CN106893915B - 一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料 - Google Patents

一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料 Download PDF

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Abstract

一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料，该硬质合金模具材料由以下组分组成，其质量百分数如下：碳化钨82.3~87.5%、钴11~14%、镍1~2%、镨0.3~0.7%、碳化铼0.1~0.5%、硼化铌0.1~0.5%。原材料通过湿磨、喷雾干燥、压制成型及烧结等步骤获得合金制品。与现有技术相比，本发明具有高红硬性、低摩擦系数、耐腐蚀、寿命长且生产工艺简单等优点。

Description

一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料
技术领域
本发明涉及一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法，属于硬质合金制造技术领域。
背景技术
随着我国汽车工业的高速发展，对汽车零部件的创新与性能要求也逐步提升。目前我国汽车空调用蒸发器多以多通道微孔铝合金扁管加冷却散热翅片等部件经钎焊组成。
多通道微孔铝合金扁管的生产工艺主要是铝锭经过模具挤压成型，挤压比在300~500之间，整个挤压过程中模具和铝合金扁管的温度为400℃~500℃之间。由于挤压比较大，且挤压过程中硬质合金长时间保持在400℃~500℃之间，因此要求硬质合金具有良好的红硬性。由于模具使用过程中存在着温度差，考虑到硬质合金与钢套之间的热膨胀系数存在着较大的差异，因此需要硬质合金的热膨胀系数尽量与钢套相近，避免模具使用过程出现合金开裂的现象。
传统的WC-Co硬质合金，以Co做粘结剂的硬质合金温度高于400℃时，Co容易被氧化，且导致铝扁管挤压过程中出现粘模现象，从而使Co与铝之间发生化学腐蚀。Co受到氧化和腐蚀后使碳化物所组成的硬质相骨架失去粘结金属的粘结作用，导致结构脆弱，在磨损作用下造成硬质相晶粒剥落，致使硬质合金制品急剧磨蚀、磨损。由于模具使用温度高，传统WC-Co硬质合金会出现硬度下降的现象，存在耐磨性不足的问题，从而导致铝合金扁管表面出现斑点，导致产品不合格。因此，开发一种高红硬性、低摩擦系数，耐腐蚀的硬质合金合金，用于多通道微孔铝合金扁管挤压成型用的硬质合金模具材料显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高红硬性、低摩擦系数，耐腐蚀的硬质合金，用于挤压多通道微孔铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料，原料配方包括下列质量百分数的组分：
碳化钨 82.3~87.5%，
钴 11~14%，
镍 1~2%，
镨 0.3~0.7%，
碳化铼 0.1~0.5%，
硼化铌 0.1~0.5%。
为达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤（1）按配比将碳化钨、钴、镍、镨、碳化铼、硼化铌放入滚动球磨机内形成混合料，加入湿磨介质和成型剂，球磨13~18小时后得浆料；
步骤（2）将球磨后的料浆利用喷雾塔进行干燥制粒，喷雾压力为1~1.3MPa，得到合金粉末；
步骤（3）将干燥后的合金粉末进行压制成型，放入1~6MPa的低压烧结炉中在1380~1400℃保温60~90min，烧结炉冷却至室温后获得烧结态合金；
步骤（4）将烧结态合金在-180℃~-190℃液氮深冷处理，保温1~2小时，然后在200℃~300℃低温回火处理，保温20~30分钟。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述碳化钨粒度为0.8~2.0μm，所述钴为200目过筛的粉状，所述镍为200目过筛的粉状，所述镨为200目过筛的粉状，所述碳化铼粒度为0.8~2.0μm，硼化铌粒度为0.2~2.0μm。
