CN104972127A

CN104972127A - 一种粉末冶金打击块的制备方法

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Publication number: CN104972127A
Application number: CN201510393716.7A
Authority: CN
Inventors: 包崇玺; 蔡立山; 詹学救
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: CN104972127B

Abstract

本发明涉及一种粉末冶金打击块的制备方法，本发明的制备工艺简单，结合了粉末冶金工艺与金属挤压成形的优点，有效地消除了锻造过程中由于在高温下进行而使模具易产生龟裂的问题，在一定程度上降低了生产成本，提高了生产效率；与传统粉末冶金工艺相比，本发明制备的产品密度更高，整体密度可超过7.50g/cm³，接近粉末锻造的水平，有效消除了打击块表面存在的孔隙，提高了打击块外表面的局部密度，打击块表面相对密度可以达到99％以上，提高了打击块的表面光洁度，使打击块具有较高的尺寸精度高及强度，基本实现了打击块的表面致密化。

Description

一种粉末冶金打击块的制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体指一种粉末冶金打击块的制备方法。

背景技术

现有技术中，气动或电动工具的传统打击块一般是采用粉末锻造工艺或普通模锻工艺。其中，普通模锻工艺存在生产成本高、材料利用率低的问题；粉末锻造工艺是指将粉末烧结的预成形坯经加热后，在闭式模中锻造成零件的成形工艺方法，它可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，使粉末锻件的某些物理和力学性能达到甚至超过普通锻件的水平，同时，又具有少屑、无屑工艺的优点。通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量消耗少等优点。

但是，上述两种锻造工艺中均涉及尺寸精度、表面粗糙度、生产效率以及成本方面的问题。锻造过程由于在高温下进行，模具易产生龟裂，很容易失效。因此，高性能高精度锻件的生产成本高居不下，导致产品市场竞争力低下。

粉末冶金工艺是生产高强度和形状复杂零件的有效工艺，在很多领域有着广泛的应用，然而，现有技术中，粉末冶金工艺在气动工具上的应用尚难以同其他粉末锻造工艺竞争，这主要是由于粉末冶金打击块的表面存在孔隙，而孔隙的存在会降低打击块表面的接触疲劳强度，引起零件失效。

因此，如何提高打击块的密度，尤其是打击块外表面的局部密度，对于采用粉末冶金工艺制备打击块来说有着至关重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种工艺简单、生产成本低、生产效率高的粉末冶金打击块的制备方法，该制备方法能有效消除打击块表面存在的孔隙，提高打击块外表面的局部密度，从而提高打击块的强度及尺寸精度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含碳0.2～1.5％，铜0～4％，镍0～5％，钼0～2％，铬0～6％，不超过2％的不可避免杂质，以及余量的铁；

(2)混料：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1～1％的有机润滑剂；

(3)压制：将步骤(2)所得混料在大于400MPa的压力下，压制成密度为6.25～7.4g/cm³的打击块生坯；

(4)烧结：将步骤(3)所得打击块生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度为1000℃～1350℃，烧结时间为5～180min；

(5)挤压：将步骤(4)所得打击块生坯进行挤压，外径的挤压变形量在直径方向上大于2％，内径的挤压变形量在直径方向上大于等于0；

(6)热处理：热处理时在淬火温度为750～1250℃下保温30～45min，在回火温度为150～600℃下保温5～200min。

其中，铬、钼、铜、镍可以以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入。

作为本发明的进一步改进，在步骤(4)完成后，步骤(5)开始前，在非氧化性气氛中对烧结后的打击块生坯进行退火处理，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/s。对于碳含量低于0.3％且钼、铬的总含量低于2％的打击块，该退火工序可省略。

再改进，步骤(5)所述的挤压过程中，采用的挤压模阴模具有自上而下依次连接的定位段、导向段及定径段，所述定位段的内径为D，所述定径段下端的内径为D1，且D＞D1，所述导向段的上端与定位段下端相衔接，所述导向段的下端与定径段上端相衔接，所述外径的挤压变形量为(D-D1)/D×100％。

挤压过程中，使用的芯棒具有相互连接的导向段及定径段，定径段的内径为D3，导向段的最小内径为D2，内径的挤压变形量为(D3-D2)/D3×100％，(D3-D2)/D3×100％≥0，优选为＞2％。

