CN101597706B

CN101597706B - 一种有色金属热挤压用镍基模具材料及其制备方法

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Publication number: CN101597706B
Application number: CN200810114520XA
Authority: CN
Inventors: 张先强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: CN101597706A

Abstract

本发明公开了一种有色金属热挤压用镍基模具材料及其制备方法，所述模具材料的总重量为100％，按重量百分比计包含：碳C 0.03～0.08％、铬Cr15～20％、钴Co 2～5％、钨W 3～6％、钼Mo 9～12％、铝Al 1～2％、钛Ti 2～4％、铁Fe 10～15％、微量元素镁Mg 0.01～0.015％和锆Zr 0.02～0.06％，剩余的部分为镍Ni。该模具材料中以镍Ni为基体，在此基础上加入较高含量的钨W和钼Mo，大大提高了材料的耐磨性，改善了材料的使用性能。

Description

一种有色金属热挤压用镍基模具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种模具材料的制备技术，尤其涉及一种有色金属热挤压用镍基模具材料及其热处理制备工艺。

背景技术

热挤压是强制加热坯料通过成型凹模洞口的工艺，用于生产不能用冷挤压成型的材料的制造，在生产等横截面的长而直的有色金属产品如棒材、实心和空心型材、管材、线材及带材中广泛应用。热挤压是将待挤压的有色金属加热到工艺规定温度，将其推入挤压模具筒中，在强烈的三向不均匀压缩力的作用下，有色金属从热挤压模具的模孔中被挤出，从而获得不同规格的热挤压产品。

挤压模具作为有色金属热挤压生产中的关键构件，它的使用寿命和质量将极大的影响挤压型材的质量、效率和成本。在整个热挤压过程中，热挤压模具处于极其苛刻的工作环境中，这就要求挤压模具材料具有较高的高温硬度、高温强度和抗磨损性能。同时随着生产规模的迅速扩大，还需要考虑热挤压模具的成本以及可修复性。如果采用传统的热作钢，如H11、H12或H13制造，由于其使用寿命短、高温强度和耐磨性差，导致热挤压型材表面质量差、尺寸精度低，同时还需经常更换模具，生产效率低，增加生产成本。而作为另一较为先进的陶瓷模具而言，虽然其使用寿命大大提高，但由于价格昂贵，易开裂且无法进行修复，对于大规模生产存在一定困难。

发明内容

本发明实施方式提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料及其制备方法，解决传统热作模具钢材料高温性能不佳，而金属陶瓷模具材料价格偏高且容易开裂失效的缺点，以具有高强度、高耐磨性和高韧性等特点镍基合金作为模具材料，大幅度提高了热挤压模具的使用寿命，降低生产成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料，所述模具材料的总重量为100％，按重量百分比计包含：

碳C 0.03～0.04％、铬Cr 15～20％、钴Co 2～5％、钨W 3～6％、钼Mo 10～12％、铝Al 1～2％、钛Ti 2～4％、铁Fe 10～15％、微量元素镁Mg 0.01～0.015％和锆Zr 0.02～0.06％，剩余部分为镍Ni。

所述模具材料总重量为100％，按重量百分比计各材料的用量为：碳C0.04％、铬C 17.0％、钴Co 4.0％、钨W 4.0％、钼Mo 10.0％、铝Al 1.5％、钛Ti3.0％、铁Fe 13.0％、微量元素镁Mg 0.013％和锆Zr 0.04％，剩余部分为镍Ni。

所述模具材料还包括：0.001～0.015％的硫S。

所述模具材料还包括：0.005～0.015％磷P。

所述模具材料还包括：0.001～0.1％的硼B。

所述模具材料还包括：0.05％的硫S。

所述模具材料还包括：0.05％的磷P。

本发明实施方式还提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料的制备方法，该方法包括：

(1)按上述权利要求1中所述的重量百分比取各原料；

(2)对所述各原料进行真空感应与真空自耗冶炼后热轧成坯料；

(3)固溶处理：将热轧后得到的坯料加热至1060～1090℃保温8h，采用分散空冷或油冷至室温，加热过程中在900℃设置保温台阶，保温1～1.5h，其中，本步骤(3)的坯料加热前炉温降至700℃以下；

(4)第一火次时效处理：将上述固溶处理后的坯料加热至740～760℃保温16h，采用分散空冷至室温，其中，本步骤(4)的坯料加热前的炉温降至500℃以下；

(5)第二火次时效处理：将第一火次时效处理后得到坯料加热至700～720℃保持16h，采用分散空冷至室温，其中，本步骤(5)的坯料加热前炉温降至500℃以下。

所述步骤(2)中对所述各原料进行真空感应与真空自耗冶炼后热轧成坯料为：将各原料进行真空感应与真空自耗冶炼后热轧成Φ70mm的棒材。

由上述本发明实施方式提供的技术方案可以看出，本发明实施方式中以镍为基体作为有色金属热挤压用镍基模具材料，在镍基体的基础上添加具有良好高温硬度和耐磨性能的钼和钨，同时添加铝和钛以便能能够在热处理过程中析出强化相来提高高温强度和硬度。得到的镍基模具材料具有高温性能好、高强度、高耐磨性和高韧性等特点，且制造成本低，用于有色金属的热挤压模具时，大幅提高了模具的使用寿命，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例的制备方法中固溶处理步骤的工艺曲线；

