阅读说明：本技术 一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法 (Metal die for cold extrusion forming of high-viscosity material and preparation method ) 是由 舒大禹 赵祖德 陈强 吴洋 詹红 宁海青 王长朋 王茂川 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法,采用多向锻造,高温淬火、回火与深冷处理工艺,实现高硬度曲面模具形状、性能、表面质量等多重控制,攻克高粘性金属材料冷挤压过程中的粘模、拉伤等技术难题。(The invention provides a metal die for cold extrusion forming of a high-viscosity material and a preparation method thereof, which adopt the technologies of multidirectional forging, high-temperature quenching, tempering and cryogenic treatment to realize the multiple control of the shape, the performance, the surface quality and the like of a high-hardness curved surface die and solve the technical problems of die sticking, strain and the like in the cold extrusion process of the high-viscosity metal material.)

一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法

技术领域

本发明涉及金属塑性成形技术领域，尤其涉及一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法。

背景技术

钽材具有高熔点(2996℃)、高密度(16.6g/cm³)、高动态延展性，在塑性应变大于3以上时，材料拉伸长径比达到10倍，具有超塑性能。国外90年代就突破了钽、钽钨合金材料成形、切削加工、热处理等关键制造技术，并实现了工程化应用；国内钽、钽钨合金构件还处于研制阶段，其应用的限制性环节有三个方面：一是钽材性能不稳定；二是钽构件关键制造技术还未突破；三是钽材成本居高不下。

美国、德国等对华军事技术的封锁，尤其是涉及关键构件材料与核心制造技术，能查阅到的有价值的资料很少。根据大量文献资料分析表明，钽及钽合金构件的制备过程：首先采用电子束熔炼工艺制备钽、钽钨合金锭坯；然后再应用镦拔、轧制等工艺制备棒材、板材，消除电子束熔炼形成的粗大凝固组织；最后通过冲压、旋压、摆碾、冷挤压等成形工艺制备，如德克萨斯大学的Romero等人对Ta、Mo材料塑性成形锥形壳体研究后认为，采用强烈旋压成形技术可以获得具有微米晶组织的锥形壳体，X光照相表明，是因为组织不均匀、对称性差(参见Romero L A.The instability of rapidly stretching plastic jet[J]，J.Appl.Phys.，1999，65，3006～3016)；北京有色金属研究总院的彭海健等人采用摆碾成形+数控车削加工方法，制造Ta-W合金薄壁回转体零件，金属流线完整、呈放射状，使薄壁回转体零件周向的性能基本相同，平均晶粒尺寸50μm(细晶约10μm，粗晶约120μm，且表面粗糙度Ra3.2～6.4μm，尺寸偏差(0.12～0.35)mm，加工刀具磨损严重，完成1件产品需要6把刀具(参见彭海健.钽合金零件的摆辗成形工艺[J]，稀有金属，2009，8，597～600)。

发明内容

为了进一步提高钽合金构件的综合使用性能，从组织均匀性、尺寸精度、表面质量与性能之间的关联性出发，要求钽合金构件具有较好的各向同性、晶粒细小均匀、尺寸精度高、表面质量好。如何提高钽合金构件在冷挤压过程中表面抗粘模性，是制造高精度、高表面质量钽合金构件的关键。

本发明解决的目的在于提供一种高粘性金属冷挤压成形模具的制备方法。使冷挤压成形过程中形成的新金属面与模具不粘模，模具表面具有自润滑功能，制备出的产品尺寸精度高、表面质量好、合格率高。

本发明的目的是这样实现的：

一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法，其主要特征在于，它具体包括以下步骤：

(1)根据产品图设计的冷挤压成形模具(图1)，按照图纸尺寸及技术要求，选择模具材料和相应的尺寸规格，材料以LD钢(7Cr7Mo2v2Si)、M2钢(6W6Mo5Cr4V)等冷挤压成形用模具钢为主。

(2)首先对模具材料进行多向锻造，锻造比6～8，使碳化物偏析≤2级。

(3)根据图1尺寸及技术要求进行粗车，表面预留(0.5～3)mm热处理脱碳层和精加工余量。

(4)对粗加工后的半成品进行调质热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理。高温淬火：温度(1120～1200)℃，时间(2～4)小时，真空度≤3×10^-2Pa；淬火介质为油，油温(80～100)℃。回火处理：温度(450～600)℃，时间(4～8)小时。深冷处理：介质为液氮，温度(-196～-135)℃，时间(4～6)小时。

(5)对深冷处理后的半成品局部位置表面脱碳层去掉，取3～5个部位，每个部位进行硬度测试3～5点，取平均值。

(6)将半成品置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀片选用立方氮化硼，刀具圆角R0.2mm。半精加工转数(800～1200)r/min，进刀量(0.1～0.3)mm。精加工转数(1500～2000)r/min，进刀量(0.03～0.15)mm，表面粗糙度≤Ra0.8μm。

(7)将精车后的模具工作面进行磨削处理，采用数控曲面磨，磨头转速(7000～10000)rpm，磨削速度(30～50)m/s，磨削处理后表面粗糙度Ra0.2μm～Ra0.4μm。

