一种组合式连续挤压模腔堵头材料及其制备方法与流程

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种组合式连续挤压模腔堵头材料及其制备方法。

背景技术：

连续挤压属于一种流程短、效率高、灵活多变的金属材料加工技术，为特殊型材产品提供了一种非常好的生产手段。以铜、铝、镁等有色金属及合金、有色金属与有色金属复合材、有色金属与黑色金属复合材等为代表，包括线材、管材、板材等多种形式的产品均可由连续挤压产线生产，产品广泛应用于制冷业、电视传输、通信传输线缆以及电气化铁路等领域（宋宝韫, 樊志新，连续挤压技术在我国的发展及应用，中国铜加工技术与应用论坛，2007）。

连续挤压生产本质上是坯料在旋转的挤压轮带动下通过挤压轮侧面的模腔进入挤压腔的过程，在轮槽摩擦力的作用下，坯料温度与压力升高到一定值后，从模腔的模孔中挤出，形成型材产品。这一特点决定了模腔成为最易损的生产部件，尤其是直接受到高温金属冲击的堵头最易发生变形或开裂。传统连续挤压模腔为一个完整的零件，由密封面、堵头、进料口、坯料流动通道等部分组成，一旦堵头发生失效，则整个模腔将终止服役，因此如何提高模腔服役寿命，对连续挤压生产的成本控制与生产率提高而言，是一个技术难题。

中国专利CN1943893公开了一种组合式连续挤压机的腔体（即模腔）设计，将挡料块（即堵头）作为独立零件镶嵌装在模腔上，使得堵头材料可以选用不同于腔体且可承受较大负荷的材料，但是使用何种材料作为堵头材料并无提及。文献指出（宋宝韫，樊志新，陈莉；连续挤压技术在我国的发展及应用，铜加工，2010年第2期），开发工模具新材料是连续挤压技术的重要发展方向之一，而针对组合式模腔开发高性能堵头材料，势必会提高模腔的使用寿命，对连续挤压生产提高效率、降低成本起到积极作用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种组合式连续挤压模腔堵头材料及其制备方法，以该方法制备的合金板材具有较高的硬度，并且在室温与高温（750℃）下具有较好的强度，应用于一种组合式连续挤压模腔堵头的制造具有优势。

本发明的技术方案为：一种组合式连续挤压模腔堵头材料，一种组合式连续挤压模腔堵头材料的化学成分质量百分含量为：C：0.02～0.045%，Si≤0.3%，Mn≤0.3%，P≤0.01%，S≤0.001%，Cr：18～20%，Mo：2～4%，Al：0.5%～1.0%，Ti：1.0～1.5%，Nb：4～6%，Fe：18～20%，Co≤0.2%，B：0.003～0.01%，RE≤0.1%，其余为镍和不可避免的杂质；所述RE指稀土元素铈Ce、镧La和钇Y，且保证Ce+La+Y≤0.1%。

本发明所述成品合金板材组织均匀，硬度值为HRC45～HRC50；室温下抗拉强度为1266～1300MPa，屈服强度为1085～1090MPa；750℃下的抗拉强度为870～890MPa，屈服强度为730～750MPa。

本发明的另一目的在于提供一种上述组合式连续挤压模腔堵头材料的制备方法，所述制备方法包含以下步骤：

1）精炼得到合金板坯；将合金板坯在加热炉中加热至1160～1180℃进行30～40小时的均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到均匀化的合金板坯；

2）将均匀化的合金板坯转移至另一已升温至1000～1050℃的加热炉中，待炉温稳定后保温1～2小时，得到均热态的合金板坯；

3）取出均热态合金板坯，在空气中待温至900～1000℃，然后送入双辊可逆式热轧机进行5～7个道次的往复轧制，总压下率控制在50～70%，终轧温度控制在800～850℃，最后在20～25℃的清水中冷却至室温，得到合金热轧板；

