專利名稱：一種超高溫成型模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及金屬成型模具技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種超高溫成型模具。
背景技術(shù)：
高熔點金屬(黑色金屬、銅合金及不銹鋼等)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。高熔點金屬熱成型溫度通常在1000°c以上，對模具材料的高溫機械性能要求非常高。在超高溫成型工況下，采用任何高性能特種材料都無法同時滿足模具所需要的高溫強韌性能、高溫磨損性能、冷熱疲勞性能和高溫沖蝕性能，極低的模具使用壽命限制了超高溫成型技術(shù)的推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)研究表明，與常規(guī)模具材料相比，高熔點鉬基合金、鎢基合金及陶瓷材料制備的超高溫成型模具，模具使用壽命有一定提高，但提高并不顯著，加上材料價格昂貴及鎢合金資源的稀缺性，嚴(yán)重制約其普及應(yīng)用。目前，國內(nèi)外尚沒有一種模具材料能夠完全滿足超高溫成型模具的實際應(yīng)用需求。中國專利《金剛石復(fù)合涂層拉絲模制備方法》(專利號ZL01113027. X)和中國專利 《碳化硅陶瓷和金剛石復(fù)合拉拔模具制備方法》(專利號ZL200810040138. 9)分別提出以大孔徑硬質(zhì)合金模具和碳化硅陶瓷模具為襯底，用化學(xué)氣相法在模具內(nèi)孔表面沉積常規(guī)金剛石和納米金剛石復(fù)合涂層，制成金剛石涂層模具，能提高模具工作壽命5-10倍以上。但硬質(zhì)合金和陶瓷材料均采用燒結(jié)成型，其強度和韌性較低，且難以成型復(fù)雜型腔的模具，不能滿足壓力成型模具對強韌性能和成型復(fù)雜形狀零件的要求，由于采用化學(xué)氣相法沉積金剛石涂層的沉積時間至少6小時以上，存在生產(chǎn)效率低的缺點和制造成本高的壓力，加熱到 IOOO0C，金剛石會緩慢變成石墨，且金剛石熱導(dǎo)率高，一般為136. 16W/ (m · K)，無法有效阻礙金屬液溫度傳導(dǎo)給模具基體，不適用于超高溫成型模具。進一步檢索，尚未發(fā)現(xiàn)超高溫成型模具及其制備方法。

實用新型內(nèi)容本實用新型旨在提供一種超高溫成型模具，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的超高溫成型模具強度及韌性較低、成型復(fù)雜型腔困難的技術(shù)問題。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種超高溫成型模具。該超高溫成型模具包括金屬基材襯底，其上具有工作表面；粘結(jié)層，噴涂在金屬基材襯底的工作表面上；以及熱障層，噴涂在粘結(jié)層上。進一步地，金屬基材為熱作模具鋼、塑料模具鋼中的一種。進一步地，粘結(jié)層和熱障層形成過程中采用的噴涂的方法是采用氧乙火焰棒材噴涂方法。進一步地，粘結(jié)層的材質(zhì)為鎳基合金，鎳基合金形成的粘結(jié)層的厚度為 0. 05-0. 1mm。進一步地，熱障層的厚度為0.2-0. 9mm。[0011]本實用新型的一種超高溫成型模具，由于在金屬基材襯底上噴涂有粘結(jié)層和熱障層，所以其強度及韌性較高；且由于熱障層的存在，其耐高溫、耐磨損、抗氧化、隔熱性能較好，能夠適用于各種高熔點金屬成型溫度達到1000°c以上的超高溫成型工況；金屬基材襯底成型復(fù)雜型腔相對于現(xiàn)有技術(shù)中燒結(jié)而成的硬質(zhì)合金加工工藝簡單，且易成型。

