CN101876019A - 一种铜热挤压用模具材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜热挤压用模具材料及其制备工艺。该材料是由98.8wt.％～99.2wt.％的微米级细晶Mo基体相和0.8wt.％～1.2wt.％的La₂O₃/Mo₅Si₃弥散相组成，其中弥散相是由以复合微粒形式加入且重量比为1∶1～1∶1.1的La₂O₃/MoSi₂原位生成。其制备工艺包括配料-混料压制成型-烧结-锻造。由于La₂O₃与原位生成的Mo₅Si₃的强化增韧综合作用，该钼材料具有高强度、高韧性、低膨胀率等特点，通过后继的锻造工艺进一步优化其组织结构、提高其致密度及性能，作为铜挤压模具材料，寿命提高到＞1000次/模，因而可大大提高生产效率、降低模具成本。

Description

一种铜热挤压用模具材料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种铜热挤压用模具材料，本发明还涉及该铜热挤压用模具材料的制备工艺。

背景技术

挤压模具是挤压设备的关键部件，直接决定了产品质量、生产效率及生产成本。挤压模具由于在高温高压下作业，并承受周期载荷的作用，因此对模具材料的性能要求很高，如高强度、高韧性、低热膨胀率、良好的热稳定性及热疲劳性、高耐磨性以及优良的加工性能等。而挤压模具的优劣又取决于模具材料的选择。选用何种模具材料，对模具寿命、产品质量有着十分重要的影响。对于铜及铜合金而言，由于热加工温度高达800～1100℃，故而对模具材料有着更严格的要求。目前，铜及铜合金热挤压模具材料主要有模具钢、金属陶瓷、钨钼难熔金属材料。

H13钢作为新一代模具钢，由于性能有了较大提高，而且价格相对便宜，因而目前仍为许多铜加工企业采用，但其使用寿命短，仅为数十次。金属陶瓷能在较高的温度下保持较高的硬度，是新近发展起来的热挤压模具材料，虽使用寿命尚可，但由于其韧性及抗热疲劳性差，使用时需要进行严格的镶套，因而成本较高、制备工艺复杂且困难。

难熔金属钼及其合金因具有熔点高，强度大，硬度高，导电导热性能和耐腐蚀性能好等优良的特性，被广泛认为是一种性能优良、价格相对便宜的热挤压模具材料。但传统的钼材料及后继开发的TZM、AKS-Mo、La₂O₃-Mo等合金，要么高温强度差、要么韧性及加工性差，这都限制了它们的应用；而Mo-Re合金虽具有很好的综合性能，但由于Re属于稀缺金属，储量有限，且其价格也很高，不利于大规模的工业生产。因此，迫切需要一种既具备优异的综合性能，又经济实惠的钼合金以满足铜热挤压用模具材料的需求。

发明内容

本发明所要解决的第一技术问题是提供一种具有高强度、高韧性、低热膨胀性率、高导热、优良的热稳定性及加工性等特点，可大幅度提高模具的使用寿命和产品的质量的铜热挤压用模具材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种制备工艺简单、成本低的铜热挤压用模具材料的制备工艺。

为了解决第一个技术问题，本发明提供的铜热挤压用模具材料，由98.8wt.％～99.2wt.％的微米级细晶Mo基体相和0.8wt.％～1.2wt.％的La₂O₃/Mo₅Si₃弥散相组成，其中弥散相是由以复合微粒形式加入且重量比为1∶1～1∶1.1的La₂O₃/MoSi₂原位生成。

为了解决第二个技术问题，本发明提供的铜热挤压用模具材料的制备工艺，包括配料混料-压制成型-烧结-锻造，其步骤为：

(1)、配料

按照化学成分范围配备各种粉末原料，各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm；

(2)、混料

将配好的各种原料粉末装入三维混料机中进行混合，直至混合均匀；

(3)、压制成型

将混合均匀的混合料装入弹性塑胶套内，采用冷等静压的方法进行压制，其冷等静压力为150～400MPa，时间为3～10min；

(4)、烧结

将压制成型的坯料置于中频烧结炉中进行烧结处理，烧结气氛为氢气，烧结温度为1500～2000℃，时间为1～5h；

(5)、锻造

将烧结坯料真空中包套密封，在1100～1300℃温度下加热15～40min，并进行多道次旋锻，得到最终的铜挤压模用钼材料。

采用上述技术方案的铜热挤压用模具材料及其制备工艺，采用固-固掺杂添加适量La₂O₃/MoSi₂复合纳米微粒来改善钼材料的结构与性能。加入的La₂O₃可以通过弥散强化和净化晶界等作用提高钼材料的强韧性。稀土氧化物若以纳米形式添加，其活性更大，但高温强化作用会有所减弱。加入的MoSi₂纳米微粒则可通过与钼发生原位反应形成三硅化五钼，使材料的高温强度有较大提高，这种强韧化作用是一种互补的结果。与传统仅添加单一La₂O₃相比，烧结温度降低，致密化的速度加快，导热性提高，热膨胀系数保持不变，室温断裂韧性增加，耐冷热疲劳性能提高，而高温强度有较大改善。通过后继的锻造加工可进一步优化钼材料的组织结构并获得微米级细晶Mo基体相及均匀分布弥散强化相、提高其致密度及性能，以满足铜热挤压之苛刻要求。