4）将合金热轧板置于一升温至700～750℃的加热炉内保温8～10小时，然后以0.5～1℃/min的冷却速度冷却至600～650℃，再次保温8～10小时，之后置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

本发明所述步骤1）中加热炉均匀化处理加热升温过程中先以1.6～2.5℃/min的速度升温至600℃，保温30min，再以5℃/min的升温速度升温至1160～1180℃，保温30～40小时。

本发明所述步骤3）中待温过程在双辊可逆式热轧机的辊道上进行，并通过便携式测温枪测得实时温度；终轧温度亦通过便携式测温枪测得。

本发明所述步骤4）中加热炉预先设置到700～750℃，到温后直接将合金热轧板放入加热炉内，均温15～20min后开始计时8～10小时的保温时间；之后通过程序控制加热炉功率，以0.5～1℃/min的冷却速度冷却至600～650℃，再次保温8～10小时，最后将板材从加热炉取出，置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

本发明所述步骤1）、2）、4）中的加热炉为硅碳棒式加热炉。

本发明所述步骤1）、2）、4）中的加热炉为硅碳棒式可程序控制升降温速率与保温时间的加热炉。

本发明所述步骤1）中合金板坯制备方法为：在真空感应炉中将合金料熔炼并浇铸在铸铁模中，然后用氩气保护电渣重熔炉将铸锭进行二次精炼，并于水冷铜模中凝固得到合金板坯。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明得到的成品合金板材组织均匀，硬度值为HRC45～HRC50；室温下抗拉强度为1266～1300MPa，屈服强度为1085～1090MPa；750℃下的抗拉强度为870～890MPa，屈服强度为730～750MPa。本发明通过合理的成分设计、控温轧制以及轧后时效热处理，获取具有较高强度与硬度的合金材料，作为一种组合式连续挤压模腔堵头材料，满足连续挤压生产的工况要求。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的合金成品板材的金相组织图；

图2为本发明实施例2制备的合金成品板材的金相组织图；

图3为本发明实施例3制备的合金成品板材的金相组织图；

图4为本发明实施例4制备的合金成品板材的金相组织图；

图5为本发明实施例5制备的合金成品板材的金相组织图；

图6为本发明实施例制备的成品板材的硬度水平柱状图；

图7为本发明实施例制备的成品板材在室温和750℃环境下的抗拉强度柱状图；

图8为本发明实施例制备的成品板材在室温和750℃环境下的屈服强度柱状图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

各次实施例的板坯成分如表1所示。实施例1-5的所有操作均在相同设备完成。

表1实施例1-5化学成分（wt%）

其余为不可避免的杂质。

实施例1

一种组合式连续挤压模腔堵头材料的化学组成见表1，其制备方法如下：

1）在真空感应炉中将合金料熔炼并浇铸在铸铁模中，然后用氩气保护电渣重熔炉将铸锭进行二次精炼，并与水冷铜模中凝固得到合金板坯；将规格为长150mm、宽120mm、厚120mm的合金板坯置于硅碳棒式加热炉中以2.5℃/min的加热速率加热至600℃保温30min，再以5℃/min的升温速率加热至1160℃保温，进行40小时的均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到均匀化的合金板坯；

2）将均匀化的合金板坯转移至另一已升温至1050℃的硅碳棒式可程序控制加热炉中，待炉温稳定后保温2小时，得到均热态的合金板坯；

3）取出均热态合金板坯，在空气中待温至900℃，然后送入双辊可逆式热轧机进行7个道次的往复轧制，道次压下率依次为4.17%、8.7%、9.52%、10.52%、11.76%、13.33%、7.7%，总压下率50%，终轧温度控制在850℃，最后在25℃的清水中冷却至室温，得到合金热轧板；

4）风干表面后，将合金热轧板置于一升温至750℃的硅碳棒式可程序控制加热炉内，均温15min后计时保温8小时，然后以0.8℃/min的冷却速度冷却至650℃，再次保温8小时，之后置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

