專利名稱：一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模具材料的制備技術(shù)，尤其涉及一種有色金屬熱擠壓用 鎳基模具材料及其熱處理制備工藝。
背景技術(shù)：
熱擠壓是強制加熱坯料通過成型凹模洞口的工藝，用于生產(chǎn)不能用冷擠 壓成型的材料的制造，在生產(chǎn)等橫截面的長而直的有色金屬產(chǎn)品如棒材、實 心和空心型材、管材、線材及帶材中廣泛應(yīng)用。熱擠壓是將待擠壓的有色金 屬加熱到工藝規(guī)定溫度，將其推入擠壓模具筒中，在強烈的三向不均勻壓縮 力的作用下，有色金屬從熱擠壓模具的模孔中被擠出，從而獲得不同規(guī)格的 熱擠壓產(chǎn)品。擠壓模具作為有色金屬熱擠壓生產(chǎn)中的關(guān)鍵構(gòu)件，它的使用壽命和質(zhì)量 將極大的影響擠壓型材的質(zhì)量、效率和成本。在整個熱擠壓過程中，熱擠壓 模具處于極其苛刻的工作環(huán)境中，這就要求擠壓模具材料具有較高的高溫硬 度、高溫強度和抗磨損性能。同時隨著生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴大，還需要考慮熱擠壓模具的成本以及可修復(fù)性。如果采用傳統(tǒng)的熱作鋼，如Hll、 H12或H13 制造，由于其使用壽命短、高溫強度和耐磨性差，導(dǎo)致熱擠壓型材表面質(zhì)量 差、尺寸精度低，同時還需經(jīng)常更換模具，生產(chǎn)效率低，增加生產(chǎn)成本。而 作為另一較為先進的陶瓷模具而言，雖然其使用壽命大大提高，但由于價格 昂貴，易開裂且無法進行修復(fù)，對于大規(guī)模生產(chǎn)存在一定困難。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實施方式提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料及其制備方 法，解決傳統(tǒng)熱作模具鋼材料高溫性能不佳，而金屬陶瓷模具材料價格偏高 且容易開裂失效的缺點，以具有高強度、高耐磨性和高韌性等特點鎳基合金 作為模具材料，大幅度提高了熱擠壓模具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明實施方式提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，所述模具材 料的總重量為100%，按重量百分比計包含石灰C 0.03 - 0. 08%、 4各Cr 15~20%、鈷Co 2 ~ 5%、鴒W 3 ~ 6%、鉬Mo 9~ 12%、鋁A1 1~2%、鈥Ti 2~4%、鐵Fe 10-15%、微量元素鎂Mg 0. 01 ~ 0. 015。/。和鋯Zr 0.02 - 0.06%,剩余部分為4臬Ni。所述模具材料總重量為100%，按重量百分比計各材料的用量為碳C 0.05%、鉻C 17.0%、鈷Co 4.0%、鴒W 4.0%、鉬Mo 10.0%、鋁A1 1.5°/。、鈥Ti 3.0°/。、鐵Fe 13.0°/。、微量元素鎂Mg 0. O國口鋯Zr 0.04%,剩余部分為鎳Ni。所述4莫具材料還包括0. 001 ~ 0. 015%的碌』。所述模具材料還包括0. 005 ~0. 015。/。磷P。所述才莫具材料還包括0. 001 ~ 0. P/。的硼B(yǎng)。所述才莫具材料還包括0. 05%的碌^。所述模具材料還包括0. 05。/。的磷P。本發(fā)明實施方式還提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料的制備方 法，該方法包4舌(1) 按上述權(quán)利要求l中所述的重量百分比取各原料；(2) 對所述各原料進行真空感應(yīng)與真空自耗冶煉后熱軋成坯料；(3) 固溶處理將熱軋后得到的坯料加熱至1060 1090。C保溫8h,采用分 散空冷或油冷至室溫，加熱過程中在900。Ci殳置保溫臺階，保溫1~1. 5h,其中，坯津牛加熱前爐溫降至700。C以下；(5) 第一火次時效處理將上述固溶處理后的坯料加熱至740 ~ 760。