CN1100148A

CN1100148A - 电热镦粗用砧块及其制造方法

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Publication number: CN1100148A
Application number: CN 93111681
Authority: CN
Inventors: 王伏生; 赵慕岳; 梁容海; 周载明
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2013-09-06
Also published as: CN1047208C

Abstract

电热镦粗用砧块及其制造方法，其特征在于采用 W-Ni-Fe系列钨基合金用粉末冶金的方法制成 WA₂₀₁，WA₂₃₂，WA₂₄₂或再经复合工艺制成 WA_201C，WA_232C，WA_242C多种不同成分的系列产品，其有良好的导电性，抗氧化性能和电弧烧蚀性能，在镦粗的高温高压下，砧块材料保持不易变形，砧块的使用寿命长，满足各种电热镦粗机及不同材质结构镦粗的要求。

Description

本发明涉及粉末冶金领域中由金属粉末制造成品和冶金领域中的合金，尤其是钨基合金，即采用粉末冶金方法制造粉末冶金制品及合金材料;本发明所述的砧块是用于电热镦粗工艺的关键配件。

电热镦粗工艺是机械制造工业中一种少或无切屑的精密锻造工艺。该工艺材料利用率高，生产效率高，能源消耗低。它是借助在直接通电的情况下，使工件局部发热，然后在镦粗压力持续作用下使工件变形，在这一过程中，镦块材料承受着大电流，高温和镦粗高压的持续作用，因此，不仅要求砧块材料具有良好的导电、散热性能，还应具有较高的高温强度，硬度和抗氧化性能，此外，由于电热镦粗过程是一个断续的周期性作用，砧块材料还将承受热疲劳应力的反复作业，特别是随着内燃机燃气温度的提高，对气门钢材质的性能，如耐高温性能、耐磨性能等也有更高的要求，由于气门钢种的发展，要求具有高性能的砧块材料相适应，一种高性能的气门钢材能否镦粗，在很大程度上也依赖于砧块材料的选择与合理应用。可见，砧块材质的性能直接影响到气门质量及电热镦粗工艺的发展。

在电热镦粗工艺的初期，用3Cr2W8V工具钢作砧块材料，由于电流经过内部，不仅使砧块的表面层受热，材料内部的温度也高达800℃以上，并长期承受镦粗压力的反复作用，因此在镦粗温度高达1150℃时，这种材料在一般高温（700℃左右）下所具有的那些良好性能几乎不复存在，所以3Cr2W8V砧块的使用寿命不高。

七十年代，使用Cu-W₈₀合金作砧块，该合金系以钨为基，钨的熔点高达3410℃，在电热镦粗的高温下，由于钨起骨架作用，而具有较高的高温硬度和抗变形能力，使用寿命得到明显提高。但由于铜含量高（Cu-W₈₀是一种假合金），在镦粗温度下，已超过铜的熔点（1083℃）铜已软化，甚至熔化，因此仅仅对如40Cr等硬度不太高的钢材具有好的适应性。

图1、2、3、4展现了采用上述已有的材料制造的砧块之工作面，在电热镦粗反复作用下逐渐产生变形坑的情况及对气门质量影响情况。

图1为变形的砧块是在棒料反复作用于砧块面，使砧块面逐渐出现变形坑，被镦压的砧面材料逐渐被挤压外移;

图2为棒料的蒜头部分产生折叠前身，可见被镦粗的棒料蒜头部分相应于变形的砧块面出现环形沟槽，当模锻成型后，气门大端面便产生如图3，图4所示的料圈和环形折叠，由此可见采用W-Ni-Cu系合金制作的砧块，不能满足电热镦粗用砧块的材料综合性能的要求，降低了气门质量，生产过程中砧块工作面修平次数多，更换频率高，至使生产效率低，电能消耗大。

