CN103305763A - 高速镦锻机用钢结合金模具材料和钢合金模具制备方法 - Google Patents
高速镦锻机用钢结合金模具材料和钢合金模具制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了高速镦锻机用钢结合金模具材料，成分包括：硬质相WC为10.0wt%～50.0wt%，基体相基体钢为90.0wt%～50.0wt%。基体钢成分0.5wt%～0.9wt%C；3.0wt%～6.0wt%W；3.5wt%～4.5wt%Cr；2.0wt%～4.0wt%Mo；0.1wt%～0.5wt%Mn；0.1wt%～0.5wt%Si；1.0wt%～2.0wt%V；≤0.3wt%的Ni；≤0.03wt%P；≤0.03wt%S；余量为铁。本发明还提供了上述钢合金模具制备方法，以WC为硬质相，基体钢为基体，采用粉末冶金或电渣重熔方法制备。本发明进一步提高了钢结合金的强度和硬度等性能，延长了其作为高速镦锻机模具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属耐磨材料精细化工领域，尤其涉及高速镦锻机用钢结合金模具材料及钢合金模具制备方法。一种1，2－苯并异噻唑啉酮的制备方法。
背景技术
各种冷冲压模、热锻模、压力铸造模等在机械制造业得到广泛应用，随着各种精密成型工艺的发展，以及机械制造用材料由普通结构钢扩展到高强度钢和高温合金等，材料的变形抗力越来越高，要求模具有更高的强度、耐磨性、耐氧化、抗热疲劳能力等性能；随着压力加工自动机、自动化生产线的应用，加工速度的增高，对模具的工作寿命提出了更高要求。一副模具失效，可能造成整条生产线停顿。
钢结合金具有优良的耐磨性，与硬质合金相比，具有可以切削加工、锻造、焊接、热处理，以及韧性和综合力学性能较好、成本较低等特点。钢结合金已用于制造热镦模、挤压模、冲裁模等，使用寿命比模具钢制造的模具成倍提高，有些场合甚至于寿命提高几十倍。目前，我国作为热作模具材料的钢结合金材料相对较少。因此，开发具有优质、高寿命的热作模具材料具有显著的经济效益和社会效益，在理论和工程上都有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高速镦锻机用钢结合金模具材料使钢合金具有较高的硬度、强度和冲击韧性。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种钢合金模具制备方法，使模具适用于高速镦锻机。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高速镦锻机用钢结合金模具材料，其特征是含有重量百分比为10.0%～50.0%的硬质相WC和重量百分比为90.0%～50.0%的粘结相基体钢，其中所述基体钢元素重量比为0.5%～0.9%的C，3.0%～6.0%的W，3.5%～4.5%的Cr，2.0%～4.0%的Mo，1.0%～2.0%的V，0.1%～0.5%的Si，0.1%～0.5%的Mn，≤0.3%的Ni，≤0.03%的P，≤0.03%的S，其余为Fe。
为解决上述另一技术问题，本发明提供一种钢合金模具的制备方法，其包括：
（1）将硬质相WC与粘结相基体钢元素混合，得到由重量百分比为10.0%～50.0%的硬质相WC和重量百分比为90.0%～50.0%的粘结相基体钢组成的混合粉末，其中所述基体钢元素重量比为0.5%～0.9%的C，3.0%～6.0%的W，3.5%～4.5%的Cr，2.0%～4.0%的Mo，1.0%～2.0%的V，0.1%～0.5%的Si，0.1%～0.5%的Mn，≤0.3%的Ni，≤0.03%的P，≤0.03%的S，其余为Fe；
（2）将步骤（1）所述混合粉末加压成型，得到粉末冶金胚体；
（3）将步骤（2）所述粉末冶金胚体烧结，烧结温度为1200℃～1280℃，制得高速镦锻机用钢结合金；和
