電熱鐓粗用砧塊及其製造方法

2023-06-14 04:02:16

專利名稱：：電熱鐓粗用砧塊及其製造方法
技術領域：
：本發明涉及粉末冶金領域中由金屬粉末製造成品和冶金領域中的合金，尤其是鎢基合金，即採用粉末冶金方法製造粉末冶金製品及合金材料;本發明所述的砧塊是用於電熱鐓粗工藝的關鍵配件。電熱鐓粗工藝是機械製造工業中一種少或無切屑的精密鍛造工藝。該工藝材料利用率高，生產效率高，能源消耗低。它是藉助在直接通電的情況下，使工件局部發熱，然後在鐓粗壓力持續作用下使工件變形，在這一過程中，鐓塊材料承受著大電流，高溫和鐓粗高壓的持續作用，因此，不僅要求砧塊材料具有良好的導電、散熱性能，還應具有較高的高溫強度，硬度和抗氧化性能，此外，由於電熱鐓粗過程是一個斷續的周期性作用，砧塊材料還將承受熱疲勞應力的反覆作業，特別是隨著內燃機燃氣溫度的提高，對氣門鋼材質的性能，如耐高溫性能、耐磨性能等也有更高的要求，由於氣門鋼種的發展，要求具有高性能的砧塊材料相適應，一種高性能的氣門鋼材能否鐓粗，在很大程度上也依賴於砧塊材料的選擇與合理應用。可見，砧塊材質的性能直接影響到氣門質量及電熱鐓粗工藝的發展。在電熱鐓粗工藝的初期，用3Cr2W8V工具鋼作砧塊材料，由於電流經過內部，不僅使砧塊的表面層受熱，材料內部的溫度也高達800℃以上，並長期承受鐓粗壓力的反覆作用，因此在鐓粗溫度高達1150℃時，這種材料在一般高溫(700℃左右)下所具有的那些良好性能幾乎不復存在，所以3Cr2W8V砧塊的使用壽命不高。七十年代，使用Cu-W80合金作砧塊，該合金系以鎢為基，鎢的熔點高達3410℃，在電熱鐓粗的高溫下，由於鎢起骨架作用，而具有較高的高溫硬度和抗變形能力，使用壽命得到明顯提高。但由於銅含量高(Cu-W80是一種假合金)，在鐓粗溫度下，已超過銅的熔點(1083℃)銅已軟化，甚至熔化，因此僅僅對如40Cr等硬度不太高的鋼材具有好的適應性。圖1、2、3、4展現了採用上述已有的材料製造的砧塊之工作面，在電熱鐓粗反覆作用下逐漸產生變形坑的情況及對氣門質量影響情況。圖1為變形的砧塊是在棒料反覆作用於砧塊面，使砧塊面逐漸出現變形坑，被鐓壓的砧面材料逐漸被擠壓外移;圖2為棒料的蒜頭部分產生摺疊前身，可見被鐓粗的棒料蒜頭部分相應於變形的砧塊面出現環形溝槽，當模鍛成型後，氣門大端面便產生如圖3，圖4所示的料圈和環形摺疊，由此可見採用W-Ni-Cu系合金製作的砧塊，不能滿足電熱鐓粗用砧塊的材料綜合性能的要求，降低了氣門質量，生產過程中砧塊工作面修平次數多，更換頻率高，至使生產效率低，電能消耗大。本發明的目的在於針對已有砧塊材料性能的不足，而提供一種具備如下良好材料性能的砧塊1、導電性能，即能保證在鐓粗過程中有良好的導電性，在額定功率下，使被鐓粗的工件局部發熱，而砧塊本身不要過熱。2、耐高溫的硬度(高的紅硬性)和高溫強度，在鐓粗的高溫高壓下，砧塊材料保持不易變形。3、良好的抗氧化性能和電弧燒蝕性能。4、砧塊的使用壽命長。本發明為達到上述目的，採用W-Ni-Fe系列鎢基合金用粉末冶金的方法製成WA201，WA232，WA242，或再經複合工藝製成WA201c，WA232c，WA242c多種不同成分的能滿足各種電熱鐓粗機及不同材質結構鐓粗要求的砧塊。製造砧塊用合金的化學成分，見表1表1製造砧塊用合金的化學成分<W-Ni-Fe系合金較W-Ni-Cu系合金有較高的紅硬性，這是由於在高溫下，W-Ni-Cu系合金中，作為粘結相的Ni-Cu合金有較低的熔點與軟化溫度，當試驗溫度升高後，Ni-Cu相迅速軟化，而便整個合金的硬度迅速下降，在W-Ni-Fe相圖中，Ni-Fe粘結相軟化或形成液相的溫度高得多，而Ni-Fe合金較Ni-Cu合金的硬度也較高，因此在各溫度範圍內，W-Ni-Fe系合金均顯示較高的硬度性能。隨著燒結溫度的升高，合金的比重和抗拉強度都有規律的上升。對WA242合金而言，為了獲得具有較好綜合性能的合金，較適宜的溫度範圍在1420～1470℃。對WA232合金，這一溫度範圍則應在1440～1500℃。這是因為鉬和鈷的加入，要形成Ni-Fe-Mo-Co四元素合金系在一個較高的溫度範圍內完成。由於合金元素鉬的加入，也使合金的抗拉強度稍有提高，並可在較寬的溫度範圍內保持這一性能的較高水平。