CN109226757A - 一种挤压用档料块材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种挤压用挡料块材料及其制备方法和应用；所述挤压用挡料块材料由钢基体和均匀分散于钢基体中的强化相组成；所述强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数≥0.5％。所述挤压用挡料块材料由粉末冶金制备获得，所述强化相为原位形成和/或非原位形成。具体制备方法为，将各原料粉末混合均匀后，进行放电等离子烧结，所述放电等离子烧结的工艺参数：烧结温度为：1000℃～1200；烧结保温时间为：0.5～2h，烧结压力为30～50MPa，再进行热处理，所述热处理工艺：1000～1100℃保温2～4h，油冷，540～560℃回火3～4h，然后按图纸对坯体进行机械加工，制得所需尺寸和形状的挡料块，该方法突破常规熔铸工艺对强化相种类及体积分数的限制，使挡料块兼具良好的常温和高温力学性能。
Description
技术领域
本发明属于高温模具制备领域，尤其涉及一种挤压用挡料块材料及其制备方法和应用。
背景技术
连续挤压工艺在生产铝、铜管材、线材和板材上具有无可比拟的优势，其投资少、不需加热、可连续生产、材料利用率高。但也对以挡料块为代表的挤压模具提出了更高的要求，挡料块在在连续高强度挤压下承受压缩应力、弯曲应力，另外还要受到冲击负荷的作用，以至于挡料块会产生高达1000～1100MPa的挤压应力和550℃～750℃(挤压铜合金)的温度，因而在连续挤压过程形成的极端应用环境下，要求其兼具良好的常温和高温力学性能，但目前少有材料能够达到这一性能要求。
加之目前挡料块大多通过铸造方法制得，其高温强度和硬度一般，即使在合金中添加强化元素，强化相的种类及体积分数也会受到限制，限制了其高温强度和硬度的提升，因而采用新技术、新材料来研发一款满足性能要求的挡料块显得十分迫切。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种兼具良好的常温和高温力学性能的挤压用挡料块材料及其制备方法和应用。
本发明一种挤压用挡料块材料，所述挤压用挡料块材料由钢基体和均匀分散于钢基体中的强化相组成，所述强化相选自WC、TiC、Cr3C2中的至少一种；所述强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数≥0.5％。
优选的方案，所述强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数为0.5～3.5％。
作为进一步优选的方案，所述强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数为1～2.5％。
优选的方案，所述挤压用挡料块材料由粉末冶金制备获得，所述强化相为原位形成和/或非原位形成。
在本发明中，通过粉末冶金方式制备挤压用挡料块材料，其强化相通过粉末形式加入，而非完全原位形成，相对于现有技术中采用铸造的方式所制备的挡料块材料，本发明的强化相成份可控可调，且其在挡条块材料中的质量占比可大幅高于现有技术中的挡料块材料强化相的质量占比，因此可大幅提高挡条块材料的高温强度。
优选的方案，所述钢基体包含以下元素，C、Si、Mo、Cr、V，Fe；所述钢基体中各元素在挤压用挡料块材料中的质量分数分别为：C:0.30～0.48％，Si:0.75～1.1％，Mo:0.33～0.65％，Cr:5.35～6.70％，V:0.65～1.0％，Fe余量成份。
在本发明中，为了进一步的增强本发明中挤压用挡料块材料的力学性能，对于钢基体的成份也进行了一定的调整，如相比与本发明成份更为接近的H13钢，本发明增大了Cr的含量，Mo的含量，发明人发现，这些元素含量的适当提高对于提升材料的性能具有明显的效果。
作为进一步的优选方案，所述钢基体中各元素在挤压用挡料块材料中的质量分数分别为：C:0.35～0.4％，Si:0.8～1％，Mo:0.5～0.53％，Cr:5.85～6.25％，V:0.75～0.8％，Fe余量成份。