（4）将步骤（3）所述高速镦锻机用钢结合金退火处理，经模具机械加工后，进行淬火和回火处理，最终制得钢合金模具。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（1）中所述Fe的粉末的粒度≤200目，所述C的粉末的粒度≤200目，所述WC的粉末的粒度≤200目，所述Cr、Mo、V和W的粉末的粒度均≤200目。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（1）中所述将硬质相WC与粘结相基体钢元素混合采用球磨方法，球磨时间为20小时～28小时。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（2）中所述加压的压力为250MPa～400MPa。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（3）中所述烧结的条件为在还原气氛、惰性气氛或真空中进行。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（4）中所述淬火温度为1000℃～1180℃，所述回火温度为200℃～650℃。
为解决上述另一技术问题，本发明提供一种钢合金模具的制备方法，其包括：
（1）将硬质相WC与粘结相基体钢元素混合，得到由重量百分比为10.0%～50.0%的硬质相WC和重量百分比为90.0%～50.0%的粘结相基体钢组成的混合粉末或块体，其中所述基体钢元素重量比为0.5%～0.9%的C，3.0%～6.0%的W，3.5%～4.5%的Cr，2.0%～4.0%的Mo，1.0%～2.0%的V，0.1%～0.5%的Si，0.1%～0.5%的Mn，≤0.3%的Ni，≤0.03%的P，≤0.03%的S，其余为Fe；
（2）将步骤（1）所述混合粉末或块体在中频电炉中制成自耗电极；
（3）采用电渣重熔工艺，在渣池温度为1700℃-1900℃的条件下将步骤（2）所述自耗电极熔化，得到基体钢液熔滴；
（4）将步骤（3）所述的基体钢液熔滴在重力和电磁引缩效应作用下，脱离电极滴落，并穿过液态渣池与高温渣相发生反应后，在基体钢液和WC熔池内经四周水冷结晶器的强制冷却，所述基体钢液熔滴凝固，制得高速镦锻机用钢结合金；和
（5）将步骤（4）所述高速镦锻机用钢结合金退火处理，经模具机械加工后，进行淬火和回火处理，最终制得钢合金模具。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（2）中所述自耗电极制成后，将其两头顶端部分切下，将所述自耗电极中间段保留。
作为本发明所述一种钢合金模具的制备方法的优选方案，所述步骤（5）中所述淬火温度为1000℃～1180℃，所述回火温度为200℃～650℃。
本发明的高速镦锻机用钢结合金模具材料和钢合金模具制备方法，可以使钢合金具有较高的硬度、强度和冲击韧性，使模具适用于高速镦锻机，延长了其作为高速镦锻机模具的使用寿命，具有制作方便、安全可靠、成本低廉等特点。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出一种钢结合金材料，包括WC为10.0wt%～50.0wt%，粘结相基体钢为90.0wt%～50.0wt%。其中基体钢元素质量百分含量为：0.5wt%～0.9wt%C；3.0wt%～6.0wt%W；3.5wt%～4.5wt%Cr；2.0wt%～4.0wt%Mo；0.1wt%～0.5wt%Mn；0.1wt%～0.5wt%Si；1.0wt%～2.0wt%V；≤0.3wt%Ni；≤0.03wt%P；≤0.03wt%S；余量为Fe。在钢结合金中添加的碳化钨作为硬质相，提高了合金的硬度和耐磨性。基体钢中适量的碳固溶于钢中在淬火成马氏体后起强化和硬化作用，同时与加入的V、W、Mo、Cr以及铁元素形成碳化物进一步提高强度、硬度和耐磨性；添加的Cr、Mo可以提高材料的淬透性，为采用比较缓和的淬火介质创造了条件，添加的Cr提高了材料的抗氧化性和耐蚀性；添加钨元素改善了钢基体的红硬性，添加钨、钒元素明显降低钢的过热敏感性，细化了晶粒。
本发明还提供了两种钢结合金的制备方法：粉末冶金方法和电冶熔铸方法。
