本發(fā)明屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將多個(gè)相同材質(zhì)的金屬板坯單元體通過表面凈化處理，真空封裝，鍛造過程中高溫保壓，來消除板坯單元體間的空洞型缺陷的多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)模具鋼模塊的方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而使得模具用鋼鐵材料也隨之發(fā)展起來。從模具鋼的發(fā)展歷程不難看出，模具鋼發(fā)展到現(xiàn)在已逐步系列化，主要包括冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼和特殊用途模具鋼，其中塑料模具鋼的市場需求占據(jù)第一位。隨著全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，制造業(yè)等傳統(tǒng)工業(yè)在向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。我國勞動(dòng)力資源豐富，勞動(dòng)力成本低，制造業(yè)發(fā)展迅速，模具行業(yè)市場巨大，已成為模具制造大國，但還稱不上模具強(qiáng)國。近幾年，我國模具工業(yè)一直以每年15％左右的增長速度發(fā)展。

近三年我國模具總產(chǎn)值分別達(dá)到450億元、530億元和620億元。但同時(shí)必須看到，我國每年還要從日本、瑞典、法國、德國、奧地利等國進(jìn)口約6萬噸左右的高檔模具鋼，要花費(fèi)大量的外匯。這說明我們與世界先進(jìn)水平相比，在模具的品種、質(zhì)量、尺寸規(guī)格、性能及服務(wù)等方面還存在差距，還難以滿足市場需求。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的中厚板及鍛造企業(yè)生產(chǎn)的模塊在品種規(guī)格系列化和質(zhì)量水平上與國際企業(yè)相比仍有較大差距，高檔塑料模具鋼長期依賴進(jìn)口。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)模塊的原料主要是靜態(tài)澆筑鋼錠或電渣重熔鋼錠。電渣重熔鋼錠質(zhì)量相對(duì)好，成本較高，一般模具鋼的電渣成本為2500元/噸。電渣錠的收弧端和引弧端通常存在夾渣等缺陷，需要切除，材料的利用率一般在80％左右。而澆筑鋼錠常見的缺陷有：偏析、夾雜、氣體、氣泡、縮孔、疏松、裂紋和濺疤。這些缺陷的形成與冶煉，澆鑄和冷卻等過程緊密相關(guān)，而且鋼錠愈大，缺陷愈嚴(yán)重，這些缺陷也往往是造成大型鍛件報(bào)廢的主要原因，大幅度降低了鋼錠的成材率。并且鋼錠內(nèi)部的缺陷是不可視的，這些缺陷也很難通過冶煉工藝的改進(jìn)而消除。傳統(tǒng)的鍛造過程中，鋼錠的冒口和錠尾由于存在的缺陷較多，通常需要切除，材料的利用率一般為75％左右。

據(jù)相關(guān)專利文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，公告號(hào)為CN102950428B的“塑料模具鋼鋼板的加工方法”，公告號(hào)為CN103060699B的“冷作模具鋼的加工方法”，以及公告號(hào)為CN102936692B的“冷沖模模具鋼的加工方法”等模具鋼的加工方法，都是通過一定化學(xué)組分的原料澆注形成模具鋼坯料，澆注成型的模具鋼鋼錠經(jīng)過降溫，加熱，保溫，爐冷，然后再加熱、保溫、冷卻來制得所需類別的模具鋼。這些方法雖然工藝簡單，材料成本低，制得的模具鋼具有一定的機(jī)械性能，但這類方法對(duì)破壞金屬的連續(xù)性、引起顯微裂紋、降低模具鋼澆注后力學(xué)性能的異相質(zhì)點(diǎn)類夾雜，以及鋼錠中殘存氣體(例如氧、氮、氫等)最終以氧化物和氮化物形式，在鋼錠內(nèi)形成的導(dǎo)致鋼材塑性降低的鍛件內(nèi)部白點(diǎn)和氫脆等缺陷，無法起到有效的消除作用，影響模具鋼的性能。

