一种黑色金属液态模锻模具及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种黑色金属液态模锻模具及制备方法，其模具型腔的内表面设有氧化锆或氧化铝涂层，涂层的表面设有硅藻土绝热涂料，模具的外侧套装有铜套筒，铜套筒上设有螺旋冷却水道，螺旋冷却水道设置在模具的两侧和底部，铜套筒外侧还套有支撑套筒；其方法包括以下步骤：S1、根据待成型的液态模锻件设计并制作出模具；S2、在模具型腔的内表面喷涂氧化锆或氧化铝涂层；S3、在模具的外侧套装铜套筒，铜套筒上设有螺旋冷却水道，螺旋冷却水道设置在模具的两侧和底部；S4、在铜套筒外侧套装支撑套筒；S5、液态模锻每个锻件前，需在模具涂层的表面喷涂硅藻土绝热涂料。本发明能够降低模具温度，提高黑色金属液态模锻模具的使用寿命。
【专利说明】一种黑色金属液态模锻模具及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属液态模锻领域，更具体地说，涉及一种黑色金属液态模锻模具及制备方法。
【背景技术】
[0002]黑色金属指的是钢和铸铁，钢液态模锻的浇注温度范围在1530?1600°C，铸铁液态模锻温度范围在1300?1420°C。在现有的黑色金属液态模锻生产过程中，由于浇注温度高，模具温度通常可上升到1000°C以上，导致高温回火，普通热处理难以发挥作用，因而模具表面硬度迅速降低而软化，导致模具出现熔蚀、热疲劳与塑性变形等失效形式，从而导致模具寿命大大降低，生产成本提高，难以实现工业稳定化生产。
[0003]哈尔滨工业大学的霍文灿课题组(钢质液态模锻，哈尔滨工业大学出版社，1990)对钢平法兰和碳钢平环等零件的液态模锻工艺进行了研究，主要是从模具材料入手，采用不经过热处理的低碳钢或中碳结构钢作为模具型腔的材料。由于没有经过热处理，同时低中碳碳素结构钢韧性好，可避免模具型腔出现热疲劳裂纹。但是碳素结构钢的高温强度低，难以承受钢液态模锻环境下的成型载荷，其模具的平均寿命只有200?250次，换模频繁。高频率的模具更换打断了生产节奏，从而影响钢质液态模锻的稳定化工业生产。
[0004]齐丕骧(挤压铸造，国防工业大学出版社，1984)介绍了美国在黑色金属液态模锻工艺中采用钥基合金TZM作为模具材料的情况。钥基合金本身具有良好的抗高温性能，可以承受黑色金属的浇注温度，模具寿命高。但是钥基合金的生产要求特殊，高温下容易氧化，在模具生产过程中要求在真空环境中等温锻造，我国目前的生产条件尚难以达到钥基合金真空成形的要求。同时，钥基合金TZM价格昂贵，影响了黑色金属液态模锻的经济性。
[0005]如何提高模具寿命已经成为黑色金属液态模锻生产中的重要问题。北京交通大学邢书明在中国发明专利CN101293270A公布了一种高熔点金属液态模锻涂料及其制备方法，该专利通过制备一种隔热涂料涂刷在模具表面起到降低模具表面温度和保护模具材料的作用，由于所用的涂料其热传导系数较小，可以起到较好的隔热作用。由于黑色金属液态模锻时浇注温度高达1600°C，单靠涂料隔热难以将模具的温度降低到合理的工作范围之内。模具使用寿命与使用温度密切相关，温度过高超过其合理的工作范围将会导致模具快速失效。同时，该涂料的涂刷和使用过程复杂。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题在于，提供一种黑色金属液态模锻模具及制备方法，能够降低模具温度，提高黑色金属液态模锻模具的使用寿命。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种黑色金属液态模锻模具，所述模具的型腔的内表面设有氧化锆或氧化铝涂层，所述涂层的表面内设有硅藻土绝热涂料，所述模具的外侧套装有铜套筒，所述铜套筒上设有螺旋冷却水道，所述螺旋冷却水道设置在所述模具的两侧和底部，所述铜套筒外侧还套有支撑套筒。[0008]上述方案中，所述模具由H13钢制成。
