CN108441965A - 应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫及其制备方法，属于金属加工技术领域。其配方包括Cr 7.00%‑8.20%、Co 4.30%‑4.90%、W 7.60%‑8.40%、Mo 0.30%‑0.70%、Al 5.45%‑5.75%、Ti 0.80%‑1.20%和Ta 5.80%‑6.20%、Fe≤0.20%、Nb≤0.15%，其余为Ni。本发明制备过程为真空感应熔炼制备单晶高温合金母合金，重熔后，通过定向凝固和熔模铸造技术制备出单晶高温合金挤压垫毛坯，将毛坯进行热处理后，打磨，精加工成一定尺寸规格的挤压垫。本发明制备所得单晶高温合金挤压垫轴向受压能力强，高温强度高，提高了模具使用寿命，并且其制备工艺简单，流程短，节省制备时间，降低了挤压生产成本。

Description

应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫及其制备方法，属于金属加工技术领域。

背景技术

挤压是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大压力和一定速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸及具有一定力学性能的产品。挤压加工是利用模具来控制金属流动，使金属体积大量转移来形成零件。在铜及铜合金加工材料的各种生产工艺中，挤压工艺仍然具有其它各种方法所不能及的优越性。但是挤压工艺也有其不足之处，例如挤压工具的消耗较大，约占挤压加工生产成本的一半。其中挤压垫在挤压筒内将挤压杆与锭坯隔开并传递挤压力用的挤压工具，其作用是减少挤压杆端面的磨损，隔离锭坯对挤压杆的热影响。挤压垫是挤压工艺中消耗量最大的挤压工具之一。而挤压工具的工作寿命又关系到加压模具更换次数的多少，直接影响到挤压机的工作效率。更换挤压工具所占时间约为机动时间的15%-20%。

如何提高挤压工具的寿命及使用性能成为提高生产效率的关键。挤压垫的前端受力较为集中，在使用过程中很容易产生变形磨损。国内外用的较多的挤压垫为H13模具钢整体式挤压垫，H13模具钢由室温到600℃左右的温度范围内，其屈服强度、抗拉强度、弹性模量随温度的增加接近线性的缓慢降低，而高于600℃左右时，其强度和韧性快速下降，失去承载能力。而在挤压B10铜合金锭时，温度大约在900~950℃；挤压B30铜合金锭时，温度大约在950~1050℃。而在此种温度下，使用H13材质的挤压垫，使用寿命严重受限，更换频率较高。考虑到材质因素，又有在两种材料镶嵌式的挤压垫出现，以H13材料为主体，在挤压垫的前端镶嵌一层In718材料，大大提高了挤压垫的使用寿命，但由于材料受热膨胀率的不一致及镶嵌配合方式的不完全一致，使得镶嵌式挤压垫容易沿着镶嵌位置开裂、损坏。

另一方面现有挤压垫在制备过程中需要经过“感应熔炼→电渣熔炼→锻造→热处理→穿孔→车加工→热处理→精加工”工艺路线制备，制备工艺繁琐、制备周期长、制备挤压垫使用寿命较短、成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫及其制备方法，其采用一种高温下力学性能稳定、优异，并能够在一定方向承受较大应力的材料制作挤压垫。结合节能减排宗旨，缩短制备工艺，降低能耗。

按照本发明提供的技术方案，应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫，按质量百分比计：包括Cr 7.00%-8.20%、Co 4.30%-4.90%、W 7.60%-8.40%、Mo 0.30%-0.70%、Al5.45%-5.75%、Ti 0.80%-1.20%和Ta 5.80%-6.20%、Fe≤0.20%、Nb≤0.15%，其余为Ni。

按质量百分比计控制其中微量元素如下：C≤0.006%、Hf≤0.0075%和B≤0.003%。

本发明提供的单晶高温合金挤压垫其厚度为70-85mm，挤压垫外径为175-185mm，挤压垫内径为60-70mm；

挤压垫的首端与中心轴相距40-60mm处有一带有夹角的环形凹痕，夹角为90°，其作用为一方面有助于挤压过程中铜锭粘附在挤压垫上，另一方面有利于工人在操作时方便辨认挤压垫的安装方向；