本发明的目的在于针对已有砧块材料性能的不足，而提供一种具备如下良好材料性能的砧块：

1、导电性能，即能保证在镦粗过程中有良好的导电性，在额定功率下，使被镦粗的工件局部发热，而砧块本身不要过热。

2、耐高温的硬度（高的红硬性）和高温强度，在镦粗的高温高压下，砧块材料保持不易变形。

3、良好的抗氧化性能和电弧烧蚀性能。

4、砧块的使用寿命长。

本发明为达到上述目的，采用W-Ni-Fe系列钨基合金用粉末冶金的方法制成WA₂₀₁，WA₂₃₂，WA₂₄₂，或再经复合工艺制成WA₂₀₁c，WA₂₃₂c，WA₂₄₂c多种不同成分的能满足各种电热镦粗机及不同材质结构镦粗要求的砧块。

制造砧块用合金的化学成分，见表1

表1 制造砧块用合金的化学成分

牌号	合金成分（％）
							Ni	Fe	Co	Mo	Cu	W
	WA₂₃₂	3-5	2-4	0.2-0.6	-	-							余量
WA₂₀₁							2-4	1-3	-	5.5-7.5	-	余量
	WA₂₄₂	4-6	1-3	-		1-3							余量
WA₂₃₂cWA₂₀₁cWA₂₄₂C							即合金工作端成分相应于牌号成分，复合块即为W80－Cu或W70－Cu，见其复合工艺说明

W-Ni-Fe系合金较W-Ni-Cu系合金有较高的红硬性，这是由于在高温下，W-Ni-Cu系合金中，作为粘结相的Ni-Cu合金有较低的熔点与软化温度，当试验温度升高后，Ni-Cu相迅速软化，而便整个合金的硬度迅速下降，在W-Ni-Fe相图中，Ni-Fe粘结相软化或形成液相的温度高得多，而Ni-Fe合金较Ni-Cu合金的硬度也较高，因此在各温度范围内，W-Ni-Fe系合金均显示较高的硬度性能。

随着烧结温度的升高，合金的比重和抗拉强度都有规律的上升。对WA₂₄₂合金而言，为了获得具有较好综合性能的合金，较适宜的温度范围在1420～1470℃。对WA₂₃₂合金，这一温度范围则应在1440～1500℃。这是因为钼和钴的加入，要形成Ni-Fe-Mo-Co四元素合金系在一个较高的温度范围内完成。由于合金元素钼的加入，也使合金的抗拉强度稍有提高，并可在较宽的温度范围内保持这一性能的较高水平。

制造砧块用主要粉末原料为：

钨粉：假比重：2.5g～3.40克/厘米³

平均粒度：2.5～3.5μ

镍粉：99.8%，-320目

铁粉：99.0%，-320目

铜粉：99%，-320目

钼粉：99%，-320目

钴粉：99.0%，-320目

具体制造工艺步骤为：

1、配料与混料：按表1所示化学成分，按重量百分比进行配料。球磨混料时按球∶料＝1∶5，加入酒精作球磨介质进行湿磨，球磨10至24小时。然后加入成型剂硬脂酸1%均匀干燥。

2、成型：按产品规格大小，称料，冷压钢模成型，压制压力为1～4T/cm²。

3、预烧：在氢气保护下，于800℃预烧1-2小时。

4、烧结：在钼丝炉中，通氢保护，为了保证获得具有好的综合性能的合金，于1350～1500℃之间，在高温区停留1～4小时，烧结后在炉端水冷。

5、检验：按产品性能标准检验。

其复合工艺说明：

即采用烧结焊（或机加工结合），将砧块（即WA₂₃₂，WA₂₀₁，WA₂₄₂）的工作部位（与镦粗工件直接接触部分）与基座联接部位的钨铜合金（采用熔浸法制备的W₇₀-Cu或W₈₀-Cu），厚度约4-8mm，二种合金接触部位要求平整，经1250～1350℃进行烧结（或加压烧结），使二种合金牢固地结合在一起，最后探伤检测复合情况，接触面达90%以上，这样既保证砧块工作面具高的红硬性及耐磨性能，同时保证了砧块与基座联结具有良好的导电性及散热性，而提高砧块的使用寿命。