本发明一种挤压用挡料块材料的制备方法，包活如下步骤：
按设计比例配取碳源粉末、硅源粉末、钼源粉末、铬源粉末、钒源粉末、铁源粉末，碳化物粉末、混合获得混合粉末，将混合粉末进行于真空条件下进行放电等离子烧结得到烧结坯，对烧结坯进行热处理，即得挤压用挡料块材料。
优选的方案，所述碳源粉末选自碳粉、石墨粉、沥青树脂粉。
优选的方案，所述硅源粉末的粒径为0.01～0.1μm，所述碳化物粉末的粒径为0.3～100μm，所述碳源粉末、钼源粉末、铬源粉末、钒源粉末、铁源粉末的粒径均为0.5～50μm。
优选的方案，所述硅源粉末选自硅粉、硅合金粉中的至少一种，所述硅合金粉为硅与Mo、Cr、V，Fe中的至少一种组成的合金粉；
优选的方案，所述钼源粉末选自钼粉、钼合金粉中的至少一种，所述钼合金粉为钼与Si、Cr、V，Fe中的至少一种组成的合金粉；
优选的方案，所述铬源粉末选自铬粉、铬合金粉中的至少一种，所述铬合金粉为铬与Si、Mo、V，Fe中的至少一种组成的合金粉；
优选的方案，所述钒源粉末选自钒粉、钒合金粉中的至少一种，所述钒合金粉为钒与Si、Mo、Cr，Fe中的至少一种组成的合金粉；
优选的方案，所述铁源粉末选自铁粉、铁合金粉中的至少一种，所述铁合金粉为铁与Si、Mo、Cr，V中的至少一种组成的合金粉。
优选的方案，所述混合方式为，将元素粉末以及碳化物粉末置于混料机中混合12～24h，所述混料机的搅拌速度为10～12r/min。
在本发明中，采用混料机在上述条件下可混合均匀，与球磨相比，虽然球磨的效率会高一些，但是会引入杂质元素，对材料的力学性能产生负面影响。
优选的方案，所述放电等离子烧结的工艺参数：烧结温度为：1000℃～1200℃烧结保温时间为：0.5～2h，烧结压力为30～50MPa。
优选的方案，所述热处理的工艺为：先于1000～1100℃保温2～4h，油冷，再于540～560℃回火3～4h。
发明人发现，热处理的温度对材料的性能具有较大的影响，1000～1100℃是为本发明材料奥氏体完全化温度，低于1000℃，合金元素未完全融入奥氏体中，合金元素融入越充分，模具红硬性及抗回火稳定性越好，而高于1100℃时，晶粒易粗大，性能降低。
另外在本发明要求的温度范围内回火，材料可具有最高的硬度，即二次硬化，碳化物弥散析出导致硬度增加。回火温度低时，析出碳化物少，硬度不高，回火温度高时，板条马氏体形态消失，硬度降低明显。
本发明经过放电等离子烧结后的烧结胚再经过上述热处理工艺处理，可以获得强化相均匀，弥散分布的挤压用挡料块材料。
本发明所设计和制备的挤压用挡料块材料，室温抗拉强度为1800～1900MPa，750℃抗拉强度为1300～1420MPa,室温硬度为54～56HRC，750℃的硬度为52～53HRC。
可以看出，本发明所设计和制备的挤压用挡料块材料其具有良好的室温及高温力学性能，服役温度大于750℃。
本发明一种挤压用挡料块材料的应用，将所述挤压用挡料块材料用于合金连续挤压用挡料块。
优选的方案，将所述挤压用挡料块材料用于黄铜或镁合金连续挤压用挡料块。
在实际应用过程中，将所得挤压用挡料块材料按具体合金连续挤压用挡料块成品图纸进行机械加工，即获得所需的挤压用挡料块。
有益效果：
本发明首创的采用粉末冶金制备挤压用挡料块材料，其强化相通过粉末形式加入，而非完全原位形成，相对于现有技术中采用铸造的方式所制备的挡料块材料，本发明的强化相成份可控可调，且其在挡条块材料中的质量占比可大幅高于现有技术中的挡料块材料强化相的质量占比，因此可大幅提高挡条块材料的高温强度。
在具体的制备工艺中，本发明放电等离子烧结工艺结合热处理工艺，可将大比例体积分数加入的强化相，在基体中分散均匀、弥散分布，获得强化相均匀，弥散分布的挡料块材料，在保障高的常温力学性能的同时，提升其高温力学性能。
本发明通过研制新型粉末冶金挡料块，优化挡料块的成分及其成形、热处理工艺，获得了兼具良好的常温和高温力学性能的粉末冶金挤压用挡料块材料，服役温度大于750℃，为黄铜、铝镁合金等具有较高高温应变抗力的特殊合金提供高性价比的连续挤压用挡料块材料。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的其强化相为WC，强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数为1％。钢基体中的各元素在挤压用挡料块材料中的质量分数为分别为：C:0.35％，Si:1.0％,Mo:0.50％,Cr:5.85％,V:0.80％，其他为Fe。