C保溫 16h,采用分散空冷至室溫，其中，坯^H"加熱前的爐溫降至500。C以下；(6) 第二火次時效處理將第一火次時效處理后得到坯料加熱至700 ~ 720 。C保持16h，采用分散空冷至室溫，其中，坯料加熱前爐溫降至500。C以下。所述步驟(2)中對所述各原料進行真空感應(yīng)與真空自耗冶煉后熱軋成坯料 為將各原料進行真空感應(yīng)與真空自耗冶煉后熱軋成①70mm的棒材。由上述本發(fā)明實施方式提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施方式中以 鎳為基體作為有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，在鎳基體的基礎(chǔ)上添加具有 良好高溫硬度和耐磨性能的鉬和鴒，同時添加鋁和鈦以便能能夠在熱處理過 程中析出強化相來提高高溫強度和硬度。得到的鎳基模具材料具有高溫性能 好、高強度、高耐磨性和高韌性等特點，且制造成本低，用于有色金屬的熱 擠壓模具時，大幅提高了模具的使用壽命，P爭低生產(chǎn)成本。


圖1為本發(fā)明實施例的制備方法中固溶處理步驟的工藝曲線； 圖2為本發(fā)明實施例的制備方法中第一火次時效處理步驟的工藝曲線； 圖3為本發(fā)明實施例的制備方法中第二火次時效處理步驟的工藝曲線。
具體實施方式
本發(fā)明實施方式提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料及其制備方 法，該模具材料以鎳為基體，通過添加具有良好高溫硬度和耐磨性能的鉬和 鵠，同時添加鋁和鈦以便能能夠在熱處理過程中析出強化相來提高高溫強度 和硬度，該模具材料的總重量為100%，則按重量百分比具體包括下述原料 石友C 0. 03 ~ 0. 08°/。、 4各Cr 15~20%、鈷Co 2 ~ 5%、鴒W 3~6%、鉬Mo 9 ~ 12%、鋁A1 1~2%、鈥Ti 2~4%、鐵Fe 10~15%、微量元素鎂Mg 0. 01 ~ 0. 015%和鋯 Zr 0. 02~0. 06%，剩余部分為鎳Ni,其中，鎳Ni作為整個材料的基體。為便于理解，下面將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的實施方式進行說明。實施例一本實施例提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，該鎳基模具材料以 鎳為基體，在鎳基體材料的基礎(chǔ)上添加具有良好高溫硬度和耐磨性能的鉬和 鎢，同時添加鋁和鈦可以在熱處理過程中析出強化相來提高高溫強度和硬度。所述鎳基模具材料的總重量為iooy。，則按重量百分比計該模具材料具體包含石友C 0.03 - 0. 08%、 4各Cr 15 ~ 20%、鈷Co 2 ~ 5%、鴒W 3~6%、鉬Mo 9~ 12%、鋁A1 1~2%、鈥Ti 2~4%、鐵Fe 10~15%、微量元素鎂Mg 0. 01 ~ 0. 015。/n和鋯Zr 0.02 - 0.06°/。，剩余的部分為4臬Ni，其中，4臬Ni作為基體；實 際中，還可以根據(jù)需要加入辟uS、磷P或硼B(yǎng)中的一種或多種，加入時的用量分 別為硫S 0. 001 ~ 0. 015%、磷P 0. 005 ~ 0. 015。/?；蚺養(yǎng) 0. 001 ~ 0. 1%。在上述各原料的基礎(chǔ)上加入硼B(yǎng)，可以達到硼B(yǎng)原子在晶界富集，增加晶 界結(jié)合力，硼化物在晶界以顆粒狀形式分布，能抑制晶界空洞的擴展，提高 合金的高溫持久性能；本發(fā)明實施例中鎳基模具材料成分范圍的選定主要基于以下考慮鎳由于鎳為面心立方結(jié)構(gòu)，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，而鐵、鈷室溫下分別 為體心立方和密排六方結(jié)構(gòu)，高溫下為面心立方奧氏體結(jié)構(gòu)，為此選用鎳作 為基體元素；碳該元素能與相應(yīng)金屬元素形成MC和M6C型碳化物從而強化合金高溫?zé)?強性能，碳化物乘顆粒狀分布于晶界能夠在熱加工和熱處理過程中釘扎晶 界，防止晶粒過分長大。