更进一步的，步骤(5)所述的挤压过程采用非均匀挤压，所述打击块各个部位的挤压变形量不同。

作为优选，所述的非氧化性气氛是指真空环境或含氢1～75vol％的氮氢气氛。

优选地，步骤(5)中对打击块生坯进行挤压前先将打击块生坯预热至温度高于室温而低于520℃。

优选地，在所述热处理完成后，对所得产品进行喷丸处理。

作为改进，所述阴模定位段的侧边与导向段的侧边之间所成锐角为α，0.5°≤α≤15°。当α角度越小时，产品所受到径向的力较大，而当α角度越大时，产品所受到轴向的力越大，此时会增大产品与模具之间的摩擦，不仅不利于产品成型，也易导致模具损伤，降低模具的使用寿命，采用上述设计，使α角保持在合理的范围内，一方面便于产品移动，另一方面能有效降低产品与模具之间的摩擦。

进一步改进，所述定径段的高度为h，0.5mm≤h≤10mm。采用这样的设计，一方面便于产品成型，另一方面，能避免产品与模具之间过度摩擦。

再改进，所述挤压模阴模具还包括连接于定径段下端的出模段，所述定径段D1的侧边与出模段D1′侧边之间所成锐角为β，3°≤β≤20°。β角越小越不利于出模，甚至导致产品卡在模具中无法取出，而β角过于大则容易导致模具开裂，采用上述设计，将β角保持在合理的范围内，一方面利于产品出模，另一发面，确保模具具有较好的牢固度及较长的使用寿命。

作为改进，所述芯棒定位段的侧边与导向段的侧边之间所成锐角为δ，0.5°≤δ≤15°。当δ角度越小时，产品所受到径向的力较大，而当δ角度越大时，产品所受到轴向的力越大，此时会增大产品与模具之间的摩擦，不仅不利于产品成型，也易导致模具损伤，降低模具的使用寿命，采用上述设计，使δ角保持在合理的范围内，一方面便于产品移动，另一方面能有效降低产品与模具之间的摩擦。

进一步改进，所述芯棒定径段的高度为L2，0.5mm≤L2≤10mm。采用这样的设计，一方面便于产品成型，另一方面，能避免产品与芯棒之间过度摩擦。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的制备工艺简单，结合了粉末冶金工艺与金属挤压成形的优点，有效地消除了锻造过程中由于在高温下进行而使模具易产生龟裂的问题，在一定程度上降低了生产成本，提高了生产效率；

与传统粉末冶金工艺相比，本发明制备的产品密度更高，整体密度可超过7.50g/cm³，接近粉末锻造的水平，有效消除了打击块表面存在的孔隙，提高了打击块外表面的局部密度，打击块表面相对密度可以达到99％以上，提高了打击块的表面光洁度，使打击块具有较高的尺寸精度及强度，基本实现了打击块的表面致密化。

附图说明

图1为本发明实施例所制备打击块的结构示意图；

图2为本发明实施例中挤压模阴模的结构示意图；

图3为本发明实施例中挤压芯棒的结构示意图；

图4为实施例1所制备打击块外表面的孔隙图；

图5为实施例1所制备打击块内表面孔隙图；

图6为实施例1中退火后的打击块金相组织结构图；

图7为实施例6所制备打击块外表面的孔隙图；

图8为实施例6所制备打击块内表面孔隙图；

图9为实施例6中退火后的打击块金相组织结构图；

图10为实施例7所制备打击块外表面的孔隙图；

图11为实施例7所制备打击块内表面孔隙图；

图12为实施例7中退火后的打击块金相组织结构图；

图13为实施例8所制备打击块外表面的孔隙图；

图14为实施例8所制备打击块内表面孔隙图；

图15为实施例8中退火后的打击块金相组织结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁铬钼合金98.8％、碳0.6％及有机润滑剂0.6％，其中，铁铬钼合金中铬含量为3.0％，钼含量为0.5％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(2)混料及压制：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合；将所得混料在600MPa的压力下，压制成密度为6.95g/cm³的打击块生坯；

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为20min；

(4)退火：在含氢10vol％的氮氢气氛中，退火温度为870℃，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S；