实施例1制备的合金板材金相组织照片见图1，硬度水平见图6，室温抗拉强度与750℃抗拉强度见图7，室温屈服强度与750℃屈服强度见图8。本实施例制备的合金材料硬度为HRC48.38，室温下抗拉强度为1300MPa，屈服强度为1090MPa；750℃抗拉强度为890MPa，屈服强度为750MPa。使用实施例1制备的堵头在某铜合金线材连续挤压厂服役至失效，生产铜合金线材约350吨。

实施例2

一种组合式连续挤压模腔堵头材料的化学组成见表1，其制备方法如下：

1）在真空感应炉中将合金料熔炼并浇铸在铸铁模中，然后用氩气保护电渣重熔炉将铸锭进行二次精炼，并与水冷铜模中凝固得到合金板坯；将规格为长150mm、宽120mm、厚120mm的合金板坯置于硅碳棒式加热炉中以2℃/min的加热速率加热至600℃保温30min，再以5℃/min的升温速率加热至1180℃保温，进行40小时的均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到均匀化的合金板坯；

2）将均匀化的合金板坯转移至另一已升温至1020℃的硅碳棒式可程序控制加热炉中，待炉温稳定后保温2小时，得到均热态的合金板坯；

3）取出均热态合金板坯，在空气中待温至950℃，然后送入550双辊可逆式热轧机进行7个道次的往复轧制，道次压下率依次为4.17%、8.7%、9.52%、10.52%、11.76%、13.33%、7.7%，总压下率50%，终轧温度控制在830℃，最后在25℃的清水中冷却至室温，得到合金热轧板；

4）风干表面后，将合金热轧板置于一升温至720℃的硅碳棒式可程序控制加热炉内，均温20min后计时保温8小时，然后以0.85℃/min的冷却速度冷却至650℃，再次保温8小时，之后置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

实施例2制备的合金板材金相组织照片见图2，硬度水平见图6，室温抗拉强度与750℃抗拉强度见图7，室温屈服强度与750℃屈服强度见图8。本实施例制备的合金材料硬度为HRC46，室温抗拉强度为1280MPa，屈服强度为1088MPa；750℃抗拉强度为870MPa，屈服强度为740MPa。使用实施例2制备的堵头在某铜合金线材连续挤压厂服役至失效，生产铜合金线材约330吨。

实施例3

一种组合式连续挤压模腔堵头材料的化学组成见表1，其制备方法如下：

1）在真空感应炉中将合金料熔炼并浇铸在铸铁模中，然后用氩气保护电渣重熔炉将铸锭进行二次精炼，并与水冷铜模中凝固得到合金板坯；将规格为长150mm、宽120mm、厚120mm的合金板坯置于硅碳棒式加热炉中以2.5℃/min的加热速率加热至600℃保温30min，再以5℃/min的升温速率加热至1160℃保温，进行40小时的均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到均匀化的合金板坯；

2）将均匀化的合金板坯转移至另一已升温至1050℃的硅碳棒式可程序控制加热炉中，待炉温稳定后保温2小时，得到均热态的合金板坯；

3）取出均热态合金板坯，在空气中待温至1000℃，然后送入550双辊可逆式热轧机进行7个道次的往复轧制，道次压下率依次为4.16%、8.69%、9.5%、10.52%、11.76%、13.33%、7.7%，总压下率50%，终轧温度控制在800℃，最后在25℃的清水中冷却至室温，得到合金热轧板；

4）风干表面后，将合金热轧板置于一升温至720℃的硅碳棒式可程序控制加热炉内，均温18min后计时保温8小时，然后以0.8℃/min的冷却速度冷却至650℃，再次保温8小时，之后置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

实施例3制备的合金板材金相组织照片见图3，硬度值水平见图6，室温抗拉强度与750℃抗拉强度见图7，室温屈服强度与750℃屈服强度见图8。本实施例制备的合金材料硬度为HRC45.98，室温抗拉强度为1266MPa，屈服强度为1085MPa；750℃抗拉强度为873MPa，屈服强度为730MPa。使用实施例3制备的堵头在某铜合金线材连续挤压厂服役至失效，生产铜合金线材约320吨。

