專利名稱：一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料及其模具成形方法
技術領域：
本發明涉及一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料及其模具成形方法，屬于冷沖壓領域。
背景技術：
目前，國內大中城市高層建筑和各種現澆鋼筋混凝土結構工程愈來愈多，對施工質量的要求不斷提高，因此建筑鋼模板的使用愈來愈廣泛，模板工程約占鋼筋混凝土總造價的25%、勞動量的35%、工期的50% 60%，模板質量的好壞、施工的方便性，對于加快施工進度、保證施工質量和降低工程成本，起到了關鍵作用。國內外建筑模板的種類繁多，主要有無邊框膠合板模板和有邊框鋼模板兩大類， 其中有邊框鋼模板應用最為廣泛，占模板總量的75%以上，鋼模板結構型式沒有統一的標準，其設計和制作主要考慮的問題是滿足用戶在使用過程中對強度和剛度的需要。考慮到模板的生產、運輸和使用情況，無論它是什么種類，都是由一定尺寸規格的單元板組成，在使用中通過各種夾具和連接螺栓進行組合，所以，所有結構型式的鋼模板邊框都有夾具或螺栓連接孔。最為常用的鋼模板有組合鋼模板和86系列大鋼模板，組合鋼模板邊框孔間距 150mm，一塊長度1500mm、寬度300mm(即型號P3015)的組合鋼模板邊框總共有M個直徑 13. 8mm的長圓孔，P3015鋼模板的面積僅0. 45m2，一般來說，一棟高層建筑物從地下室到結構封頂總共需要3000 IOOOOm2各種規格尺寸的組合鋼模板，共有72000 M0000個邊框孔需要沖壓出來，如果加上模板橫肋、豎肋和模板配件上的孔，這個數量就更大；對于86系列大鋼模板，邊框孔間距300mm，一塊長度3000mm、寬度2700mm的大鋼模板(面積8. Im2)， 邊框總共有40個直徑17mm的長圓孔，一般來說，一棟高層建筑物從地下室到結構封頂總共需要1200 2000m2各種規格尺寸的大鋼模板，共有6000 15000個邊框孔需要沖壓出來， 如果加上模板橫肋、豎肋和模板配件上的孔，這個數量也很大。組合鋼模板的邊框一般采用實際厚度為2. 75mm的Q235鋼板制作，大鋼模板的邊框一般采用厚度IOmm的Q235鋼板或邊長80mm、厚度8mm的等邊角鋼制作，在沖孔過程中， 模具所承受的沖擊力非常，因沖壓造成鋼材的冷作硬化而引起模具的摩擦磨損也很劇烈， 所以，模板邊框孔沖壓模具必須具有高硬度、高耐磨性、高斷裂韌性和高抗破損性，才能保證建筑模板企業生產的需要。目前國內模板邊框冷沖壓模具的材料基本上都采用模具鋼制作，最典型的冷沖壓模具鋼材料有Crl2和Crl2MoV，對于模板橫肋、豎肋和配件上的孔，由于數量相對較少，精度通常要求較低，所以也有企業采用9Mn2V、9SiCr、CrWMn, T8A、TlOA和T12A等制作，所有這些模具材料通常都在退火狀態經機械加工成形，然后淬火，再回火，熱處理后的最終硬度在HRC55 65范圍內。當這些材料制作的冷沖壓模具硬度偏高時，通常非常脆且鋼材內部組織應力大，使用過程中，在沖壓沖擊力的反復作用下很容易破損；而當硬度偏低時，雖然韌性較好，不易破損，但磨損很快，使用壽命很低，需要經常更換沖模，對企業來說，非常影響生產的進度和連續性，并進而影響到企業的效益。為了滿足模板邊框孔冷沖壓模具對材料硬度、耐磨性、斷裂韌性和抗破損性的要求，一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料經多年的研究和反復試驗，已經可以取代現有的模具鋼材料，在建筑模板生產企業推廣應用。
