CN102389970A - 一种用于冷挤压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冷挤压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法，属于冷挤压领域。本发明的粉末冶金材料，其各组份的质量百分为：碳化钨含量为30～38％，铁含量为60～69％，碳化铬含量为0.5～1.0％，碳化钒含量为0.2～0.6％，氧化铈含量为0.1～0.4％。应用该材料制备模具的方法，按照上述比例配置原材料，然后依次经过球磨混粉、真空干燥、压制成形、真空烧结得到目标产品。本发明的冷挤压模具实现了对内钢外塑料锥套式锥体零件的冷挤压加工，达到了节约原材料、节省能源、降低成本和提高生产效率的目的。

Description

一种用于冷挤压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法

技术领域

本发明涉及一种用于冷挤压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法，属于冷挤压领域。

背景技术

目前，在高层建筑和水利水电现浇混凝土工程施工中，对于地下室外墙及需要防水的墙体模板，通常使用止水螺栓固定，一个建筑面积2万平方米的高层建筑地下室外墙止水螺栓的需要量大概在1万套以上，一个类似南水北调倒虹吸这样的工程，如果有30节长20米的三孔管子的话，其止水螺栓的需要量也在5万套以上，所以，建筑施工中需要止水的现浇混凝土结构对止水螺栓的需求量非常巨大。

止水螺栓分成三节，即一个中间节、两个锥体和两个外周转节，中间节埋入混凝土后不取出来周转，两个锥体必须取出来周转，锥体的制作目前有两种方式，第一种是整体球墨铸铁锥体，第二种是采用内钢外塑料锥套式锥体，如图1所示。

对于第一种球墨铸铁锥体，在铸造完后需要在车床上车削锥面，由于铸造件难以避免地存在常见的缩孔、缩松、裂纹、浇不足和冷隔等铸造缺陷，所以废品率很高，因此而造成实际成品的生产成本较高。另外，这种球墨铸铁锥体在实际使用时，一旦拆模不及时或施工时模板跑位，常常很难取出来，有的甚至不用凿子凿墙，就根本取不出来，严重影响施工企业的生产。

第二种内钢外塑料锥套式锥体是目前普遍采用的止水螺栓锥体的制作方式，如图2所示，内钢件的外轮廓为台阶轴形，且大端带六角，台阶轴形的设计目的是固定外塑料锥套，大端带六角的目的是便于使用内六角套筒扳子将锥体从混凝土墙里取出来，内钢件的制造工艺通常有两种办法，第一种办法是采用车床车出台阶，采用铣床铣出大端六角；第二种办法是采用热锻工艺锻压出来。第一种工艺方法生产成本非常高，且耗料多，效率低；第二种工艺办法需要加热，成本也较高。

冷挤压工艺加工内钢外塑料锥套式锥体，可以达到节约原材料、节省能源、降低成本和提高生产效率的目的，但冷挤压工艺必须使用模具，并且对模具有极高的要求，不但其硬度和强度要高，而且还要有很好的断裂韧性和抗破损性能。

国内冷挤压模具材料基本上都采用模具钢制作，最典型的冷作模具钢材料有Cr12和Cr12MoV，对挤压精度和使用寿命要求不高且负荷不大的冷作模具钢材料，常采用9Mn2V、9SiCr、CrWMn、T8A、T10A和T12A等，这些材料通常在退火状态经机械加工成形，然后淬火，再回火，热处理后的最终硬度在HRC55～65范围内，当这些材料制作的模具硬度偏高时，通常非常脆且钢材内部组织应力大，使用过程中，在大变形疲劳应力的作用下很容易破损；而当硬度偏低时，虽然韧性较好，不易破损，但磨损很快，使用寿命很低，需要经常更换冷挤压模具。

用于制作冷挤压模具零件的材料除了模具钢外，还有粉末冶金材料，粉末冶金材料通常比模具钢的硬度要高得多，HRC65～75，但韧性却差得很远，最典型的粉末冶金材料是硬质合金，能用于制作冷挤压模具、硬度较高且韧性较好的硬质合金材料主要有钨钴类硬质合金，它是把WC硬质颗粒用金属Co或Ni作粘接剂，经高温烧结而成的一种高硬度材料，尽管硬度非常高，且耐磨，但韧性很差，在大变形强挤压力反复作用下易破损，使用寿命较低，所以，即使含粘接剂较多，一般也很少用作冷挤压模具，而只是在拉丝模领域有所应用。

