CN117127039B - 一种金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子行业用高纯净镍带加工制备技术领域，公开了一种金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法。该发明方法将钴基合金采用真空感应熔炼后，利用高纯氮气作为雾化沉积介质进行双扫描雾化沉积，双扫描雾化沉积完成后，升高钴基合金沉积坯到雾化喷嘴处，采用加热的氮气经过导流管的喷嘴吹向钴基合金柱状沉积坯顶部中心部位，同时，采用10～15mm/min的速度缓慢下降沉积坯，当坯体表面温度低于800℃时，停止吹气，坯体随炉冷却，得到的沉积坯加热后锻造、机加工得到钴基合金模具。本发明方法助于提高纯镍带材冲裁模具的耐磨性和使用寿命，提高产品质量，满足电子、能源电池等领域的需求。

Description

一种金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法

技术领域

本发明属于电子行业用高纯净镍带加工制备技术领域，涉及一种用纯镍带材冲裁加工用模具材料制备技术，具体涉及一种双扫描雾化沉积制备钴基合金耐磨高强模具的工艺。

背景技术

金属镍带材和箔材具有良好的导电性以及抗氧化、耐腐蚀性能，广泛应用于电子、石化等领域。近年来，纯金属镍制备的带材的应用领域不断扩大，需求量也不断提高。然而为了满足最终需求，金属镍带材或箔材需要通过精密模具冲裁成合适的尺寸规格，因此对冲裁用模具材料要求很高，要求强度高、耐磨性好，并且寿命长，但是国内普通的工模具钢无法满足长寿命的要求，采用磨具钢制备的模具使用一段时间后，镍带产品的冲裁精度显著下降。因此，需要研制一种耐高温、耐磨损的高性能模具材料。

与镍基高温合金不同，钴基高温合金不采用与基体牢固结合的有序沉淀相强化，而是由奥氏体基体中分布的碳化物强化。虽然钴基高温合金缺少共格的强化相，并且中温强度稍低，但是在高于980℃时，具有较高的高温强度，以及良好的抗热疲劳和耐磨性能，钴基高温合金中的碳化物主要是MC、M₂₃C₆和M₆C。在钴基高温合金中，细小的M₂₃C₆碳化物能与基体形成共晶体。MC碳化物颗粒过大，不能对位错直接产生显着影响，因而对合金的强化效果不明显，而细小弥散的碳化物则有良好的强化作用。位于晶界上的碳化物(主要是M₂₃C₆)能阻止晶界滑移，从而改善持久强度。此外，钴基高温合金中碳化物的热稳定性较好。温度上升时﹐碳化物集聚长大速度比镍基合金中的γ相长大速度慢，重新回溶于基体的温度也较高(可达1100℃)，因此在温度上升时﹐钴基合金强度下降较缓慢。但是，钴基高温合金材料通常铸造工艺生产，导致材料内部偏析严重、碳化物尺寸较大并且存在偏聚问题，影响其耐磨性能。

发明内容

针对电子领域用纯镍带材冲裁用模具耐磨性差、使用寿命短等问题，本发明提出了一种双扫描雾化沉积制备钴基高温合金耐磨高强模具的工艺，有助于提高纯镍带材冲裁模具的使用寿命，提高产品质量，满足电子、能源电池等领域的需求。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配料：取钴基耐磨合金冲裁模具的成分，按照重量百分比为C：1.4～1.55；Cr：

28～32；W：4.0～5.5；Mo：1.0～2.5；Si：1.0～1.5；Mn：1.0～1.5；Co：余量配料；

(2)状炉：把配料完成的所有原材料放入双喷嘴雾化沉积设备的熔炼坩埚内；

(3)真空感应熔炼：把双喷嘴雾化沉积设备抽真空至设备真空度≤0.1Pa；送电真空感应熔炼钴基耐磨合金，合金熔炼完毕，温度范围为1450℃～1500℃，再保温10min～15min，然后把得到的钴基耐磨合金熔体缓慢倒入加热的中间包内，中间包下部为两个雾化喷嘴；

