品，用于铜合金压铸成型。实施例4
本实施例与实施例1不同点在于，本发明技术方案实施对象为压铸模具，用于45钢(熔融态温度1500°C左右)压铸成型。对比例2
选用市售HHD热作模具钢作为压铸模具坯料，按常规工艺不留余量加工获得压铸模具成品，该常规工艺是HHD热作模具钢坯料采用二次电渣重熔工艺冶炼，经1240°C 1 保温均勻化处理后，三镦三拔锻造制成坯料，按模具最终尺寸预留0. 2-0. 5mm余量粗加工坯料制成压铸模具半成品，将压铸模具半成品经高温淬火(淬火温度1060-1080°C，保温Ih后空冷)、回火处理(回火温度580-600°C，保温2h，回火2-3次，硬度45-48HRC)，最后精加工获得压铸模具成品，用于45钢压铸成型。根据本发明实施例制造的超高温成型模具及对比例的使用寿命见表一
表一
权利要求
1.一种超高温成型模具，其特征在于，包括金属基材衬底(10)，其上具有工作表面；粘结层(20)，喷涂在所述金属基材衬底的所述工作表面上；以及热障层(30)，喷涂在所述粘结层上。
2.根据权利要求1所述一种超高温成型模具，其特征在于，所述金属基材为热作模具钢、塑料模具钢中的一种。
3.根据权利要求1所述一种超高温成型模具，其特征在于，所述粘结层(20)的材质为 Ni-Cr合金、NiCrAlY合金中的一种，其中，所述Ni-Cr合金由质量百分含量为77-79%的Ni、 质量百分含量为19-21%的Cr以及质量百分含量彡4%的杂质组成，所述NiCrAlY合金由质量百分含量为72. 5%的Ni、质量百分含量为19%的Cr、质量百分含量为8%的Al以及质量百分含量为0. 5%的Y组成。
4.根据权利要求3所述一种超高温成型模具，其特征在于，所述粘结层(20)的厚度为 0. 05-0. 1mm。
5.根据权利要求1所述一种超高温成型模具，其特征在于，所述热障层(30)的材质为氧化钇稳定的氧化锆或氧化钙稳定的氧化锆，其中所述氧化钇稳定的氧化锆中氧化锆的质量百分含量为92%，氧化钇的质量百分含量为8%，所述氧化钙稳定的氧化锆中氧化锆的质量百分含量为94%，氧化钙的质量百分含量为6%。
6.根据权利要求5所述一种超高温成型模具，其特征在于，所述热障层(30)的厚度为 0. 2-0. 9mm。
7.—种权利要求1-6中任一项所述一种超高温成型模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤制作所述金属基材衬底(10);采用热喷涂的方法，在所述金属基材衬底(10)的所述工作表面上形成所述粘结层 (20)；采用热喷涂的方法，在所述粘结层(20 )的表面形成所述热障层(30 )。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤制作所述金属基材衬底(10)，打磨所述金属基材衬底(10)的外表面至粗糙度为 Ra25-50 ；采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在所述金属基材衬底(10)的所述工作表面上形成所述粘结层(20);采用横向纵向交替逐层热喷涂的方法，在所述粘结层(20)的表面形成热障层基层；以及对所述热障层基层进行研磨抛光形成所述热障层(30)。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结层(20)和所述热障层(30) 形成过程中采用的所述热喷涂的方法是采用氧乙火焰棒材喷涂方法。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述热喷涂时的氧气压力为0. 4-0. 6MPa，乙炔压力为0. 08-0. 12MPa，压缩空气压力为0. 6-0. 8MPa，喷涂距离为 85-100mm，棒材直径为Φ6-8ι πι，进给速度为160-180mm/min，喷枪移动速度为90-110mm/s。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热障层基层的厚度为0.3-lmm。
全文摘要
本发明公开了一种超高温成型模具及其制备方法。其中，该超高温成型模具包括金属基材衬底，其上具有工作表面；粘结层，喷涂在金属基材衬底的工作表面上；以及热障层，喷涂在粘结层上。本发明的一种超高温成型模具，由于在金属基材衬底上喷涂有粘结层和热障层，所以其强度及韧性较高；且由于热障层的存在，其耐高温、耐磨损、抗氧化、隔热性能较好，能够适用于各种高熔点金属成型温度达到1000℃以上的超高温成型工况；金属基材衬底成型复杂型腔相对于现有技术中烧结而成的硬质合金加工工艺简单，且易成型。
文档编号B22D17/22GK102416459SQ20111038335
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者王晓辉, 范广宏, 蔡卫东, 褚作明, 金康, 陈东 申请人:南通市众恒熔模铸锻有限公司, 机械科学研究总院先进制造技术研究中心, 机科发展科技股份有限公司