基于堆焊技术的低成本长寿命热冲压模具制造方法基础研究

摘要

近年来随着汽车轻量化的发展，汽车行业对超高强度钢热冲压零件需求量越来越旺盛。为了满足需求，带冷却水道的热冲压模具和带加热棒的变强度热冲压模具被广泛应用于热冲压零件生产制造。然而，由于热冲压模具服役条件恶劣，模具工作温度高，模具圆角处存在应力集中，模具表面磨损严重，导致模具维护成本高、模具寿命有限。另一方面，热冲压模具材料通常为均质高性能热作模具钢，材料价格昂贵，故热冲压模具制造成本较高。因此，本文提出了一种低成本长寿命热冲压模具制造新方法，即以低成本锻钢和铸钢为模具镶块基体，在基体表面堆焊耐磨性能更优的高温合金耐磨层。相对于传统热冲压模具制造方法，采用该新方法可大幅降低热冲压模具制造成本，提高热冲压模具寿命，具有广泛的应用前景和重大的经济效益。　　本文在该种低成本长寿命热冲压模具制造方法的指导下，确定了制造工艺步骤主要可分为：结构设计、基体加工、焊前处理、耐磨层堆焊、焊后热处理、探伤补焊、机械加工、检验入库等；确定了模具镶块结构分为基体和表面耐磨层上下两层；确定了增材制造工艺方法为手工电弧堆焊；选择带冷却水道热冲压模具镶块基体材料为45#钢，变强度热冲压热区模具镶块基体材料为5CrNiMo铸钢；预选表面耐磨层堆焊材料为高温合金HST327镍基合金、HST32钴基、HST72铁基合金并对其进行了试验研究，具体包括：压缩屈服强度测试、硬度测试、金相试验、高温磨损试验、扫描电镜试验等。　　针对于带冷却水道的热冲压模具表面耐磨层堆焊材料选择的问题，本文以某热冲压模具钢HSTS钢为参照，对比研究了预选高温合金的力学性能、耐磨性和磨损机制。其中，铁基合金压缩屈服强度、硬度最高，在200℃、300℃和180N条件下磨损体积明显低于镍基、钴基合金，与HSTS钢相当。该结果表明：试验条件下，试验材料的力学性能与其耐磨性有比较明显的正相关性；与镍基、钴基合金相比，铁基合金和HSTS钢因其具有极高的力学性能，磨损机制以磨粒磨损为主，避免了磨损表面出现大规模的剪切剥落、塑性变形和材料迁移，故铁基合金具有更优的耐磨性能，所以优选铁基合金作为带冷却水道的热冲压模具表面耐磨层堆焊材料。　　针对变强度热冲压热区模具表面耐磨层堆焊材料选择的问题，本文以某热冲压模具钢HSTS钢为参照，对比研究了预选高温合金的高温耐磨性和磨损机制。在500℃、180N条件下，钴基合金压缩屈服强度、硬度低于铁基合金和HSTS钢，高于镍基合金，但磨损体积最小。该结果表明：试验条件下，试验材料的力学性能与其高温耐磨性无显著正相关性。与镍基、铁基合金和HSTS钢相比，钴基合金因其具有较为适中的压缩屈服强度、硬度，磨损机制以氧化磨损和粘着磨损为主，故既避免了因强硬度不足而导致磨损表面出现大规模的剪切剥落、塑性变形和材料迁移，又避免了因强硬度过高形成磨粒磨屑和脆性氧化层剥落而导致材料磨损加剧，故钴基合金具有最优的耐磨性，因此优选钴基合金作为变强度热冲压热区模具表面耐磨层堆焊材料。　　利用设计的方法和研究结果，制定了该种低成本长寿命热冲压模具制造实施技术路线，并以某汽车B柱热冲压模具镶块（带冷却水道）为例，以45#钢为基体，表面耐磨层堆焊铁基合金，完成了该种带冷却水道的新型低成本长寿命热冲压模具镶块制备，并将其应用于实际生产。经实际生产验证，所制汽车B柱满足产品质量要求，且在模具制造成本降低的同时，模具寿命也得到了提高，验证了该种低成本长寿命热冲压模具制备方法的适用性与合理性。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景介绍

1.2 超高强度钢热冲压工艺

1.3.1 模具结构

1.3.2 模具服役条件

1.3.3 模具主要失效形式

1.3.4 模具材料

1.4 增材制造技术

1.5 高温合金材料

1.6 国内外研究现状

1.7 本课题研究目的及意义

1.8 本课题主要研究内容

2 低成本长寿命热冲压模具结构设计及制造工艺

2.1 引言

2.2 结构设计

2.3 材料选择

2.4 增材制造工艺选择

2.5 工艺步骤及堆焊工艺参数

2.6 本章小节

3 试验方法及结果分析

3.1 引言

3.2 试验材料

3.3 试样制备

3.4 试验方法

3.4.1 压缩屈服强度测试

3.4.2 硬度测试

3.4.3 金相试验

3.4.4 高温磨损试验

3.4.5 激光共聚焦扫描试验

3.4.6 扫描电镜试验

3.5 试验结果分析

3.5.1 压缩屈服强度分析

3.5.2 硬度分析

3.5.3 显微组织分析

3.6 本章小节

4 热冲压模具表层不同堆焊材料的耐磨性与磨损机制

4.1 引言

4.2 磨痕轮廓对比分析

4.3 磨损体积对比分析

4.4 磨损机制分析

4.4.1 镍基合金磨损形貌及磨损机制

4.4.2 钴基合金磨损形貌及磨损机制

4.4.3 铁基合金磨损形貌及磨损机制

4.4.4 HSTS钢磨损形貌及磨损机制

4.5 对比分析与讨论

4.6 本章小结

5 变强度热冲压热区模具表层不同堆焊材料的高温耐磨性与磨损机制

5.1 引言

5.2 磨痕轮廓对比分析

5.3 磨损体积对比分析

5.4 磨损机制分析

5.4.1 镍基合金磨损形貌及磨损机制

5.4.2 钴基合金磨损形貌及磨损机制

5.4.3 铁基合金磨损形貌及磨损机制

5.4.4 HSTS钢磨损形貌及磨损机制

5.5 对比分析与讨论

5.6 本章小结

6 低成本长寿命热冲压模具制造新方法应用

6.1 制造实施技术路线

6.2 热冲压模具镶块制造过程

6.3 生产试制

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 本课题创新点

7.3 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文与专利目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