采用本发明上述方法制造电热镦粗用砧块充分体现了如下的优点：

1、采用W-Ni-Fe系合金其效果优于W-Ni-Cu系合金，满足了电热镦粗用砧块材料综合性能的要求。其金相组织均匀;端面平整，无气泡;其

物理力学性能：

性能 WA₂₀₁WA₂₃₂WA₂₄₂WA₂₀₁c WA₂₃₂c

密度(g/cm²) >17.0 ～18.0 ～17.8 17.0 18.0

硬室温HB >260 280～340 260～320 >260 >280

度 800℃Hr >155 160 150 >155 >280

拉伸强度 60 60 60 50 50

σb(kg/cm²)

电阻率 - - - 4.0-5.0 4.0-5.0

(-μΩ·cm)

ú2、采用钨合金复合砧块，即WA₂₀₁c，WA₂₃₂c既具有耐高温、耐磨的特性，同时又具有与基座保持良好的接触性能，有利于简化砧块与基座的联接方式。

3、生产效率高：原Cu-W₈₀钨合金砧块工作面每班需修平2-3次，而W₂₃₂砧块工作面约镦粗2-3个班后才修平一次，同时也改善了工人的劳动条件。

4、产品质量提高：使用Cu-W₈₀合金砧块因砧面易出现变形坑，造成模锻后气门端面形成料圈或园环折叠，降低了气门质量，据某汽车配件厂提供的数据，采用Cu-W₈₀砧块，对21-4N等钢材根本无法生产，而采用W₂₃₂钨合金砧块后，其产品合格率达98%以上。

5、气门成本费用降低

与使用Cu-W₈₀合金砧块相比，其成本大大降低，根据某厂按生产100000件气门统计，仅砧块材料费用就可节约80%，若再加上产品合格率提高及劳动生产效率提高所产生的经济效益就更显著。

6、节约了稀有金属钨资源的消耗

由于WA₂₃₂钨合金砧块比Cu-W₈₀合金砧块使用寿命提高10倍以上，一块WA₂₃₂钨合金代用六块Cu-W₈₀合金砧块，可节约80%钨资源，即使用一吨W₂₃₂钨合金砧块，即可节约钨资源约4吨。

7、节约电能损耗

虽然生产Cu-W₈₀及WA₂₃₂钨合金砧块均是在高达1300℃以上的电炉中进行，但是由于WA₂₃₂砧块使用寿命长，从而大大节约了电能的消耗。

总之，由于钨合金砧块系列化产品的研制，促进了“镦模锻”工艺的发展，取得了显著的经济效益及社会效益。

实施例：

实施例1：WA₂₃₂的制造

1.配料与混料：按合金成分百分比Ni4% Fe2% Co0.4% W94%称料，倒入混料器，加入搅拌球及酒精，盖严，混料18小时，分离出球，按1%重量加入硬脂酸，干燥;

2.成型：按产品形状大小选择模具，称料，装模，压制成型，压力1～3T/cm²;

3.预烧：在氢气保护下，于800℃预烧脱脂，1-2小时;

4.烧结：装于钼丝炉中，通氢保护于1420℃～1480℃，在高温区保温1-4小时后出炉;

5.检验：按产品性能数据进行检验。

实施例2：WA₂₀₁的制造

1.配料与混料：按合金成分百分比Ni3% Fe2% Mo6.0% W90%称料，倒入混料器，加入搅拌球及酒精，盖严，混料18小时，分离出球，按1%重量加入硬脂酸，干燥。

2.成型：按产品形状大小选择模具，称料，装模，压制成型，压力1～3T/cm²，

3.预烧：在氢气保护下，于800℃预烧脱脂，1-2小时，

4.烧结：装于钼丝炉中，通氢保护于1420℃～1480℃，在高温区保温1-4小时后出炉。

5.检验：按产品性能数据进行检验。

实施例3：WA₂₄₂的制造

1.配料与混料：按合金成分百分比Ni4% Fe1.5% Cu1.5% W93%称料，倒入混料器，加入搅拌球及酒精，盖严，混料18小时，分离出球，按1%重量加入硬脂酸，干燥。