挤压垫末端内径有一深度为15-25mm，与挤压垫中轴线间具有夹角的倒角，其夹角为30°，以便在挤压时穿孔针能够方便准确的传入挤压垫中心孔；本发明提供的挤压垫适用于各种铜合金的挤压加工。

应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫的制备方法，步骤如下：

（1）真空熔炼：按重量百分比计，取Cr 7.00%-8.20%、Co 4.30%-4.90%、W 7.60%-8.40%、Mo 0.30%-0.70%、Al 5.45%-5.75%、Ti 0.80%-1.20%、Ta 5.80%-6.20%、Fe≤0.20%、Nb≤0.15%，其余为Ni，在10^-1-10^-2MPa真空下1350-1500℃熔炼30-40min，制备单晶高温合金母合金；

（2）后处理：对步骤（1）制备所得单晶高温合金母合金进行切块，表面打磨，清洗备用；

（3）单晶生长：步骤（2）所得单晶高温合金母合金料放入高真空定向凝固炉的坩埚中，将带有螺旋选晶段的挤压垫坯料膜壳固定在定向凝固炉的水冷铜板上，合炉抽真空至10^{- 1}Pa以下，开启加热系统，使高温合金锭料在1400-1550℃熔化，完全融化后，保温20-40min；将合金熔液浇入模壳，保温10-20min，待合金熔液在模壳中充分均匀，开启定向抽拉系统，使模壳中的合金液定向凝固，组织呈现单晶生长状态；待定向凝固炉内温度低于200℃，将单晶铸件取出，切下挤压垫坯料部分；

（4）热处理：步骤（3）所得挤压垫坯料在热处理炉中进行多级热处理，热处理制度为：第一级，升温至1250-1350℃，保温3-4h，空冷至高于至室温950-1150℃；进行第二级，保温5-6h，空冷至高于室温800-900℃；再进行第三级，保温19-22h，再空冷至室温，得到挤压垫坯料；

（5）精加工：对步骤（4）所得挤压垫坯料按照所需尺寸精加工得到最终的挤压机用单晶高温合金挤压垫。

本发明的有益效果：本发明提供的热挤压机用单晶高温合金挤压垫为整体式，不会出现因材料镶嵌不合理及材料膨胀系数的不同而在两种材料相交处出现开裂现象。本发明提供的热挤压机用单晶高温合金挤压垫的制备流程短，周期短，节能高效。同时为单晶高温合金的应用开辟了新市场。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是H13模具钢与本发明挤压垫用单晶高温合金性能比较示意图。

图3是本发明挤压垫纵截面的金相组织结构示意图。

图4是挤压垫横截面的金相组织结构示意图。

具体实施方式

实施例1

应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫的制备方法，步骤如下：

（1）真空熔炼：按重量百分比计，取Cr 7.00%、Co 4.30%、W 7.60%、Mo 0.30%、Al 5.45%、Ti 0.80%、Ta 5.80%、Fe 0.08%、Nb 0.05%，其余为Ni，在10^-1-10^-2MPa真空下1350℃熔炼40min，制备单晶高温合金母合金；

按质量百分比计控制其中微量元素如下：C≤0.006%、Hf≤0.0075%和B≤0.003%。

（2）后处理：对步骤（1）制备所得单晶高温合金母合金进行切块，表面打磨，清洗备用；

（3）单晶生长：步骤（2）所得单晶高温合金母合金料放入高真空定向凝固炉的坩埚中，将带有螺旋选晶段的挤压垫坯料膜壳固定在定向凝固炉的水冷铜板上，合炉抽真空至10^{- 1}Pa以下，开启加热系统，使高温合金锭料在1400℃熔化，完全融化后，保温40min；将合金熔液浇入模壳，保温20min，待合金熔液在模壳中充分均匀，开启定向抽拉系统，使模壳中的合金液定向凝固，组织呈现单晶生长状态；待定向凝固炉内温度低于200℃，将单晶铸件取出，切下挤压垫坯料部分；

