专利名称：一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法，属于冷冲压领域。
背景技术：
目前，国内大中城市高层建筑和各种现浇钢筋混凝土结构工程愈来愈多，对施工质量的要求不断提高，因此建筑钢模板的使用愈来愈广泛，模板工程约占钢筋混凝土总造价的25%、劳动量的35%、工期的50% 60%，模板质量的好坏、施工的方便性，对于加快施工进度、保证施工质量和降低工程成本，起到了关键作用。国内外建筑模板的种类繁多，主要有无边框胶合板模板和有边框钢模板两大类， 其中有边框钢模板应用最为广泛，占模板总量的75%以上，钢模板结构型式没有统一的标准，其设计和制作主要考虑的问题是满足用户在使用过程中对强度和刚度的需要。考虑到模板的生产、运输和使用情况，无论它是什么种类，都是由一定尺寸规格的单元板组成，在使用中通过各种夹具和连接螺栓进行组合，所以，所有结构型式的钢模板边框都有夹具或螺栓连接孔。最为常用的钢模板有组合钢模板和86系列大钢模板，组合钢模板边框孔间距 150mm，一块长度1500mm、宽度300mm(即型号P3015)的组合钢模板边框总共有M个直径 13. 8mm的长圆孔，P3015钢模板的面积仅0. 45m2，一般来说，一栋高层建筑物从地下室到结构封顶总共需要3000 IOOOOm2各种规格尺寸的组合钢模板，共有72000 M0000个边框孔需要冲压出来，如果加上模板横肋、竖肋和模板配件上的孔，这个数量就更大；对于86系列大钢模板，边框孔间距300mm，一块长度3000mm、宽度2700mm的大钢模板(面积8. Im2)， 边框总共有40个直径17mm的长圆孔，一般来说，一栋高层建筑物从地下室到结构封顶总共需要1200 2000m2各种规格尺寸的大钢模板，共有6000 15000个边框孔需要冲压出来， 如果加上模板横肋、竖肋和模板配件上的孔，这个数量也很大。组合钢模板的边框一般采用实际厚度为2. 75mm的Q235钢板制作，大钢模板的边框一般采用厚度IOmm的Q235钢板或边长80mm、厚度8mm的等边角钢制作，在冲孔过程中， 模具所承受的冲击力非常，因冲压造成钢材的冷作硬化而引起模具的摩擦磨损也很剧烈， 所以，模板边框孔冲压模具必须具有高硬度、高耐磨性、高断裂韧性和高抗破损性，才能保证建筑模板企业生产的需要。目前国内模板边框冷冲压模具的材料基本上都采用模具钢制作，最典型的冷冲压模具钢材料有Crl2和Crl2MoV，对于模板横肋、竖肋和配件上的孔，由于数量相对较少，精度通常要求较低，所以也有企业采用9Mn2V、9SiCr、CrWMn, T8A、TlOA和T12A等制作，所有这些模具材料通常都在退火状态经机械加工成形，然后淬火，再回火，热处理后的最终硬度在HRC55 65范围内。当这些材料制作的冷冲压模具硬度偏高时，通常非常脆且钢材内部组织应力大，使用过程中，在冲压冲击力的反复作用下很容易破损；而当硬度偏低时，虽然韧性较好，不易破损，但磨损很快，使用寿命很低，需要经常更换冲模，对企业来说，非常影响生产的进度和连续性，并进而影响到企业的效益。为了满足模板边框孔冷冲压模具对材料硬度、耐磨性、断裂韧性和抗破损性的要求，一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料经多年的研究和反复试验，已经可以取代现有的模具钢材料，在建筑模板生产企业推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用传统模具钢材料不能满足制备建筑模板边框孔冷冲压模具对材料硬度、耐磨性、断裂韧性和抗破损性的要求，而提供一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明的一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料，该材料各组份的质量百分比如下 碳化钨WC含量为3 8 %，铁！^含量为70 85 %，铬Cr含量为3 7 %，碳化钽 TaC含量为1 5 %，钼Mo含量为2 6 %，石墨C含量0. 8 2 %，硅Si含量0. 1 0. 4 %， 锰Mn含量0. 3 0. 5%，氧化钇IO3含量为0. 05 0. 2%。其中各组份的粒径均为2 6 μ m。应用本发明的粉末冶金材料制备冷冲压模具的方法，其具体步骤如下1)原材料配置按照碳化钨含量为3 8 %，铁含量为70 85 %，铬含量为3 7 %，碳化钽含量为 1 5 %，钼含量为2 6 %，石墨含量0. 