3.预烧：在氢气保护下，于800℃预烧脱脂，1-2小时，

5.检验：按产品性能数据进行检验。

实施例4：WA₂₀₁c的制造

将实施例2所述的WA₂₀₁砧块的工作部位（与镦粗工件直接接触部分）与基座联接部位的钨铜合金（采用熔浸法制备的W₇₀-Cu或W₈₀-Cu），厚度约4-8mm，二种合金接触部位平整，经1250～1350℃进行烧结（或加压烧结），使二种合金牢固地结合在一起，最后探伤检测复合情况，要求接触面达90%以上。保证砧块工作面具高的红硬性及耐磨性能，保证砧块与基座联结具有良好的导电性及散热性，从而提高砧块的使用寿命。

实施例5：WA₂₃₂c的制造

将实施例1所述的WA₂₃₂砧块的工作部位（与镦粗工件直接接触部分）与基座联接部位的钨铜合金（采用熔浸法制备的W₇₀-Cu或W₈₀-Cu），厚度约4-8mm，二种合金接触部位平整，经1250～1350℃进行烧结（或加压烧结），使二种合金牢固地结合在一起，最后探伤检测复合情况，要求接触面达90%以上。保证砧块工作面具高的红硬性及耐磨性能，保证砧块与基座联结具有良好的导电性及散热性，从而提高砧块的使用寿命。

实施例6：WA₂₄₂C的制造

将实施例3所述的WA₂₄₂砧块的工作部位（与镦粗工件直接接触部分）与基座联接部位的钨铜合金（采用熔浸法制备的W₇₀-Cu或W₈₀-Cu），厚度约4-8mm，二种合金接触部位平整，经1250～1350℃进行烧结（或加压烧结），使二种合金牢固地结合在一起，最后探伤检测复合情况，要求接触面达90%以上。保证砧块工作面具高的红硬性及耐磨性能，保证砧块与基座联结具有良好的导电性及散热性，从而提高砧块的使用寿命。

采用烧结焊（或机加结合）使工作部分钨基合金砧块与基座联结部分的铜钨合金（或导电性好的材料）牢固结合的复合整体砧块，改善了砧块的耐高温及耐磨性能，以及与基座的良好导电性能及散热性，而得到更佳的作用效果。

Claims

1、电热镦粗用砧块是用于电热镦粗工艺的关键配件，结构成份主要为钨基合金，其特征在于：采用W-Ni-Fe系列钨基合金用粉末冶金的方法制成WA₂₀₁，WA₂₃₂，WA₂₄₂，或再经复合工艺制成WA_201C，WA_232C，WA_242C多种不同成分的系列产品，其制造砧块用合金的化学成分如表1：

表1 制造砧块用合金的化学成分 牌号合金成分（％） Ni Fe Co Mo Cu W WA₂₃₂ 3-5 2-4 0.2-0.6 - - 余量 WA₂₀₁ 2-4 1-3 - 5.5-7.5 - 余量 WA₂₄₂ 4-6 1-3 - 1-3 余量 WA₂₃₂cWA₂₀₁cWA₂₄₂C 即合金工作端成分相应于牌号成分，复合块即为W80－Cu或W70－Cu，见其复合工艺说明

其制造砧块用主要粉末原料为：

钨粉：假比重：2.5g～3.40克/厘米³

平均粒度：2.5～3.5μ

镍粉：99.8%，-320目

铁粉：99.0%，-320目

铜粉：99%，-320目

钼粉：99%，-320目

钴粉：99.0%，-320目。

2、电热镦粗用砧块的制造方法是粉末冶金领域中由金属粉末制造成品，经配料.混料.成型.预烧.烧结工艺过程和复合工艺，其特征在于：球磨混料10至24小时，成型压制压力为1～4T/cm²，于800℃预烧1-2小时，烧结于1350～1500℃之间，在高温区停留1～4小时其复合工艺的烧结温度为1250～1350℃。