2、上述方案中，所述步骤（1）球磨过程中的湿磨球为硬质合金球，直径为6~10mm，所述湿磨球与混合料的质量比为1.5：1~3.5：1。
3、上述方案中，所述步骤（1）的湿磨介质为酒精，纯度不得低于99.7%，所述湿磨介质与混合料的比例为1L：2Kg~1L：1Kg。
4、上述方案中，所述成型剂为石蜡，含油量不得超过0.5%，石蜡加入量为所述混合料总重量的2~4%。
本发明的设计原理是：传统的WC-Co硬质合金，以Co做粘结剂的硬质合金耐腐蚀性能相对较差，易受氧化，粘结相受到氧化及腐蚀后使碳化物所组成的硬质相骨架失去粘结金属的粘结作用，导致结构脆弱，在磨损作用下造成硬质相晶粒剥落，致使硬质合金制品急剧磨蚀、磨损，而用部分Ni代替Co，Ni的耐蚀性和耐氧化性比Co好，因此本发明在粘结相选择了Co和Ni。
由于模具使用过程中既存在着热胀冷缩现象，又要求合金具有耐磨性，硬质合金的热膨胀系数一般为5.6×10-6~7.5×10-6MK-1之间，而钢材的热膨胀系数一般为14×10- 6MK-1。当硬质合金中钴含量或镍含量越高时，热膨胀系数则越大。但合金中钴含量或镍含量为10~25%时，硬质合金的热膨胀系数升高趋势逐渐变缓。由于挤压多孔微通道铝合金扁管时，合金发热量较大且要求合金的耐磨性和强度高。因此，钴Co含量控制在11~14%，镍Ni含量控制在1~2%，这样可以保证合金的耐磨性和强度，又可以使模具在一定温度范围内的热胀冷缩时，不出现开裂现象。
在WC-Ni-Co中添加镨，以进一步强化粘结相，改进合金的耐腐蚀性、抗氧化等性能。
在WC-Ni-Co中添加碳化铼和硼化铌，提高合金在400~600℃之间的硬度，从而保证了合金在一定温度范围内仍可以保持较低的摩擦系数。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的最终金相组织为WC、钴相中的第二相质点、fcc钴和hcp钴，这些组织极大地提高了硬质合金的硬度，降低了合金的摩擦系数。相同工况下，挤压铝材和铜材的使用寿命较传统合金可提高150％以上。
附图说明
附图1为实施例1中硬质合金SEM照片；
附图2为实施例1中硬质合金的硬度随温度变化曲线；
附图3为实施例1中硬质合金与铝材的摩擦系数曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述：
一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法：
1、混合料配料
选取费氏粒度为0.8~2.0μm碳化钨粉，将其与钴粉、镍粉、镨（Pr）、碳化铼（分子式为ReC）、硼化铌（分子式为BNb）原材料按照一定的配比进行配料。
2、球磨干燥
在湿磨球与混合料的质量比为1.5：1的情况下，将混合料加入球磨机内，然后加入湿磨介质和成型剂，球磨时间15小时，然后利用喷雾塔进行干燥制粒。
3、压制烧结
将湿磨干燥后的混合料在油压机上进行压制成型，然后放入6MPa的低压烧结炉中在1380℃保温60min，烧结炉冷却至室温后获得合金制品。
4、深冷处理
将烧结态合金在-190℃液氮深冷处理，保温2小时，然后在200℃低温回火处理，保温30分钟。
5、理化检测
将烧结后的合金制品进行密度、硬度、抗弯强度和孔隙度进行检测。
6、红硬性检测（即高温硬度）
将硬质合金在20℃~500℃温度范围内进行硬度检测，选取20℃、100℃、200℃、300℃、400℃和500℃。
7、摩擦系数检测
将硬质合金进行摩擦系数检测，对偶件为铝，法向载荷为2.5N，滑动速度0.28m/s，往返次数100，所得数据进行曲线绘制。
实施例1：
采用Fsss粒度1.8μm的WC粉，按重量比WC：Co：Ni：Pr：ReC：BNb=85.7：11：2：0.3：0.5：0.5配方配粉，湿磨球与混合料的质量比1.5：1，研磨介质为酒精，酒精与混合料的比例为lL：2Kg，成型剂为石蜡，加入量为混合料重量的2%，球磨15小时，球磨后的粉料经过喷雾干燥制粒，并压制成型，最后放入6MPa的低压烧结炉中在1380℃保温60min，烧结炉冷却至室温后获得合金制品，将烧结态合金在-190℃液氮深冷处理，保温2小时，然后在200℃低温回火处理，保温30分钟。其理化检测结果见表1。