(5)挤压：将步骤(4)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于5％，如图2、3所示，即(D-D1)/D×100％＞5％，(D3-D2)/D2×100％＞5％；

(6)热处理：整体淬火后，回火温度为200℃，保温120min。

图1为本发明实施例所制备打击块的结构示意图，其中，1a、1b分别为打击块的剖面图和端面图。退火后的组织见图6，孔隙见图4和图5，退火后为铁素体和贝氏体，硬度为HRB80；由图4和图5可以看出，打击块内外径均有一定的致密层，挤压后打击块的整体密度为7.55～7.57g/cm³，热处理后打击块表面硬度为HRC56-60。

实施例2：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁铬钼合金15％、纯铁粉84.3％、碳0.2％及有机润滑剂0.5％，其中，铁铬钼合金中铬含量为3.0％，钼含量为0.5％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(2)混料及压制：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合；将所得混料在600MPa的压力下，压制成密度为7.2g/cm³的打击块生坯；

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在含氢50vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为20min；

(4)挤压：将步骤(3)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上大于6％，即(D-D1)/D×100％＞6％，(D3-D2)/D2×100％＞6％；

(5)热处理：渗碳淬火后，回火温度为200℃，保温130min。

实施例3：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁铬钼合金50％、纯铁粉49.2％、碳0.3％及有机润滑剂0.6％，其中，铁铬钼合金中铬含量为17.0％，钼含量为1％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(2)混料及压制：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合；将所得混料在500MPa的压力下，压制成密度为6.8g/cm³的打击块生坯；

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min；

(4)挤压：将步骤(3)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上外径大于8％，内径无变形，即(D-D1)/D×100％＞8％，(D3-D2)/D2×100％＝0；

(6)热处理：渗碳淬火后，回火温度为200℃，保温120min。

实施例4：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在含氢10vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为20min；

(4)挤压：将步骤(3)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上外径大于6％，内径大于3％，即(D-D1)/D×100％＞6％，(D3-D2)/D2×100％＞3％；

(5)热处理：渗碳淬火，淬火渗碳温度900℃，碳势为1.0％，保温120分钟；回火温度为200℃，保温130分钟。

实施例5：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁钼铜镍合金98.2％、碳0.8％及有机润滑剂1％，其中，铁钼铜镍合金中铜含量为1.5％，钼含量为0.5％，镍含量为1.75％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(4)退火：在含氢10vol％的氮氢气氛中，退火温度为880℃，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.2℃/S；

(5)挤压：将步骤(4)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上外径为12％，内径无变形，即(D-D1)/D×100％＝12％，(D3-D2)/D2×100％＝0；

(6)热处理：整体淬火后，回火温度为180℃，保温100min。

实施例6：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁钼镍合金97.4％、碳0.6％、镍1.9％及有机润滑剂0.1％，其中，铁钼镍合金中钼含量为0.55％，镍含量为0.5％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(2)混料及压制：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合；将所得混料在600MPa的压力下，压制成密度为7.25g/cm³的打击块生坯；阴模温度为80℃；

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在真空炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min；

(4)退火：在含氢10vol％的氮氢气氛中，退火温度为980℃，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.1℃/S；

(5)挤压：将步骤(4)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上外径大于10％，内径大于1％，即(D-D1)/D×100％＞10％，(D3-D2)/D2×100％＞1％；

(6)热处理：高频淬火后，回火温度为560℃，保温130min。

退火后的组织见图9，孔隙见图7和图8，退火后为铁素体和贝氏体，由图7和图8可以看出，打击块内外径均有一定的致密层。

实施例7：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁钼合金98.5％、碳1％及有机润滑剂0.5％，其中，铁钼合金中钼含量为0.85％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(2)混料及压制：按照步骤(1)的材料组成，将各组分进行混合；将所得混料在600MPa的压力下，压制成密度为7.0g/cm³的打击块生坯；

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在真空炉中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为60min；

(4)退火：在含氢10vol％的氮氢气氛中，退火温度为850℃，退火保温时间为60分钟，退火后从退火温度到300℃之间的冷却速度为0.05℃/S；

(5)挤压：将步骤(4)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上外径大于6％，内径大于4％，即(D-D1)/D×100％＞6％，(D3-D2)/D2×100％＞4％；