8 2 %，硅含量0. 1 0. 4 %，锰含量0. 3 0. 5 %， 氧化钇含量为0. 05 0. 2%的质量百分比配制混合料，该混合料的粒径为2 6 μ m。2)球磨混粉将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料质量比10 1配比， 装入不锈钢研磨罐，按照每公斤混合料中加入100 300毫升毫升的比例关系加入纯度为 99%的乙醇后球磨4 10小时；球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为正反转间歇时间1 3min，转速180 280r/min。3)干燥向第2)步球磨后的混合料中掺加成形剂，然后放入行星搅拌干燥箱中搅拌干燥， 首先在30 50°C下恒温干燥2小时以上，最后在110 130°C下恒温干燥2小时以上；成形剂为石蜡、顺丁橡胶、丁苯橡胶或丁钠橡胶，掺加量为每公斤混合料中加入8 20g成形剂，4)压制成形经第幻步干燥后的粉末装入制作冷冲压模具用的成形模具中，在压力机上压制成形，压制压力1500 1850kgf/cm2。5)烧结将第4)步压制后的冷冲压模坯料首先以3 8°C /min的升温速度从室温升到 300 450°C，保温80 120min ；再以5 15°C /min的恒定升温速度将温度升到700 8500C，保温20 40min ；最后以3 10°C /min的恒定升温速度将温度升到1350 1480°C， 保温30 50min后随炉冷却到室温。
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6)淬火将第5)步烧结后的冷冲压模具以10 20°C /min的恒定升温速度从室温升到 600 800°C，保温5 15min，然后再以5 15°C /min的恒定升温速度从室温升到1100 1350°C，保温10 30min，最后将坯料取出后放到油中冷却。7)回火将第6)步淬火后的冷冲压模具再以10 15°C /min的恒定升温速度从室温升到 450 650°C，保温10 30min，然后降温到170 350°C，保温5 lOmin，最后在空气中冷却到室温，得到目标产品。有益效果采用本发明的材料加工的模具由于碳化钨、碳化钽和石墨的加入，使其具有很高的硬度；由于稀土氧化物(即氧化钇)和金属钼的加入，其耐磨性能得到大大提高；由于碳化钨、铬、碳化钽、硅和锰的加入，使烧结后晶粒更细，组织更均勻、淬透性更高、回火脆性更小；相比模具钢材料加工的模具来说，其耐冲击性、断裂韧性和抗破损性能得到大大提高， 使用寿命提高3倍以上，本发明可广泛用于各种高精度、重负荷和长时间连续工作的冷冲压模具。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的内容做进一步说明实施例1 以制作粉末冶金材料55系列组合钢模板边框孔冷冲压模具的凸模和凹模1)原材料配置取各粉末的含量为平均粒度1 μ m的碳化钨70克，平均粒度为3 μ m的铁粉780 克，平均粒度为1. 5 μ m的铬粉50克，平均粒度2. 5 μ m的碳化钽含量为30克，平均粒度2 μ m 的钼粉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 的锰粉3. 5克，平均粒度1 μ m的氧化钇粉1. 5克。2)球磨混粉将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料比10 1配比，装入不锈钢研磨罐，混合料中加入280毫升纯度为99%的乙醇进行球磨8. 5小时。球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为正反转间歇时间2min，转速220r/min。3)干燥向第2、步球磨后的混合料中掺加石蜡作为成形剂，掺加量为18g/kg，掺加成形剂后，将料放入行星搅拌干燥箱中干燥，在干燥时，选择的开始温度为50°C，最终干燥温度为 120°C。4)压制成形经第幻步干燥后的粉末装入制作冲压模具用的成形模具中，在压力机上压制成形，压制压力1590kgf/cm2。5)烧结对向第4)步压制好的冲压模坯料进行烧结，在电阻炉中首先以5°C /min的升温速度从室温升到400°C，保温90min ；再以12°C /min的恒定升温速度将温度升到750°C，保温30min ；最后以5°C /min的恒定升温速度将温度升到1380°C，保温45min后随炉冷却到室温。