专利名称：一种热锻模及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热锻模及其制备方法，特别是涉及一种属黑色或有色金属锻件生产所用的热锻模及其制备方法。
背景技术：
热锻模的工作条件是最严酷的，它承受高温、高压及冲击性热-机械负荷，要求锻模材料具有良好的高温强度、高温韧性、高温耐磨性及耐周期性冲击性热负荷及机械负荷的疲劳性能。现有的热锻模由均质的热锻模钢和模膛表面覆层组成，国内外所用各种热锻模钢均不能完全满足热锻模的工作性能要求。尤其是高温时的强硬性能指标与韧性、耐疲劳性指标，是一对矛盾的两个方面，难以兼得。虽然采用不同的热处理及表面强化处理，可以局部调和两侧面的对立性。但仍然不能完全满足锻模工作性能的要求。使得锻模使用寿命低，严重制约热模锻的技术水平和经济效益的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用寿命高的热锻模及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种热锻模，其特征在于它主要由基体部分1、过渡层部分2和模膛表面覆层3组成，基体部分1的体积占90-95％，基体部分采用普通的热锻模钢5CrMnMo或5CrNiMo；过渡层部分2位于基体部分1与模膛表面覆层3之间，过渡层部分分为2-6层，按照从基体部分至模膛表面由低温至高温阶梯变化选用各个过渡层的钢质材料；模膛表面覆层的材料为TiC或VC；基体部分1、过渡层部分2的各层和模膛表面覆层3的材料各自均是均质材料。
所述的过渡层部分2的各个过渡层的钢质材料为3Cr2W8V、H系钢质材料(如H13、H19、H21、H23)、6W5Cr4V2或耐热不锈钢等钢。
所述的过渡层部分2为4层，第一过渡层的材料为H13，第二过渡层的材料为H19，第三过渡层的材料为H23，第四过渡层的材料为6W5Cr4V2。
一种热锻模的制备方法，其特征在于包括如下步骤第一步，根据具体的锻件，按现有技术设计出热锻模工艺与模具图；第二步，根据第一步的设计结果，用有限元专业软件对模锻成形过程进行仿真分析，根据锻模的热平衡确定锻模平衡温度；用有限元软件对锻模的温度场、机械应力场、热应力场及综合应力场进行仿真分析；温度场中的等温线按50-100℃划分；第三步，将锻模在空间上分为基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层，基体部分的体积占90-95％，用温度场中的等温线将过渡层部分分为2-6层；并分别作出锻模基体部分的工程图，基体部分叠加一个过渡层时的工程图，基体部分叠加二个过渡层时的工程图……，基体部分叠加所有过渡层时的工程图；第四步，确定基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层的材料基体部分采用普通的热锻模钢5CrMnMo或5CrNiMo；过渡层部分根据各层的工作温度变化幅度、具体温度区间、温度应力及机械应力的大小，确定各层材料应具备的弹性模量、热胀系数、传热系数、热容量、屈服应力等参数，按照从基体部分至模膛表面由低温至高温阶梯变化选用各个过渡层的相应温度工作区间的钢质材料(每一种钢质材料都有最适应的温度工作区间，根据过渡层部分的各层的工作温度区间选用相应的钢质材料，如H19最适应的温度工作区间为450-550℃)；模膛表面覆层的材料为TiC或VC；基体部分、过渡层部分的各层和模膛表面覆层的材料各自均是均质材料；第五步，用常规方法加工制作锻模基体部分；第六步，在锻模基体部分上逐层叠加各过渡层，叠加方法为堆焊法，每叠加一层后均应符合相应工程图的形状和尺寸，得锻模毛坯；第七步，对锻模毛坯的型槽表面进行打磨抛光处理，至符合粗糙度要求为止；第八步，对粗糙度处理后的锻模毛坯进行模膛表面覆层处理，同时进行整体综合热处理，得产品。
所述的第三步中的过渡层部分的分层数由模膛表面最高工作温度与基体部分工作温度间的差值确定，模膛表面最高工作温度与基体部分工作温度间温差越大，分层数越多。
所述的第四步中的过渡层部分的各个过渡层的钢质材料为3Cr2W8V、H系钢质材料(如H13、H19、H21、H23、)6W5Cr4V2或耐热不锈钢等钢。