(4)双扫描雾化沉积：采用高纯氮气作为雾化沉积介质，气体压力范围为35MPa～60MPa，钴基耐磨合金熔体经过熔炼室内的中间包陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到两个雾化喷嘴处，被高压高纯氮气雾化沉积，钴基耐磨合金熔体雾化沉积到沉积室内转动的沉积器上；

(5)沉积坯缓慢冷却：双扫描雾化沉积完成后得到钴基合金沉积坯，升高沉积坯到雾化喷嘴处，在熔炼室内充入高纯氮气，氮气压力2bar～5bar，同时保持沉积坯在沉积器上高速旋转与直径不变，氮气经过导流管的喷嘴吹向柱状的钴基合金沉积坯顶部中心部位，同时，采用10～15mm/min的速度缓慢下降沉积坯，当坯体表面温度低于800℃时，停止吹气，坯体随炉冷却；

(6)沉积坯加热：取出钴基合金沉积坯，加热温度到1180℃～1200℃，保温2h～3h；

(7)锻造、机加工：取出加热完成的沉积坯，锻造成适合模具尺寸的合金锻块，再机加工成冲裁模具。

优选地，所述的步骤(5)中，采用10mm/min的速度缓慢下降沉积坯。柱状沉积坯最后凝固区域均在坯体中心区偏上位置，相比之下，钴基合金沉积坯表层冷却速度较快，加上冷却收缩的原因，导致最后凝固区域即坯体中心区偏上位置容易形成局部疏松，采用特定的控制冷却的方式有利于促进雾化沉积坯体补缩，提高材料致密度。

优选地，所述的步骤(3)中，加热的中间包温度1450℃～1550℃。

优选地，所述的步骤(4)中，高纯氮气的纯净度≥99.8％。

优选地，所述的步骤(4)中，两个雾化沉积喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为35HZ～100HZ。

优选地，所述的步骤(4)中，所述的沉积器转速为300～400转/min。

优选地，所述的步骤(5)中，氮气流经中间包时加热到900℃～1000℃。

优选地，所述的步骤(5)中，当坯体表面温度在600～700℃时，停止吹气。

优选地，所述的步骤(5)中，所述的旋转沉积器采用的转速是180～240转/min。

钴基高温合金的耐磨性能主要受其表面的接触应力或冲击应力的影响。在应力作用下，表面磨损随位错流动和接触表面的互相作用特征而定。这种特征与基体具有较低的层错能及基体组织在应力作用或温度影响下由面心立方转变为六方密排晶体结构有关。此外，钴基合金的第二相如碳化物的含量、形态和分布对耐磨性也有影响，均匀分布的碳化物有助于改善耐磨性能。

与现有技术比较本发明的有益效果：

1、利用双扫描雾化沉积方式，采用高纯氮气作为雾化沉积介质制备高碳化物的钴基耐磨合金，采用的氮气气体压力范围为35MPa～60MPa，两个雾化沉积喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为35HZ～100HZ，使得制备的钴基耐磨合金成分均匀，碳化物弥散分布。

2、本发明双扫描雾化沉积完成后，升高钴基合金沉积坯到雾化喷嘴处，采用加热的氮气经过导流管的喷嘴吹向柱状钴基合金沉积坯顶部中心部位，氮气流经中间包时被加热到约900℃～1000℃，同时，采用10mm/min的速度缓慢下降沉积坯并冷却，当坯体表面温度低于800℃时，停止吹气，坯体随炉冷却。利用特定的雾化沉积坯缓慢冷却方式，控制冷却速度有利于促进雾化沉积坯体补缩，提高材料致密度。

因此，本发明提供的双扫描雾化沉积制备钴基高温合金耐磨高强模具的工艺解决了电子领域用纯镍带材冲裁用模具耐磨性差、使用寿命短等问题，有助于提高纯镍带材冲裁模具的使用寿命，提高产品质量，满足电子、能源电池等领域的需求。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行进一步解释说明：

