CN111893405B - 一种钛纤维韧化冷镦模具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛纤维韧化冷镦模具，冷镦模具内部含有Ti纤维网状骨架，组成Ti纤维网状骨架的Ti纤维上覆盖有TiC层，TiC层由亚微米级TiC颗粒堆积组成，Ti纤维网状骨架之间弥散分布有微米级WC颗粒和Fe粘结相；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，横向Ti纤维从内到外均连接有纵向Ti纤维。本发明还公开了一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，采用该方法制备的钛纤维韧化冷镦模具不含有稀有金属，制造成本低，韧性高，可使用范围广泛。

Description

一种钛纤维韧化冷镦模具及其制备方法
技术领域
本发明属于冷镦模具技术领域，涉及一种钛纤维韧化冷镦模具及其制备方法。
背景技术
冷镦模具作为冷镦机上重要的组成部分，常用于金属材料的冷镦、冷冲和镦锻等，冷镦变形过程中要承受很大的单位压力和剧烈的冲击载荷，要求冷镦模具既具有良好的冲击韧性，又具有一定的耐磨性。
硬质合金具有高硬度、高强度的特点，是冷镦模具的理想材料，应用广泛。目前，为了提高冷镦模具的韧性，普遍采用高钴(Co％≈20％)硬质合金。但是，其固有的抗弯强度低，韧性差等问题，导致使用性能下降。一方面，可以采用粗细混晶搭配的方式达到兼顾韧性和硬度的目的。例如CN104388796B公开了一种冷镦模具用硬质合金及其制备方法，该硬质合金选用高Co与细颗粒WC搭配，还添加了微量的Cr3C2，然后进行湿磨、干燥、压制成型、烧结后进行淬火和回火。用该方法制备的硬质合金，由于Cr3C2几乎完全固溶于Co相中，进一步强化了Co相，又增强了α-Co相的稳定性，在使用过程中可抑制α-Co向ε-Co的转变。又如CN109722583A针对现有技术中冷镦模具用硬质合金硬度与强度难以兼顾的缺陷，提供一种冷镦模具用硬质合金及其生产方法，采用碳化钨作为主要原料，加入少量的钴、镍、钨来调配硬质合金的性能，通过混晶提高合金的耐磨性以及抗冲击强度，从而达到提高合金使用寿命的目的。另一方面，可以通过热处理的方法，增加合金中面心立方α-Co含量，提高韧性。例如CN 103952522 A公开了一种冷镦模具用硬质合金热处理工艺，将烧结好的硬质合金冷镦模具经过两个阶段升温、保温，然后进行淬火、回火处理，增加合金中面心立方结构α-Co的含量，提高了韧性和强度。此外，CN 105132839 A公开了一种冷镦模具用硬质合金的深冷处理方法，将烧结后的冷镦模具用硬质合金进行深冷处理和回火处理，使合金中的部分面心立方钴转变成密排六方钴，提高合金的耐磨性及综合性能，同时消除合金中的拉应力。
通过现有的技术资料来看，改善冷镦模具韧性，获得韧性与耐磨性匹配的模具材料依然是主要关注热点，仍存在以下问题尚待解决：
(1)冷镦模具用硬质合金中仍然大量使用Co这种稀缺、不可再生的金属作为粘结相，而我国Co资源极其匮乏、主要依赖进口，其价格昂贵且逐年上涨，而且污染环境，具有毒性。
(2)运用非均匀结构理论采取的粗细混晶搭配方式，对合金强度和硬度的提高效果较好，但对冲击韧性的改善并不明显。
(3)热处理或深冷处理方法需真空、低温等苛刻条件，工艺复杂，且其只作用于体积分数较小的粘结相，对韧性提高幅度有限。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种钛纤维韧化冷镦模具，解决了现有冷镦模具需要使用稀有金属，造价高的问题。
本发明的另一个目的是提供一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是一种钛纤维韧化冷镦模具，冷镦模具内部含有Ti纤维网状骨架，组成Ti纤维网状骨架的Ti纤维上覆盖有TiC层，TiC层由亚微米级TiC颗粒堆积组成，Ti纤维网状骨架之间弥散分布有微米级WC颗粒和Fe粘结相；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，横向Ti纤维从内到外均连接有纵向Ti纤维。
本发明的技术特征还在于，
冷镦模具中微米级WC颗粒的体积百分比为45％～55％，亚微米级TiC颗粒的体积百分比为15％～20％，Fe粘结相的体积百分比为10％～15％，Ti纤维网状骨架的体积百分比为10％～25％，以上各组分的体积百分比之和为100％。
本发明所采用的第二技术方案是一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末70％～85％、Fe粉末5％-15％、Ti纤维10％～20％和石墨粉1％～3％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，在混炼机中加热固态混合粉料，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
步骤3，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维；
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为600-800℃，待脱脂完全后对样品进行高温烧结，将炉温升高至1100-1200℃保温一段时间，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
步骤1中，WC粉末的粒度为3μm-10μm，Fe粉末的粒度为8μm-12μm，Ti纤维的直径为200μm-1000μm。
步骤2中，混合粉料和粘结剂的质量比为96-98:2-4，粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡65％-80％，聚乙烯10％-15％和硬脂酸10％-20％。
步骤2中，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，混料过程中，球磨机转速为80-120r/min，球磨时间为2h-10h。
步骤2中，混炼机转速为30-50r/min，混炼时间为30min-120min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为130℃-150℃。