本发明采用热锻模由基体部分1、过渡层部分2和模膛表面覆层3组成，使每一层材料所承受的温度变化幅度大大减少(一般情况是热锻模分为几层，温度变化幅度就减少到几分之一)，因而每一层材料的热应力峰值也就大幅度减小。热锻模具有功能梯度材料性能，完全满足各种严酷工作条件对锻模工作性能的苛刻要求，使热锻模使用寿命显著提高。
本发明首先用现有的有限元专业软件对具体热锻模的工作过程进行仿真分析，求解其温度场、机械应力场、热应力场的分布情况及其变化规律和影响因素；其次根据对热锻模的仿真分析结果设计出合适的热锻模功能梯度材料组成；最后制造出的热锻模具有功能梯度材料性能，完全满足各种严酷工作条件对锻模工作性能的苛刻要求，使热锻模使用寿命显著提高。有限元专业软件对具体热锻模的工作过程进行的仿真分析表明，热锻模在工作过程中的热应力峰值与机械应力峰值之比为8-10，造成锻模损伤的主要原因是热应力，而机械应力造成的损伤很小。热应力的大小是由温度变化幅度决定的。由于本发明将热锻模在材料制备上分为4-8层(含基体部分、过渡层部分的各层、模膛表面覆层)，使每一层材料所承受的温度变化幅度大大减少(一般情况是热锻模分为几层，温度变化幅度就减少到几分之一)，因而每一层材料的热应力峰值也就大幅度减小。另外在各层材料的选定上确保各层材料在在工作过程中的热应力峰值与机械应力峰值的作用下均能处于完全的弹性状态。热应力的大幅降低及各层材料的选材适当，使用寿命大幅度提高便是必然的。用本发明的方法制造的热锻模，其制作成本与现有技术相当，但其使用寿命比现有热锻模有大幅度(十倍以上)提高。
图1是本发明的热锻模的结构示意中1-基体部分，2-过渡层部分，3-模膛表面覆层。
具体实施例方式
如图1所示，一种热锻模，它主要由基体部分1、过渡层部分2和模膛表面覆层3组成，基体部分1的体积占90-95％，基体部分采用普通的热锻模钢5CrMnMo或5CrNiMo；过渡层部分2位于基体部分1与模膛表面覆层3之间，过渡层部分2为4层，第一过渡层的材料为H13，第二过渡层的材料为H19，第三过渡层的材料为H23，第四过渡层的材料为6W5Cr4V2；模膛表面覆层的材料为TiC或VC；基体部分1、过渡层部分2和模膛表面覆层3的材料各自均是均质材料。
上述一种热锻模的制备方法，包括如下步骤1、一个直径为150mm，高度为60mm，材料为45钢的锻件；按现有技术设计出热锻模工艺与模具图。
2、根据所设计的热锻模工艺与模具图，用有限元专业软件对模锻成形过程的终锻过程进行仿真分析，根据锻模的热平衡确定模锻工作节奏和锻模平衡温度；再根据模锻工作节奏和锻模平衡温度，用另一有限元软件对终锻模的温度场、机械应力场、热应力场及综合应力场进行仿真分析；温度场中的等温线按100℃划分；3、根据温度场和综合应力场将锻模在空间上分为基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层(如图1所示)，基体部分的体积占90-95％，并对过渡层部分进行分层。热锻模的预热温度通常为150-350℃，基体部分的工作温度不低于热锻模的预热温度，根据锻模的平衡温度确定基体部分的工作温度，模拟分析结果是基体部分的工作温度是350℃，模膛表面最高工作温度为750℃，两者相差400℃。用温度场中的等温线将过渡部分分为4层。并分别作出锻模基体部分的工程图1、工程图1叠加第一个过渡层时的工程图2、工程图2叠加第二个过渡层时的工程图3、工程图3叠加第三个过渡层时的工程图4、工程图4叠加第四个过渡层时的工程图5。
4、根据分层结果，选用基体部分的材料为5CrMnMo，第一过渡层的材料为H13(最适应的温度工作区间为350-450℃)，第二过渡层的材料为H19(最适应的温度工作区间为450-550℃)，第三过渡层的材料为H23(最适应的温度工作区间为550-650℃)，第四过渡层的材料为6W5Cr4V2(最适应的温度工作区间为650-750℃)，模膛表面覆层为TiC。基体材料和各过渡层的材料各自均是均质材料。
5、锻模基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层的材料确定后，用常规方法加工制作锻模基体部分。
6、再在锻模基体部分上逐层叠加各过渡层，叠加方法为堆焊法，每叠加一层后均应符合相应工程图的形状和尺寸，得锻模毛坯。
7、然后，对锻模毛坯的型槽表面进行打磨抛光，使其粗糙度符合要求为止。
8、最后，对粗糙度处理后的锻模毛坯进行模膛表面覆层处理，同时进行整体综合热处理，得产品，即可投入使用。