由于止水螺栓的需求量非常大，内钢外塑料锥套式锥体内钢件的加工精度要求又比较高，内钢件的台阶和六角的挤压变形量又非常大，因此传统的模具钢和粉末冶金材料制作的模具均不能满足该零件的加工要求，对生产企业来说，如果模具寿命不高，将直接影响到生产的进度和连续性，并进而影响到企业的效益。

传统的模具钢和粉末冶金材料各有特点，前者的优点正好是后者的缺点，前者的缺点也正好是后者的优点，因此，寻求一种新型冷挤压模具材料，使它既具有很高的硬度和耐磨性，同时又具有很高的断裂韧性，对于象内钢外塑料锥套式锥体内钢件这种大批量、大变形、高负荷、高精度和高效率冷挤压零件来说，非常必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统车铣工艺或热锻工艺在加工内钢外塑料锥套式锥体存在成本高、效率低等缺点，而改用冷挤压工艺加工，从而提供一种适应该工艺来加工内钢外塑料锥套式锥体的冷挤压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种用于冷挤压模具的粉末冶金材料，该材料各组份的质量百分比如下：

碳化钨WC含量为30～38％，铁Fe含量为60～69％，碳化铬Cr₃C₂含量为0.5～1.0％，碳化钒VC含量为0.2～0.6％，氧化铈Ce₂O₃含量为0.1～0.4％。

其中各组份的粒径均为0.6～3μm。

应用本发明的粉末冶金材料制备冷挤压模具的方法，其具体步骤如下：

1)原材料配置

按照碳化钨WC含量为30～38％，铁Fe含量为60～69％，碳化铬Cr₃C₂含量为0.5～1.0％，碳化钒VC含量为0.2～0.6％，氧化铈Ce₂O₃含量为0.1～0.4％的质量百分比配制混合料，该混合料的粒径为0.6～3μm。

2)球磨混粉

将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料质量比50∶1配比，装入硬质合金研磨罐，按照每公斤混合料中加入300～500毫升的比例关系加入纯度为99％的乙醇，然后密封条件下球磨15～25小时，再将混合料转入不锈钢真空研磨罐，在真空条件下继续球磨10～20小时。其中，球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为：正反转间歇时间3～5min，转速180～280r/min。

3)真空干燥

向第2)步球磨后的混合料中掺加成形剂，然后放入行星搅拌真空干燥箱中搅拌干燥，首先在60～80℃下恒温干燥2小时以上，最后在110～130℃下恒温干燥2小时以上；行星搅拌真空干燥箱的真空度设置为0.03～0.1MPa，成形剂为石蜡、顺丁橡胶、丁苯橡胶或丁钠橡胶，掺加量为每公斤混合料中加入15～30g成形剂。

4)压制成形

经第3)步真空干燥后的粉末装入制作冷挤压模用的成形模具中，在压力机上压制成形，单位面积压力550～850kgf/cm²。

5)真空烧结

采用真空烧结工艺对第4)步压制后的冷挤压模具坯料进行烧结，首先以3～8℃/min的恒定升温速度从室温升到300～500℃，保温60～120min；然后以5～15℃/min的恒定升温速度将温度升到700～900℃，保温20～40min；最后以2～6℃/min的恒定升温速度将温度升到1300～1400℃，保温30～50min，随炉冷却后得到目标产品。

有益效果

采用本发明的材料加工的模具由于碳化钨和碳化钒的加入，使其具有很高的硬度；由于稀土氧化物(即氧化铈)的加入，相比模具钢材料加工的模具来说，其耐磨性能得到大大提高；由于碳化钨、碳化钒和碳化铬的加入，使烧结后晶粒更细，相比普通硬质合金加工的模具来说，断裂韧性和抗破损性能得到大大提高。本发明的冷挤压模具实现了对内钢外塑料锥套式锥体零件的冷挤压加工，达到了节约原材料、节省能源、降低成本和提高生产效率的目的。