图2为本发明实施例的制备方法中第一火次时效处理步骤的工艺曲线；

图3为本发明实施例的制备方法中第二火次时效处理步骤的工艺曲线。

具体实施方式

本发明实施方式提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料及其制备方法，该模具材料以镍为基体，通过添加具有良好高温硬度和耐磨性能的钼和钨，同时添加铝和钛以便能能够在热处理过程中析出强化相来提高高温强度和硬度，该模具材料的总重量为100％，则按重量百分比具体包括下述原料：碳C 0.03～0.04％、铬Cr 15～20％、钴Co 2～5％、钨W 3～6％、钼Mo 10～ 12％、铝Al 1～2％、钛Ti 2～4％、铁Fe 10～15％、微量元素镁Mg0.01～0.015％和锆Zr 0.02～0.06％，剩余部分为镍Ni，其中，镍Ni作为整个材料的基体。

为便于理解，下面将结合具体实施例对本发明的实施方式进行说明。

实施例一

本实施例提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料，该镍基模具材料以镍为基体，在镍基体材料的基础上添加具有良好高温硬度和耐磨性能的钼和钨，同时添加铝和钛可以在热处理过程中析出强化相来提高高温强度和硬度。所述镍基模具材料的总重量为100％，则按重量百分比计该模具材料具体包含：

碳C 0.03～0.08％、铬Cr 15～20％、钴Co 2～5％、钨W 3～6％、钼Mo 9～12％、铝Al 1～2％、钛Ti 2～4％、铁Fe 10～15％、微量元素镁Mg0.01～0.015％和锆Zr 0.02～0.06％，剩余的部分为镍Ni，其中，镍Ni作为基体；实际中，还可以根据需要加入硫S、磷P或硼B中的一种或多种，加入时的用量分别为：硫S 0.001～0.015％、磷P 0.005～0.015％或硼B 0.001～0.1％。

在上述各原料的基础上加入硼B，可以达到硼B原子在晶界富集，增加晶界结合力，硼化物在晶界以颗粒状形式分布，能抑制晶界空洞的扩展，提高合金的高温持久性能；

本发明实施例中镍基模具材料成分范围的选定主要基于以下考虑：

镍：由于镍为面心立方结构，没有同素异构转变，而铁、钴室温下分别为体心立方和密排六方结构，高温下为面心立方奥氏体结构，为此选用镍作为基体元素；

碳：该元素能与相应金属元素形成MC和M₆C型碳化物从而强化合金高温热强性能，碳化物乘颗粒状分布于晶界能够在热加工和热处理过程中钉扎晶界，防止晶粒过分长大。但碳含量过高将会在晶界形成碳化物薄膜导致合金热加工性能恶化，成材率降低；

铬：该元素能够提高合金的抗高温氧化和热腐蚀性能，但过量添加会导致材料强度的降低；

钴、钨、钼和铁：该类元素的添加主要是这些元素与镍在原子尺寸上相差1～13％，可以通过晶格畸变达到固溶强化效果；添加铁Fe 10～15％，在起到固溶强化的同时还可降低合金成本；

铝和钛：添加这两种元素是为了能够在热处理过程中析出合金的沉淀强化相，该相通过绕过和切割粒子机制，与位错相互作用，起到至关重要的强化作用，保证材料在中高温仍保持优良的综合性能。钛和铝比控制在2∶1左右是为了防止析出相在长期使用过程中向其他有害相转变；

微量元素镁和锆：微量元素的添加是为了改善材料的成型加工性能。

采用上述元素配比，可以得到三种强化方式共同作用的镍基合金，三种强化方式分别为：碳化物强化，固溶强化和沉淀强化。这种综合强化方式与单一强化方式强化区别在于能够保证材料在热加工阶段具有优良热加工工艺性能，而在热加工完成后经过热处理可达到期望的优良综合力学性能。

上述有色金属热挤压用镍基模具材料的制备方法(热处理工艺)按下述步骤进行：

(1)将上述有色金属热挤压用镍基模具材料采用真空感应+真空自耗冶炼后热轧成坯料，一般常热轧成Φ70mm的棒材；

(2)固溶处理：将热轧得到的坯料加热至1060～1090℃保温8h，采用分散空冷或油冷至室温，加热过程中在900℃设置保温台阶，保温1～1.5h，其中，坯料加热前炉温降至700℃以下；

(3)第一火次时效处理：将上述固溶处理后的坯料加热至740～760℃保温16h，采用分散空冷至室温，其中，坯料加热前的炉温降至500℃以下；

(4)第二火次时效处理：将第一火次时效处理后得到坯料加热至700～720℃保持16h，采用分散空冷至室温，其中，坯料加热前炉温降至500℃以下。上述经热处理后得到的有色金属热挤压用镍基模具材料在室温状态下硬度可达到HRC43。