而公開號(hào)為CN105499459A的“異質(zhì)金屬構(gòu)筑成形方法”，公開了一種異質(zhì)金屬構(gòu)筑成形方法，包括制備由第一材料制成的至少一個(gè)第一基元和由第二材料制成的多個(gè)第二基元構(gòu)成的多個(gè)基元，將多個(gè)基元堆垛成預(yù)定形狀，將堆垛成預(yù)定形狀的多個(gè)基元封裝成預(yù)制坯，再通過鍛焊使得多個(gè)基元之間的界面焊合以將預(yù)制坯制成毛坯等步驟。該成形方法中制備基元的過程只是簡單地描述為“將多塊小規(guī)格金屬坯下料為指定尺寸”，并沒有具體介紹基元截面尺寸的確定依據(jù)和方式，比較籠統(tǒng)，不利于方法的實(shí)施。并且，該成形方法中對(duì)預(yù)制坯實(shí)施的鐓粗與鍛焊的步驟描述，也只是簡單地?cái)⑹隽绥叴值南聣鹤冃瘟?，沒有涉及鐓粗過程中溫度、保溫時(shí)間和焊接比壓之間的關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)基元內(nèi)部裂紋的充分焊合，不能完全消除基元的空洞型缺陷，故無法滿足同質(zhì)金屬類模具鋼的鍛造質(zhì)量要求。

鑄錠過程中由于操作不當(dāng)或注速、鑄溫控制不當(dāng)，使得鑄成的鋼錠內(nèi)部存在空洞、裂紋、偏析和第二相等缺陷。這些缺陷在鋼錠制造過程中普遍存在，而且鋼錠越大，鋼錠的內(nèi)部冶金質(zhì)量越難保障。而模具鋼一般是需要鍛造成方體，剁刀口及圓形鋼錠對(duì)成材率都有一定的影響；并且，鋼錠切除一般靠剁刀切除或鋸切，需要耗費(fèi)大量工時(shí)和燃料。故有必要對(duì)現(xiàn)有的模具鋼的加工方法進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對(duì)上述問題，提供一種將多個(gè)相同材質(zhì)的金屬板坯單元體通過表面凈化處理，真空封裝，鍛造過程中高溫保壓，來消除板坯單元體間的空洞型缺陷的多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)模具鋼模塊的方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：該多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)模具鋼模塊的方法包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)材質(zhì)計(jì)算焊合所需應(yīng)變量及溫度等因素的影響，依據(jù)在鍛件的生產(chǎn)過程中，鍛坯內(nèi)部宏觀與微觀空洞型缺陷的閉合條件：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面體的切應(yīng)變

V₀——原始的空洞率

其中，

確定空洞的面積，再根據(jù)空洞面積確定板坯單元體的截面尺寸，選擇出合適尺寸的軋制板坯；

步驟二、多個(gè)相同材質(zhì)的金屬板坯單元體在進(jìn)行堆疊之前，對(duì)板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理，首先去除板坯單元體表面的氧化皮，然后用有機(jī)溶劑清洗板坯單元體的表面；以確保板坯單元體需要焊接的接觸面高度清潔，無雜質(zhì)、油漬及表面氧化物等殘留，盡可能地減少模具鋼模塊的缺陷；

步驟三、將清潔后的板坯單元體逐層堆疊，然后快速地轉(zhuǎn)入到由普通碳鋼焊接成的箱體內(nèi)，堆疊的板坯單元體裝箱后，焊接上箱體蓋，然后將箱體內(nèi)部抽真空，并對(duì)整個(gè)箱體進(jìn)行密封；

步驟四、將內(nèi)部裝有堆疊板坯單元體的箱體放在加熱爐的墊鐵上，單元體的堆疊面平行于水平面，然后開始對(duì)箱體進(jìn)行加熱，加熱工藝為：在350℃保溫4小時(shí)后，以小于或等于50℃/小時(shí)的升溫速率將溫度升高到650℃，在650℃保溫7小時(shí)，然后再以50℃/小時(shí)的升溫速率將溫度升高到850℃，并在850℃保溫9小時(shí)后，以50℃/小時(shí)的升溫速率，使溫度上升到1200℃，最后在1200℃保溫20小時(shí)；