步骤3中，横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为200μm-400μm，纵向Ti纤维的直径为800μm-1000μm。
步骤4中，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为80℃-120℃，将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为120-180MPa，注射过程中，模具温度为50±5℃。
步骤5中，脱脂时间为6h-8h，对样品进行高温烧结的时间为2h-10h，真空烧结炉的升温速度为5±2℃/min。
本发明的有益效果是，利用注射成型法制备钛纤维韧化冷镦模具，使用Fe代替稀有金属Co作粘结相，不仅节约成本，而且工艺条件容易满足，可进行连续性批量化生产，生产效率高；脱脂后的坯体经高温烧制，在保证了WC颗粒高强度高耐磨等优异性能的同时，原位生成的亚微米级TiC可同时起到强韧化的作用；模具内预制的金属Ti纤维具有较高的塑性，采用等速螺旋线布置网状骨架结构，在坯体中提供高效纤维韧化作用，纤维周向原位生成亚微米级TiC颗粒，呈壳状梯度分布，其可改善纤维与基体的结合力和界面结构；考虑到冷镦模具主要受径向冲击力，钛纤维骨架纵向排列采用较大直径纤维，横向采用较小直径纤维，且由心部到外部采用由密到疏的过渡排布，节约成本的同时，可有效抵抗圆柱面承受的压应力，大幅改善了冷镦模具的冲击韧性。
附图说明
图1是本发明钛纤维韧化冷镦模具中钛纤维网状骨架的立体结构示意图；
图2是本发明钛纤维韧化冷镦模具中钛纤维网状骨架的平面结构示意图；
图3是本发明钛纤维韧化冷镦模具中钛纤维网状骨架的内部结构放大示意图。
图中，1.横向Ti纤维，2.纵向Ti纤维，3.模箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种钛纤维韧化冷镦模具，冷镦模具内部含有Ti纤维网状骨架，组成Ti纤维网状骨架的Ti纤维上覆盖有TiC层，TiC层由亚微米级TiC颗粒堆积组成，Ti纤维网状骨架之间弥散分布有微米级WC颗粒和Fe粘结相；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，横向Ti纤维从内到外均连接有纵向Ti纤维。
冷镦模具中微米级WC颗粒的体积百分比为45％～55％，亚微米级TiC颗粒的体积百分比为15％～20％，Fe粘结相的体积百分比为10％～15％，Ti纤维网状骨架的体积百分比为10％～25％，以上各组分的体积百分比之和为100％。
本发明一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末70％～85％、Fe粉末5％-15％、Ti纤维10％～20％和石墨粉1％～3％，以上各组分的质量百分比之和为100％；WC粉末的粒度为3μm-10μm，Fe粉末的粒度为8μm-12μm，Ti纤维的直径为200μm-1000μm。
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，混料过程中，球磨机转速为80-120r/min，球磨时间为2h-10h。将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，混炼机转速为30-50r/min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为130℃-150℃，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，混炼时间为30min-120min，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
混合粉料和粘结剂的质量比为96-98:2-4，所述粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡65％-80％，聚乙烯10％-15％和硬脂酸10％-20％。
步骤3，参加图1和图2，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于金属模箱3内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维1和纵向Ti纤维2连接组成，横向Ti纤维1为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维2为平直纤维，纵向Ti纤维由心部到外部采用由密到疏的过渡排布；横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为200μm-400μm，纵向Ti纤维的直径为800μm-1000μm(见图3)。
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为80℃-120℃，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为120-180MPa，注射过程中，模具温度为50±5℃，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为600-800℃，脱脂时间为6h-8h；待脱脂完全后对样品进行高温烧结，即将炉温升高至1100-1200℃保温2h-10h，真空烧结炉的升温速度为5±2℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
实施例1
制备一种WC体积分数为45％的钛纤维韧化冷镦模具，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末70.9％、Fe粉末7.9％、Ti纤维19.3％和石墨粉1.9％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，WC粉末的粒度约为8μm，Fe粉末的粒度约为10μm。