[0009]上述方案中，所述硅藻土绝热涂料包括以下组分，以重量百分比表示为:长白硅藻土 20%?24%，钠基膨润土 5%?8%，羟甲基纤维素钠0.1%?0.5%，水64%?73%，锰酸钠
1% ?3%。
[0010]上述方案中，所述铜套筒由CrZrCu制成。
[0011]上述方案中，所述支撑套筒由45CrNi或42CrMo制成。
[0012]本发明还提供了一种黑色金属液态模锻模具制备方法，包括以下步骤:
[0013]S1、根据待成型的液态模锻件设计并制作出模具；
[0014]S2、在模具型腔的内表面喷涂氧化锆或氧化铝涂层；
[0015]S3、在模具的外侧套装铜套筒，所述铜套筒上设有螺旋冷却水道，所述螺旋冷却水道设置在所述模具的两侧和底部；
[0016]S4、在铜套筒外侧套装支撑套筒；
[0017]S5、液态模锻每个锻件前，在模具涂层的表面喷涂硅藻土绝热涂料。
[0018]上述方案中，所述步骤S5在模具需要投入工作时进行，在喷涂硅藻土绝热涂料前先将模具预热到180?330°C。
[0019]上述方案中，所述氧化锆或氧化铝涂层的厚度为0.2?0.5mm。
[0020]上述方案中，所述硅藻土绝热涂料包括以下组分，以重量百分比表示为:长白硅藻土 20%?24%，钠基膨润土 5%?8%，羟甲基纤维素钠0.1%?0.5%，水64%?73%，锰酸钠
1% ?3%。
[0021]上述方案中，，硅藻土绝热涂料的厚度为0.4?0.8mm。
[0022]实施本发明的黑色金属液态模锻模具及制备方法，具有以下有益效果:
[0023]1、本发明采用了绝热与导热相结合的热管理方法，通过模具选材、冷却结构、涂层、涂料间的协同作用，改善了黑色金属液态模锻模具的工作环境，模具工作温度可以降低到其有效使用温度范围，避免模具型腔快速异常失效，从而大幅度提高模具寿命，促进黑色金属液态模锻工艺的稳定化生产。
[0024]2、本发明中采用工具钢作为模具材料，改变了高温液态成形中采用高温合金作为模具的选材模式，降低了材料成本；同时采用的铜合金导热装置可重复使用。以上措施提高了本发明的技术经济性。
[0025]3、本发明采用具有冷却水道的铜套筒结构作为冷却结构，具备近形冷却的特点，可以使模具不同位置均匀冷却，减少模具残余热应力，防止因模具各部位热变形量的不同所引起的零件尺寸的变化，同时提高了液态模锻成型效率和成型质量。
[0026]4、本发明采用硅藻土涂料和氧化锆涂层结合隔热的方法，通过涂料和涂层的综合隔热作用，可以减缓金属液的温降速度，避免金属液因内外温度相差过大而产生缩松、缩孔等缺陷；氧化锆或氧化铝涂层可以对模具模膛起到保护作用，防止高温金属液对模具的氧化和磨损，同时可以起到减小对模具的热冲击、提高模具寿命的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0028]图1是本发明黑色金属液态模锻模具的结构示意图；[0029]图2是实施例1中模具型腔经液态模锻后的温度分布图；
[0030]图3是实施例1中模具型腔、铜套筒、支撑套筒经液态模锻后的温度分布图；
[0031]图4是实施例2中模具型腔经液态模锻后的温度分布图；