發明內容
本發明的目的是為了解決采用傳統模具鋼材料不能滿足制備建筑模板邊框孔冷沖壓模具對材料硬度、耐磨性、斷裂韌性和抗破損性的要求，而提供一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料及其模具成形方法本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料，該材料各組份的質量百分比如下 碳化鎢WC含量為3 8 %，鐵！^含量為70 85 %，鉻Cr含量為3 7 %，碳化鉭 TaC含量為1 5 %，鉬Mo含量為2 6 %，石墨C含量0. 8 2 %，硅Si含量0. 1 0. 4 %， 錳Mn含量0. 3 0. 5%，氧化釔IO3含量為0. 05 0. 2%。其中各組份的粒徑均為2 6 μ m。應用本發明的粉末冶金材料制備冷沖壓模具的方法，其具體步驟如下1)原材料配置按照碳化鎢含量為3 8 %，鐵含量為70 85 %，鉻含量為3 7 %，碳化鉭含量為 1 5 %，鉬含量為2 6 %，石墨含量0. 8 2 %，硅含量0. 1 0. 4 %，錳含量0. 3 0. 5 %， 氧化釔含量為0. 05 0. 2%的質量百分比配制混合料，該混合料的粒徑為2 6 μ m。2)球磨混粉將第1)步配制好的混合料與直徑5mm的鎢鋼磨球按照球料質量比10 1配比， 裝入不銹鋼研磨罐，按照每公斤混合料中加入100 300毫升毫升的比例關系加入純度為 99%的乙醇后球磨4 10小時；球磨采用行星式高能球磨機，球磨參數設置為正反轉間歇時間1 3min，轉速180 280r/min。3)干燥向第2)步球磨后的混合料中摻加成形劑，然后放入行星攪拌干燥箱中攪拌干燥， 首先在30 50°C下恒溫干燥2小時以上，最后在110 130°C下恒溫干燥2小時以上；成形劑為石蠟、順丁橡膠、丁苯橡膠或丁鈉橡膠，摻加量為每公斤混合料中加入8 20g成形劑，4)壓制成形經第幻步干燥后的粉末裝入制作冷沖壓模具用的成形模具中，在壓力機上壓制成形，壓制壓力1500 1850kgf/cm2。5)燒結將第4)步壓制后的冷沖壓模坯料首先以3 8°C /min的升溫速度從室溫升到 300 450°C，保溫80 120min ；再以5 15°C /min的恒定升溫速度將溫度升到700 8500C，保溫20 40min ；最后以3 10°C /min的恒定升溫速度將溫度升到1350 1480°C， 保溫30 50min后隨爐冷卻到室溫。
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6)淬火將第5)步燒結后的冷沖壓模具以10 20°C /min的恒定升溫速度從室溫升到 600 800°C，保溫5 15min，然后再以5 15°C /min的恒定升溫速度從室溫升到1100 1350°C，保溫10 30min，最后將坯料取出后放到油中冷卻。7)回火將第6)步淬火后的冷沖壓模具再以10 15°C /min的恒定升溫速度從室溫升到 450 650°C，保溫10 30min，然后降溫到170 350°C，保溫5 lOmin，最后在空氣中冷卻到室溫，得到目標產品。有益效果采用本發明的材料加工的模具由于碳化鎢、碳化鉭和石墨的加入，使其具有很高的硬度；由于稀土氧化物(即氧化釔)和金屬鉬的加入，其耐磨性能得到大大提高；由于碳化鎢、鉻、碳化鉭、硅和錳的加入，使燒結后晶粒更細，組織更均勻、淬透性更高、回火脆性更小；相比模具鋼材料加工的模具來說，其耐沖擊性、斷裂韌性和抗破損性能得到大大提高， 使用壽命提高3倍以上，本發明可廣泛用于各種高精度、重負荷和長時間連續工作的冷沖壓模具。