实施例二

本实施例提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料，可以用于制备有色金属热挤压用的模具，该模具材料的总重量为100％，按重量百分比计该模具材料包含：碳C 0.05％，铬C 17.0％，钴Co 4.0％、钨W 4.0％、钼Mo 10.0％、铝Al 1.5％、钛Ti 3.0％，铁Fe 13.0％，微量元素镁Mg 0.013％、锆Zr 0.04％，剩余的部分为镍Ni，其中镍Ni作为该模具材料的基体。

上述有色金属热挤压用镍基模具材料制备方法(热处理工艺)按下述步骤进行：

(1)对上述有色金属热挤压用镍基模具材料采用真空感应+真空自耗冶炼后热轧成Φ70mm的棒材。

(2)固溶处理：将热轧得到的棒材加热至1060～1090℃保温8h，采用油冷至室温；其中，在将坯料装炉前需将炉温降至700℃以下；加热过程中为防止出现热应力，需在900℃设置保温台阶，保温1～1.5h；

(3)第1火次时效处理：加热至740～760℃保温16h，采用分散空冷至室温；其中，在坯料装炉前需将炉温降至500℃以下；

(4)第2火次时效处理：加热至700～720℃保持16h，采用分散空冷至室温；其中，在坯料装炉前需将炉温降至500℃以下；

上述有色金属热挤压用镍基模具材料经热处理后室温硬度达到HRC42。

实施例三

本实施例提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料，可以用于制备有色金属热挤压用的模具，该模具材料的总重量为100％，则按重量百分比计该模具材料包含：碳C 0.04％，铬Cr 17.0％，钴Co 4.0％、钨W 4.0％、钼Mo10.0％、铝Al 1.2％、钛Ti 3％、铁Fe 12.0％、磷P 0.008％、微量元素镁Mg 0.013％、锆Zr 0.04％，硼B 0.005％，剩余的部分为镍Ni，其中镍Ni作为基体。

上述有色金属热挤压用镍基模具材料热处理工艺按下述步骤进行：

(1)对上述有色金属热挤压用镍基模具材料采用真空感应+真空自耗冶炼后热轧成Φ70mm的棒材；

(2)固溶处理：将热轧得到的棒材加热至1060～1090℃保温8h，采用油冷至室温；坯料装炉前炉温需降至700℃以下；加热过程中为防止出现热应力，需在900℃设置保温台阶，保温1～1.5h；

(3)第1火次时效处理：加热至740～760℃保温16h，采用分散空冷至室温；坯料装炉前炉温需降至500℃以下；

(4)第2火次时效处理：加热至700～720℃×16h，采用分散空冷至室温。坯料装炉前炉温需降至500℃以下；

上述有色金属热挤压用镍基模具材料经热处理后，在室温硬度达到HRC43。

实施例四

本实施例提供一种有色金属热挤压用镍基模具材料，可以用于制备有色金属热挤压用的模具，该模具材料的总重量为100％，按重量百分比计该模具材料包含：碳C 0.08％，铬C 20.0％，钴Co 5.0％、钨W 6.0％、钼Mo 12.0％、铝Al 2％、钛Ti 4.0％，铁Fe 15.0％，硫S 0.015％，磷P 0.015％，微量元素镁Mg0.015％、锆Zr 0.06％，剩余的部分为镍Ni，其中镍Ni作为该模具材料的基体。

综上所述，本发明实施例中通过以镍为基体，同时加入碳C、铬C、钴Co、钨W、钼Mo、铝Al、钛Ti、铁Fe、硫S、磷P及微量元素镁Mg、锆Zr等元素作为配合，通过热处理工艺制备得到硬度高、耐高温、寿命长的模具材料，该模具材料用于制备有色金属热挤压模具时，可以有效延长使用寿命，降低生产成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，各实施例间的前后次序不对本发明造成任何限制，本发明的保护范围也并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种有色金属热挤压用镍基模具材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：

(1)按下述的重量百分比取各原料，所述模具材料的总重量为100％，按重量百分比计包含：

碳C 0.03～0.04％、铬Cr 15～20％、钴Co 2～5％、钨W 3～6％、钼Mo 10～12％、铝Al 1～2％、钛Ti 2～4％、铁Fe 10～15％、微量元素镁Mg 0.01～0.015％和锆Zr 0.02～0.06％，剩余部分为镍Ni；

(3)固溶处理：将热轧后得到的坯料加热至1060～1090℃保温8h，采用分散空冷或油冷至室温，加热过程中在900℃设置保温台阶，保温1～1.5h，其中，在本步骤(3)的坯料加热前炉温降至700℃以下；

(4)第一火次时效处理：将上述固溶处理后的坯料加热至740～760℃保温16h，采用分散空冷至室温，其中，在本步骤(4)中的坯料加热前的炉温降至500℃以下；

(5)第二火次时效处理：将第一火次时效处理后得到坯料加热至700～720℃保持16h，采用分散空冷至室温，其中，在本步骤(5)中的坯料加热前炉温降至500℃以下。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中对所述各原料进行真空感应与真空自耗冶炼后热轧成坯料为：将各原料进行真空感应与真空自耗冶炼后热轧成Φ70mm的棒材。