步驟五、把加熱后的箱體吊裝到水壓機(jī)的墩粗平臺(tái)上，對(duì)箱體以及其內(nèi)部的堆疊板坯單元體進(jìn)行墩粗保壓焊合，墩粗保壓焊合的溫度、保溫時(shí)間和焊接比壓三者滿足菲克第二定律，使板坯單元體的裂隙型缺陷充分的焊合；菲克第二定律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

將代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——擴(kuò)散時(shí)間(s)

C——擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(kg/m³)

x——距離(m)

板坯單元體的裂紋在墩粗保壓焊合過程中，經(jīng)過裂尖鈍化、裂紋分節(jié)、裂腔球化、空洞愈合及質(zhì)量均勻化等階段，最終完成愈合；

步驟六、拆除堆疊板坯單元體外側(cè)的箱體，然后將板坯單元體返爐；

步驟七、對(duì)墩粗保壓焊合的堆疊板坯單元體進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散處理，裂隙型缺陷的焊合是通過原子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的，原子擴(kuò)散走過的平均距離與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比，一般滿足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距離

τ——保溫時(shí)間

K——常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)

步驟八、鍛造至模具鋼模塊要求的尺寸。

所述步驟二，對(duì)板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理時(shí)，采用銑床去除板坯單元體表面的氧化皮。

所述步驟二，對(duì)板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理后，需保證加工后的板坯單元體表面粗糙度小于6.3。

所述步驟二，在去除板坯單元體表面的氧化皮之后，用來清洗板坯單元體表面的有機(jī)溶劑是丙酮或酒精。

所述步驟五，生產(chǎn)2738模具鋼模塊時(shí)，該材質(zhì)的焊接溫度為1100～1150℃，焊接比壓力為6～11MPa，焊接時(shí)間為30～60min。

所述步驟五，生產(chǎn)XPM模具鋼模塊時(shí)，該材質(zhì)的焊接溫度為1120～1180℃，焊接比壓力為6～11MPa，焊接時(shí)間為30～50min。

所述步驟五，生產(chǎn)H13模具鋼模塊時(shí)，該材質(zhì)的焊接溫度為1100～1160℃，焊接比壓力為7～12MPa，焊接時(shí)間為40～60min。

所述步驟七，堆疊板坯單元體模具鋼模塊高溫?cái)U(kuò)散的速度是50～70mm/h。

本發(fā)明的有益效果：通過提出一種多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)模具鋼模塊的方法：即把符合成分要求的軋制板坯作為金屬單元體，將堆疊的板坯單元體裝入到由普通碳鋼焊接成的箱體內(nèi)，并對(duì)整個(gè)箱體進(jìn)行抽真空和密封；根據(jù)鍛件內(nèi)部空洞型缺陷閉合條件制定出合理的鍛造和加熱工藝，使多個(gè)金屬板坯單元體通過高溫保壓焊合成整體坯料；拆除箱體，然后將板坯單元體返爐進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散處理，把坯料鍛造至模具鋼模塊要求的尺寸。該方法制得的胚料與傳統(tǒng)的澆筑鋼錠相比，避免了澆筑鋼錠常見的偏析、夾雜、氣體、氣泡、縮孔、疏松、裂紋和濺疤等缺陷，提高了模具鋼模塊的整體質(zhì)量；并且，坯料不需要去除冒口和錠尾，提高了材料的利用率，降低了能耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的板坯單元體堆疊的示意圖。

圖2是本發(fā)明的板坯單元體裝入到金屬箱體內(nèi)墩粗保壓焊合的示意圖。

圖3是本發(fā)明的工藝路線圖。

圖4是本發(fā)明的加熱曲線圖。

圖中序號(hào)說明：1金屬板坯單元體、2水壓機(jī)上橫梁、3上墩粗板、4金屬箱體、5下墩粗板、6水壓機(jī)下平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

