CN102773991B - 金属螺杆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属螺杆及其制作方法，所述螺杆以含铬钼的合金钢棒作为螺杆芯棒(1)，在螺杆芯棒(1)的外周通过烧结法包覆有一层多元硼化物基金属陶瓷层(2)：所述多元硼化物基金属陶瓷层(2)为Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层或Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层或WCoB-Co基金属陶瓷层。其制作方法为：将螺杆芯棒放入包套中，并在螺杆芯棒和包套的间隙内部填充配比好的原料粉末；将包套整体放入密封容器中并抽真空；在密封容器烧结，再对多元硼化物基金属陶瓷层经精加工制得金属螺杆。本发明中多元硼化物基超硬双金属螺杆或金属螺杆具有综合成本较低、制作工艺简单、使用寿命长和适于产业化等优点，可替代目前广泛使用的经过渗氮、喷焊、浇铸等处理的螺杆。

Description

金属螺杆及其制备方法
技术领域
本发明涉及螺杆制造技术领域，尤其涉及一种多元硼化物基超硬双金属螺杆及其制备方法。
背景技术
螺杆是塑料成型设备的核心部件，是加热挤出塑化的部分，螺杆由于摩擦磨损而失效损坏。随着化学工业的迅速发展，各种新型的塑料原料不断涌现。在高强度的增强塑料原料中，常常含有诸如碳、石棉、玻璃、硼等增强纤维。此外为了获得各种特殊性能或降低成本，在塑料树脂中常常加人一定比例的各种填充料，如白垩、硅石、重晶石、陶土、纤维素、云母、滑石和金属粉等。由于这些增强剂、填充料以及无机着色剂的加人加剧了塑料挤出机、注射机中的机筒与螺杆的磨损和腐蚀，使得加工机械的生产效率下降，制品质量不稳定，维修机械和调换部件的次数、费用增加，影响了整机的经济效益。自70年代左右起，欧美工业发达国家纷纷采用螺杆作为塑料挤出机和注射机的主要关键部件。应用结果表明，双金属螺杆比经氮化处理的机筒、螺杆，其耐磨或耐腐蚀性提高许多倍，使用寿命大大延长，经济效益显著。
现有一种专利号为CN200820120388.9名称为《双金属螺杆》的中国实用新型专利公开了一种结构，其特征在于：螺杆螺旋型螺贝与射料管接触的表面开设有一螺旋型凹槽，该螺旋型凹槽内焊接有镍基合金粉。该实用新型先在螺旋型螺贝与射料管接触的表面开设有一凹槽，然后再用焊接机在凹槽内焊接镍基合金粉。这样，螺杆转动时，螺旋型螺贝与射料管接触的表面为镍基合金粉，由于镍基合金粉的硬度很高，因此螺贝不易磨损，有效提高了螺杆的使用寿命，减少了螺杆的使用成本。该实用新型的使用寿命是普通螺杆的3～5。但这种螺杆的缺点是镍基合金粉覆只盖于螺杆的局部上，其螺杆的使用寿命会受到影响，且镍基合金粉没有形成金属陶瓷层，所以其硬度也理想。因此其结构还有待于改进。
发明内容
本发明所要解决第一个的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种耐磨耐腐蚀性能好且使用寿命长的金属螺杆。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：本金属螺杆，包括有进料段、 熔化段、挤出段，其特征在于：所述螺杆以含铬钼的合金钢棒作为螺杆芯棒，在螺杆芯棒的外周通过烧结法包覆有一层多元硼化物基金属陶瓷层：所述多元硼化物基金属陶瓷层为Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层或Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层或WCoB-Co基金属陶瓷层。
作为改进，所述Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的Mo粉、颗粒度为20～30um的Fe-B合金粉、颗粒度为10～15um的Fe粉相互混合组成。
再改进，所述原料重量份比依次为35～55份Mo∶25～45份FeB∶5～20份Fe。
再改进，所述Mo2NiB2-Ni金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的Mo粉、颗粒度为20～30um的Ni-B合金粉、颗粒度为5～10umNi粉相互混合组成。
再改进，所述原料重量份比依次为：35～55份Mo∶25～45份Ni-B∶6～25份Ni。
再改进，所述WCoB-Co金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的W粉、颗粒度为20～30um的Co-B合金粉、颗粒度为5～10um的Co粉相互混合组成。