說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本實用新型的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。在附圖中圖1示出了根據(jù)本實用新型實施例的超高溫成型模具的局部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本實用新型。根據(jù)本實用新型的一種典型的實施方式，該超高溫成型模具包括具有工作表面的金屬基材襯底，噴涂在金屬基材襯底的工作表面上的粘結(jié)層，以及噴涂在粘結(jié)層上的熱障層。由于在金屬基材襯底上噴涂有粘結(jié)層和熱障層，所以其強度及韌性較高；且由于熱障層的存在，其耐高溫、耐磨損、抗氧化、隔熱性能較好，能夠適用于各種高熔點金屬成型溫度達到1000°C以上的超高溫成型工況；金屬基材襯底成型復(fù)雜型腔相對于現(xiàn)有技術(shù)中燒結(jié)而成的硬質(zhì)合金加工工藝簡單，且易成型，加工成本低。本實用新型制備的超高溫成型模具可廣泛用于黑色金屬壓鑄(或半固態(tài))成型、銅合金壓鑄成型及不銹鋼無縫鋼管高溫高速擠壓等高熔點金屬成型模具工作面瞬間溫度達1000°c以上的工況，應(yīng)用于替代硬質(zhì)合金和陶瓷材料工模具產(chǎn)品，特別是硬質(zhì)合金和陶瓷材料難以制備的復(fù)雜型腔模具。其不僅使用壽命比傳統(tǒng)模具大幅度延長，而且能夠提高生產(chǎn)效率，顯著改善模具質(zhì)量，有效節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本，而且可大幅度減少超高溫成型模具對硬質(zhì)合金的依賴，對于減少鎢、鈷資源的消耗，有效解決硬質(zhì)合金行業(yè)面臨資源危機意義重大。本實用新型中的金屬基材可以是選自熱作模具鋼、塑料模具鋼中的一種，其中，優(yōu)選為熱作模具鋼，因為其具有良好的加工性能，更方便復(fù)雜型腔的成型，且具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能。粘結(jié)層可以為Ni-Cr合金、NiCrAlY合金中的一種，設(shè)置此粘結(jié)層可以緩解熱障層和金屬基材襯底之間的熱膨脹差異，提高金屬基材襯底的抗氧化性，可提高熱障層的結(jié)合強度。優(yōu)選地，Ni-Cr合金由質(zhì)量百分含量為77-79%的Ni、質(zhì)量百分含量為19-21%的Cr 以及質(zhì)量百分含量為彡4%的雜質(zhì)^6^11、5、(、5丨)組成，所述NiCrAlY合金由質(zhì)量百分含量為72. 5%的Ni、質(zhì)量百分含量為19%的Cr、質(zhì)量百分含量為8%的Al以及質(zhì)量百分含量為0. 5%的Y組成，此種配比的Ni-Cr合金或NiCrAlY合金具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)勢。其中，Ni-Cr合金或NiCrAlY合金形成的粘結(jié)層的厚度為0. 05-0. 1mm，此厚度可使粘結(jié)層與金屬基材襯底及熱障層保持良好的結(jié)合力，并達到良好緩解熱障層和金屬基材襯底之間的熱膨脹差異的效果，過薄的粘結(jié)層很難發(fā)揮緩解熱膨脹差異的作用，過厚的粘結(jié)層容易因結(jié)合力降低而剝落。