但碳含量過高將會在晶界形成碳化物薄膜導(dǎo)致合金 熱加工性能惡化，成材率降低；鉻該元素能夠提高合金的抗高溫氧化和熱腐蝕性能，但過量添加會導(dǎo)致材料強度的降低；鈷、鴒、鉬和鐵該類元素的添加主要是這些元素與鎳在原子尺寸上相 差l ~ 13°/。，可以通過晶4各畸變達到固溶強化效果；添加4失Fel0 ~ 15%,在起到 固溶強化的同時還可降低合金成本；鋁和鈦添加這兩種元素是為了能夠在熱處理過程中析出合金的沉淀強 化相，該相通過繞過和切割粒子機制，與位錯相互作用，起到至關(guān)重要的強 化作用，保證材料在中高溫仍保持優(yōu)良的綜合性能。鈦和鋁比控制在2:1左右 是為了防止析出相在長期使用過程中向其他有害相轉(zhuǎn)變；微量元素鎂和鋯微量元素的添加是為了改善材料的成型加工性能。采用上述元素配比，可以得到三種強化方式共同作用的鎳基合金，三種 強化方式分別為碳化物強化，固溶強化和沉淀強化。這種綜合強化方式與 單一強化方式強化區(qū)別在于能夠保證材料在熱加工階段具有優(yōu)良熱加工工藝 性能，而在熱加工完成后經(jīng)過熱處理可達到期望的優(yōu)良綜合力學(xué)性能。上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料的制備方法(熱處理工藝)按下述 步驟進行(1) 將上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料采用真空感應(yīng)+真空自耗冶煉后 熱軋成坯料， 一般常熱軋成①70mm的棒材；(2) 固溶處理將熱軋得到的坯料加熱至1060 1090。C保溫8h，采用分散 空冷或油冷至室溫，加熱過程中在900。C設(shè)置保溫臺階，保溫1~1. 5h，其 中，坯津+加熱前爐溫降至700。C以下；(3) 第一火次時效處理將上述固溶處理后的坯料加熱至740 ~ 76(TC保溫 16h,采用分散空冷至室溫，其中，坯料加熱前的爐溫降至500。C以下；(4) 第二火次時效處理將第一火次時效處理后得到坯料加熱至700 ~ 720 。C保持16h,采用分散空冷至室溫，其中，坯料加熱前爐溫降至500。C以下。上述經(jīng)熱處理后得到的有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料在室溫狀態(tài)下硬度可達到HRC43。實施例二本實施例提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，可以用于制備有色金屬熱擠壓用的模具，該模具材料的總重量為100%,按重量百分比計該模具 材料包含碳C 0. 05°/。，鉻C 17. 0%,鈷Co 4. 0°/。、鵠W 4. 0%、鉬Mo 10. 0%、鋁 Al 1.5%、鈥Ti 3.0%,鐵Fe 13.0%，微量元素鎂Mg 0.013%、鋯ZrO. 04%,剩 余的部分為鎳Ni，其中鎳Ni作為該模具材料的基體。上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料制備方法(熱處理工藝)按下述步 驟進行(1) 對上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料采用真空感應(yīng)+真空自耗冶煉后 熱軋成cD70隨的棒材。(2) 固溶處理將熱軋得到的棒材加熱至1060 1090。C保溫8h,采用油冷 至室溫；其中，在將坯料裝爐前需將爐溫降至700。C以下；加熱過程中為防止 出現(xiàn)熱應(yīng)力，需在900。C設(shè)置保溫臺階，保溫l 1.5h;(3) 第1火次時效處理加熱至740 ~ 76(TC保溫16h,采用分散空冷至室 溫；其中，在坯料裝爐前需將爐溫降至500。C以下；(4) 第2火次時效處理加熱至700 ~ 720。C保持16h，采用分散空冷至室 溫；其中，在坯料裝爐前需將爐溫降至500。C以下；上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料經(jīng)熱處理后室溫硬度達到HRC4 2 。 