1)粉末冶金方法包括以下步骤：
a)采用球磨工艺将如下的原料混合,得到混合粉末：WC为10.0wt%～50.0wt%，粘结相基体钢为90.0wt%～50.0wt%。其中基体钢元素质量百分含量为：0.5wt%～0.9wt%C；3.0wt%～6.0wt%W；3.5wt%～4.5wt%Cr；2.0wt%～5.0wt%Mo；0.1wt%～0.5wt%Mn；0.1wt%～0.5wt%Si；1.0wt%～2.0wt%V；≤0.3wt%的Ni；≤0.03wt%P；≤0.03wt%S；余量为铁粉；
b)将步骤a得到的所述的混合粉末加压成型，得到粉末冶金胚体；
c)将步骤b得到的所述的粉末冶金胚体进行烧结，烧结温度为1200℃～1280℃，得到高速镦锻机用钢结合金模具材料；
d)将步骤c得到的钢结合金模具材料进行退火处理后，进行模具机械加工、淬火处理和回火处理，以进一步提高性能和使用寿命。
优选的，步骤a中所述的铁粉的粒度为200目以下，所述的碳粉粒度为200目以下，所述的碳化钨粉末的粒度为200目以下，所述的铬粉、钼粉、钒粉和钨粉的粒度均为200目以下。
优选的，步骤a中所述混合的球磨混合时间为20小时～28小时。
优选的，步骤b中所述的加压的压力为250MPa～400MPa。
优选的，步骤c中所述的烧结在还原气氛、惰性气氛或真空中进行。
优选的，步骤d中所述的淬火温度为1000℃～1180℃，回火温度为200℃～650℃。
2).电渣重熔方法，包括以下步骤：
a)将如下的原料混合,得到混合粉末：WC为10.0wt%～50.0wt%，粘结相基体钢为90.0wt%～50.0wt%。其中基体钢元素质量百分含量为：0.5wt%～0.9wt%C；3.0wt%～6.0wt%W；3.5wt%～4.5wt%Cr；2.0wt%～4.0wt%Mo；0.1wt%～0.5wt%Mn；0.1wt%～0.5wt%Si；1.0wt%～2.0wt%V；≤0.3wt%Ni；≤0.03wt%P；≤0.03wt%S；余量为铁粉。也可以配置满足基体钢成分的钢铁材料和WC粉末。
b)将步骤a得到的所述混合粉末或者块材在中频电炉中使用普通铸造法制成自耗电极。
c)将步骤b得到的所述的自耗电极的熔化，渣池的温度为1700℃-1900℃。
d)将步骤c中所述自耗电极的熔化形成的细小基体钢液熔滴快速冷却结晶。自耗电极的熔化形成的细小的基体钢液熔滴在重力和电磁引缩效应作用下，脱离电极滴落，穿过液态渣池，与高温渣相发生一系列物理化学反应后，滴落到基体钢液熔池内，由于受四周水冷结晶器的强制冷却作用，钢液逐渐凝固成型，得到高速镦锻机用钢结合金模具材料。
e)将步骤d得到的钢结合金模具材料进行退火处理后，进行模具机械加工，然后进行淬火处理和回火处理。
优选的，步骤b中制成自耗电极后，将其两头顶端部分切下，留用中间部分，这样的设计可以尽量避免成分偏析给后面的工艺产生不良影响。
优选的，步骤e中所述的淬火温度为1000℃～1180℃，回火温度为200℃～650℃。
为了进一步理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明所述方法进行详细说明。
实施例一
(1)WC为30.0wt%，粘结相基体钢为70.0wt%。其中基体钢元素含量：0.58wt%的C；4.21wt%W；3.94wt%Cr；3.12wt%Mo；1.52wt%V；0.31wt%Mn；0.22wt%Si；0.05wt%Ni；0.022wt%P；0.019wt%S；余量为铁粉,。通过加入适量乙醇和轴承钢球球磨24小时，喷雾干燥后得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加350MPa的压力，得到粉末冶金胚体；
(3)将步骤(2)得到的粉末冶金胚体在真空中烧结，烧结温度为1250℃，得到钢结合金模具材料；
(4)将步骤(3)得到的钢结合金模具材料进行850℃+730℃两段式退火处理，然后加工成模具，再进行淬回火处理，淬火加热温度为1100℃，采用油淬，回火温度为200℃，回火后空冷。
按照上述方法制备的钢结合金进行性能检测，结果参见表1。