根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，熱障層的材質(zhì)為陶瓷涂層，可以是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯或氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯，優(yōu)選地，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯是^O2 (8%Y203穩(wěn)定)， 即氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯中氧化鋯的質(zhì)量百分含量為92%，氧化釔的質(zhì)量百分含量為8%，氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯是^O2 (6%CaO穩(wěn)定)，即氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯中氧化鋯的質(zhì)量百分含量為94%，氧化鈣的質(zhì)量百分含量為6%。陶瓷涂層具有抗腐蝕性能強、抗冷熱交變性能(或稱耐候性)明顯優(yōu)于普通涂層的優(yōu)點。優(yōu)選地，熱障層的厚度為0. 2-0. 9mm，具有此厚度的熱障層既達到了隔熱耐高溫的目的，又有效避免了結(jié)合強度不足導(dǎo)致涂層剝落的技術(shù)問題。本實用新型的一種超高溫成型模具可以通過以下步驟制備制作金屬基材襯底， 打磨金屬基材襯底的外表面至粗糙度為Ra25_50 ；采用橫向縱向交替逐層熱噴涂的方法， 在金屬基材襯底的工作表面形成粘結(jié)層；采用橫向縱向交替逐層熱噴涂的方法，在粘結(jié)層的表面形成熱障層基層；以及對熱障層基層進行研磨拋光形成熱障層。其中，設(shè)置此粘結(jié)層可以緩解熱障層和金屬基材襯底之間的熱膨脹差異，提高金屬基材襯底的抗氧化性，并且其表面粗糙度為Ra25-50，可提高熱障層的結(jié)合強度。在本實用新型中，金屬基材襯底也可以按常規(guī)工藝預(yù)留涂層余量機加工成型后，用石英砂噴砂法清除模具工作面油斑、銹跡等污物，形成其表面粗糙度為Ra25-50磨砂面，用壓縮空氣吹凈該噴砂面，有利于進一步提高熱障層的結(jié)合強度。與化學(xué)氣相法相比，熱噴涂方法生產(chǎn)效率更高，更適宜實際生產(chǎn)應(yīng)用； 采用橫向縱向交替逐層熱噴涂的方法，可以使涂層均勻平整、結(jié)合強度高。在本實用新型中，可以采用金剛石砂輪或金剛銼對熱障層基層研磨拋光，可以采用旋轉(zhuǎn)研磨拋光方式。優(yōu)選地，熱障層基層的厚度為0. 3-lmm，經(jīng)研磨拋光達到熱障層0. 2-0. 9mm的厚度要求。根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，粘結(jié)層和熱障層可以通過氧乙火焰棒材噴涂方法、氧乙火焰粉末噴涂方法或氧乙火焰線材噴涂方法形成，優(yōu)選地，形成過程中采用的熱噴涂的方法是采用氧乙火焰棒材方法進行噴涂，該方法與氧乙火焰粉末噴涂方法相比，送料更均勻，該方法與氧乙火焰線材噴涂方法相比，陶瓷棒材比陶瓷線材更易于制備。其中，熱噴涂時的氧氣壓力為0. 4-0. 6MPa,乙炔壓力為0. 08-0. 12MPa，壓縮空氣壓力為 0. 6-0. 8MPa，噴涂距離為85_100mm，棒材直徑Φ6-8ι πι，進給速度為160-180mm/min，噴槍移動速度為90-110mm/s。下面將結(jié)合實施例進一步說明本實用新型的有益效果。銅合金壓鑄時，壓鑄模具直接與1100-1200°C的超高溫熔融態(tài)銅合金接觸，將銅合金壓入模具型腔時，壓鑄模具承受較大壓射力，極易發(fā)生熱變形和熱熔損。實施例1根據(jù)本實用新型實施例1的壓鑄模具局部結(jié)構(gòu)如圖1所示，制備過程如下1)沿用銅合金壓鑄模具原有選材方案，選用市售HHD熱作模具鋼制作金屬基材襯底10，按常規(guī)工藝預(yù)留0. 