CN115505850B - 一种合金材料、冲孔模及加工处理工艺 - Google Patents

一种合金材料、冲孔模及加工处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合金材料、冲孔模及加工处理工艺。合金材料的化学成分按重量百分比计为：碳0.36～0.42％，铬5.05～5.25％，锰0.40～0.50％，硅1.05～1.15％，钼1.35～1.50％，钒0.95～1.05％，铌0.06～0.12％，稀土钇0.006～0.012％，稀土铽0.06～0.12％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质；合金材料中，稀土钇重量是铌重量的10％，稀土铽和铌的重量相等。冲孔模以所述合金材料为原料加工制成，加工处理工艺包括：将所述合金材料进行扩散退火和等温球化退火，然后加工成型制成目标结构的模具，所得模具经淬火、回火、时效处理去应力，得到冲孔模。本发明冲孔模耐热磨损，不易断裂，高热疲劳抗力，使用寿命长。

Description

一种合金材料、冲孔模及加工处理工艺
技术领域
本发明涉及轴承加工设备技术领域，具体涉及一种合金材料，一种由所述合金材料加工制备得到的冲孔模，所述冲孔模的加工处理工艺以及所述冲孔模在制作通过热变形加工的轴承套圈锻件冲孔模中的应用。
背景技术
套圈是轴承的重要部件之一，是一种精密工业产品，在生产中一般需要经过下料、加热、镦粗、成型、冲孔、切底、扩孔、整径等工序。
冲孔的工作原理是：冲头模具在压力机驱动下，将合格的坯料工件冲压成空心的环形毛坯锻件。
目前冲孔模主要使用H13、H21等热作模具钢制造，热处理工艺要求苛刻，对加热炉要求较高，容易出现模具处理不到位，导致制造的冲孔模性能不高，加之工作环境恶劣，冲孔模常承受较大的循环冲压载荷、冷热交替和摩擦磨损等因素影响，在实际服役过程中易磨损，易断裂，热疲劳抗力低，寿命短。
H13钢是热作模具钢的主要代表品种，其组成(以重量百分比计)主要包括:碳0.32～0.45％，铬4.75～5.5％，锰0.35～0.50％，硅0.80～1.20％，钼1.10～1.55％，钒0.80～1.20％，硫≤0.005％，磷≤0.03％，其余为铁及不可避免的杂质。H13钢由于具有较好的淬透性、淬硬性和良好的室温、高温性能而广泛应用于要求高韧性和冷热疲劳抗力的压铸模、热锻压模和热挤模等。
H13钢的含碳量为0.4％左右，其合金元素高，碳及合金元素易偏析，因而碳化物带状偏析是H13钢普遍存在的共性问题，由于带状组织相邻带的显微组织差异，其的存在可显著降低H13钢的冲击韧性、塑性和断裂韧性，并产生明显的各向异性，易成为疲劳裂纹源。因此，碳化物带状偏析需严格控制。此外，绝大多数热作模具的失效都是由于热裂裂纹扩展而引起的，因此提高模具材料的热裂抗力对于提高模具使用寿命尤为重要。
发明内容
针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种合金材料，使用该合金材料制备的冲孔模具有表面耐热磨损，不易断裂，高热疲劳抗力，使用寿命长的特点，并且所述冲孔模的加工处理工艺简单，对加热设备要求低。使用该合金材料制造冲孔模在轴承加工领域具有重要的应用价值。
具体技术方案如下：
一种合金材料，所述合金材料的化学成分按重量百分比计为：碳0.36～0.42％，铬5.05～5.25％，锰0.40～0.50％，硅1.05～1.15％，钼1.35～1.50％，钒0.95～1.05％，铌0.06～0.12％，稀土钇0.006～0.012％，稀土铽0.06～0.12％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质；
所述合金材料中，稀土钇重量是铌重量的10％，稀土铽和铌的重量相等。
本发明还提供了所述的合金材料在制备用于轴承套圈锻件冲孔模中的应用。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种冲孔模，以所述的合金材料为原料加工制成。
本发明还提供了所述的冲孔模的加工处理工艺，包括：将所述的合金材料进行扩散退火和等温球化退火，然后加工成型制成目标结构的模具，所得模具经淬火、回火、时效处理去应力，得到所述冲孔模。
在一优选例中，所述的加工处理工艺，所述扩散退火的具体工艺条件为：加热至1000～1250℃，保温10～13h，空冷。
在一优选例中，所述的加工处理工艺，所述等温球化退火的具体工艺条件为：加热至850～890℃，保温2～4h，炉冷降温至720～750℃，保温3～5h后，炉冷至500℃以下出炉空冷。
在一优选例中，所述的加工处理工艺，所述淬火的具体工艺条件为：预热至650～800℃，保温20～40min，加热至淬火温度1020～1080℃，保温30～60min，油冷。
在一优选例中，所述的加工处理工艺，所述回火的具体工艺条件为：温度550～640℃，保温2～4h，空冷。
在一优选例中，所述的加工处理工艺，所述时效处理的具体工艺条件为：温度100～120℃，保温5～10h。
采用本发明的合金材料和加工处理工艺，可获得耐热磨损、不易断裂、高热疲劳抗力、使用寿命长的冲孔模。