实施例2
(1)WC为40.0wt%，粘结相基体钢为60.0wt%。其中基体钢元素含量：0.64wt%的C；3.9wt%W；4.0wt%的Cr；3.1wt%的Mo；1.52wt%V；0.32wt%Mn；0.26wt%Si；0.3wt%Ni；0.021wt%P；0.023wt%S；余量为铁粉,得到混合粉末或块材；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末或块材在中频电炉中熔化，使用普通铸造法制成自耗电极；
(3)采用电渣重熔方法将步骤(2)得到的自耗电极熔化，渣池的温度为1820℃左右；
(4)将步骤(3)冷却得到的钢结硬质合金模具材料进行退火处理，得到钢结硬质合金；
(5)将步骤(4)得到的钢结硬质合金机加工后进行淬火处理，淬火温度为1100℃，采用油淬，回火温度为200℃，回火后空冷。
按照上述方法制备的钢结合金进行性能检测，结果参见表1。
实施例3
(1)WC为50.0wt%，粘结相基体钢为50.0wt%。其中基体钢元素含量：0.52wt%C；4.9wt%W；3.86wt%的Cr；2.92wt%的Mo；1.59wt%V；0.35wt%Mn；0.29wt%Si；0.12wt%Ni；0.021wt%P；0.023wt%S；余量为铁粉,得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加400MPa的压力，得到粉末冶金胚体；
(3)将步骤(2)得到的粉末冶金胚体在真空中烧结，烧结温度为1280℃，得到钢结合金；
(4)将步骤(3)冷却得到的钢结合金进行退火处理，得到钢结硬质合金；
(5)将步骤(4)得到的钢结硬质合金进行淬火处理，淬火温度为1140℃，采用油淬，回火温度为550℃。
按照上述方法制备的钢结合金进行性能检测，结果参见表1。
实施例4
(1)WC为20.0wt%，粘结相基体钢为80.0wt%。其中基体钢元素含量：0.81wt%的C；5.16wt%W；4.06wt%Cr；3.92wt%Mo；1.45wt%V；0.37wt%Mn；0.32wt%Si；0.09wt%Ni；0.019wt%P；0.022wt%S；余量为铁粉,得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加400MPa的压力，得到粉末冶金胚体；
(3)将步骤(2)得到的粉末冶金胚体在真空中烧结，烧结温度为1225℃，得到钢结合金；
(4)将步骤(3)得到的钢结合金进行退火处理，机加工以后进行淬火处理，淬火温度为1120℃，采用油淬，回火温度为630℃，回火后空冷。
按照上述方法制备的钢结合金进行性能检测，结果参见表1。
实施例5
(1)WC为20.0wt%，粘结相基体钢为80.0wt%。其中基体钢元素含量：0.81wt%的C；5.16wt%W；4.06wt%Cr；3.92wt%Mo；1.45wt%V；0.37wt%Mn；0.32wt%Si；0.09wt%Ni；0.019wt%P；0.022wt%S；余量为铁粉,得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加400MPa的压力，得到粉末冶金胚体；
(3)将步骤(2)得到的粉末冶金胚体在真空中烧结，烧结温度为1225℃，得到钢结合金；
(4)将步骤(3)得到的钢结合金进行退火处理，机加工以后进行淬火处理，淬火温度为1140℃，采用油淬，回火温度为400℃，回火后空冷。
按照上述方法制备的钢结合金进行性能检测，结果参见表1。
表1：实施例制备的钢结合金性能测试结果
由表1可知，本发明提供的钢结合金具有较高的硬度、强度和冲击韧性，适用于高速镦锻机用模具材料。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种高速镦锻机用钢结合金模具材料，其特征是含有重量百分比为10.0%～50.0%的硬质相WC和重量百分比为90.0%～50.0%的粘结相基体钢，其中所述基体钢元素重量比为0.5%～0.9%的C，3.0%～6.0%的W，3.5%～4.5%的Cr，2.0%～4.0%的Mo，1.0%～2.0%的V，0.1%～0.5%的Si，0.1%～0.5%的Mn，≤0.3%的Ni，≤0.03%的P，≤0.03%的S，其余为Fe粉。