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的內容做進一步說明實施例1 以制作粉末冶金材料55系列組合鋼模板邊框孔冷沖壓模具的凸模和凹模1)原材料配置取各粉末的含量為平均粒度1 μ m的碳化鎢70克，平均粒度為3 μ m的鐵粉780 克，平均粒度為1. 5 μ m的鉻粉50克，平均粒度2. 5 μ m的碳化鉭含量為30克，平均粒度2 μ m 的鉬粉50克，平均粒度6 μ m的石墨粉12克，平均粒度3. 5 μ m的硅粉3克，平均粒度3. 5 μ m 的錳粉3. 5克，平均粒度1 μ m的氧化釔粉1. 5克。2)球磨混粉將第1)步配制好的混合料與直徑5mm的鎢鋼磨球按照球料比10 1配比，裝入不銹鋼研磨罐，混合料中加入280毫升純度為99%的乙醇進行球磨8. 5小時。球磨采用行星式高能球磨機，球磨參數設置為正反轉間歇時間2min，轉速220r/min。3)干燥向第2、步球磨后的混合料中摻加石蠟作為成形劑，摻加量為18g/kg，摻加成形劑后，將料放入行星攪拌干燥箱中干燥，在干燥時，選擇的開始溫度為50°C，最終干燥溫度為 120°C。4)壓制成形經第幻步干燥后的粉末裝入制作沖壓模具用的成形模具中，在壓力機上壓制成形，壓制壓力1590kgf/cm2。5)燒結對向第4)步壓制好的沖壓模坯料進行燒結，在電阻爐中首先以5°C /min的升溫速度從室溫升到400°C，保溫90min ；再以12°C /min的恒定升溫速度將溫度升到750°C，保溫30min ；最后以5°C /min的恒定升溫速度將溫度升到1380°C，保溫45min后隨爐冷卻到室溫。6)淬火將第5)步燒結后的沖壓模具以10°C /min的升溫速度從室溫升到700°C，保溫 lOmin，然后再以6°C /min的升溫速度從室溫升到1140°C，保溫15min，最后將坯料從加熱爐中取出，放到油中冷卻。7)回火將第6)步淬火后的沖壓模具再放回爐子中以15°C /min的升溫速度從室溫升到 500°C，保溫15min，然后降溫到200°C，保溫lOmin，最后從爐子里拿出模具零件，在空氣中冷卻到室溫，得到目標產品。將實施例1制作的冷沖壓模具的凸模和凹模用于加工55系列組合鋼模板邊框孔， 在因破損而報廢前，可沖孔10萬個以上，使用壽命比模具鋼材料制作的冷沖壓模具高3 5倍。實施例2 以制作粉末冶金材料70系列組合鋼模板邊框孔冷沖壓模具的凸模和凹模1)原材料配置取各粉末的含量為平均粒度1 μ m的碳化鎢60克，平均粒度為3 μ m的鐵粉810 克，平均粒度為1. 5 μ m的鉻粉50克，平均粒度2. 5 μ m的碳化鉭含量為20克，平均粒度2 μ m 的鉬粉43克，平均粒度6 μ m的石墨粉10克，平均粒度3. 5 μ m的硅粉2克，平均粒度3. 5 μ m 的錳粉3克，平均粒度1 μ m的氧化釔粉2克。2)球磨混粉將第1)步配制好的混合料與直徑5mm的鎢鋼磨球按照球料比10 1配比，裝入不銹鋼研磨罐，混合料中加入300毫升純度為99%的乙醇進行球磨7小時。球磨采用行星式高能球磨機，球磨參數設置為正反轉間歇時間2min，轉速220r/min。3)干燥向第2、步球磨后的混合料中摻加石蠟作為成形劑，摻加量為15g/kg，摻加成形劑后，將料放入行星攪拌干燥箱中干燥，在干燥時，選擇的開始溫度為45°C，最終干燥溫度為 125°C。4)壓制成形經第幻步干燥后的粉末裝入制作沖壓模具用的成形模具中，在壓力機上壓制成形，壓制壓力1710kgf/cm2。5)燒結對第4)步壓制后的沖壓模坯料進行燒結，在電阻爐中首先以5°C /min的升溫速度從室溫升到390°C，保溫90min ；再以12°C /min的恒定升溫速度將溫度升到800°C，保溫 30min ；最后以5°C /min的恒定升溫速度將溫度升到1380°C，保溫45min后隨爐冷卻到室