实施例4

一种组合式连续挤压模腔堵头材料的化学组成见表1，其制备方法如下：

1）在真空感应炉中将合金料熔炼并浇铸在铸铁模中，然后用氩气保护电渣重熔炉将铸锭进行二次精炼，并与水冷铜模中凝固得到合金板坯；将规格为长150mm、宽120mm、厚120mm的合金板坯置于硅碳棒式加热炉中以1.6℃/min的加热速率加热至600℃保温30min，再以5℃/min的升温速率加热至1170℃保温，进行30小时的均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到均匀化的合金板坯；

2）将均匀化的合金板坯转移至另一已升温至1000℃的硅碳棒式可程序控制加热炉中，待炉温稳定后保温1.5小时，得到均热态的合金板坯；

3）取出均热态合金板坯，在空气中待温至1000℃，然后送入550双辊可逆式热轧机进行5个道次的往复轧制，道次压下率依次为16.66%、25%、26.66%、27.27%、10%，总压下率70%，终轧温度控制在820℃，最后在23℃的清水中冷却至室温，得到合金热轧板；

4）风干表面后，将合金热轧板置于一升温至730℃的硅碳棒式可程序控制加热炉内，均温20min后计时保温10小时，然后以0.5℃/min的冷却速度冷却至600℃，再次保温9小时，之后置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

实施例4制备的合金板材金相组织照片见图4，硬度值水平见图6，室温抗拉强度与750℃抗拉强度见图7，室温屈服强度与750℃屈服强度见图8。本实施例制备的合金材料硬度为HRC45.42，室温抗拉强度为1272MPa，屈服强度为1090MPa；750℃抗拉强度为885MPa，屈服强度为742MPa。使用实施例4制备的堵头在某铜合金线材连续挤压厂服役至失效，生产铜合金线材约325吨。

实施例5

一种组合式连续挤压模腔堵头材料的化学组成见表1，其制备方法如下：

1）在真空感应炉中将合金料熔炼并浇铸在铸铁模中，然后用氩气保护电渣重熔炉将铸锭进行二次精炼，并与水冷铜模中凝固得到合金板坯；将规格为长150mm、宽120mm、厚120mm的合金板坯置于硅碳棒式加热炉中以2.2℃/min的加热速率加热至600℃保温30min，再以5℃/min的升温速率加热至1165℃保温，进行38小时的均匀化处理，然后随炉冷却至室温，得到均匀化的合金板坯；

2）将均匀化的合金板坯转移至另一已升温至1025℃的硅碳棒式可程序控制加热炉中，待炉温稳定后保温1小时，得到均热态的合金板坯；

3）取出均热态合金板坯，在空气中待温至1000℃，然后送入550双辊可逆式热轧机进行6个道次的往复轧制，道次压下率依次为12.5%、14.28%、20%、16.66%、8.3%、9%、4%，总压下率60%，终轧温度控制在825℃，最后在20℃的清水中冷却至室温，得到合金热轧板；

4）风干表面后，将合金热轧板置于一升温至700℃的硅碳棒式可程序控制加热炉内，均温15min后计时保温9小时，然后以1℃/min的冷却速度冷却至650℃，再次保温10小时，之后置于空气中自然冷却至室温，得到合金成品板材。

实施例5制备的合金板材金相组织照片见图5，硬度值水平见图6，室温抗拉强度与750℃抗拉强度见图7，室温屈服强度与750℃屈服强度见图8。本实施例制备的合金材料硬度为HRC45.27，室温抗拉强度为1310MPa，屈服强度为1089MPa；750℃抗拉强度为890MPa，屈服强度为748MPa。使用实施例5制备的堵头在某铜合金线材连续挤压厂服役至失效，生产铜合金线材约350吨。