CN100387747C - 切粒动刀材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种切粒动刀材料，同时还涉及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。该刀具材料由基体马氏体不锈钢96-98%和TiC2-4%组成，其中TiC弥散分布在基体不锈钢中。制备方法包括准备添加材料、熔炼基体材料、添加粉碎材料、铸锭电渣等步骤采用本发明后，可以在基体合金中复合出TiC颗粒，并使TiC颗粒非常均匀弥散，形成材料中的硬质相，大大提高材料的耐磨性，从而达到强化材料的目的。实验证明，用以上由基体合金与2-4vol%TiC构成的TiC弥散强化不锈钢制成的切粒动刀在水下作业，环境温度接近100℃，耐腐蚀以及机械性能均十分理想，完全可以替代司太乐合金而成本比司太乐合金低很多。

Description

切粒动刀材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合不锈钢，尤其是一种用于制作切粒动刀之类刀具的强化不锈钢，同时还涉及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。

背景技术

聚酯行业使用的切粒动刀之类的切割刀具在水下工作，更换困难，要求使用周期长，刀口锋利、耐磨损、耐腐蚀。目前，此类大型刀具的刀口材料主要采用机械加工性能欠佳的钴基合金(俗称司太乐合金STELLITE12#)堆焊而成，即先在基体钢材上圆周沿母线开一组槽，接着在槽中堆焊钴基合金，再铣去相邻堆焊钴基合金之间的基体材料，露出钴基合金，最后在钴基合金磨削刃口。不仅其制造工艺复杂，并且因材料中含有稀有金属钴而价格昂贵(约500元/Kg)。

检索发现，申请号为ZL99114272.1、名称为《碳化钛增强耐磨铝合金及其制备工艺》的发明专利公开了一种以碳化钛颗粒为增强体的耐磨铝基复合材料及其制备工艺。申请号为ZL94111234.9，名称为《高强度耐磨多元黄铜及其制备工艺》的发明专利则公开了一种以碳化钛颗粒为增强体的耐磨铜基复合材料及其制备工艺。由此可知，碳化钛对增强金属材料的耐磨等性能具有理性的作用效果。然而，铝基或铜基金属显然不适合作为以上刀具的材料。

发明内容

本发明的目的是提出一种成本经济、耐腐蚀、耐磨损、强度高、耐冲击的切粒动刀材料，同时给出其制备方法，从而取代司太乐合金，满足聚酯行业水下切割的需要。

为了达到以上目的，申请人通过反复实验筛选，解决了基体钢材确定、在基体合金中复合出TiC颗粒，并使TiC颗粒均匀弥散、选择合理的配比、拟定制备方法等一系列问题，确定了以下切粒动刀材料，该刀具材料由以下体积百分比的成分组成

基体马氏体不锈钢    96-98％

TiC                 2-4％

其中TiC以10-10²nm弥散分布在基体不锈钢中。基体不锈钢可以是各种马氏体不锈钢，尤以2Cr13性能最佳，且2Cr13占97vol％、TiC占3vol％时刀具性能最好。

通常基体不锈钢的成分为：

C：0.1～0.34％；Cr：12～14％；Si≤0.60％；Ni≤0.60％；Mn：≤0.60％；S≤0.03％，余量为Fe。

以上刀具材料的制备方法为：

1)、准备添加材料——将Ti、C、Fe超细粉碎，粒径小于0.1毫米；

2)、熔炼基体材料——将马氏体不锈钢放入熔炼设备中熔炼；

3)、添加粉碎材料——当基体材料熔化后，按以上成品比例要求，添加粉碎后Ti、C、Fe粉粒，温度控制在1800℃——2000℃，形成10-10²nm的弥散分布TiC；

4)、铸锭电渣——铸锭后高温电渣，排除铸锭内部气孔。

采用本发明后，可以在基体合金中复合出TiC颗粒，并使TiC颗粒非常均匀弥散，形成材料中的硬质相，从而达到强化材料的目的。实验证明，用以上由基体合金与2-4vol％TiC构成的TiC弥散强化不锈钢制成的切粒动刀在水下作业，环境温度接近100℃，耐腐蚀以及机械性能均十分理想，而成本比司太乐合金低很多。

具体实施方式

实施例一

本实施例中，申请人计划研制一种新材料-TiC弥散强化不锈钢，以替代价格高昂的钴基合金(俗称司太乐合金STELLITE)，用于切粒动刀。研制过程解决的主要技术问题如下：

1.基体钢材确定：现有技术中的钴基合金焊接后无需热处理，刀口能达到一定硬度，耐腐蚀性好，耐磨损，强度高，但成本高昂。通过实验，选择了耐腐蚀性好的1Cr13不锈钢、2Cr13不锈钢、3Cr13不锈钢、4Cr13等马氏体不锈钢。其中以2Cr13的实验效果最理想。