6mm作為涂層余量加工成型后，用石英砂噴砂法清除模具工作面油斑、銹跡等污物，打磨其表面粗糙度為Ra25的磨砂面，用壓縮空氣吹凈該噴砂面；2)選用市售Ni80Cr20棒材(即Ni-Cr合金，由質(zhì)量百分含量為77_79%的Ni、質(zhì)量百分含量為19-21%的Cr以及質(zhì)量百分含量為彡4%的雜質(zhì)組成)為粘結(jié)層原料，采用氧乙火焰棒材噴涂方法，采用橫向縱向交替逐層熱噴涂的方法，在金屬基材襯底的工作表面形成粘結(jié)層20 ；熱噴涂具體工藝參數(shù)為氧氣壓力0. 5MPa,乙炔壓力0. IMPa，壓縮空氣壓力0. 7MPa，噴涂距離90mm，棒材直徑Φ 6mm，進給速度178mm/min，噴槍移動速度100mm/s， Ni80Cr20，粘結(jié)層厚度控制在0. 07-0. 09mm ；[0026]3)選用市售復(fù)合陶瓷棒材^O2 (6%Ca0穩(wěn)定)為熱障層原料，采用噴涂粘結(jié)層相同的熱噴涂方法和工藝參數(shù)，在粘結(jié)層表面噴涂^O2 (6%Ca0穩(wěn)定)熱障層基層，厚度控制在0. 6-0. 7mm，用金剛石砂輪研磨拋光至工作尺寸形成0. 51-0. 53 mm的熱障層30，獲得本實用新型實施例1的超高溫成型模具，用于銅合金壓鑄成型。實施例21)沿用銅合金壓鑄模具原有選材方案，選用市售HHD熱作模具鋼制作金屬基材襯底，按常規(guī)工藝預(yù)留涂層余量加工成型后，用石英砂噴砂法清除模具工作面油斑、銹跡等污物，打磨其表面粗糙度為Ra50的磨砂面，用壓縮空氣吹凈該噴砂面；2)選用市售M80Cr20棒材為粘結(jié)層原料，采用氧乙火焰棒材噴涂方法，采用橫向縱向交替逐層熱噴涂的方法，在金屬基材襯底的工作表面形成粘結(jié)層20 ；熱噴涂具體工藝參數(shù)為氧氣壓力0. 4MPa，乙炔壓力0. 12MPa，壓縮空氣壓力0. 6MPa，噴涂距離85mm，棒材直徑Φ8πιπι，進給速度160mm/min，噴槍移動速度90mm/s，Ni80Cr20粘結(jié)層厚度控制在 0. 05-0. Imm ；3)選用市售復(fù)合陶瓷棒材^O2 (8%Y203穩(wěn)定)為熱障層原料，采用噴涂粘結(jié)層相同的熱噴涂方法和工藝參數(shù)，在粘結(jié)層表面噴涂^O2 (8%Y203穩(wěn)定)熱障層基層，厚度控制在 0. 3-1. 0mm，用金剛石砂輪研磨拋光至工作尺寸形成0. 2-0. 9 mm的熱障層，獲得本實用新型實施例1的超高溫成型模具，用于銅合金壓鑄成型。實施例31)沿用銅合金壓鑄模具原有選材方案，選用市售HHD熱作模具鋼制作金屬基材襯底，按常規(guī)工藝預(yù)留涂層余量加工成型后，用石英砂噴砂法清除模具工作面油斑、銹跡等污物，打磨其表面粗糙度為Ra50的磨砂面，用壓縮空氣吹凈該噴砂面；2)選用市售NiCrAlY棒材(即NiCrAlY合金，由質(zhì)量百分含量為72. 5%的Ni、質(zhì)量百分含量為19%的Cr、質(zhì)量百分含量為8%的Al以及質(zhì)量百分含量為0. 5%的Y組成)為粘結(jié)層原料，采用氧乙火焰棒材噴涂方法，采用橫向縱向交替逐層熱噴涂的方法，在金屬基材襯底的工作表面形成粘結(jié)層；熱噴涂具體工藝參數(shù)為氧氣壓力0. 6MPa,乙炔壓力0. OSMPa, 壓縮空氣壓力0. 8MPa，噴涂距離100mm，棒材直徑Φ 7mm，進給速度180mm/min，噴槍移動速度110mm/s，NiCrAlY粘結(jié)層厚度控制在0. 05-0. Imm ；3)選用市售復(fù)合陶瓷棒材^O2 (8%Y203穩(wěn)定)為熱障層原料，采用噴涂粘結(jié)層相同的熱噴涂方法和工藝參數(shù)，在粘結(jié)層表面噴涂^O2 (8%Y203穩(wěn)定)熱障層基層，厚度控制在 0. 3-1. Omm，用金剛石砂輪研磨拋光至工作尺寸形成0. 2-0. 9 mm的熱障層，獲得本實用新型實施例1的超高溫成型模具，用于銅合金壓鑄成型。