（4）热处理：步骤（3）所得压垫坯料在热处理炉中进行多级热处理，热处理制度为：1250℃保温4h，空冷至室温+950℃保温6h，空冷至室温+800℃保温22h，空冷至室温，得到挤压垫坯料；

（5）精加工：对步骤（4）所得挤压垫坯料按照所需尺寸精加工得到最终的挤压机用单晶高温合金挤压垫。

本发明制备所得产品挤压机用单晶高温合金挤压垫具体结构如图1所示。

本发明经热处理后的单晶高温合金沿其一次枝晶方向具有优异的高温力学性能，与H13模具钢材料高温性能比较结果如图2所示。从图中可以看出，本发明提供的单晶高温合金性能远远优于H13模具钢，特别是在温度大于600℃时，性能的优越性更为明显。其使用性能及使用寿命都远远高于H13模具钢。

本发明制备所得单晶高温合金挤压垫沿其轴向的金相组织如图3所示，垂直轴向的金相组织如图4所示。从金相组织来看，沿挤压垫纵向所有一次枝晶均沿同一方向生长，而在横截面方向，呈十字形的二次枝晶均匀分布，表明本发明提供的挤压垫的组织为完好的单晶组织。

实施例2

应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫的制备方法，步骤如下：

（1）真空熔炼：按重量百分比计，取Cr 8.20%、Co 4.90%、W 8.40%、Mo 0.70%、Al 5.75%、Ti 1.20%、Ta 6.20%、Fe 0.15%、Nb 0.1%，其余为Ni，在10^-1-10^-2MPa真空下1500℃熔炼30min，制备单晶高温合金母合金；

按质量百分比计控制其中微量元素如下：C≤0.006%、Hf≤0.0075%和B≤0.003%。

（2）后处理：对步骤（1）制备所得单晶高温合金母合金进行切块，表面打磨，清洗备用；

（3）单晶生长：步骤（2）所得单晶高温合金母合金料放入高真空定向凝固炉的坩埚中，将带有螺旋选晶段的挤压垫坯料膜壳固定在定向凝固炉的水冷铜板上，合炉抽真空至10^{- 1}Pa以下，开启加热系统，使高温合金锭料在1550℃熔化，完全融化后，保温20min；将合金熔液浇入模壳，保温10min，待合金熔液在模壳中充分均匀，开启定向抽拉系统，使模壳中的合金液定向凝固，组织呈现单晶生长状态；待定向凝固炉内温度低于200℃，将单晶铸件取出，切下挤压垫坯料部分；

（4）热处理：步骤（3）所得压垫坯料在热处理炉中进行多级热处理，热处理制度为：1350℃保温3h，空冷至室温+1150℃保温5h，空冷至室温+800℃保温19h，空冷至室温，得到挤压垫坯料；

（5）精加工：对步骤（4）所得挤压垫坯料按照所需尺寸精加工得到最终的挤压机用单晶高温合金挤压垫。

实施例3

应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫的制备方法，步骤如下：

（1）真空熔炼：按重量百分比计，取Cr 7.5%、Co 4.6%、W 8%、Mo 0.5%、Al 5.6%、Ti 1%、Ta 6%、Fe 0.2%、Nb 0.15%，，其余为Ni，在10^-1-10^-2MPa真空下1400℃熔炼35min，制备单晶高温合金母合金；