[0032]图5是实施例2中模具型腔、铜套筒、支撑套筒经液态模锻后的温度分布图。
【具体实施方式】
[0033]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0034]如图1所示，本发明一种黑色金属液态模锻模具3的型腔的内表面设有氧化锆或氧化铝涂层2。模具3的外侧套装有铜套筒4，铜套筒4上设有螺旋冷却水道，螺旋冷却水道设置在模具3的两侧和底部，铜套筒4外侧还套有支撑套筒5。液态模锻每个锻件前，涂层2的表面内设有硅藻土绝热涂料I。
[0035]本实施例中，模具3由H13钢制成，成本相对较低。H13钢的导热系数较高，为28.8w/ (m.°C)，具备一定的传热能力的同时具有较好的力学性能。
[0036]氧化锆或氧化铝涂层2的导热系数较小，为2.09w/ (m.°C)，同时具有良好的隔热、抗热冲击、热腐蚀性和抗高温氧化性能。氧化锆或氧化铝涂层2可以通过热喷涂或等离子喷涂的方式附着在模具3型腔表面。氧化锆或氧化铝涂层2的厚度为0.2~0.5mm。
[0037]硅藻土绝热涂料I的 导热系数〈0.25w/(m.?)，其包括以下组分，以重量百分比表示为:长白硅藻土 20%~24%，钠基膨润土 5%~8%，羟甲基纤维素钠0.1%~0.5%，水64%~73%，锰酸钠1%~3%。
[0038]铜套筒4由CrZrCu制成，其导热系数高达330w/ (m.? )，软化温度比紫铜提高了150°C，其强度和硬度也比铜有较高的提升。
[0039]支撑套筒5由45CrNi或42CrMo制成，具备较好的强度，可以起到支撑模具3结构的作用。
[0040]本发明还提供了一种黑色金属液态模锻模具制备方法，其具有以下两个优选的实施例:
[0041]实施例1:
[0042]S1、根据待成型的液态模锻件设计并制作出模具。待成型的液态模锻件为一个直径为200mm，高度为300mm材料为铸钢的液态模锻件，铸钢的浇注温度为1590°C。按现有工艺设计出液态模锻工艺和液态模锻模具，模具材料选用H13钢(适宜工作温度区间为350-650°C)，根据强度要求将模具加工成直径为90mm，高度为300的圆柱状。
[0043]S2、通过等离子热喷涂在模具的型腔表面喷涂一层氧化锆涂层，可以对模具基体起到较好的抗氧化、隔热作用，涂层厚度为0.2~0.5mm。
[0044]S3、在模具的外侧套装铜套筒，铜套筒上设有螺旋冷却水道，螺旋冷却水道设置在模具的两侧和底部。铜套筒加工成直径为200_，高度为300_的套筒，同时在套筒内侧加工螺旋水道，水道直径为1mm，高度为3mm，在套筒底部加工同样的水道，组成双水道螺旋冷却结构，将铜套筒在模具基体外侧，利用铜的优良的导热性能，降低模具温度。
[0045]S4、在铜套筒外侧套装支撑套筒。外侧支撑套筒加工成直径为200mm，高度为350mm的圆环状套筒，材料使用45CrNi，强度较高，起到较好的支撑作用。[0046]S5、液态模锻每个锻件前，在涂层的表面喷涂硅藻土绝热涂料。将模具进行预热270°C左右，通过预热可以有效地降低模具的热应力，便于喷涂硅藻土时及时干燥，有利于硅藻土绝热涂料在模具上快速覆着。在模具表面喷涂一层硅藻土绝热涂料，涂料厚度为
0.4?0.8mm,通过涂层和涂料的作用可以有效地降低模具温度，并起到抗热冲击、热腐蚀性和抗高温氧化。硅藻土绝热涂料包括以下组分，以重量百分比表示为:长白硅藻土 20%?24%,钠基膨润土 5%?8%,羟甲基纤维素钠0.1%?0.5%,水64%?73%,锰酸钠1%?3%。