6)淬火将第5)步烧结后的冲压模具以10°C /min的升温速度从室温升到700°C，保温 lOmin，然后再以6°C /min的升温速度从室温升到1140°C，保温15min，最后将坯料从加热炉中取出，放到油中冷却。7)回火将第6)步淬火后的冲压模具再放回炉子中以15°C /min的升温速度从室温升到 500°C，保温15min，然后降温到200°C，保温lOmin，最后从炉子里拿出模具零件，在空气中冷却到室温，得到目标产品。将实施例1制作的冷冲压模具的凸模和凹模用于加工55系列组合钢模板边框孔， 在因破损而报废前，可冲孔10万个以上，使用寿命比模具钢材料制作的冷冲压模具高3 5倍。实施例2 以制作粉末冶金材料70系列组合钢模板边框孔冷冲压模具的凸模和凹模1)原材料配置取各粉末的含量为平均粒度1 μ m的碳化钨60克，平均粒度为3 μ m的铁粉810 克，平均粒度为1. 5 μ m的铬粉50克，平均粒度2. 5 μ m的碳化钽含量为20克，平均粒度2 μ m 的钼粉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 的锰粉3克，平均粒度1 μ m的氧化钇粉2克。2)球磨混粉将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料比10 1配比，装入不锈钢研磨罐，混合料中加入300毫升纯度为99%的乙醇进行球磨7小时。球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为正反转间歇时间2min，转速220r/min。3)干燥向第2、步球磨后的混合料中掺加石蜡作为成形剂，掺加量为15g/kg，掺加成形剂后，将料放入行星搅拌干燥箱中干燥，在干燥时，选择的开始温度为45°C，最终干燥温度为 125°C。4)压制成形经第幻步干燥后的粉末装入制作冲压模具用的成形模具中，在压力机上压制成形，压制压力1710kgf/cm2。5)烧结对第4)步压制后的冲压模坯料进行烧结，在电阻炉中首先以5°C /min的升温速度从室温升到390°C，保温90min ；再以12°C /min的恒定升温速度将温度升到800°C，保温 30min ；最后以5°C /min的恒定升温速度将温度升到1380°C，保温45min后随炉冷却到室
ilm O6)淬火将第5)步烧结后的冲压模具以15°C /min的升温速度从室温升到750°C，保温 12min,然后再以8°C /min的升温速度从室温升到1200°C，保温20min，最后将坯料从加热炉中取出，放到油中冷却。7)回火将第6)步淬火后的冲压模具再放回炉子中以10°C /min的升温速度从室温升到 550°C，保温20min，然后降温到200°C，保温lOmin，最后从炉子里拿出模具零件，在空气中冷却到室温，得到目标产品。将实施例2制作的冷冲压模具的凸模和凹模用于加工70系列组合钢模板边框孔， 在磨损而报废前，可冲孔12万个以上，使用寿命比模具钢材料制作的冷冲压模具高4 6倍。实施例3 以制作粉末冶金材料86系列大钢模板边框孔冷冲压模具的凸模和凹模1)原材料配置取各粉末的含量为平均粒度1 μ m的碳化钨40克，平均粒度为3 μ m的铁粉820 克，平均粒度为1. 5 μ m的铬粉45克，平均粒度2. 5 μ m的碳化钽含量为25克，平均粒度2 μ m 的钼粉阳克，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 的锰粉3. 5克，平均粒度1 μ m的氧化钇粉1. 5克。2)球磨混粉将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料比10 1配比，装入不锈钢研磨罐，混合料中加入300毫升纯度为99%的乙醇进行球磨7. 5小时。球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为正反转间歇时间2min，转速220r/min。3)干燥向第2)步的球磨后的混合料中掺加石蜡作为成形剂，掺加量为17. 5g/kg，掺加成形剂后，将料放入行星搅拌干燥箱中干燥，在干燥时，选择的开始温度为50°C，最终干燥温度为120°C。4)压制成形经第幻步干燥后的粉末装入制作冲压模具用的成形模具中，在压力机上压制成形，压制压力1750kgf/cm2。