ilm O6)淬火將第5)步燒結后的沖壓模具以15°C /min的升溫速度從室溫升到750°C，保溫 12min,然后再以8°C /min的升溫速度從室溫升到1200°C，保溫20min，最后將坯料從加熱爐中取出，放到油中冷卻。7)回火將第6)步淬火后的沖壓模具再放回爐子中以10°C /min的升溫速度從室溫升到 550°C，保溫20min，然后降溫到200°C，保溫lOmin，最后從爐子里拿出模具零件，在空氣中冷卻到室溫，得到目標產品。將實施例2制作的冷沖壓模具的凸模和凹模用于加工70系列組合鋼模板邊框孔， 在磨損而報廢前，可沖孔12萬個以上，使用壽命比模具鋼材料制作的冷沖壓模具高4 6倍。實施例3 以制作粉末冶金材料86系列大鋼模板邊框孔冷沖壓模具的凸模和凹模1)原材料配置取各粉末的含量為平均粒度1 μ m的碳化鎢40克，平均粒度為3 μ m的鐵粉820 克，平均粒度為1. 5 μ m的鉻粉45克，平均粒度2. 5 μ m的碳化鉭含量為25克，平均粒度2 μ m 的鉬粉陽克，平均粒度6 μ m的石墨粉8克，平均粒度3. 5 μ m的硅粉2克，平均粒度3. 5 μ m 的錳粉3. 5克，平均粒度1 μ m的氧化釔粉1. 5克。2)球磨混粉將第1)步配制好的混合料與直徑5mm的鎢鋼磨球按照球料比10 1配比，裝入不銹鋼研磨罐，混合料中加入300毫升純度為99%的乙醇進行球磨7. 5小時。球磨采用行星式高能球磨機，球磨參數設置為正反轉間歇時間2min，轉速220r/min。3)干燥向第2)步的球磨后的混合料中摻加石蠟作為成形劑，摻加量為17. 5g/kg，摻加成形劑后，將料放入行星攪拌干燥箱中干燥，在干燥時，選擇的開始溫度為50°C，最終干燥溫度為120°C。4)壓制成形經第幻步干燥后的粉末裝入制作沖壓模具用的成形模具中，在壓力機上壓制成形，壓制壓力1750kgf/cm2。5)燒結對第4)步壓制后的沖壓模坯料進行燒結，在電阻爐中首先以5°C /min的升溫速度從室溫升到360°C，保溫90min ；再以12°C /min的恒定升溫速度將溫度升到820°C，保溫 25min ；最后以5°C /min的恒定升溫速度將溫度升到1350°C，保溫50min后隨爐冷卻到室6)淬火將第5)步燒結后的沖壓模具以15°C /min的升溫速度從室溫升到700°C，保溫 15min,然后再以8°C /min的升溫速度從室溫升到1150°C，保溫25min，最后將坯料從加熱爐中取出，放到油中冷卻。7)回火將第6)步淬火后的沖壓模具再放回爐子中以8°C /min的升溫速度從室溫升到 510°C，保溫20min，然后降溫到200°C，保溫lOmin，最后從爐子里拿出模具零件，在空氣中冷卻到室溫，得到目標產品。將實施例3制作的冷沖壓模具的凸模和凹模用于加工86系列大鋼模板邊框孔，在報廢前，可沖孔11萬個以上，使用壽命比模具鋼材料制作的冷沖壓模具高3. 5 5. 5倍。
權利要求