製造砧塊用主要粉末原料為鎢粉假比重2.5g～3.40克/釐米3平均粒度2.5～3.5μ鎳粉99.8%，-320目鐵粉99.0%，-320目銅粉99%，-320目鉬粉99%，-320目鈷粉99.0%，-320目具體製造工藝步驟為1、配料與混料按表1所示化學成分，按重量百分比進行配料。球磨混料時按球∶料＝1∶5，加入酒精作球磨介質進行溼磨，球磨10至24小時。然後加入成型劑硬脂酸1%均勻乾燥。2、成型按產品規格大小，稱料，冷壓鋼模成型，壓制壓力為1～4T/cm2。3、預燒在氫氣保護下，於800℃預燒1-2小時。4、燒結在鉬絲爐中，通氫保護，為了保證獲得具有好的綜合性能的合金，於1350～1500℃之間，在高溫區停留1～4小時，燒結後在爐端水冷。5、檢驗按產品性能標準檢驗。其複合工藝說明即採用燒結焊(或機加工結合)，將砧塊(即WA232，WA201，WA242)的工作部位(與鐓粗工件直接接觸部分)與基座聯接部位的鎢銅合金(採用熔浸法製備的W70-Cu或W80-Cu)，厚度約4-8mm，二種合金接觸部位要求平整，經1250～1350℃進行燒結(或加壓燒結)，使二種合金牢固地結合在一起，最後探傷檢測複合情況，接觸面達90%以上，這樣既保證砧塊工作面具高的紅硬性及耐磨性能，同時保證了砧塊與基座聯結具有良好的導電性及散熱性，而提高砧塊的使用壽命。採用本發明上述方法製造電熱鐓粗用砧塊充分體現了如下的優點1、採用W-Ni-Fe系合金其效果優於W-Ni-Cu系合金，滿足了電熱鐓粗用砧塊材料綜合性能的要求。其金相組織均勻;端面平整，無氣泡;其物理力學性能性能WA201WA232WA242WA201cWA232c密度(g/cm2)17.0～18.0～17.817.018.0硬室溫HB260280～340260～320260280度800℃Hr155160150155280拉伸強度6060605050σb(kg/cm2)電阻率---4.0-5.04.0-5.0(-μΩ·cm)ú2、採用鎢合金複合砧塊，即WA201c，WA232c既具有耐高溫、耐磨的特性，同時又具有與基座保持良好的接觸性能，有利於簡化砧塊與基座的聯接方式。3、生產效率高原Cu-W80鎢合金砧塊工作面每班需修平2-3次，而W232砧塊工作面約鐓粗2-3個班後才修平一次，同時也改善了工人的勞動條件。4、產品質量提高使用Cu-W80合金砧塊因砧面易出現變形坑，造成模鍛後氣門端面形成料圈或園環摺疊，降低了氣門質量，據某汽車配件廠提供的數據，採用Cu-W80砧塊，對21-4N等鋼材根本無法生產，而採用W232鎢合金砧塊後，其產品合格率達98%以上。5、氣門成本費用降低與使用Cu-W80合金砧塊相比，其成本大大降低，根據某廠按生產100000件氣門統計，僅砧塊材料費用就可節約80%，若再加上產品合格率提高及勞動生產效率提高所產生的經濟效益就更顯著。6、節約了稀有金屬鎢資源的消耗由於WA232鎢合金砧塊比Cu-W80合金砧塊使用壽命提高10倍以上，一塊WA232鎢合金代用六塊Cu-W80合金砧塊，可節約80%鎢資源，即使用一噸W232鎢合金砧塊，即可節約鎢資源約4噸。7、節約電能損耗雖然生產Cu-W80及WA232鎢合金砧塊均是在高達1300℃以上的電爐中進行，但是由於WA232砧塊使用壽命長，從而大大節約了電能的消耗。總之，由於鎢合金砧塊系列化產品的研製，促進了「鐓模鍛」工藝的發展，取得了顯著的經濟效益及社會效益。實施例實施例1WA232的製造1.配料與混料按合金成分百分比Ni4%Fe2%Co0.4%W94%稱料，倒入混料器，加入攪拌球及酒精，蓋嚴，混料18小時，分離出球，按1%重量加入硬脂酸，乾燥;2.成型按產品形狀大小選擇模具，稱料，裝模，壓製成型，壓力1～3T/cm2;3.預燒在氫氣保護下，於800℃預燒脫脂，1-2小時;4.燒結裝於鉬絲爐中，通氫保護於1420℃～1480℃，在高溫區保溫1-4小時後出爐;5.檢驗按產品性能數據進行檢驗。實施例2WA201的製造1.配料與混料按合金成分百分比Ni3%Fe2%Mo6.0%W90%稱料，倒入混料器，加入攪拌球及酒精，蓋嚴，混料18小時，分離出球，按1%重量加入硬脂酸，乾燥。2.