對比例1選用市售HHD熱作模具鋼作為銅合金壓鑄模具坯料，按常規(guī)工藝不留余量加工獲得壓鑄模具成品，該常規(guī)工藝是HHD熱作模具鋼坯料采用二次電渣重熔工藝冶煉， 經(jīng)1240°C 1 保溫均勻化處理后，三鐓三拔鍛造制成圓棒坯料，按壓鑄模具最終尺寸預(yù)留0. 2-0. 5mm余量粗加工制成壓鑄模具半成品，將壓鑄模具半成品經(jīng)高溫淬火(淬火溫度 1060-1080°C，保溫Ih后空冷)、回火處理(回火溫度580-600°C，保溫2h，回火2_3次，硬度 45-48HRC)，最后精加工獲得壓鑄模具成品，用于銅合金壓鑄成型。實施例4[0038]本實施例與實施例1不同點在于，本實用新型技術(shù)方案實施對象為壓鑄模具，用于45鋼(熔融態(tài)溫度1500°C左右)壓鑄成型。對比例2選用市售HHD熱作模具鋼作為壓鑄模具坯料，按常規(guī)工藝不留余量加工獲得壓鑄模具成品，該常規(guī)工藝是HHD熱作模具鋼坯料采用二次電渣重熔工藝冶煉，經(jīng)1240°C 1 保溫均勻化處理后，三鐓三拔鍛造制成坯料，按模具最終尺寸預(yù)留0. 2-0. 5mm余量粗加工坯料制成壓鑄模具半成品，將壓鑄模具半成品經(jīng)高溫淬火(淬火溫度1060-1080°C，保溫Ih后空冷)、回火處理(回火溫度580-600°C，保溫2h，回火2-3次，硬度45-48HRC)，最后精加工獲得壓鑄模具成品，用于45鋼壓鑄成型。根據(jù)本實用新型實施例制造的超高溫成型模具及對比例的使用壽命見表一表一
權(quán)利要求1.一種超高溫成型模具，其特征在于，包括 金屬基材襯底(10)，其上具有工作表面；粘結(jié)層(20)，噴涂在所述金屬基材襯底(10)的所述工作表面上；以及熱障層(30 )，噴涂在所述粘結(jié)層(20 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高溫成型模具，其特征在于，所述金屬基材為熱作模具鋼、塑料模具鋼中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高溫成型模具，其特征在于，所述粘結(jié)層(20)和所述熱障層(30)形成過程中采用的噴涂的方法是采用氧乙火焰棒材噴涂方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超高溫成型模具，其特征在于，所述粘結(jié)層(20)的材質(zhì)為鎳基合金，所述鎳基合金形成的所述粘結(jié)層(20)的厚度為0. 05-0. 1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高溫成型模具，其特征在于，所述熱障層(30)的厚度為 0. 2-0. 9mm。
專利摘要本實用新型公開了一種超高溫成型模具。該超高溫成型模具包括金屬基材襯底，其上具有工作表面；粘結(jié)層，噴涂在金屬基材襯底的工作表面上；以及熱障層，噴涂在粘結(jié)層上。本實用新型的一種超高溫成型模具，由于在金屬基材襯底上噴涂有粘結(jié)層和熱障層，所以其強度及韌性較高；且由于熱障層的存在，其耐高溫、耐磨損、抗氧化、隔熱性能較好，能夠適用于各種高熔點金屬成型溫度達到1000℃以上的超高溫成型工況；金屬基材襯底成型復(fù)雜型腔相對于現(xiàn)有技術(shù)中燒結(jié)而成的硬質(zhì)合金加工工藝簡單，且易成型。
文檔編號C23C4/10GK202322973SQ20112047996
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者王曉輝, 范廣宏, 蔡衛(wèi)東, 褚作明, 金康, 陳東 申請人:南通市眾恒熔模鑄鍛有限公司, 機械科學(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心, 機科發(fā)展科技股份有限公司