附图说明

图1为内钢外塑料锥套式锥体的主视图；

图2为图1的A-A向剖面图；

其中，1-后挡片；2-外塑料锥套；3-内钢件；4-挡销。

图3为图1中内钢外塑料锥套式锥体的内钢件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容做进一步说明：

实施例1：以制作T16内钢外塑料锥套式锥体的内钢件的冷挤压凹模为例

1)原材料配置

取各粉末的含量为：平均粒度为1μm的碳化钨320克，平均粒度为3μm的铁粉665克，平均粒度为1μm的碳化铬含量8克，平均粒度为1μm的碳化钒5克，平均粒度为1μm的氧化铈2克。

2)球磨混粉

将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料比50∶1配比，装入硬质合金研磨罐，在每公斤混合料中加入400毫升纯度为99％的乙醇，密封球磨罐进行球磨，球磨16小时之后，将混合料转入不锈钢真空研磨罐，对研磨罐抽真空后继续球磨12小时。球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为：正反转间歇时间3.5min，转速200r/min。

3)真空干燥

向第2)步球磨后的混合料中掺加丁钠橡胶作为成形剂，掺加量为20g/kg，然后将料放入行星搅拌真空干燥箱中搅拌干燥，在真空干燥时，选择的开始温度为75℃恒温2小时，最终干燥温度为120℃恒温2小时，真空度为0.06MPa。

4)压制成形

经第3)步真空干燥后的粉末装入制作冷挤压模用的成形模具中，在压力机上压制成形，单位面积压力600kgf/cm²。

5)真空烧结

采用真空烧结工艺对第4)步压制后的冷挤压模具坯料进行烧结，首先以3.5℃/min的恒定升温速度从室温升到360℃，保温100min；然后以6℃/min的恒定升温速度将温度升到810℃，保温35min；最后以3℃/min的恒定升温速度将温度升到1320℃，保温38min，随炉冷却后得到目标产品。

将实施例1制作的冷挤压凹模用于加工T16内钢外塑料锥套式锥体的内钢件，在因磨损而报废前，可挤压9500件左右，使用寿命比模具钢材料制作的冷挤压模高3～5倍，比普通硬质合金材料制作的冷挤压模高15～30％，且挤压表面粗糙度小。

实施例2：以制作T20内钢外塑料锥套式锥体的内钢件的冷挤压凹模为例

1)原材料配置

取各粉末的含量为：平均粒度为1.5μm的碳化钨380克，平均粒度为3μm的铁粉610克，平均粒度为1μm的碳化铬含量5克，平均粒度为1μm的碳化钒2.5克，平均粒度为1μm的氧化铈2.5克。

2)球磨混粉

将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料比50∶1配比，装入硬质合金研磨罐，在每公斤混合料中加入400毫升纯度为99％的乙醇，密封球磨罐进行球磨，球磨22小时之后，将混合料转入不锈钢真空研磨罐，对研磨罐抽真空后继续球磨15小时。球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为：正反转间歇时间3.5min，转速230r/min。

3)真空干燥

向将第2)步球磨后的混合料中掺加丁钠橡胶作为成形剂，掺加量为20g/kg，然后将料放入行星搅拌真空干燥箱中搅拌干燥，在真空干燥时，选择的开始温度为70℃，最终干燥温度为125℃，真空度为0.08MPa。

4)压制成形

经将第3)步真空干燥后的粉末装入制作冷挤压模用的成形模具中，在压力机上压制成形，单位面积压力650kgf/cm²。

5)真空烧结

采用真空烧结工艺对将第4)步压制后的冷挤压模具坯料进行烧结，首先以3.5℃/min的恒定升温速度从室温升到360℃，保温100min；然后以6℃/min的恒定升温速度将温度升到800℃，保温35min；最后以3℃/min的恒定升温速度将温度升到1380℃，保温40min，随炉冷却后得到目标产品。

将实施例2制作的冷挤压凹模用于加工T20内钢外塑料锥套式锥体的内钢件，在因破损而报废前，可挤压12000件左右，使用寿命比模具钢材料制作的冷挤压模高4～7倍，比普通硬质合金材料制作的冷挤压模高20～40％，且挤压表面粗糙度小。