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，混料过程中，研磨球与粉末比例为2:1，球磨机转速为120r/min，球磨时间为6h。
将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，启动混炼机，使其转速为50r/min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为140℃，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，所需混炼时间为120min，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
混合粉料和粘结剂的质量比为96:4，所述粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡65％，聚乙烯15％和硬脂酸20％。
步骤3，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维，纵向Ti纤维由心部到外部采用由密到疏过渡排布；横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为300μm，纵向Ti纤维的直径为900μm。
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为90℃，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为120MPa，注射过程中，模具温度为50℃，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为600℃，脱脂时间为6h，脱脂完全后对样品进行高温烧结，即将炉温升高至1100℃保温2h，真空烧结炉的升温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
对实施例1制备的钛纤维韧化冷镦模具进行组织检测，其中，该冷镦模具中弥散分布的WC颗粒体积分数约为45％，剩余的Ti纤维体积分数约为25％，沿Ti纤维周向分布的TiC颗粒体积分数约为20％，α-Fe粘结相的体积分数约为10％，该冷镦模具的致密度约为97％。
实施例2
制备一种WC体积分数为47％的钛纤维韧化冷镦模具，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末72.2％、Fe粉末8.4％、Ti纤维17.5％和石墨粉1.9％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，WC粉末的粒度约为8μm，Fe粉末的粒度约为10μm。
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，混料过程中，研磨球与粉末比例为2:1，球磨机转速为80r/min，球磨时间为4h。
将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，启动混炼机，使其转速为40r/min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为140℃，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，所需混炼时间为100min，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
混合粉料和粘结剂的质量比为97:3，所述粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡80％，聚乙烯10％和硬脂酸10％。
步骤3，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维，纵向Ti纤维由心部到外部采用由密到疏过渡排布；横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为300μm，纵向Ti纤维的直径为900μm。
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为100℃，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为180MPa，注射过程中，模具温度为55℃，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为800℃，脱脂时间为8h，脱脂完全后对样品进行高温烧结，即将炉温升高至1150℃保温6h，真空烧结炉的升温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
对实施例2制备的钛纤维韧化冷镦模具进行组织检测，其中，该冷镦模具中弥散分布的WC颗粒体积分数约为47％，剩余的Ti纤维体积分数约为23％，沿Ti纤维周向分布的TiC颗粒体积分数约为19％，α-Fe粘结相的体积分数约为11％，该冷镦模具的致密度约为97.5％。
实施例3
制备一种WC体积分数为50％的钛纤维韧化冷镦模具，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末74.1％、Fe粉末8.9％、Ti纤维15.3％和石墨粉1.7％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，WC粉末的粒度约为8μm，Fe粉末的粒度约为10μm。
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，混料过程中，研磨球与粉末比例为2:1，球磨机转速为110r/min，球磨时间为5h。
将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，启动混炼机，使其转速为45r/min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为140℃，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，所需混炼时间为60min，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