按质量百分比计控制其中微量元素如下：C≤0.006%、Hf≤0.0075%和B≤0.003%。

（2）后处理：对步骤（1）制备所得单晶高温合金母合金进行切块，表面打磨，清洗备用；

（3）单晶生长：步骤（2）所得单晶高温合金母合金料放入高真空定向凝固炉的坩埚中，将带有螺旋选晶段的挤压垫坯料膜壳固定在定向凝固炉的水冷铜板上，合炉抽真空至10^{- 1}Pa以下，开启加热系统，使高温合金锭料在1480℃熔化，完全融化后，保温30min；将合金熔液浇入模壳，保温15min，待合金熔液在模壳中充分均匀，开启定向抽拉系统，使模壳中的合金液定向凝固，组织呈现单晶生长状态；待定向凝固炉内温度低于200℃，将单晶铸件取出，切下挤压垫坯料部分；

（4）热处理：步骤（3）所得压垫坯料在热处理炉中进行多级热处理，热处理制度为：1300℃保温3.5h，空冷至室温+1050℃保温5.5h，空冷至室温+850℃保温21h，空冷至室温，得到挤压垫坯料；

（5）精加工：对步骤（4）所得挤压垫坯料按照所需尺寸精加工得到最终的挤压机用单晶高温合金挤压垫。

Claims (6)

1.应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫，其特征是按质量百分比计配方如下：包括Cr 7.00%-8.20%、Co 4.30%-4.90%、W 7.60%-8.40%、Mo 0.30%-0.70%、Al 5.45%-5.75%、Ti0.80%-1.20%、Ta 5.80%-6.20%、Fe≤0.20%和Nb≤0.15%，其余为Ni。

2.如权利要求1所述应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫，其特征是按质量百分比计控制其中微量元素如下：C≤0.006%、Hf≤0.0075%和B≤0.003%。

3.如权利要求1所述应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫，其特征是：所述单晶高温合金挤压垫为一整体，厚度70-85mm，外径175-185mm，内径60-70mm。

4.如权利要求1所述应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫，其特征是：所述单晶高温合金挤压垫首端与中心轴相距40-60mm处有一带有夹角的环形凹痕。

5.如权利要求1所述应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫，其特征是：所述单晶高温合金挤压垫末端内径有一深度为15-25mm，与挤压垫中轴线间具有夹角的倒角。

6.权利要求1-5之一所述应用于热挤压机的单晶高温合金挤压垫的制备方法，其特征是步骤如下：

（1）真空熔炼：按重量百分比计，取Cr 7.00%-8.20%、Co 4.30%-4.90%、W 7.60%-8.40%、Mo 0.30%-0.70%、Al 5.45%-5.75%、Ti 0.80%-1.20%、Ta 5.80%-6.20%、Fe≤0.20%、Nb≤0.15%，其余为Ni，在10^-1-10^-2MPa真空下1350-1500℃熔炼30-40min，制备单晶高温合金母合金；

（2）后处理：对步骤（1）制备所得单晶高温合金母合金进行切块，表面打磨，清洗备用；

（3）单晶生长：步骤（2）所得单晶高温合金母合金料放入高真空定向凝固炉的坩埚中，将带有螺旋选晶段的挤压垫坯料膜壳固定在定向凝固炉的水冷铜板上，合炉抽真空至10^{- 1}Pa以下，开启加热系统，使高温合金锭料在1400-1550℃熔化，完全融化后，保温20-40min；将合金熔液浇入模壳，保温10-20min，待合金熔液在模壳中充分均匀，开启定向抽拉系统，使模壳中的合金液定向凝固，组织呈现单晶生长状态；待定向凝固炉内温度低于200℃，将单晶铸件取出，切下挤压垫坯料部分；

（4）热处理：步骤（3）所得挤压垫坯料在热处理炉中进行多级热处理，热处理制度为：第一级，升温至1250-1350℃，保温3-4h，空冷至高于至室温950-1150℃；进行第二级，保温5-6h，空冷至高于室温800-900℃；再进行第三级，保温19-22h，再空冷至室温，得到挤压垫坯料；

（5）精加工：对步骤（4）所得挤压垫坯料按照所需尺寸精加工得到最终的挤压机用单晶高温合金挤压垫。