2.不锈钢钢熔体中原位合成TiC颗粒：TiC颗粒强化材料的基材采用铜、铝或铸铁已有报道，但以不锈钢为基体如何能使TiC颗粒以亚微米或纳米级(10-10²nm)弥散分布一直是个难题。根据物理冶金学基本原理，基体中强化相颗粒尺寸越小，强化效果越好，对于刀具而言，无疑是耐磨性越好，越锋利，被切物断面越光滑。经实验，采用在不锈钢基体材料中添加粒径小于0.1毫米的Ti、C、Fe，通过熔炼，可以实现所需的TiC颗粒原位合成；

3.基体成分的比例控制：反复实验后确定刀具材料的成分为：C：0.1～0.34％ Cr：12～14％ Si≤0.60％ Ni≤0.60％ Mn：≤0.60％S≤0.03％0. TiC：2-4％，余量为Fe。

4.制备工艺：按照以下步骤可以完成所需刀具材料的制备

1)、准备添加材料——将Ti、C、Fe超细粉碎，粒径小于0.1毫米；

2)、熔炼基体材料——选用不锈钢2Cr13为基体材料，在真空或中频感应电炉里进行熔炼；

3)、添加粉碎材料——在熔化的基体材料中，按基体材料97vol％、合成后TiC3vol％的比例要求，添加粉碎后Ti、C、Fe粉粒，温度控制在1800℃以上(不超过2000℃)，形成10-10²nm的弥散分布TiC；

4)、铸锭电渣——合成TiC后的铸锭内部无法避免气孔及少量杂质，为此增加一道高温电炉电渣工序，排除气孔消除内部缺陷。

这种以不锈钢为基体、通过原位合成工艺在基体中分布均匀弥散超细(亚微米至纳米级)TiC颗粒的材料，在强度、硬度、耐热、耐磨损、耐腐蚀等方面性能得到较大提高，同时仍然具有较高的塑性和韧性，因此十分适合用作切粒动刀之类切割刀具的材料，并可广泛应用于化工、化纤等苛刻工况条件下工作的机械零件。由于不含稀有贵金属，因此价格便宜。测试表明，其室温力学性能为：бb≥720Mpa；б0.2≥410MPa；δ≥20％，高温(700℃)；力学性能：бb≥350Mpa；б0.2≥140MPa；δ≥30％；抗蠕变性能(600℃，260MPa)；持久寿命L≥200h，高温(850℃)抗氧化性能：100h氧化增重≤4mg/cm2；耐磨损性能：比18-8系列不锈钢零件寿命提高2倍，比用于同样工况条件下的耐热不锈钢提高1-2倍，完全可以取代价格昂贵的钴基合金。制成后的切粒动刀使用寿命比钴基合金刀具延长30-50％.并在生产线使用中得到证实。

此外，值得一提的是，本发明的刀具材料具有理想的机械加工性能，完全可以机械加工后镶嵌在刀体中形成刃口，热处理后仍可切削加工，从而便于刀具的制造。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种切粒动刀材料，由以下体积百分比的成分组成：

基体马氏体不锈钢96-98％

TiC              2-4％

其中TiC以10-10²nm弥散分布在基体不锈钢中，所述基体马氏体不锈钢为1Cr13不锈钢、2Cr13不锈钢、3Cr13不锈钢、4Cr13不锈钢之一。

2.根据权利要求1所述切粒动刀材料，其特征在于：所述基体马氏体不锈钢的成分为

C：0.1～0.34％；Cr：12～14％；Si≤0.60％；Ni≤0.60％；Mn：≤0.60％；S≤0.03％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述切粒动刀材料，其特征在于：所述马氏体不锈钢为2Cr13，所述2Cr13的体积百分比为97％，TiC的体积百分比为3％。

4.根据权利要求1所述切粒动刀材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤

1)、准备添加材料--将Ti、C、Fe超细粉碎，粒径小于0.1毫米；

2)、熔炼基体材料--将马氏体不锈钢放入熔炼设备中熔炼；

3)、添加粉碎材料--当基体材料熔化后，按所述比例要求，添加粉碎后Ti、C、Fe粉粒，温度控制在1800℃--2000℃，形成10-10²nm的弥散分布TiC；

4)、铸锭电渣--铸锭后高温电渣，排除铸锭内部气孔及缺陷。

5.根据权利要求4所述切粒动刀材料的制备方法，其特征在于：所述马氏体不锈钢为2Cr13，所述2Cr13的体积百分比为97％，TiC的体积百分比为3％。