1.一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料，其特征在于該材料各組份的質量百分比如下碳化鎢WC含量為3 8 %，鐵！^含量為70 85 %，鉻Cr含量為3 7 %，碳化鉭TaC 含量為1 5%，鉬Mo含量為2 6%，石墨C含量0.8 2%，硅Si含量0. 1 0.4%，錳 Mn含量0. 3 0. 5 %，氧化釔^O3含量為0. 05 0. 2 % ；其中各組份的粒徑均為2 6 μ m。
2.應用如權利要求1所述的粉末冶金材料制備冷沖壓模具的方法，其特征在于具體步驟如下1)原材料配置按照碳化鎢含量為3 8 %，鐵含量為70 85 %，鉻含量為3 7 %，碳化鉭含量為1 5%，鉬含量為2 6%，石墨含量0. 8 2%，硅含量0. 1 0. 4%，錳含量0. 3 0. 5%，氧化釔含量為0. 05 0. 2%的質量百分比配制混合料，該混合料的粒徑為2 6 μ m。2)球磨混粉將第1)步配制好的混合料與直徑5mm的鎢鋼磨球按照球料質量比10 1配比，裝入不銹鋼研磨罐，按照每公斤混合料中加入100 300毫升毫升的比例關系加入純度為99% 的乙醇后球磨4 10小時；球磨采用行星式高能球磨機，球磨參數設置為正反轉間歇時間 1 3min，轉速 180 280r/min。3)干燥向第2、步球磨后的混合料中摻加成形劑，然后放入行星攪拌干燥箱中攪拌干燥，首先在30 50°C下恒溫干燥2小時以上，最后在110 130°C下恒溫干燥2小時以上；成形劑為石蠟、順丁橡膠、丁苯橡膠或丁鈉橡膠，摻加量為每公斤混合料中加入8 20g成形劑，4)壓制成形經第幻步干燥后的粉末裝入制作冷沖壓模具用的成形模具中，在壓力機上壓制成形， 壓制壓力 ΙδΟΟ l850kgf/cm2。5)燒結將第4)步壓制后的冷沖壓模坯料首先以3 8°C /min的升溫速度從室溫升到300 450°C，保溫80 120min ；再以5 15°C /min的恒定升溫速度將溫度升到700 850°C， 保溫20 40min ；最后以3 10°C /min的恒定升溫速度將溫度升到1350 1480°C，保溫 30 50min后隨爐冷卻到室溫。6)淬火將第5)步燒結后的冷沖壓模具以10 20°C /min的恒定升溫速度從室溫升到600 800 °C，保溫5 15min，然后再以5 15°C /min的恒定升溫速度從室溫升到1100 1350°C，保溫10 30min，最后將坯料取出后放到油中冷卻。7)回火將第6)步淬火后的冷沖壓模具再以10 15°C /min的恒定升溫速度從室溫升到450 6500C，保溫10 30min，然后降溫到170 350°C，保溫5 lOmin，最后在空氣中冷卻到室溫，得到目標產品。
全文摘要
本發明涉及一種用于冷沖壓模具的粉末冶金材料及其模具成形方法，屬于冷沖壓領域。本發明的粉末冶金材料，其各組份的質量百分為碳化鎢含量為3～8％，鐵含量為70～85％，鉻含量為3～7％，碳化鉭含量為1～5％，鉬含量為2～6％，石墨含量0.8～2％，硅含量0.1～0.4％，錳含量0.3～0.5％，氧化釔含量為0.05～0.2％。應用該材料制備模具的方法，按照上述比例配置原材料，然后依次經過球磨混粉、干燥、壓制成形、燒結、淬火、回火得到目標產品。本發明可廣泛用于各種高精度、重負荷和長時間連續工作的冷沖壓模具。
文檔編號B22F1/00GK102389969SQ20111039908
公開日2012年3月28日 申請日期2011年12月5日 優先權日2011年12月5日
發明者劉學軍, 王小北, 程劍兵, 趙罘, 辛洪兵 申請人:北京工商大學