實施例三本實施例提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，可以用于制備有色金屬熱擠壓用的模具，該模具材料的總重量為iooy。，則按重量百分比計該模具材料包含碳C 0.04%, 4各Cr 17.0%，鈷Co 4.0°/。、鎢W 4.0%、鉬Mo 10.0%、鋁A1 1.2%、鈥Ti 3%、鐵Fe 12.0%、磷P 0.008%、微量元素鎂Mg0.013%、 4告Zr 0.04%,硼B(yǎng) 0.005%,剩余的部分為4臬Ni，其中4臬Ni作為基 體。上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料熱處理工藝按下述步驟進行(1) 對上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料采用真空感應(yīng)+真空自耗冶煉后 熱軋成①70mm的一奉材；(2) 固溶處理將熱軋得到的棒材加熱至1060 ~ 1090 。C保溫8h ，采用油冷 至室溫；坯料裝爐前爐溫需降至700。C以下；加熱過程中為防止出現(xiàn)熱應(yīng)力， 需在900。C設(shè)置保溫臺階，保溫l-1.5h;(3) 第1火次時效處理加熱至740 ~ 76(TC保溫16h,采用分散空冷至室 溫；坯料裝爐前爐溫需降至500。C以下；(4) 第2火次時效處理加熱至700 - 72(TC x 16h,采用分散空冷至室溫。 坯料裝爐前爐溫需降至5 0 (TC以下；上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料經(jīng)熱處理后，在室溫硬度達到 HRC43。實施例四本實施例提供一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，可以用于制備有色 金屬熱擠壓用的模具，該模具材料的總重量為100%,按重量百分比計該模具 材料包含碳C 0.08%，鉻C 20.0%,鈷Co 5.0%、鎢W 6.0%、鉬Mo 12.0%、鋁 Al 2°/ 、鈥Ti 4. 0%，鐵Fe 15. 0%,碌uS 0. 015%,磷P 0. 015%,孩t量元素4美Mg 0.015°/。、鋯ZrO. 06%,剩余的部分為鎳Ni,其中鎳Ni作為該模具材料的基體。上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料制備方法(熱處理工藝)按下述步 驟進行(1)對上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料采用真空感應(yīng)+真空自耗冶煉后 熱專L成O 7 Omm的斗奉才才。(2) 固溶處理將熱軋得到的^奉材加熱至1060 ~ 1090。C保溫8h,采用油冷 至室溫；其中，在將坯料裝爐前需將爐溫降至700。C以下；加熱過程中為防止 出現(xiàn)熱應(yīng)力，需在900。C設(shè)置保溫臺階，保溫l 1.5h;(3) 第1火次時效處理加熱至740 ~ 76(TC保溫16h，采用分散空冷至室 溫；其中，在坯料裝爐前需將爐溫降至500。C以下；(4) 第2火次時效處理加熱至700 ~ 72(TC保持16h，采用分散空冷至室 溫；其中，在坯料裝爐前需將爐溫降至500。C以下；上述有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料經(jīng)熱處理后室溫硬度達到HRC42。 綜上所述，本發(fā)明實施例中通過以鎳為基體，同時加入碳C、鉻C、鈷 Co、鴒W、鉬Mo、鋁A1、鈥Ti、鐵Fe、硫S、磷P及微量元素鎂Mg、鋯Zr等元素 作為配合，通過熱處理工藝制備得到硬度高、耐高溫、壽命長的模具材料， 該模具材料用于制備有色金屬熱擠壓模具時，可以有效延長使用壽命，降低 生產(chǎn)成本。