混合粉料和粘结剂的质量比为97:3，粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡75％，聚乙烯15％和硬脂酸10％。
步骤3，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维，纵向Ti纤维由心部到外部采用由密到疏过渡排布；横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为200μm，纵向Ti纤维的直径为800μm。
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为90℃，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为150MPa，注射过程中，模具温度为45℃，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为650℃，脱脂时间为7h，脱脂完全后对样品进行高温烧结，即将炉温升高至1135℃保温4h，真空烧结炉的升温速度为4℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
对实施例3制备的钛纤维韧化冷镦模具进行组织检测，其中，该冷镦模具中弥散分布的WC颗粒体积分数为50％，剩余的Ti纤维体积分数为20％，沿Ti纤维周向分布的TiC颗粒体积分数为18％，α-Fe粘结相的体积分数为12％，该冷镦模具的致密度约为97.5％。
实施例4
制备一种WC体积分数为52％的钛纤维韧化冷镦模具，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末75.1％、Fe粉末10.1％、Ti纤维13.3％和石墨粉1.5％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，WC粉末的粒度约为8μm，Fe粉末的粒度约为10μm。
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，混料过程中，研磨球与粉末比例为2:1，球磨机转速为80r/min，球磨时间为4h。
将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，启动混炼机，使其转速为40r/min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为140℃，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，所需混炼时间为60min，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
混合粉料和粘结剂的质量比为97:3，粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡80％，聚乙烯10％和硬脂酸10％。
步骤3，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维，纵向Ti纤维由心部到外部采用由密到疏过渡排布；横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为300μm，纵向Ti纤维的直径为900μm。
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为100℃，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为180MPa，注射过程中，模具温度为55℃，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为800℃，脱脂时间为8h，脱脂完全后对样品进行高温烧结，即将炉温升高至1150℃保温6h，真空烧结炉的升温速度为6℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
对实施例4制备的钛纤维韧化冷镦模具进行组织检测，其中，该冷镦模具中弥散分布的WC颗粒体积分数为52％，剩余的Ti纤维体积分数为18％，沿Ti纤维周向分布的TiC颗粒体积分数为16％，α-Fe粘结相的体积分数为14％，该冷镦模具的致密度约为98％。
实施例5
制备一种WC体积分数为55％的钛纤维韧化冷镦模具，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，WC粉末76.9％、Fe粉末10.5％、Ti纤维11.3％和石墨粉1.3％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中，WC粉末的粒度约为5μm，Fe粉末的粒度约为12μm。
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，混料过程中，研磨球与粉末比例为2:1，球磨机转速为80r/min，球磨时间为4h。
将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，启动混炼机，使其转速为40r/min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为140℃，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，所需混炼时间为50min，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
混合粉料和粘结剂的质量比为98:2，粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡80％，聚乙烯10％和硬脂酸10％。