制备方法如下：
按上述设计比例配取碳粉、硅粉、钼粉、铬粉、钒粉、铁粉，碳化钛粉末，其中碳粉、钼粉、铬粉、钒粉、铁粉粒径均为30μm，硅粉粒径为0.1μm，碳化钨粉末粒径50μm，将配取好的物料用混料机混合18h，搅拌转速12r/min，使粉末混合均匀，获得混合粉，将混合粉进行放电等离子烧结，得到烧结坯体。放电等离子烧结的工艺参数：1050℃保温2h，压力40MPa，对所得烧结坯体，进行热处理，得到强化相均匀，弥散分布的材料，上述烧结坯体热处理工艺：1050℃保温3h，油冷，540℃回火3小时，将烧结坯体按黄铜连续挤压用档料块的设计图纸进行机械加工，制得黄铜连续挤压用档料块。
上述方法制得的挤压用档料块材料，经检测室温抗拉强度1800MPa，750℃抗拉强度为1300MPa,室温硬度54HRC，750℃的硬度52HRC，其具有良好的室温及高温力学性能，服役温度大于750℃，克服了现有挡料块高温工作坏境下，强度低的问题，将其应用作为黄铜连续挤压用挡料块满足使用要求。
实施例2
本实施例中的其强化相为TiC，强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数为2.5％。钢基体中的各元素在挤压用挡料块材料中的质量分数为分别为：C:0.40％，Si:0.8％,Mo:0.53％,Cr:5.85％,V:0.75％，其他为Fe。
制备方法如下：
按设计比例配取碳源粉末、硅源粉末、钼源粉末、铬源粉末、钒源粉末、铁源粉末，碳化钛粉末、混合获得混合粉末，将混合粉末进行放电等离子烧结得到烧结坯，对烧结坯进行热处理，即得挤压用挡料块材料。
按上述设计比例配取碳粉、硅粉、钼粉、铬粉、钒粉、铁粉，碳化钛粉末，其中碳粉、钼粉、铬粉、钒粉、铁粉粒径均为20μm，硅粉粒径为0.05μm，碳化钛粉末粒径30μm，将配取好的物料用混料机混合24h，搅拌转速12r/min，使粉末混合均匀，获得混合粉，将混合粉进行放电等离子烧结，得到烧结坯体。放电等离子烧结的工艺参数：1100℃保温3h，压力50MPa，对所得烧结坯体，进行热处理，得到强化相均匀，弥散分布的材料，上述烧结坯体热处理工艺：1100℃保温4h，油冷，530℃回火4小时，将烧结坯体按黄铜连续挤压用档料块的设计图纸进行机械加工，制得黄铜连续挤压用档料块。
上述方法制得的挤压用档料块材料，经检测室温抗拉强度1800MPa，750℃抗拉强度为1300MPa,室温硬度54HRC，750℃的硬度52HRC，其具有良好的室温及高温力学性能，服役温度大于750℃，将其应用作为黄铜连续挤压用挡料块满足使用要求。
实施例3
本实例中的其强化相为WC和TiC，强化相WC,TiC在挤压用挡料块材料中的质量分数分别均为1％，总计2％。钢基体中的各元素在挤压用挡料块材料中的质量分数为分别为：C:0.40％，Si:0.89％,Mo:0.53％,Cr:6.25％,V:0.80％，其他为Fe。制备方法如下：
按上述设计比例配取碳粉、硅粉、钼粉、铬粉、钒粉、铁粉，碳化钨粉末、碳化钛粉末，其中碳粉、钼粉、铬粉、钒粉、铁粉粒径均为20μm，硅粉粒径为0.1μm，碳化钨级碳化钛粉末粒径均为20μm，将配取好的物料用混料机混合24h，搅拌转速12r/min，使粉末混合均匀，获得混合粉，将混合粉进行放电等离子烧结，得到烧结坯体。放电等离子烧结的工艺参数：1050℃保温2h，压力40MPa，对所得烧结坯体，进行热处理，得到强化相均匀，弥散分布的材料，上述烧结坯体热处理工艺：1050℃保温3h，油冷，540℃回火3小时，将烧结坯体按黄铜连续挤压用档料块的设计图纸进行机械加工，制得黄铜连续挤压用档料块。