根據(jù)圖1～4詳細(xì)說明本發(fā)明的具體步驟。該多單元同質(zhì)金屬疊鍛生產(chǎn)模具鋼模塊的方法包括：

步驟一，為了選擇出合適尺寸的軋制板坯，根據(jù)材質(zhì)計(jì)算焊合所需應(yīng)變量及溫度等因素的影響，以確定板坯單元體的截面尺寸。

依據(jù)金寧等研究的鍛件空洞性缺陷在塑性加工過程中的變化問題，采用數(shù)學(xué)解析的方法研究了鍛件內(nèi)部空洞性缺陷在塑性加工過程中的壓合機(jī)制、條件和判據(jù)，以空洞力學(xué)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了壓合鍛件內(nèi)部空洞性缺陷的判據(jù)，并根據(jù)研究結(jié)果探討了FM法、WHF法及V型砧鍛造工藝中鍛件內(nèi)部柱狀空洞的閉合規(guī)律、閉合路徑和閉合速度。以多孔可壓縮材料的塑性理論和空洞力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)得出，在鍛件的生產(chǎn)過程中，鍛坯內(nèi)部宏觀與微觀空洞型缺的閉合條件可以表示為：

${\mathrm{\γ}}_s\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_s}\right)=-F\left(V_0\right)$

式中：γ_s——八面體的切應(yīng)變

V₀——原始的空洞率

其中，

根據(jù)以上公式可確定空洞的面積，根據(jù)空洞面積確定板坯單元體的截面尺寸，選擇出合適尺寸的軋制板坯，以確保經(jīng)過后續(xù)加工，生產(chǎn)出質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

步驟二，進(jìn)行堆疊之前，采用銑床去除多個(gè)相同材質(zhì)的金屬板坯單元體表面的氧化皮，以對(duì)板坯單元體的接觸面進(jìn)行處理，并保證經(jīng)銑床加工后的表面粗糙度小于6.3。然后用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑清洗板坯單元體的表面，以確保板坯單元體需要焊接的接觸面高度清潔，并且無雜質(zhì)、油漬及表面氧化物等殘留，盡可能地減少最終成品模具鋼模塊的缺陷。

步驟三、將清潔后的板坯單元體逐層堆疊，然后快速地轉(zhuǎn)入到由普通碳鋼焊接成的箱體內(nèi)，堆疊的板坯單元體裝入到普通碳鋼構(gòu)成的箱體后，焊接上箱體的上蓋，使整個(gè)箱體閉合；然后再將箱體內(nèi)部抽成真空，最后對(duì)整個(gè)閉合的箱體進(jìn)行密封，準(zhǔn)備進(jìn)行下一道工序的加工。

步驟四，吊裝內(nèi)部裝有堆疊板坯單元體的箱體，使其平放在加熱爐的墊鐵上，單元體的堆疊面平行于水平面布置。堆疊的板坯單元體的加熱工藝曲線與普通鋼錠的加熱曲線相比，低溫段、中溫鍛和高溫段的保溫時(shí)間都相對(duì)延長。在高溫段保溫時(shí)，堆疊板坯單元體的保溫時(shí)間不能夠按照單件最小截面尺寸的大小計(jì)算加熱時(shí)間，而是要按照多件坯料堆疊方向尺寸計(jì)算加熱時(shí)間，保溫時(shí)間按照每100mm保溫1.5小時(shí)計(jì)算。

具體的加熱工藝為：首先，在350℃保溫4小時(shí)后，以小于或等于50℃/小時(shí)的升溫速率將溫度升高到650℃，在650℃保溫7小時(shí)，然后再以等于50℃/小時(shí)的升溫速率將溫度升高到850℃，并在850℃保溫9小時(shí)后，以等于50℃/小時(shí)的升溫速率，使溫度上升到1200℃，最后在1200℃保溫20小時(shí)。