实施例1：

根据纯金属镍带材、箔材的冲裁模具材料需求，采用钴基耐磨合金冲裁模具具体成分(重量百分比)为C：1.4；Cr：28；W：4.0；Mo：1.0；Si：1.0；Mn：1.0；Co：63.6；基于合金成分和熔炼设备的坩埚容量，配料500Kg；配料完成的所有金属原材料，放入双喷嘴雾化沉积设备的熔炼坩埚内，把双喷嘴雾化沉积设备抽真空，设备真空度0.05Pa；送电真空感应熔炼钴基耐磨合金。合金熔炼完毕，测温，温度范围为1450℃，保温10min，使感应炉内金属熔体的成分和温度达到均匀一致，然后把合金熔体缓慢倒入加热的中间包内，中间包下部为两个雾化喷嘴。其中，加热的中间包温度1450℃；采用高纯氮气(纯净度99.8％)作为雾化沉积介质，气体压力范围为35MPa。两个雾化沉积喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为35HZ。钴基合金金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到两个喷嘴处，被高压氮气雾化沉积；雾化沉积钴基高温合金熔体沉积到沉积室内转动的沉积器上，其中沉积器转速为300转/min；雾化沉积完成后，升高沉积坯到雾化喷嘴处，在熔炼室内充入高纯氮气(纯净度99.8％)，氮气压力2bar，同时保持沉积坯在沉积器上旋转与直径不变，高速旋转速度为180转/分钟，氮气经过导流管的喷嘴吹向钴基合金柱状沉积坯顶部中心部位。氮气流经中间包时加热到900℃。同时，采用10mm/min的速度缓慢下降沉积坯，当坯体表面温度在600℃时，停止吹气，坯体随炉冷却；雾化沉积完成后，取出钴基合金沉积坯，放入加热炉加热，加热温度到1180℃，保温2h；把加热完成的沉积坯取出，锻造成适合模具尺寸的锻块；把钴基高温合金锻块机加工，制备成冲裁模具。

本实施例制备的耐磨钴基合金的体密度8.51g/cm³，摩擦系数为0.0032(采用立式摩擦磨损试验机测试耐磨性能，压力设置为98N，转速为300转/秒)。

实施例2：

根据纯金属镍带材、箔材的冲裁模具材料需求，设计钴基耐磨合金冲裁模具的成分，具体成分(重量百分比)为C：1.55；Cr：32；W：5.5；Mo：2.5；Si：1.5；Mn：1.5；Co：55.45；基于合金成分和熔炼设备的坩埚容量，配料；把依据合金成分配料完成的所有金属原材料，放入双喷嘴雾化沉积设备的熔炼坩埚内；把双喷嘴雾化沉积设备抽真空，设备真空度0.1Pa；送电真空感应熔炼钴基耐磨合金。合金熔炼完毕，测温，温度范围为1500℃，保温15min，使感应炉内金属熔体的成分和温度达到均匀一致，然后把合金熔体缓慢倒入加热的中间包内，中间包下部为两个雾化喷嘴。其中，加热的中间包温度1550℃；采用高纯氮气作为雾化沉积介质，气体压力范围为60MPa。两个雾化沉积喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为100HZ。钴基合金金属液经过中间包内的陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到两个喷嘴处，被高压氮气雾化沉积；雾化沉积钴基高温合金熔体沉积到设计沉积室内转动的沉积器上，其中沉积器转速为400转/min；雾化沉积完成后，升高沉积坯到雾化喷嘴处，在熔炼室内充入高纯氮气(纯净度≥99.8％)，氮气压力5bar，同时保持沉积坯在沉积器上高速旋转与直径不变，高速旋转速度为240转/分钟，氮气经过导流管的喷嘴吹向钴基合金柱状沉积坯顶部中心部位。氮气流经中间包时加热到1000℃。同时，采用10mm/min的速度缓慢下降沉积坯，当坯体表面温度700℃时，停止吹气，坯体随炉冷却；雾化沉积完成后，取出钴基合金沉积坯，放入加热炉加热，加热温度到1200℃，保温3h；把加热完成的沉积坯取出，锻造成适合模具尺寸的锻块；把钴基高温合金锻块机加工，制备成冲裁模具。