实施例3：以制作T14内钢外塑料锥套式锥体的内钢件冷挤压凹模为例

1)原材料配置

取各粉末的含量为：平均粒度为0.8μm的碳化钨335克，平均粒度为3μm的铁粉650克，平均粒度为1μm的碳化铬含量7克，平均粒度为1μm的碳化钒4克，平均粒度为1μm的氧化铈4克。

2)球磨混粉

将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料比50∶1配比，装入硬质合金研磨罐，在每公斤混合料中加入350毫升纯度为99％的乙醇，密封球磨罐进行球磨，球磨20小时之后，将混合料转入不锈钢真空研磨罐，对研磨罐抽真空后继续球磨18小时。球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为：正反转间歇时间3.5min，转速240r/min。

3)真空干燥

向第2)步球磨后的混合料中掺加丁钠橡胶作为成形剂，掺加量为20g/kg，然后将料放入行星搅拌真空干燥箱中搅拌干燥，在真空干燥时，选择的开始温度为70℃，最终干燥温度为125℃，真空度为0.08MPa。

4)压制成形

经第3)步真空干燥后的粉末装入制作冷挤压模用的成形模具中，在压力机上压制成形，单位面积压力650kgf/cm²。

5)真空烧结

采用真空烧结工艺对第3)步压制后的冷挤压模具坯料进行烧结，首先以3.5℃/min的恒定升温速度从室温升到400℃，保温100min；然后以6℃/min的恒定升温速度将温度升到850℃，保温35min；最后以3℃/min的恒定升温速度将温度升到1350℃，保温40min，随炉冷却后得到目标产品。

将实施例3制作的冷挤压凹模用于加工T14内钢外塑料锥套式锥体的内钢件，在因破损而报废前，可挤压13500件左右，使用寿命比模具钢材料制作的冷挤压模高4～8倍，比普通硬质合金材料制作的冷挤压模高25～45％，且挤压表面粗糙度小。

Claims (2)

1.一种用于冷挤压模具的粉末冶金材料，其特征在于该材料各组份的质量百分比如下：

碳化钨WC含量为30～38％，铁Fe含量为60～69％，碳化铬Cr₃C₂含量为0.5～1.0％，碳化钒VC含量为0.2～0.6％，氧化铈Ce₂O₃含量为0.1～0.4％；

其中各组份的粒径均为0.6～3μm。

2.应用如权利要求1所述的粉末冶金材料制备冷挤压模具的方法，其特征在于具体步骤如下：

1)原材料配置

按照碳化钨WC含量为30～38％，铁Fe含量为60～69％，碳化铬Cr₃C₂含量为0.5～1.0％，碳化钒VC含量为0.2～0.6％，氧化铈Ce₂O₃含量为0.1～0.4％的质量百分比配制混合料，该混合料的粒径为0.6～3μm。

2)球磨混粉

将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料质量比50∶1配比，装入硬质合金研磨罐，按照每公斤混合料中加入300～500毫升的比例关系加入纯度为99％的乙醇，然后密封条件下球磨15～25小时，再将混合料转入不锈钢真空研磨罐，在真空条件下继续球磨10～20小时。其中，球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为：正反转间歇时间3～5min，转速180～280r/min。

3)真空干燥

向第2)步球磨后的混合料中掺加成形剂，然后放入行星搅拌真空干燥箱中搅拌干燥，首先在60～80℃下恒温干燥2小时以上，最后在110～130℃下恒温干燥2小时以上；行星搅拌真空干燥箱的真空度设置为0.03～0.1MPa，成形剂为石蜡、顺丁橡胶、丁苯橡胶或丁钠橡胶，掺加量为每公斤混合料中加入15～30g成形剂。

4)压制成形

经第3)步真空干燥后的粉末装入制作冷挤压模用的成形模具中，在压力机上压制成形，单位面积压力550～850kgf/cm²。

5)真空烧结

采用真空烧结工艺对第4)步压制后的冷挤压模具坯料进行烧结，首先以3～8℃/min的恒定升温速度从室温升到300～500℃，保温60～120min；然后以5～15℃/min的恒定升温速度将温度升到700～900℃，保温20～40min；最后以2～6℃/min的恒定升温速度将温度升到1300～1400℃，保温30～50min，随炉冷却后得到目标产品。

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