大型铸钢基体锻模型腔双金属梯度连接机理及性能研究

With traditional forging die manufacturing method, the open die forging and forging permeability of large hydraulic press(800MN) forging die is difficult, the hardness is low and the cracks appear easily after heat treatments and the cost is quite high. To solve these key challenges of large forging die designing and manufacturing, the gradient manufacturing method is firstly proposed, which takes special cast steel as the forging die base and a dual metal gradient layer (DMGL, the transition layer and strengthening layer) welded on the working area of the die cavity. .The investigation focuses on the following main aspects, firstly the diffusion and the fusion mechanism between the transition layer material and the cast steel substrate material; secondly the differentiated gradient of organization and mechanical properties in fusion area along the layer thickness direction; thirdly the influence of material composition and thickness of the gradient layer on the connection regional organization and performance; fourth the stress field distribution and pressure-bearing in cast steel substrate fusion area, under high temperature and high pressure; and lastly the rule which organization and performance in connection regional and cavity size change after the trial production..After the investigation it is possible to establish a reasonable matching model of connection layer thickness and a differentiation mathematical model of connection area performance gradient and each reasonable thickness and material composition of dual metal gradient layer are studied. .Finally the large cast steel substrate cavity structure,welding structure, process and method of DMGL, test and procedure are designed to guide the practice production.

为解决大型模锻液压机（8万吨压机）锻模采用传统制造方法时遇到的模块自由锻难度大、锻透性差、热处理硬度低达不到要求、易出现热处理裂纹、制造成本高等问题，首次提出利用特种铸钢材料作为锻模基体，在模具型腔工作区域采用双金属性能梯度层连接（过渡层和强化层）方法来制造大型锻模的方法。通过研究过渡层连接材料与铸钢基体材料成分之间相互扩散和融合的机理，研究融合区沿层厚度方向组织和机械性能的差异化梯度，研究各梯度层连接材料成份、连接厚度等因数对连接区域组织和性能的影响规律，研究高温高压下融合区及铸钢基体区域应力场分布与承压能力，锻模试生产后连接区域组织、性能和型腔尺寸变化规律等，建立连接层厚度合理匹配模型，连接区性能梯度差异化数学模型，获得双金属梯度连接各层材料厚度的合理范围及材料成分。最终得以指导大型铸钢基体型腔结构及连接结构设计、连接工艺及方法设计，试验及生产规程。

本项目基于项目组对特种铸钢基体材料成分、组织及性能的大量前期研究基础上，利用一种适用于大型液压机用的具有足够的综合机械性能和良好的可焊接性能的铸钢材料（JXZG），开展了大型铸钢基体锻模型腔双金属梯度制造方法连接机理及力学性能研究。主要研究内容包括：双金属梯度层第一连接层（过渡层）连接材料与铸钢基体之间相互扩散和融合的机理研究；扩散与融合层厚度方向上组织和性能的差异化梯度；双金属各梯度层的材料成份、连接厚度等因素对连接区域组织和性能的影响规律；高温高压下融合区及周边各个区域应力场分布及承压能力；批量生产后连接区域组织、性能和型腔尺寸的变化规律等。项目实施后，得到了满足大型液压机锻模综合性能和使用寿命要求的双金属强度硬度梯度各连接层的材料成分、厚度及其对连接区域组织和性能的影响规律，实现了对连接区域组织和性能梯度差异的优化控制，对大型锻模铸钢基体型腔结构及连接材料结构设计、连接工艺及方法设计、锻模使用规程等方面积累了理论数据和工程应用经验，保证了大型锻模表层工作区的高强硬性和过渡层足够的韧塑性及各梯度层间的连接强度。同时，获得的具有完全自主知识产权的大型锻模铸钢基体双金属性能梯度连接制造方法的成套工艺技术在中国第二重型机械集团和西南铝业集团得到良好应用。本研究成功解决了在大型模锻液压机（8万吨压机）上模锻钢制和铝合金制锻件时，采用传统锻模制造方法时遇到的模块自由锻难度大、锻透性差、热处理硬度低达不到要求、易出现热处理裂纹、制造成本高等问题，从根本上改变了传统的锻模制造方法，达到了降低成本，缩短开发周期，提高模具寿命的目的，具有广泛的应用前景和重大的经济效益。