[發明專利]一種仿生梯度表面球鐵沖頭及其加工方法

有效

• 申請號: 202010328996.4
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111390136B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 周倜;陳震球
• 申請（專利權）人: 江蘇拜歐尼克智能科技有限公司
• 主分類號: B22D17/20
• 分類號: B22D17/20;C21D1/09;C21D5/00
• 代理公司: 長沙新裕知識產權代理有限公司 43210
• 代理人: 王宗藝

本發明屬于金屬材料表面強化技術領域，具體涉及仿生梯度表面球鐵沖頭及其加工方法，仿生梯度表面球鐵沖頭，基材為球墨鑄鐵，表面帶有耐磨、減阻、輔助脫附的仿生模型，沖頭外壁表面加工出異距、異深度的仿生單元體，構建耐磨、抗疲勞仿生耦合表面。加工方法為分析失效沖頭工作表面的失效形態，對沖頭進行耦合仿生強化設計；對沖頭表面進行預磨處理及清潔；采用激光熔凝的方法，在沖頭表面形成均勻分布、晶粒組織細化的仿生單元體。沖頭工作柱面分為α、β兩個區域，調整激光器參數，加工兩區域的A類單元體；再調整激光器參數，加工兩區域的B類單元體。本發明采用了連續激光器的激光熔凝這種表面處理的方法，使沖頭的使用壽命得到延長。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面強化技術領域，具體涉及一種多種熔凝仿生單元體以不同的梯度方式耦合在工作表面構成新的耐磨功能表面的壓鑄沖頭，其用于超高壓、高速壓鑄機。

背景技術

高壓鑄造一直是高速、穩定生產高質量發動機缸體的主要生產手段。特別是超大型壓力機速度快、效率高、成型效果好，例如奧迪系列的EA888型鋁鑄發動機，目前只有一汽鑄造有限公司的4000噸壓力機可以生產。但在生產過程中，巨大的壓力對沖壓沖頭也造成了巨大磨損。沖頭的工作環境溫度在220-260℃之間，沖頭的配合套筒面摩擦面的硬度在HRC70以上。隨著沖頭沖壓次數的增加沖頭圓柱面與套筒發生磨損導致沖頭外表面尺寸超差。當沖頭尺寸超差到一定范圍時，會出現鋁液在高壓下從沖頭邊緣噴射出來，或者部分鋁液在沖頭上凝固，導致沖頭卡在套筒中無法拔出。即使上述事故情況均沒發生的情況下，也會因沖頭的磨損造成沖頭上粘附鋁液，使壓力機在推壓的瞬時壓力下降，導致模具內部的鋁液充型不完全，最終造成壓鑄零件遠端面出現缺陷報廢。

以目前生產車間的情況來看，企業在既要保證壓鑄沖頭的使用壽命又要降低沖頭的生產成本。壓鑄模具沖頭從早期的P型銅，每個沖頭可以使用800-1000次，價格4500-5000人民幣。經過改良后的沖頭到目前的平均使用2000次，價格1500-1800人民幣。之所以沖頭的成本始終高居不下的主要原因是盡管采用了低成本的母材，但在低成本母材表面進行表面強化，無論是噴涂、熱處理、滲氮等表面強化工藝的成本也仍然很高。目前已經有企業嘗試用激光熔覆的方法來強化沖頭，但由于激光熔覆粉末成本也非常高，熔覆強化的沖頭成本也隨之升高。

發明內容

針對現有技術所存在的上述不足，本發明目的是提供一種仿生梯度表面球鐵沖頭及其加工方法，在鑄鐵沖頭外壁用激光連續熔凝的方式，對鑄鐵沖頭進行差異分布仿生強化。

本發明利用仿生原理，采用激光熔凝的方法在沖頭工作表面制備非均勻分布、晶粒組織細化的不同寬度，不同深度的仿生單元體模型。仿生單元體與母材形成了軟硬相間的仿生物體結構。根據沖頭在工作過程中沖壓時的瞬時壓力模擬量分布以及保壓狀態下的壓力模擬量分布結果，有不同深度、寬度的硬質單元體和不同寬度的母材共同組成仿生耦合耐磨表面。

一種仿生梯度表面球鐵沖頭，用于超高壓、高速推進壓鑄機，壓力4000噸以上，沖頭基材為球墨鑄鐵，表面帶有耐磨、減阻、輔助脫附的仿生模型；沖頭外壁經過高功率連續激光器進行激光熔凝強化處理，沖頭外壁表面加工出異距、異深度的仿生單元體，構建耐磨、抗疲勞仿生耦合表面；不同的單元體間距和深度分布決定了沖頭具有不同的耐磨性和抗疲勞性。

進一步地，所述仿生單元體界面寬度1—6mm，深度0.3—1.5mm，單元體基本為片狀馬氏體組織，硬度控制在800-920HV。