所得热锻模进行的热锻工作过程的模拟，锻模各部分在工作过程中均处于完全的弹性状态，一次性使用寿命达到50000多件，比原有使用寿命4000件高出10多倍。
权利要求
1.一种热锻模，其特征在于它主要由基体部分(1)、过渡层部分(2)和模膛表面覆层(3)组成，基体部分(1)的体积占90-95％，基体部分采用普通的热锻模钢5CrMnMo或5CrNiMo；过渡层部分(2)位于基体部分(1)与模膛表面覆层(3)之间，过渡层部分分为2-6层，按照从基体部分至模膛表面由低温至高温阶梯变化选用各个过渡层的钢质材料；模膛表面覆层的材料为TiC或VC；基体部分(1)、过渡层部分(2)的各层和模膛表面覆层(3)的材料各自均是均质材料。
2.根据权利要求1所述的一种热锻模，其特征在于所述的过渡层部分(2)的各个过渡层的钢质材料为3Cr2W8V、H13、H19、H21、H23、6W5Cr4V2或耐热不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种热锻模，其特征在于所述的过渡层部分(2)为4层，第一过渡层的材料为H13，第二过渡层的材料为H19，第三过渡层的材料为H23，第四过渡层的材料为6W5Cr4V2。
4.如权利要求1所述的一种热锻模的制备方法，其特征在于包括如下步骤第一步，根据具体的锻件，按现有技术设计出热锻模工艺与模具图；第二步，根据第一步的设计结果，用有限元专业软件对模锻成形过程进行仿真分析，根据锻模的热平衡确定锻模平衡温度；用有限元软件对锻模的温度场、机械应力场、热应力场及综合应力场进行仿真分析；温度场中的等温线按50-100℃划分；第三步，将锻模在空间上分为基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层，基体部分的体积占90-95％，用温度场中的等温线将过渡层部分分为2-6层；并分别作出锻模基体部分的工程图，基体部分叠加一个过渡层时的工程图，基体部分叠加二个过渡层时的工程图......，基体部分叠加所有过渡层时的工程图；第四步，确定基体部分、过渡层部分和模膛表面覆层的材料基体部分采用普通的热锻模钢5CrMnMo或5CrNiMo；过渡层部分根据各层的工作温度变化幅度、具体温度区间、温度应力及机械应力的大小，确定各层材料应具备的弹性模量、热胀系数、传热系数、热容量、屈服应力参数，按照从基体部分至模膛表面由低温至高温阶梯变化选用各个过渡层的相应温度工作区间的钢质材料；模膛表面覆层的材料为TiC或VC；基体部分、过渡层部分的各层和模膛表面覆层的材料各自均是均质材料；第五步，用常规方法加工制作锻模基体部分；第六步，在锻模基体部分上逐层叠加各过渡层，叠加方法为堆焊法，每叠加一层后均应符合相应工程图的形状和尺寸，得锻模毛坯；第七步，对锻模毛坯的型槽表面进行打磨抛光，至符合粗糙度要求为止；第八步，对粗糙度处理后的锻模毛坯进行模膛表面覆层处理，同时进行整体综合热处理，得产品。
5.根据权利要求4所述的一种热锻模的制备方法，其特征在于所述的第三步中的过渡层部分的分层数由模膛表面最高工作温度与基体部分工作温度间的差值确定，模膛表面最高工作温度与基体部分工作温度间温差越大，分层数越多。
6.根据权利要求4所述的一种热锻模的制备方法，其特征在于所述的第四步中的过渡层部分的各个过渡层的钢质材料为3Cr2W8V、H13、H19、H21、H23、6W5Cr4V2或耐热不锈钢。
全文摘要
本发明涉及一种热锻模及其制备方法。一种热锻模，其特征在于它主要由基体部分(1)、过渡层部分(2)和模膛表面覆层(3)组成，基体部分(1)的体积占90－95％，基体部分采用普通的热锻模钢5CrMnMo或5CrNiMo；过渡层部分(2)位于基体部分(1)与模膛表面覆层(3)之间，过渡层部分分为2－6层，按照从基体部分至模膛表面由低温至高温阶梯变化选用各个过渡层的钢质材料；模膛表面覆层的材料为TiC或VC；基体部分(1)、过渡层部分(2)的各层和模膛表面覆层(3)的材料各自均是均质材料。用本发明的方法制造的热锻模，其使用寿命长。
文档编号B23P15/24GK1775413SQ20051001996
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者王华昌, 刘秀娟, 盛志刚, 陈永波, 吴彦西, 杨春 申请人:武汉理工大学