本发明还提供了所述的冲孔模在制作通过热变形加工的轴承套圈锻件冲孔模中的应用。
在一优选例中，采用本发明的合金材料制作轴承套圈锻件冲孔模，对其依据设计的工艺进行热处理，将制造的冲孔模安装于压力机上，进行轴承套圈(外径90mm)的生产，记录冲孔模的使用寿命。
本发明与现有技术相比，有益效果有：
1)本发明在原始H13钢的成分基础上，通过添加铌(以重量百分比计含铌0.06～0.12％)，有效净化了钢液，提高了钢的硬度，保证冲孔模具有高的硬度和耐磨性，同时细化了晶粒，抑制了碳化物的粗化，减少了夹杂物的数量，并使夹杂物呈球状，提高了钢的综合力学性能，特别是热疲劳抗力。
2)本发明添加了适量的稀土钇和铽，以重量百分比计，其中稀土钇0.006～0.012％，稀土铽0.06～0.12％，并且铌、稀土钇和稀土铽的质量之比为10:1:10。通过稀土元素钇将钢材内部的球状氧化物类夹杂物级别显著降低，生成形状相对规则的细小弥散的稀土夹杂物，改善不规则夹杂物的形貌，光滑的边缘有利于降低模具中的应力集中，改善冲孔模的韧性和热疲劳抗力，有效解决H13钢制造冲孔模在冲孔过程中易断裂和热疲劳抗力低的问题，当稀土元素钇含量是铌含量的10％时效果最好；通过稀土元素铽解决冲孔模在冲孔工作温度下晶粒易粗化的不足，保证冲孔模高温服役时良好的强韧性，其中当铌和稀土元素铽的重量比例是1:1时，强韧化效果最好。在提升模具服役寿命方面，铌与稀土元素钇、铽具有协同机制，当铌、稀土钇和稀土铽的质量之比为10:1:10时，模具性能最佳。
3)通过合金成分的调整和热处理工艺的优化，改善了碳化物的带状偏析，解决了常规H13钢制造冲孔模的热处理工艺要求高，处理不到位导致的易磨损、易断裂、热疲劳抗力低、使用寿命短的难题；通过特定的时效处理进一步降低冲孔模的内应力，提高冲孔模的负载能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
一种用于轴承套圈锻件冲孔模的合金材料，由以下重量百分比的物质组成：碳0.40％，铬5.20％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.10％，稀土钇0.01％，稀土铽0.1％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质。
对合金材料先进行扩散退火，加热至1100℃，保温11h，空冷。后进行等温球化退火，首先加热到875℃，保温3h，后炉冷降温到730℃，保温4h，随炉冷却到500℃以下出炉空冷。将该合金材料机加工成常规结构与尺寸的冲孔模。
对加工好的冲孔模进行淬火，先预热至700℃，保温30min，再加热至淬火温度1060℃，保温45min，油冷。冷却到室温后进行高温回火，回火温度580℃，回火时间3h，空冷。最后进行时效处理，时效温度110℃，时间8h。
将冲孔模安装于压力机上进行轴承套圈(外径90mm)的生产，连续生产33小时30分钟后断裂。
对比例1
与实施例1的区别仅在于使用商品H13钢，所述H13钢的化学成分按重量百分比计为：碳0.35％，铬4.85％，锰0.35％，硅0.85％，钼1.15％，钒0.88％，硫≤0.005％，磷≤0.03％，其余为铁及不可避免的杂质。
采用与实施例1相同工艺制造相同规格的冲孔模，进行相同条件下的生产，连续生产10小时40分钟后断裂。
实施例2
一种用于轴承套圈锻件冲孔模的合金材料，由以下重量百分比的物质组成：碳0.40％，铬5.20％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.08％，稀土钇0.008％，稀土铽0.08％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质。
对合金材料先进行扩散退火，加热至1100℃，保温11h，空冷。后进行等温球化退火，首先加热到870℃，保温3h，后炉冷降温到725℃，保温4h，随炉冷却到500℃以下出炉空冷。将该合金材料机加工成常规结构与尺寸的冲孔模。
对加工好的冲孔模进行淬火，先预热至700℃，保温30min，再加热至淬火温度1055℃，保温45min，油冷。冷却到室温后进行高温回火，回火温度575℃，回火时间3h，空冷。最后进行时效处理，时效温度110℃，时间8h。
将冲孔模安装于压力机上进行轴承套圈(外径90mm)的生产，连续生产31小时20分钟后断裂。
对比例2
与实施例2的区别仅在于使用商品H13钢，所述H13钢的化学成分与对比例1相同。
采用与实施例2相同工艺制造相同规格的冲孔模，进行相同条件下的生产，连续生产10小时20分钟后断裂。
实施例3
一种用于轴承套圈锻件冲孔模的合金材料，包括以下重量百分比的物质：碳0.38％，铬5.15％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.07％，稀土钇0.007％，稀土铽0.07％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质。