表1 实施例1合金理化性能
以实施例1制得硬质合金试样与相同硬度下传统硬质合金（WC-Co）对比，在20℃~500℃温度范围内选取20℃、100℃、200℃、300℃、400℃和500℃进行硬度检测。表1是二者硬度随温度变化的曲线，在400℃~500℃温度范围内，实施例1的合金硬度较传统合金高1-2个单位值，这说明实施例1中的合金在400℃~500℃环境下使用其耐磨性要优于传统合金。
以实施例1制得硬质合金片与相同硬度下传统硬质合金（WC-Co）进行摩擦系数检测对比， 表2是对偶件为铝材试验时的摩擦系数曲线变化。
实施例2：
采用Fsss粒度2μm的WC粉，按重量比WC：Co：Ni：Pr：ReC：BNb =84：14：1：0.5：0.2：0.3配方配粉，湿磨球与混合料的质量比1.5：1，研磨介质为酒精，酒精与混合料的比例为lL：2Kg，成型剂为石蜡，加入量为混合料重量的2%，球磨15小时，球磨后的粉料经过喷雾干燥制粒，并压制成型，最后放入6MPa的低压烧结炉中在1380℃保温60min，烧结炉冷却至室温后获得合金制品，将烧结态合金在-190℃液氮深冷处理，保温2小时，然后在200℃低温回火处理，保温30分钟。其理化检测结果见表2。
表2 实施例2合金理化性能
实施例3：
采用Fsss粒度0.8μm的WC粉，按重量比WC：Co：Ni：Pr：ReC：BNb =84：13：2：0.3：0.3：0.4配方配粉，湿磨球与混合料的质量比1.5：1，研磨介质为酒精，酒精与混合料的比例为lL：2Kg，成型剂为石蜡，加入量为混合料重量的2%，球磨15小时，球磨后的粉料经过喷雾干燥制粒，并压制成型，最后放入6MPa的低压烧结炉中在1380℃保温60min，烧结炉冷却至室温后获得合金制品，将烧结态合金在-190℃液氮深冷处理，保温2小时，然后在200℃低温回火处理，保温30分钟。其理化检测结果见表3。
表3 实施例3合金理化性能
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料，其特征在于：原料配方包括下列质量百分数的组分：
碳化钨 82.3~87.5%，
钴 11~14%，
镍 1~2%，
镨 0.3~0.7%，
碳化铼 0.1~0.5%，
硼化铌 0.1~0.5%；
所述碳化钨粒度为0.8~2.0μm，所述钴为200目过筛的粉状，所述镍为200目过筛的粉状，所述镨为200目过筛的粉状，所述碳化铼粒度为0.8~2.0μm，硼化铌粒度为0.2~2.0μm。
2.根据权利要求1所述的一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤（1）按配比将碳化钨、钴、镍、镨、碳化铼、硼化铌放入滚动球磨机内形成混合料，加入湿磨介质和成型剂，球磨13~18小时后得浆料；
步骤（2）将球磨后的料浆利用喷雾塔进行干燥制粒，喷雾压力为1~1.3MPa，得到合金粉末；
步骤（3）将干燥后的合金粉末进行压制成型，放入1~6MPa的低压烧结炉中在1380~1400℃保温60~90min，烧结炉冷却至室温后获得烧结态合金；
步骤（4）将烧结态合金在-180℃~-190℃液氮深冷处理，保温1~2小时，然后在200℃~300℃低温回火处理，保温20~30分钟。
3.根据权利要求2所述的一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）球磨过程中的湿磨球为硬质合金球，直径为6~10mm，所述湿磨球与混合料的质量比为1.5：1~3.5：1。
4.根据权利要求2所述的一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的湿磨介质为酒精，纯度不得低于99.7%，所述湿磨介质与混合料的比例为1L：2kg ~1L：1kg 。
5.根据权利要求2所述的一种挤压多孔微通道铝合金扁管用硬质合金模具材料的制备方法，其特征在于：所述成型剂为石蜡，含油量不得超过0.5%，石蜡加入量为所述混合料总重量的2~4%。
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