(8)将磨削处理的模具进行超声波电解抛光，电解液为磷酸与硫酸混合溶液，阳极电流密度(30～50)A/dm²，通电量(5～8)A·h/L，超声频率26～35KHz，模具工作面粗糙度≤Ra0.015μm。

(9)采用等离子体增强化学气相沉积方法，在模具工作面沉积一层类金刚石膜，沉积温度(180～250)℃，沉积速率(0.5～1.5)μm/h，膜层厚度(5～10)μm。

通过上述方法制备出具有高耐磨、抗粘性的冷挤压成形用金属模具，并进行膜层结合力、膜层厚度、摩擦系数等测试分析，解决高粘性材料冷挤压成形粘模导致的拉伤、变形不均等问题。

有益效果

本发明方法通过结合研究常用模具材料性能不稳定、寿命低，以及高硬度模具车削加工后，进行研磨抛光、电镀处理等提高表面粗糙度存在问题，模具硬度越高，数控车削过程中刀痕越严重，采用手工研磨抛光不易去掉，费工费时，尺寸不稳定。研究得出：采用多向锻造、高温淬火+回火+深冷处理工艺提高模具强韧性，以及数控车削加工保证尺寸精度，数控磨削+超声波电解抛光，提高模具表面质量，并降低模具表面的残余应力，提高沉积层的结合强度；采用等离子体增强化学气相沉积方法，在模具工作面制备一层类金刚石膜层，解决高粘性材料冷挤压成形过程中与金属模具的粘模问题。实现高硬度曲面模具形状、性能、表面质量等多重控制，攻克高粘性金属材料冷挤压过程中的粘模、拉伤等技术难题。此外，本发明还具有以下优异的特点：

(1)模具耐磨性好：比常规模具磨损量降低3～5倍。

(2)模具寿命高：单件模具使用寿命达到30000次。

(3)模具表面光亮：表面粗糙度≤Ra0.01μm。

附图说明

图1模具零件示意图

图2模具

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行描述，有必要在此指出的是，所述实施例只用于对本工艺进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据本发明的技术方案做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法，它具体包括以下步骤：

(1)根据产品图设计的冷挤压成形模具(图1)，按照图纸尺寸及技术要求，选择模具材料为LD钢(7Cr7Mo2v2Si)、尺寸规格为φ160×100mm。

(2)首先对模具材料进行多向锻造，锻造比6，碳化物偏析1级。

(3)根据图1尺寸及技术要求进行粗车，表面预留(1～2)mm热处理脱碳层和精加工余量，外形尺寸为φ154×95mm。

(4)对粗加工后的半成品进行调质热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理。高温淬火：温度1170℃，时间3小时，真空度≤3×10^-2Pa；淬火介质为油，油温80℃。3次回火处理：温度分别为580℃、520℃、460℃，时间分别为4小时、6小时、8小时。深冷处理：介质为液氮，温度-155℃，时间4小时。

(5)对深冷处理后的半成品局部位置表面脱碳层去掉，取4个部位，每个部位进行硬度测试4点，平均值为HRC61。

(6)将半成品置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀具选用立方氮化硼，刀具圆角R0.2mm。半精加工转数950r/min，进刀量0.15mm。精加工转数1680r/min，进刀量0.05mm，通过比对标准样块，表面粗糙度达到Ra0.8μm。

(7)将精车模具挤压成形工作面进行磨削处理，采用数控曲面磨，磨头转速8000rpm，磨削速度35m/s，磨削处理后表面粗糙度达到Ra0.4μm。

(8)将磨削处理的模具进行超声波电解抛光，电解液为磷酸与硫酸混合溶液，阳极电流密度38A/dm²，通电量6.2A·h/L，超声频率28KHz，模具工作面粗糙度Ra0.01μm。

(9)采用等离子体增强化学气相沉积方法，在模具工作面沉积一层类金刚石膜层，沉积温度210℃，沉积速率约0.6μm/h，膜层厚度8～10μm。

将本实施例制备的冷挤压成形金属模具进行检测与应用性试验：抗压强度(5080～5590)MPa，抗弯强度(2550～3020)MPa，冲击韧性(94～116)J/Gm²，表面粗糙度Ra(0.005～0.01)μm；类金刚石膜层结合强度(52～61)N，摩擦系数≤0.005，与传统模具的磨损量相比降低4.8倍，使用寿命达到42000次以上。

对制备的钽合金构件检测表明，表面粗糙度达到Ra0.04μm，圆周壁厚差≤0.03mm，产品质量(理论重量200g)偏差-1.4g～1.2g；采用X光摄影试验表明：本发明制备的钽合金构件射流断流时间为76μs，板材冲压+切削加工钽构件形成侵彻体的断裂时间为62μs。