步骤3，参加图1，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维，纵向Ti纤维由心部到外部采用由密到疏过渡排布；横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为400μm，纵向Ti纤维的直径为1000μm。
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为100℃，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为180MPa，注射过程中，模具温度为55℃，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为800℃，脱脂时间为8h，脱脂完全后对样品进行高温烧结，即将炉温升高至1150℃保温6h，真空烧结炉的升温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
对实施例5制备的钛纤维韧化冷镦模具进行组织检测，其中，该冷镦模具中弥散分布的WC颗粒体积分数为55％，剩余的Ti纤维体积分数为15％，沿Ti纤维周向分布的TiC颗粒体积分数为15％，α-Fe粘结相的体积分数为15％，该冷镦模具的致密度约为97.5％。
对实施例1-5所制备得到的金属纤维韧化冷镦模具进行力学性能测试，测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002551829460000141
其中使用寿命的检测用于冷镦螺钉(M3×30)，材质为SWRCH22A，冲次为250-270次/min，市面上镦制这种螺钉的钨钴类硬质合金冷镦模具的使用寿命为200-400万次，经计算，实施例1制备的钛纤维韧化冷镦模具较现有市场上冷镦模具用硬质合金韧性提高27％，使用寿命提高48％。采用本发明制备的金属纤维韧化冷镦模具，在保证自身强度的同时，金属纤维提供了高效的纤维韧化作用，大幅改善了韧性，并显著提高了使用寿命。

Claims (10)

1.一种钛纤维韧化冷镦模具，其特征在于，冷镦模具内部含有Ti纤维网状骨架，组成Ti纤维网状骨架的Ti纤维上覆盖有TiC层，TiC层由亚微米级TiC颗粒堆积组成，Ti纤维网状骨架之间弥散分布有微米级WC颗粒和Fe粘结相；所述Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，横向Ti纤维从内到外均连接有纵向Ti纤维。
2.根据权利要求1所述的一种钛纤维韧化冷镦模具，其特征在于，所述冷镦模具中微米级WC颗粒的体积百分比为45％～55％，亚微米级TiC颗粒的体积百分比为15％～20％，Fe粘结相的体积百分比为10％～15％，Ti纤维网状骨架的体积百分比为10％～25％，以上各组分的体积百分比之和为100％。
3.一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别称取以下组分，WC粉末、Fe粉末、Ti纤维和石墨粉；
步骤2，将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，形成混合粉料，将混合粉料和粘结剂加入到混炼机中，在混炼机中加热固态混合粉料，待粘结剂受热熔化后浸湿粉体，并充分包裹在粉体颗粒外表面，然后停止加热，待冷却后进行造粒，形成喂料；
步骤3，将步骤1称取的Ti纤维预制成Ti纤维网状骨架，然后放置于模箱内；Ti纤维网状骨架由多个横向Ti纤维和纵向Ti纤维连接组成，横向Ti纤维为螺旋线状纤维，纵向Ti纤维为平直纤维；
步骤4，注射成型，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，然后将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，待冷却硬化后进行脱模，获得样品；
步骤5，脱脂烧结，将样品放于真空烧结炉中进行加热脱脂，脱脂温度为600-800℃，待脱脂完全后对样品进行高温烧结，将炉温升高至1100-1200℃保温一段时间，最后随炉冷却至室温，即制得钛纤维韧化冷镦模具。
4.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，WC粉末的粒度为3μm-10μm，Fe粉末的粒度为8μm-12μm，Ti纤维的直径为200μm-1000μm。
5.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，混合粉料和粘结剂的质量比为96-98:2-4，所述粘结剂按照质量百分比由以下组分组成，石蜡65％-80％，聚乙烯10％-15％和硬脂酸10％-20％。
6.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用球磨机将步骤1称取的WC粉末、Fe粉末和石墨粉混合均匀，混料过程中，球磨机转速为80-120r/min，球磨时间为2h-10h。
7.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，混炼机转速为30-50r/min，混炼时间为30min-120min，在混炼机中加热固态混合粉料，加热温度为130℃-150℃。
8.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，横向Ti纤维为等速螺旋线状纤维，横向Ti纤维相邻臂之间的距离相等，横向Ti纤维的直径为200μm-400μm，纵向Ti纤维的直径为800μm-1000μm。
9.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，将喂料加入到注射成型机的料筒中受热熔化，对料筒的加热温度为80℃-120℃，将喂料注射到放置有Ti纤维网状骨架的模具内，注射压力为120-180MPa，注射过程中，模具温度为50±5℃。
10.根据权利要求3所述的一种钛纤维韧化冷镦模具的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，脱脂时间为6h-8h，对样品进行高温烧结的时间为2h-10h，真空烧结炉的升温速度为5±2℃/min。
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