把加熱后的箱體吊裝到水壓機(jī)的墩粗平臺(tái)上，對(duì)箱體以及其內(nèi)部的堆疊板坯單元體進(jìn)行墩粗保壓焊合，

步驟五，對(duì)加熱后的箱體以及其內(nèi)部的堆疊板坯單元體進(jìn)行墩粗保壓焊合。用鐵鏈把加熱后的箱體吊到水壓機(jī)的墩粗平臺(tái)上，在吊裝箱體時(shí)，要始終保證箱體內(nèi)板坯單元體的堆疊面平行于水平面。墩粗保壓焊合是本發(fā)明的關(guān)鍵，板坯單元體的裂隙型缺陷在溫度、保溫時(shí)間和焊接比壓三者滿足菲克第二定律時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)充分的焊合。菲克第二定律是在第一定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，菲克第二定律指出，在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，即

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂J}{\∂x}$

將代入上式，得

$\frac{\∂C}{\∂t}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{dC}{dx}\right)$

式中：t——擴(kuò)散時(shí)間(s)

C——擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(kg/m³)

x——距離(m)

實(shí)際上，固溶體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)D是隨濃度變化的，為了使求解擴(kuò)散方程簡單些，往往近似地把D當(dāng)做常數(shù)看待。根據(jù)菲克第二定律可知板坯單元體的裂紋在墩粗保壓焊合過程中，經(jīng)過裂尖鈍化、裂紋分節(jié)、裂腔球化、空洞愈合及質(zhì)量均勻化等階段，最終完成愈合。

裂紋愈合過程分為裂尖鈍化、裂紋分節(jié)、裂腔球化、空洞愈合及質(zhì)量均勻化等幾個(gè)階段。對(duì)于已經(jīng)墩粗到位的板坯單元體來說，根據(jù)焊接比壓(壓機(jī)的保壓壓力)，裂縫的焊接時(shí)間(保壓時(shí)間)，以及材質(zhì)的不同，最佳參數(shù)也不盡相同。當(dāng)模具鋼模塊為2738(2738是德國DIN標(biāo)準(zhǔn)的鋼材牌號(hào))時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，該材質(zhì)的最佳焊接溫度為1100～1150℃，焊接比壓力為6～11MPa，焊接時(shí)間為30～60min。當(dāng)模具鋼模塊為XPM時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，該材質(zhì)的最佳焊接溫度為1120～1180℃，焊接比壓力為6～11MPa，焊接時(shí)間為30～50min。當(dāng)模具鋼模塊為H13時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，該材質(zhì)的最佳焊接溫度為1100～1160℃，焊接比壓力為7～12MPa，焊接時(shí)間為40～60min。

步驟六、拆除堆疊板坯單元體外側(cè)的由普通碳鋼焊接成的箱體，然后將板坯單元體整體返爐。

步驟七，高溫?cái)U(kuò)散的保溫時(shí)間對(duì)焊合過程也非常重要。在同樣的變形量和保溫溫度條件下,適當(dāng)?shù)难娱L保溫時(shí)間可以改善焊合效果。裂隙型缺陷的焊合是通過原子擴(kuò)散等機(jī)制實(shí)現(xiàn)的,原子擴(kuò)散走過的平均距離與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比。一般滿足以下公式：

$X=K\sqrt{\mathrm{\τ}}$

式中：X——原子的平均距離

τ——保溫時(shí)間

K——常數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)，一般合金鋼為1.5

根據(jù)計(jì)算，堆疊板坯單元體模具鋼模塊高溫?cái)U(kuò)散保溫時(shí)間是一般鋼錠鍛件保溫時(shí)間的1.7～2倍。一般鋼錠的保溫時(shí)間通常按照100mm/h的速度計(jì)算。

步驟八，根據(jù)工藝要求，將模具鋼模塊鍛造至所要求的尺寸。