本发明具有的优点：

本发明所涉及的La₂O₃/MoSi₂复合纳米微粒强化微米级细晶钼材料，充分发挥稀土氧化物及原位生成三硅化五钼的增强补韧综合作用，具有高强度、高韧性、低膨胀率等优点，而且制备工艺简单、成本低，应用于铜及其合金的热挤压模具，其使用寿命＞1000次/模，从而降低生产中换模次数，提高生产效率、降低模具成本。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种铜热挤压用模具材料，主要由Mo和La₂O₃/Mo₅Si₃复合纳米微粒组成，后者以La₂O₃/MoSi₂复合纳米微粒的形式加入到钼中，且加入量为1wt.％，La₂O₃与MoSi₂重量比为1，各原料粉末的纯度及粒度如表1所示。

其制备工艺步骤为：

(1)、配料

按照化学成分范围配备各种粉末原料，  各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm；

(2)、混料

将配好的各种原料粉末装入三维混料机中进行混合，直至混合均匀；

(3)、压制成型

将混合均匀的混合料装入弹性塑胶套内，采用冷等静压的方法进行压制，其冷等静压力为200MPa，时间为5min；

(4)、烧结

将压制成型的坯料置于中频烧结炉中在氢气保护下于1800℃烧结2h；

(5)、锻造

将烧结坯料于真空中包套密封，在1200℃温度下加热20min，进行5道次旋锻，每道次压缩率为20％，得到最终的铜挤压模用钼材料。

La₂O₃/MoSi₂在烧结时与Mo发生原位反应生成La₂O₃/Mo₅Si₃，制备的最终钼材料的力学性能指标如表2所示。

表1原料粉末属性

表2本实施例材料性能数据

实施例2：

一种铜热挤压用模具材料，主要由Mo和La₂O₃/Mo₅Si₃复合纳米微粒组成，后者以La₂O₃/MoSi₂复合纳米微粒的形式加入到钼中，且加入量为0.8wt.％，La₂O₃与MoSi₂重量比为1∶1，各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm。

其制备工艺步骤为：

(1)、配料

按照化学成分范围配备各种粉末原料，各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm；

(2)、混料

将配好的各种原料粉末装入三维混料机中进行混合，直至混合均匀；

(3)、压制成型

将混合均匀的混合料装入弹性塑胶套内，采用冷等静压的方法进行压制，其冷等静压力为150MPa，时间为10min；

(4)、烧结

将压制成型的坯料置于中频烧结炉中在氢气保护下于1500℃烧结5h；

(5)、锻造

将烧结坯料于真空中包套密封，在1100℃温度下加热40min，进行5道次旋锻，每道次压缩率为20％，得到最终的铜挤压模用钼材料。

制备的最终钼材料致密度99.98％、室温抗弯强度为1085MPa、延伸率为17.4％、室温断裂韧性22.2MPa·m^1/2、1000℃的膨胀系数及导热率分别为5.774*10^-6K及115W·m^-1·K^-1、由此材料制备的挤压模具使用寿命为1287次/模。

实施例3：

一种铜热挤压用模具材料，主要由Mo和La₂O₃/Mo₅Si₃复合纳米微粒组成，后者以La₂O₃/MoSi₂复合纳米微粒的形式加入到钼中，且加入量为1.2wt.％，La₂O₃与MoSi₂重量比为1∶1.1，各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm。

其制备工艺步骤为：

(1)、配料

按照化学成分范围配备各种粉末原料，各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm；

(2)、混料

将配好的各种原料粉末装入三维混料机中进行混合，直至混合均匀；

(3)、压制成型

将混合均匀的混合料装入弹性塑胶套内，采用冷等静压的方法进行压制，其冷等静压力为400MPa，时间为3min；

(4)、烧结

将压制成型的坯料置于中频烧结炉中在氢气保护下于2000℃烧结1h；

(5)、锻造

将烧结坯料于真空中包套密封，在1300℃温度下加热15min，进行5道次旋锻，每道次压缩率为20％，得到最终的铜挤压模用钼材料。

制备的最终钼材料致密度99.99％、室温抗弯强度为1260MPa、延伸率为12.2％、室温断裂韧性28.6MPa·m^1/2、1000℃的膨胀系数及导热率分别为5.768*10^-6K及107W·m^-1·K^-1、由此材料制备的挤压模具使用寿命为1445次/模。

Claims (2)

1.一种铜热挤压用模具材料，其特征在于：其组成成份为：98.8wt.％～99.2wt.％的微米级细晶Mo基体相和0.8wt.％～1.2wt.％的La2O3/Mo5Si3弥散相，所述的弥散相La2O3/Mo5Si3是由以复合微粒形式加入且重量比为1∶1～1∶1.1的La2O3/MoSi2原位所生成。

2.制备权利要求1所述的铜热挤压用模具材料的工艺，包括配料-混料-压制成型-烧结-锻造，其特征在于：

(1)、配料

按照化学成分范围配备各种粉末原料，各种原料的纯度均大于99.9％，其粒度均小于5μm；

(2)、混料

将配好的各种原料粉末装入三维混料机中进行混合，直至混合均匀；

(3)、压制成型

将混合均匀的混合料装入弹性塑胶套内，采用冷等静压的方法进行压制，其冷等静压力为150～400MPa，时间为3～10min；

(4)、烧结

将压制成型的坯料置于中频烧结炉中进行烧结处理，烧结气氛为氢气，烧结温度为1500～2000℃，时间为1～5h；

(5)、锻造

将烧结坯料真空中包套密封，在1100～1300℃温度下加热15～40min，并进行多道次旋锻，得到最终的铜挤压模用钼材料。