(6)热处理：高频淬火后，回火温度为200℃，保温130min。

退火后的组织见图12，孔隙见图11和图12，退火后为铁素体和贝氏体，硬度为HRB80；由图11和图12可以看出，打击块内外径均有一定的致密层。

实施例8：

本实施例中粉末冶金打击块的制备方法包括以下步骤：

(1)设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料为铁钼镍合金97.4％、碳0.6％、镍1.5％及有机润滑剂0.5％，其中，铁钼镍合金中钼含量为0.55％，镍含量为0.5％，不可避免杂质小于1％，余量为铁；

(3)烧结：将步骤(2)所得打击块生坯在含氢10vol％的氮氢气氛中进行烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间为30min；

(4)退火：在含氢10vol％的氮氢气氛中，退火温度为860℃，退火至600℃保温20min，450℃保温20min，450℃后冷却速度为0.3℃/S；

(5)挤压：将步骤(4)所得打击块生坯进行挤压，挤压变形量在直径方向上外径大于8％，内径大于2％，即(D-D1)/D×100％＞8％，(D3-D2)/D2×100％＞2％；

(6)热处理：高频淬火后，回火温度为180℃，保温130min。

退火后的组织见图15，孔隙见图13和图14，退火后为铁素体和贝氏体，由图13和图14可以看出，打击块内外径均有一定的致密层。

Claims

1.一种粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）设计材料组成：按重量百分比计，所使用材料包含碳0.2～1.5%，铜0～4%，镍0～5%，钼0～2%，铬0～6%，不超过2%的不可避免杂质，以及余量的铁；

（2）混料：按照步骤（1）的材料组成，将各组分进行混合得到混合粉，并向该混合粉中加入占混料总质量0.1～1%的有机润滑剂；

（3）压制：将步骤（2）所得混料在大于400MPa的压力下，压制成密度为6.25～7.4g/cm³的打击块生坯；

（4）烧结：将步骤（3）所得打击块生坯在非氧化性气氛中进行烧结，烧结温度为1000℃～1350℃，烧结时间为5～180min；

（5）挤压：将步骤（4）所得打击块生坯进行挤压，外径的挤压变形量在直径方向上大于2%，内径的挤压变形量在直径方向上大于等于0；

（6）热处理：热处理时在淬火温度为750～1250℃下保温30～45min，在回火温度为150～600℃下保温5～200min。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：在步骤（4）完成后，步骤（5）开始前，在非氧化性气氛中对烧结后的打击块生坯进行退火处理，退火温度为750～1080℃，退火保温时间5～200min，退火处理完成后从退火温度到300℃之间的冷却速度小于1.5℃/s。

3.根据权利要求1所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的挤压过程中，采用的挤压模阴模具有自上而下依次连接的定位段、导向段及定径段，所述定位段的内径为D，所述定径段下端的内径为D1，且D＞D1，所述导向段的上端与定位段下端相衔接，所述导向段的下端与定径段上端相衔接，所述外径的挤压变形量为（D-D1）/D×100%。

4.根据权利要求3所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的挤压过程采用非均匀挤压，所述打击块各个部位的挤压变形量不同。

5.根据权利要求3所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的挤压过程中，使用的挤压芯棒具有相互连接的导向段及定径段，定径段的内径为D3，导向段的最小内径为D2，所述内径的挤压变形量为（D3-D2）/D2×100%。

6.根据权利要求2～5中任一权利要求所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：所述的非氧化性气氛是指真空环境或含氢1～75vol%的氮氢气氛。

7.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：步骤（5）中对打击块生坯进行挤压前先将打击块生坯预热至温度高于室温而低于520℃。

8.根据权利要求3所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：所述阴模定位段的侧边与导向段的侧边之间所成锐角为α，0.5°≤α≤15°。

9.根据权利要求3所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：所述阴模定径段的高度为h，0.5mm≤h≤10mm。

10.根据权利要求3所述的粉末冶金打击块的制备方法，其特征在于：所述挤压阴模还包括连接于定径段下端的出模段，所述定径段的侧边与出模段的侧边之间所成锐角为β，3°≤β≤20°。