上述方法制得的挤压用档料块材料，经检测室温抗拉强度1880MPa，750℃抗拉强度为1420MPa,室温硬度55HRC，750℃的硬度53HRC，其具有良好的室温及高温力学性能，服役温度大于750℃，克服了现有挡料块高温工作坏境下，强度低的问题，将其应用作为黄铜连续挤压用挡料块满足使用要求。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅去掉强化相，得到挡料块的室温强度1550MPa，750℃强度为1020MPa,室温硬度49HRC，750℃的硬度47HRC，其室温和高温力学性能不佳,不满足使用要求。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅碳化物的质量分数为0.45％，得到挡料块材料的室温强度1630MPa，750℃抗拉强度为1090MPa,其室温和高温力学性能较未添加强化相的挡料块提高不明显，不满足使用要求。
对比例3
其他条件与实施例1相同，仅将放电等离子烧结的保温温度改为950℃，发现方形胚体中孔隙多，粉末未能完全烧结在一起
对比例4
其他条件与实施例1相同，仅将热处理工艺中回火时间改为2h，发现方形胚体中强化相没有完全均匀，弥散分布。
Claims (10)
1.一种挤压用挡料块材料，其特征在于：所述挤压用挡料块材料由钢基体和均匀分散于钢基体中的强化相组成，所述强化相选自WC、TiC、Cr3C2中的至少一种；所述强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数≥0.5％。
2.根据权利要求1所述的一种挤压用挡料块材料，其特征在于：所述强化相在挤压用挡料块材料中的质量分数为0.5～3.5％。
3.根据权利要求1所述的一种挤压用挡料块材料，其特征在于：所述挤压用挡料块材料由粉末冶金制备获得，所述强化相为原位形成和/或非原位形成。
4.根据权利要求1所述的一种挤压用挡料块材料，其特征在于：所述钢基体包含以下元素，C、Si、Mo、Cr、V，Fe；所述钢基体中各元素在挤压用挡料块材料中的质量分数分别为：C:0.30～0.48％，Si:0.75～1.1％，Mo:0.33～0.65％，Cr:5.35～6.70％，V:0.65～1.0％，Fe为余量成份。
5.制备如权利要求1～4任意一项所述的一种挤压用挡料块材料的方法，其特征在于：包活如下步骤：
按设计比例配取碳源粉末、硅源粉末、钼源粉末、铬源粉末、钒源粉末、铁源粉末，碳化物粉末、混合获得混合粉末，将混合粉末于真空条件下进行放电等离子烧结得到烧结坯，对烧结坯进行热处理，即得挤压用挡料块材料。
6.根据权利要求5所述的一种挤压用挡料块材料的制备方法，其特征在于：
所述碳源粉末选自碳粉、石墨粉、沥青树脂粉；
所述硅源粉末选自硅粉、硅合金粉中的至少一种，所述硅合金粉为硅与Mo、Cr、V，Fe中的至少一种组成的合金粉；
所述钼源粉末选自钼粉、钼合金粉中的至少一种，所述钼合金粉为钼与Si、Cr、V，Fe中的至少一种组成的合金粉；
所述铬源粉末选自铬粉、铬合金粉中的至少一种，所述铬合金粉为铬与Si、Mo、V，Fe中的至少一种组成的合金粉；
所述钒源粉末选自钒粉、钒合金粉中的至少一种，所述钒合金粉为钒与Si、Mo、Cr，Fe中的至少一种组成的合金粉；
所述铁源粉末选自铁粉、铁合金粉中的至少一种，所述铁合金粉为铁与Si、Mo、Cr，V中的至少一种组成的合金粉。
7.根据权利要求5所述的一种挤压用挡料块材料的制备方法，其特征在于：
所述混合方式为，将元素粉末以及碳化物粉末置于混料机中混合12～24h，所述混料机的搅拌速度为10～12r/min。
8.根据权利要求5所述的一种挤压用挡料块材料的制备方法，其特征在于：
所述放电等离子烧结的工艺参数：烧结温度为：1000～1200℃；烧结保温时间为：0.5～2h，烧结压力为30～50MPa。
9.根据权利要求5所述的一种挤压用挡料块材料的制备方法，其特征在于：
所述热处理的工艺为：先于1000～1100℃保温2～4h，油冷，再于540～560℃回火3～4h。
10.根据权利要求1～4任意一项所述的一种挤压用挡料块材料的应用，将所述挤压用挡料块材料用于合金连续挤压用挡料块。
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