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施例，各實施例間的前后次序不對 本發(fā)明造成任何限制，本發(fā)明的保護范圍也并不局限于此，任何熟悉本技術(shù) 領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求 的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料，其特征在于，所述模具材料的總重量為100％，按重量百分比計包含碳C 0.03～0.08％、鉻Cr 15～20％、鈷Co 2～5％、鎢W 3～6％、鉬Mo 9～12％、鋁Al 1～2％、鈦Ti 2～4％、鐵Fe 10～15％、微量元素鎂Mg 0.01～0.015％和鋯Zr 0.02～0.06％，剩余部分為鎳Ni。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的模具材料，其特征在于，所述模具材料總重量 為100%,按重量百分比計各材料的用量為碳C 0.05°/。、鉻C 17.0%、鈷Co 4.0%、鴒W 4.0°/"鉬Mo 10.0%、鋁A1 1.5%、 4太Ti 3.0%、纟失Fe 13.0%、樣i量 元素鎂Mg 0. 013"/。和鋯Zr 0.04%，剩余部分為4臬Ni。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模具材料，其特征在于，所述模具材料還包 括0. 001 ~ 0. 015。/。的石克S。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模具材料，其特征在于，所述模具材料還包 括0. 005 ~ 0. 0醇粦P。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模具材料，其特征在于，所述模具材料還包 括0. 001 ~ 0. 1。/。的硼B(yǎng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模具材料，其特征在于，所述模具材料還包 括0. 05%的碌』。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模具材料，其特征在于，所述模具材料還包 括0. 05。/。的磷P。
8、 一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料的制備方法，其特征在于，該方 法包括(1) 按上述權(quán)利要求l中所述的重量百分比取各原料；(2) 對所述各原料進行真空感應(yīng)與真空自耗冶煉后熱軋成坯料；(3)固溶處理將熱軋后得到的坯料加熱至'1060 ~ 1090。C保溫8h,采用分 散空冷或油冷至室溫，加熱過程中在900。C設(shè)置保溫臺階，保溫l 1.5h,其 中，坯料加熱前爐溫降至700。C以下；(5) 第一火次時效處理將上述固溶處理后的坯料加熱至740 ~ 760。C保溫 16h,采用分散空冷至室溫，其中，坯津牛加熱前的爐溫降至500。C以下；(6) 第二火次時效處理將第一火次時效處理后得到坯料加熱至700 ~ 720 IM呆持16h,釆用分散空冷至室溫，其中，坯3阡加熱前爐溫降至50(rC以下。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中對所述各原 料進行真空感應(yīng)與真空自耗冶煉后熱軋成坯料為將各原料進行真空感應(yīng)與 真空自耗冶煉后熱軋成①7 O腿的棒材。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有色金屬熱擠壓用鎳基模具材料及其制備方法，所述模具材料的總重量為100％，按重量百分比計包含碳C 0.03～0.08％、鉻Cr15～20％、鈷Co 2～5％、鎢W 3～6％、鉬Mo 9～12％、鋁Al 1～2％、鈦Ti 2～4％、鐵Fe 10～15％、微量元素鎂Mg 0.01～0.015％和鋯Zr 0.02～0.06％，剩余的部分為鎳Ni。該模具材料中以鎳Ni為基體，在此基礎(chǔ)上加入較高含量的鎢W和鉬Mo，大大提高了材料的耐磨性，改善了材料的使用性能。
文檔編號B21B1/30GK101597706SQ200810114520
公開日2009年12月9日 申請日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者張先強 申請人:張先強