[0047]利用有限元分析软件对黑色金属液态模锻过程进行模拟，从得到的结果来看如图2，模具表面温度降到620°C左右，在所用模具材料H13钢的工作温度范围之内。而从图3中可以看出套筒的温度也远远低于铬锆铜的软化温度550°C，所以整套模具系统可以满足黑色金属液态模锻的工作环境，同时可以延长模具寿命，降低生产成本。
[0048]实施例2:
[0049]待成型件尺寸跟实施I 一致，工件材料换为铸铁，浇注温度为1400°C。参照实施例I的模具加工过程，分别加工出模具、铜套筒与支撑套筒，把模具表面的氧化锆涂层换成氧化铝涂层。将模具预热到250°C左右，液态模锻每个锻件前在模具表面涂刷一层硅藻土涂料。
[0050]通过有限元模拟结果发现，从图4中看出模具型腔表面温度降到540°C左右，在模具的工作温度范围之内。而图5中的铜套筒的温度也远远低于铬锆铜的软化温度550°C，所以整套模具系统可以满足黑色金属液态模锻的工作环境，同时可以延长模具寿命，降低生产成本。
[0051]上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
【权利要求】
1.一种黑色金属液态模锻模具，其特征在于，所述模具型腔的内表面设有氧化锆或氧化铝涂层，所述涂层的表面内设有硅藻土绝热涂料，所述模具的外侧套装有铜套筒，所述铜套筒上设有螺旋冷却水道，所述螺旋冷却水道设置在所述模具的两侧和底部，所述铜套筒外侧还套有支撑套筒。
2.根据权利要求1所述的黑色金属液态模锻模具，其特征在于，所述模具由H13钢制成。
3.根据权利要求1所述的黑色金属液态模锻模具，其特征在于，所述硅藻土绝热涂料包括以下组分，以重量百分比表示为:长白硅藻土 20%?24%，钠基膨润土 5%?8%，羟甲基纤维素钠0.1%?0.5%,水64%?73%,锰酸钠1%?3%。
4.根据权利要求1所述的黑色金属液态模锻模具，其特征在于，所述铜套筒由CrZrCu制成。
5.根据权利要求1所述的黑色金属液态模锻模具，其特征在于，所述支撑套筒由45CrNi 或 42CrMo 制成。
6.一种黑色金属液态模锻模具制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、根据待成型的液态模锻件设计并制作出模具； 52、在模具型腔的内表面喷涂氧化锆或氧化铝涂层； 53、在模具的外侧套装铜套筒，所述铜套筒上设有螺旋冷却水道，所述螺旋冷却水道设置在所述模具的两侧和底部； 54、在铜套筒外侧套装支撑套筒； 55、液态模锻每个锻件前，在模具涂层的表面喷涂硅藻土绝热涂料。
7.根据权利要求6所述的黑色金属液态模锻模具制备方法，其特征在于，所述步骤S5在模具需要投入工作时进行，在喷涂硅藻土绝热涂料前先将模具预热到180?330°C。
8.根据权利要求6所述的黑色金属液态模锻模具制备方法，其特征在于，所述氧化锆或氧化铝涂层的厚度为0.2?0.5mm。
9.根据权利要求6所述的黑色金属液态模锻模具制备方法，其特征在于，所述硅藻土绝热涂料包括以下组分，以重量百分比表示为:长白硅藻土 20%?24%，钠基膨润土 5%?8%,羟甲基纤维素钠0.1%?0.5%,水64%?73%,锰酸钠1%?3%。
10.根据权利要求6所述的黑色金属液态模锻模具制备方法，其特征在于，硅藻土绝热涂料的厚度为0.4?0.8mm。
【文档编号】B22D18/02GK103706777SQ201310752585
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】王华君, 李相超, 桂千富, 冀运东, 徐德鑫, 彭春宇, 姚亮 申请人:武汉理工大学