实施例2

一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法，它具体包括以下步骤：

(1)根据产品图设计的冷挤压成形模具(图1)，按照图纸尺寸及技术要求，选择模具材料为M2钢(6W6Mo5Cr4V)，尺寸规格为φ160×100mm。

(2)首先对模具材料进行多向锻造，锻造比8，使碳化物偏析1级。

(3)根据图1尺寸及技术要求进行粗车，表面预留(1.5～3)mm热处理脱碳层和精加工余量，外形尺寸为φ154×95mm。

(4)对粗加工后的半成品进行调质热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理。高温淬火：温度1200℃，时间2小时，真空度≤3×10^-2Pa；淬火介质为油，油温100℃。3次回火处理：温度分别为600℃、550℃、450℃，时间分别为4小时、6小时、6小时。深冷处理：介质为液氮，温度-135℃，时间6小时。

(5)对深冷处理后的半成品局部位置表面脱碳层去掉，取5个部位，每个部位进行硬度测试5点，取平均值为HRC60。

(6)将半成品置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀片选用立方氮化硼，刀具圆角R0.2mm。半精加工转数1000r/min，进刀量0.2mm。精加工转数1800r/min，进刀量0.08mm，表面粗糙度Ra0.8μm。

(7)将精车模具挤压成形工作面进行磨削处理，采用数控曲面磨，磨头转速10000rpm，切削速度40m/s，磨削处理后表面粗糙度Ra0.4μm。

(8)将磨削处理的模具进行超声波电解抛光，电解液为磷酸与硫酸混合溶液，阳极电流密度45A/dm²，通电量7A·h/L，超声频率32KHz，模具工作面粗糙度Ra0.008μm。

(9)采用等离子体增强化学气相沉积方法，在模具工作面沉积一层类金刚石膜层，沉积温度250℃，沉积速率1.5μm/h，膜层厚度6μm。

将本实施例制备的冷挤压成形金属模具进行检测分析与应用性试验：抗压强度(4560～5050)MPa，抗弯强度(2150～2350)MPa，冲击韧性(83～107)J/cm²，表面粗糙度Ra(0.008～0.012)μm；类金刚石膜层结合强度(55～66)N，摩擦系数达到0.006，与传统模具的磨损量相比降低4倍、模具使用寿命达到36000次以上。

对制备的钽合金构件检测表明，表面粗糙度达到Ra0.058μm，圆周壁厚差≤0.03mm，产品质量(理论重量280g)偏差-1.8g～1.5g；采用X光摄影试验表明：本发明制备的钽合金构件射流断流时间为72μs，板材冲压+切削加工构件形成侵彻体的断裂时间为62μs。

实施例3

一种高粘性材料冷挤压成形用金属模具及制备方法，它具体包括以下步骤：

(1)根据产品图设计的冷挤压成形模具(图1)，按照图纸尺寸及技术要求，选择模具材料为65Nb、尺寸规格为φ160×100mm。

(2)首先对模具材料进行多向锻造，锻造比6，使碳化物偏析1级。

(3)根据图1尺寸及技术要求进行粗车，表面预留(0.8～1.5)mm热处理脱碳层和精加工余量，外形尺寸为φ153×94mm。

(4)对粗加工后的半成品进行调质热处理，工艺为1次高温淬火+3次回火+1次深冷处理。高温淬火：温度1150℃，时间4小时，真空度≤3×10^-2Pa；淬火介质为油，油温90℃。3次回火处理：温度分别为550℃、500℃、450℃，时间分别为6小时、5小时、4小时。深冷处理：介质为液氮，温度-160℃，时间4小时。

(5)对深冷处理后的半成品局部位置表面脱碳层去掉，取4个部位，每个部位进行硬度测试4点，平均值为HRC55。

(6)将半成品置于高精度数控车床上进行半精加工+精加工，刀片选用立方氮化硼，刀具圆角R0.2。半精加工转数1200r/min，进刀量0.2mm。精加工转数1800r/min，进刀量0.1mm，表面粗糙度Ra0.4μm。

(7)将精车模具挤压成形工作面进行磨削处理，采用数控曲面磨，磨头转速7000rpm，切削速度45m/s，磨削处理后表面粗糙度Ra0.2μm。

(8)将磨削处理的模具进行超声波电解抛光，电解液为磷酸与硫酸混合溶液，阳极电流密度42A/dm²，通电量6.5A·h/L，超声频率28KHz，模具工作面表面粗糙度Ra0.01μm。

(9)采用等离子体增强化学气相沉积方法，在模具工作面沉积一层类金刚石膜层，沉积温度180℃，沉积速率0.8μm/h，膜层厚度6μm。

将本实施例制备的冷挤压成形模具进行检测分析与应用性试验：抗压强度(3860～4190)MPa，抗弯强度(1840～2030)MPa，冲击韧性(75～88)J/cm²，表面粗糙度Ra(0.004～0.01)μm；类金刚石膜层结合强度(61～72)N，摩擦系数达到0.003，与传统模具的磨损量相比降低5倍、模具使用寿命达到52000次。

对制备的钽合金构件检测表明，表面粗糙度达到Ra0.021μm，，圆周壁厚差≤0.03mm，产品质量(理论重量300g)偏差-2.1g～1.6g；采用X光摄影试验表明：本发明制备的钽合金构件射流断流时间为81μs，板材冲压+切削加工钽构件形成侵彻体的断裂时间为62μs。