成型按產品形狀大小選擇模具，稱料，裝模，壓製成型，壓力1～3T/cm2，3.預燒在氫氣保護下，於800℃預燒脫脂，1-2小時，4.燒結裝於鉬絲爐中，通氫保護於1420℃～1480℃，在高溫區保溫1-4小時後出爐。5.檢驗按產品性能數據進行檢驗。實施例3WA242的製造1.配料與混料按合金成分百分比Ni4%Fe1.5%Cu1.5%W93%稱料，倒入混料器，加入攪拌球及酒精，蓋嚴，混料18小時，分離出球，按1%重量加入硬脂酸，乾燥。2.成型按產品形狀大小選擇模具，稱料，裝模，壓製成型，壓力1～3T/cm2，3.預燒在氫氣保護下，於800℃預燒脫脂，1-2小時，4.燒結裝於鉬絲爐中，通氫保護於1420℃～1480℃，在高溫區保溫1-4小時後出爐。5.檢驗按產品性能數據進行檢驗。實施例4WA201c的製造將實施例2所述的WA201砧塊的工作部位(與鐓粗工件直接接觸部分)與基座聯接部位的鎢銅合金(採用熔浸法製備的W70-Cu或W80-Cu)，厚度約4-8mm，二種合金接觸部位平整，經1250～1350℃進行燒結(或加壓燒結)，使二種合金牢固地結合在一起，最後探傷檢測複合情況，要求接觸面達90%以上。保證砧塊工作面具高的紅硬性及耐磨性能，保證砧塊與基座聯結具有良好的導電性及散熱性，從而提高砧塊的使用壽命。實施例5WA232c的製造將實施例1所述的WA232砧塊的工作部位(與鐓粗工件直接接觸部分)與基座聯接部位的鎢銅合金(採用熔浸法製備的W70-Cu或W80-Cu)，厚度約4-8mm，二種合金接觸部位平整，經1250～1350℃進行燒結(或加壓燒結)，使二種合金牢固地結合在一起，最後探傷檢測複合情況，要求接觸面達90%以上。保證砧塊工作面具高的紅硬性及耐磨性能，保證砧塊與基座聯結具有良好的導電性及散熱性，從而提高砧塊的使用壽命。實施例6WA242C的製造將實施例3所述的WA242砧塊的工作部位(與鐓粗工件直接接觸部分)與基座聯接部位的鎢銅合金(採用熔浸法製備的W70-Cu或W80-Cu)，厚度約4-8mm，二種合金接觸部位平整，經1250～1350℃進行燒結(或加壓燒結)，使二種合金牢固地結合在一起，最後探傷檢測複合情況，要求接觸面達90%以上。保證砧塊工作面具高的紅硬性及耐磨性能，保證砧塊與基座聯結具有良好的導電性及散熱性，從而提高砧塊的使用壽命。採用燒結焊(或機加結合)使工作部分鎢基合金砧塊與基座聯結部分的銅鎢合金(或導電性好的材料)牢固結合的複合整體砧塊，改善了砧塊的耐高溫及耐磨性能，以及與基座的良好導電性能及散熱性，而得到更佳的作用效果。權利要求1.電熱鐓粗用砧塊是用於電熱鐓粗工藝的關鍵配件，結構成份主要為鎢基合金，其特徵在於採用W-Ni-Fe系列鎢基合金用粉末冶金的方法製成WA201，WA232，WA242，或再經複合工藝製成WA201C，WA232C，WA242C多種不同成分的系列產品，其製造砧塊用合金的化學成分如表1表1製造砧塊用合金的化學成分<牌號合金成分(％)NiFeCoMoCuWWA2323-52-40.2-0.6--餘量WA2012-41-3-5.5-7.5-餘量WA2424-61-3-1-3餘量WA232cWA201cWA242C即合金工作端成分相應於牌號成分，複合塊即為W80－Cu或W70－Cu，見其複合工藝說明其製造砧塊用主要粉末原料為鎢粉假比重2.5g～3.40克/釐米3平均粒度2.5～3.5μ鎳粉99.8%，-320目鐵粉99.0%，-320目銅粉99%，-320目鉬粉99%，-320目鈷粉99.0%，-320目。2.電熱鐓粗用砧塊的製造方法是粉末冶金領域中由金屬粉末製造成品，經配料.混料.成型.預燒.燒結工藝過程和複合工藝，其特徵在於球磨混料10至24小時，成型壓制壓力為1～4T/cm2，於800℃預燒1-2小時，燒結於1350～1500℃之間，在高溫區停留1～4小時其複合工藝的燒結溫度為1250～1350℃。全文摘要電熱鐓粗用砧塊及其製造方法，其特徵在於採用W-Ni-Fe系列鎢基合金用粉末冶金的方法製成WA文檔編號B21J19/04GK1100148SQ9311168公開日1995年3月15日申請日期1993年9月6日優先權日1993年9月6日發明者王伏生,趙慕嶽,梁容海,周載明申請人:中南工業大學