2.一种钢合金模具的制备方法，其包括：
（1）将硬质相WC与粘结相基体钢元素混合，得到由重量百分比为10.0%～50.0%的硬质相WC和重量百分比为90.0%～50.0%的粘结相基体钢组成的混合粉末，其中所述基体钢元素重量比为0.5%～0.9%的C，3.0%～6.0%的W，3.5%～4.5%的Cr，2.0%～4.0%的Mo，1.0%～2.0%的V，0.1%～0.5%的Si，0.1%～0.5%的Mn，≤0.3%的Ni，≤0.03%的P，≤0.03%的S，其余为Fe粉；
（2）将步骤（1）所述混合粉末加压成型，得到粉末冶金胚体；
（3）将步骤（2）所述粉末冶金胚体烧结，烧结温度为1200℃～1280℃，制得高速镦锻机用钢结合金；和
（4）将步骤（3）所述高速镦锻机用钢结合金退火处理，经模具机械加工后，进行淬火和回火处理，最终制得钢合金模具。
3.如权利要求2所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（1）中所述Fe的粉末的粒度≤200目，所述C的粉末的粒度≤200目，所述WC的粉末的粒度≤200目，所述Cr、Mo、V和W的粉末的粒度均≤200目。
4.如权利要求2所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（1）中所述将硬质相WC与粘结相基体钢元素混合采用球磨方法，球磨时间为20小时～28小时。
5.如权利要求2所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（2）中所述加压的压力为250MPa～400MPa。
6.如权利要求2所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（3）中所述烧结的条件为在还原气氛、惰性气氛或真空中进行。
7.如权利要求2所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（4）中所述淬火温度为1000℃～1180℃，所述回火温度为200℃～650℃。
8.一种钢合金模具的制备方法，其包括：
（1）将硬质相WC与粘结相基体钢元素混合，得到由重量百分比为10.0%～50.0%的硬质相WC和重量百分比为90.0%～50.0%的粘结相基体钢组成的混合粉末或块体，其中所述基体钢元素重量比为0.5%～0.9%的C，3.0%～6.0%的W，3.5%～4.5%的Cr，2.0%～4.0%的Mo，1.0%～2.0%的V，0.1%～0.5%的Si，0.1%～0.5%的Mn，≤0.3%的Ni，≤0.03%的P,≤0.03%的S，其余为Fe粉；
（2）将步骤（1）所述混合粉末或块体在中频电炉中制成自耗电极；
（3）采用电渣重熔工艺，在渣池温度为1700℃-1900℃的条件下将步骤（2）所述自耗电极熔化，得到基体钢液熔滴；
（4）将步骤（3）所述的基体钢液熔滴在重力和电磁引缩效应作用下，脱离电极滴落，并穿过液态渣池与高温渣相发生反应后，在基体钢液和WC熔池内经四周水冷结晶器的强制冷却，所述基体钢液熔滴凝固，制得高速镦锻机用钢结合金；和
（5）将步骤（4）所述高速镦锻机用钢结合金退火处理，经模具机械加工后，进行淬火和回火处理，最终制得钢合金模具。
9.如权利要求8所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（2）中所述自耗电极制成后，将其两头顶端部分切下，将所述自耗电极中间段保留。
10.如权利要求8所述的钢合金模具的制备方法,其特征在于：所述步骤（5）中所述淬火温度为1000℃～1180℃，所述回火温度为200℃～650℃。
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