对合金材料先进行扩散退火，加热至1100℃，保温11h，空冷。后进行等温球化退火，首先加热到865℃，保温3h，后炉冷降温到720℃，保温4h，随炉冷却到500℃以下出炉空冷。将该合金材料机加工成常规结构与尺寸的冲孔模。
对加工好的冲孔模进行淬火，先预热至700℃，保温30min，再加热至淬火温度1050℃，保温45min，油冷。冷却到室温后进行高温回火，回火温度570℃，回火时间3h，空冷。最后进行时效处理，时效温度110℃，时间8h。
将冲孔模安装于压力机上进行轴承套圈(外径90mm)的生产，连续生产30小时10分钟后断裂。
对比例3
与实施例3的区别仅在于使用商品H13钢，所述H13钢的化学成分与对比例1相同。
采用与实施例3相同工艺制造相同规格的冲孔模，进行相同条件下的生产，连续生产10小时5分钟后断裂。
对比例4
采用实施例1的合金材料制造相同规格的冲孔模，与实施例1的区别仅在于加工处理工艺中没有进行时效处理，其他工艺与实施例1相同。
在与实施例1相同条件下生产，连续生产29小时10分钟后断裂。
对比例5
一种用于轴承套圈锻件冲孔模的合金材料，由以下重量百分比的物质组成：碳0.40％，铬5.20％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.10％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质。制造与实施例1相同规格的冲孔模，进行与实施例1相同的热处理工艺。
在与实施例1相同条件下生产，连续生产21小时5分钟后断裂。
对比例6
一种用于轴承套圈锻件冲孔模的合金材料，由以下重量百分比的物质组成：碳0.40％，铬5.20％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，稀土钇0.01％，稀土铽0.1％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质。制造与实施例1相同规格的冲孔模，进行与实施例1相同的热处理工艺。
在与实施例1相同条件下生产，连续生产27小时40分钟后断裂。
对比例7
采用实施例1的合金材料制造相同规格的冲孔模，与实施例1的区别仅在于加工处理工艺中没有进行扩散退火，其他工艺与实施例1相同。
在与实施例1相同条件下生产，连续生产19小时20分钟后断裂。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种冲孔模，其特征在于，以合金材料为原料加工制成；所述合金材料的化学成分按重量百分比计为：
碳0.40％，铬5.20％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.10％，稀土钇0.01％，稀土铽0.1％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质；或者，
碳0.40％，铬5.20％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.08％，稀土钇0.008％，稀土铽0.08％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质；或者，
碳0.38％，铬5.15％，锰0.45％，硅1.10％，钼1.45％，钒1.0％，铌0.07％，稀土钇0.007％，稀土铽0.07％，硫≤0.002％，磷≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质；
所述冲孔模的加工处理工艺包括：将所述的合金材料进行扩散退火和等温球化退火，然后加工成型制成目标结构的模具，所得模具经淬火、一次回火、时效处理去应力，得到所述冲孔模；
所述扩散退火的具体工艺条件为：加热至1000～1250℃，保温10～13h，空冷；
所述回火的具体工艺条件为：温度550～640℃，保温2～4h，空冷；
所述时效处理的具体工艺条件为：温度100～120℃，保温5～10h。
2.根据权利要求1所述的冲孔模的加工处理工艺，其特征在于，包括：将权利要求1所述的合金材料进行扩散退火和等温球化退火，然后加工成型制成目标结构的模具，所得模具经淬火、一次回火、时效处理去应力，得到所述冲孔模；
所述扩散退火的具体工艺条件为：加热至1000～1250℃，保温10～13h，空冷；
所述回火的具体工艺条件为：温度550～640℃，保温2～4h，空冷；
所述时效处理的具体工艺条件为：温度100～120℃，保温5～10h。
3.根据权利要求2所述的加工处理工艺，其特征在于，所述等温球化退火的具体工艺条件为：加热至850～890℃，保温2～4h，炉冷降温至720～750℃，保温3～5h后，炉冷至500℃以下出炉空冷。
4.根据权利要求2所述的加工处理工艺，其特征在于，所述淬火的具体工艺条件为：预热至650～800℃，保温20～40min，加热至淬火温度1020～1080℃，保温30～60min，油冷。
5.根据权利要求1所述的冲孔模在制作通过热变形加工的轴承套圈锻件冲孔模中的应用。
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