5)烧结对第4)步压制后的冲压模坯料进行烧结，在电阻炉中首先以5°C /min的升温速度从室温升到360°C，保温90min ；再以12°C /min的恒定升温速度将温度升到820°C，保温 25min ；最后以5°C /min的恒定升温速度将温度升到1350°C，保温50min后随炉冷却到室6)淬火将第5)步烧结后的冲压模具以15°C /min的升温速度从室温升到700°C，保温 15min,然后再以8°C /min的升温速度从室温升到1150°C，保温25min，最后将坯料从加热炉中取出，放到油中冷却。7)回火将第6)步淬火后的冲压模具再放回炉子中以8°C /min的升温速度从室温升到 510°C，保温20min，然后降温到200°C，保温lOmin，最后从炉子里拿出模具零件，在空气中冷却到室温，得到目标产品。将实施例3制作的冷冲压模具的凸模和凹模用于加工86系列大钢模板边框孔，在报废前，可冲孔11万个以上，使用寿命比模具钢材料制作的冷冲压模具高3. 5 5. 5倍。
权利要求
1.一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料，其特征在于该材料各组份的质量百分比如下碳化钨WC含量为3 8 %，铁！^含量为70 85 %，铬Cr含量为3 7 %，碳化钽TaC 含量为1 5%，钼Mo含量为2 6%，石墨C含量0.8 2%，硅Si含量0. 1 0.4%，锰 Mn含量0. 3 0. 5 %，氧化钇^O3含量为0. 05 0. 2 % ；其中各组份的粒径均为2 6 μ m。
2.应用如权利要求1所述的粉末冶金材料制备冷冲压模具的方法，其特征在于具体步骤如下1)原材料配置按照碳化钨含量为3 8 %，铁含量为70 85 %，铬含量为3 7 %，碳化钽含量为1 5%，钼含量为2 6%，石墨含量0. 8 2%，硅含量0. 1 0. 4%，锰含量0. 3 0. 5%，氧化钇含量为0. 05 0. 2%的质量百分比配制混合料，该混合料的粒径为2 6 μ m。2)球磨混粉将第1)步配制好的混合料与直径5mm的钨钢磨球按照球料质量比10 1配比，装入不锈钢研磨罐，按照每公斤混合料中加入100 300毫升毫升的比例关系加入纯度为99% 的乙醇后球磨4 10小时；球磨采用行星式高能球磨机，球磨参数设置为正反转间歇时间 1 3min，转速 180 280r/min。3)干燥向第2、步球磨后的混合料中掺加成形剂，然后放入行星搅拌干燥箱中搅拌干燥，首先在30 50°C下恒温干燥2小时以上，最后在110 130°C下恒温干燥2小时以上；成形剂为石蜡、顺丁橡胶、丁苯橡胶或丁钠橡胶，掺加量为每公斤混合料中加入8 20g成形剂，4)压制成形经第幻步干燥后的粉末装入制作冷冲压模具用的成形模具中，在压力机上压制成形， 压制压力 ΙδΟΟ l850kgf/cm2。5)烧结将第4)步压制后的冷冲压模坯料首先以3 8°C /min的升温速度从室温升到300 450°C，保温80 120min ；再以5 15°C /min的恒定升温速度将温度升到700 850°C， 保温20 40min ；最后以3 10°C /min的恒定升温速度将温度升到1350 1480°C，保温 30 50min后随炉冷却到室温。6)淬火将第5)步烧结后的冷冲压模具以10 20°C /min的恒定升温速度从室温升到600 800 °C，保温5 15min，然后再以5 15°C /min的恒定升温速度从室温升到1100 1350°C，保温10 30min，最后将坯料取出后放到油中冷却。7)回火将第6)步淬火后的冷冲压模具再以10 15°C /min的恒定升温速度从室温升到450 6500C，保温10 30min，然后降温到170 350°C，保温5 lOmin，最后在空气中冷却到室温，得到目标产品。
全文摘要
本发明涉及一种用于冷冲压模具的粉末冶金材料及其模具成形方法，属于冷冲压领域。本发明的粉末冶金材料，其各组份的质量百分为碳化钨含量为3～8％，铁含量为70～85％，铬含量为3～7％，碳化钽含量为1～5％，钼含量为2～6％，石墨含量0.8～2％，硅含量0.1～0.4％，锰含量0.3～0.5％，氧化钇含量为0.05～0.2％。应用该材料制备模具的方法，按照上述比例配置原材料，然后依次经过球磨混粉、干燥、压制成形、烧结、淬火、回火得到目标产品。本发明可广泛用于各种高精度、重负荷和长时间连续工作的冷冲压模具。
文档编号B22F1/00GK102389969SQ20111039908
公开日2012年3月28日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者刘学军, 王小北, 程剑兵, 赵罘, 辛洪兵 申请人:北京工商大学