本实施例耐磨钴基合金的体密度8.42g/cm³，摩擦系数达到0.0036，(采用立式摩擦磨损试验机测试耐磨性能，压力设置为98N，转速为300转/秒)。

对比例1

其余步骤及条件同实施例1，不同在于使用单喷嘴雾化沉积设备，且单个雾化沉积喷嘴不具有扫描摆动机构。本实施例得到的钴基合金产品，体密度：8.23g/cm³；摩擦系数0.0062。(采用立式摩擦磨损试验机测试耐磨性能，压力设置为98N，转速为300转/秒)对比例2

其余步骤及条件同实施例1，不同在于雾化沉积完成后，雾化沉积锭坯采用直接下降沉积坯并冷却的方式，一直吹气直至坯体随炉冷却。本例得到的钴基合金产品，体密度仅为：7.91g/cm³。

通常，H3模具钢的摩擦系数为0.128，C12MoV模具钢的摩擦系数为0.313，H13工模具钢的摩擦系数0.323，体密度：7.85g/cm³。

由此可见，本发明方法得到的钴基耐磨合金耐磨寿命显著提高。

Claims (6)

1.一种金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）配料：取钴基耐磨合金冲裁模具的成分，按照重量百分比为C：1.4～1.55；Cr：28～32；W：4.0～5.5；Mo：1.0～2.5；Si：1.0～1.5；Mn：1.0～1.5；Co：余量配料；

（2）装炉：把配料完成的所有原材料放入双喷嘴雾化沉积设备的熔炼坩埚内；

（3）真空感应熔炼：把双喷嘴雾化沉积设备抽真空至设备真空度≤0.1Pa；送电真空感应熔炼钴基耐磨合金，合金熔炼完毕，温度范围为1450℃～1500℃，再保温10min～15min，然后把得到的钴基耐磨合金熔体缓慢倒入加热的中间包内，中间包下部为两个雾化喷嘴；

（4）双扫描雾化沉积：采用高纯氮气作为雾化沉积介质，气体压力范围为35MPa～60MPa，钴基耐磨合金熔体经过熔炼室内的中间包陶瓷过滤网过滤后，通过导流管流到两个雾化喷嘴处，被高压高纯氮气雾化沉积，钴基耐磨合金熔体雾化沉积到沉积室内转动的沉积器上；两个雾化沉积喷嘴均具有扫描摆动机构，驱动频率为35HZ～100HZ；

（5）沉积坯缓慢冷却：双扫描雾化沉积完成后得到钴基合金沉积坯，升高沉积坯到雾化喷嘴处，在熔炼室内充入高纯氮气，氮气压力2bar～5bar，同时保持沉积坯在沉积器上高速旋转与直径不变，氮气经过导流管的喷嘴吹向柱状的钴基合金沉积坯顶部中心部位，同时，采用10mm/min的速度缓慢下降沉积坯，当坯体表面温度低于800℃时，停止吹气，坯体随炉冷却；氮气流经中间包时加热到900℃～1000℃；

（6）沉积坯加热：取出钴基合金沉积坯，加热温度到1180℃～1200℃，保温2h～3h；

（7）锻造、机加工：取出加热完成的沉积坯，锻造成适合模具尺寸的合金锻块，再机加工成冲裁模具。

2.根据权利要求1所述的金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，其特征在于所述的步骤（3）中，加热的中间包温度1450℃～1550℃。

3.根据权利要求1所述的金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，其特征在于所述的步骤（4）中，高纯氮气的纯净度≥99.8%。

4.根据权利要求1所述的金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，其特征在于所述的步骤（4）中，所述的沉积器转速为300～400转/min。

5.根据权利要求1所述的金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，其特征在于所述的步骤（5）中，所述的高速旋转采用的转速是180转～240转/分钟。

6.根据权利要求1所述的金属镍带冲裁用耐磨钴基合金模具的制备方法，其特征在于所述的步骤（5）中，当坯体表面温度在600～700℃时，停止吹气。