再改进，所述原料重量份比依次为：35～55份W∶25～45份Co-B∶5～20份Co。
再改进，所述烧结法包括真空烧结法、热等静压烧结法或放电等离子烧结法。
再改进，所述制备原料中包括有使多元硼化物基金属陶瓷层与螺杆芯棒在烧结时更好结合在一起的颗粒度为5～10um的Ni粉和颗粒度为5～10um的Cr粉，其中在Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层和WCoB-Co基金属陶瓷层的制备原料中加入重量份比为1～5份Ni∶1～5份Cr；而在Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层的制备原料中加入重量份比为6～25份Ni∶1～5份Cr。
本发明所要解决第二的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种耐磨耐腐蚀性能好且成本较低、制作工艺简单的金属螺杆的制作方法。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：本制备上述的金属螺杆的制作方法：其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将螺杆芯棒放入烧结的包套中，并在螺杆芯棒和包套的间隙内部填充配比好的原料粉末；
步骤2：将包套整体放入密封容器中并抽真空；
步骤3：加热步骤2中的密封容器以4～12℃/min的升温速率加热，至烧结温度达到1100～1400℃，烧结压力为80～150MPa，至保温30～60min，然后随炉冷却后去除包套形成高致密度的多元硼化物基金属陶瓷层。
步骤4：将步骤3中的多元硼化物基金属陶瓷层经精加工至精度达到螺杆图纸的要求，即为成品的金属螺杆。
与现有技术相比，本发明的金属螺杆采用以含铬钼的合金钢棒作为螺杆芯棒，在螺杆芯棒的外周通过烧结法包覆有一层多元硼化物基金属陶瓷层：所述多元硼化物基金属陶瓷层为Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层或Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层或WCoB-Co基金属陶瓷层。再经过精加工至螺杆精度制备出成品螺杆，与目前常用的螺杆相比，具有如下优点：
(1)多元硼化物基金属陶瓷硬度高，耐高温磨损性能良好，且与芯棒的结合强度 高，能较好地承受螺杆机筒工作时遭受的剧烈摩擦磨损和腐蚀；同时，多元硼化物基金属陶瓷的断裂韧性高，可加工性能良好，便于机械加工和获得光洁的表面。因此，该双金属螺杆机筒极大地提高了螺杆机筒的使用性能，延长使用寿命。
(2)制备多元硼化物基超硬双金属螺杆机筒的原料来源广泛、价格低廉，成本较低；且工艺过程简单易控，便于大规模生产。
因此，本发明中多元硼化物基超硬双金属螺杆或金属螺杆具有综合成本较低、制作工艺简单、使用寿命长和适于产业化等优点，可替代目前广泛使用的经过渗氮、喷焊、浇铸等处理的螺杆，具有良好的市场前景。
附图说明
图1为本发明实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例的金属螺杆，包括有进料段、熔化段、挤出段，所述螺杆以含铬钼的合金钢棒作为螺杆芯棒1，在螺杆芯棒1的外周通过烧结法包覆有一层多元硼化物基金属陶瓷层2：所述多元硼化物基金属陶瓷层2为Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层或Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层或WCoB-Co基金属陶瓷层。所述Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的Mo粉、颗粒度为20～30um的Fe-B合金粉、颗粒度为10～15um的Fe粉相互混合组成。所述原料重量份比依次为35～55份Mo∶25～45份FeB∶5～20份Fe。所述Mo2NiB2-Ni金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的Mo粉、颗粒度为20～30um的Ni-B合金粉、颗粒度为5～10umNi粉相互混合组成。所述原料重量份比依次为：35～55份Mo∶25～45份Ni-B∶6～25份Ni。所述WCoB-Co金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的W粉、颗粒度为20～30um的Co-B合金粉、颗粒度为5～10um的Co粉相互混合组成。所述原料重量份比依次为：35～55份W∶25～45份Co-B∶5～20份Co。所述烧结法包括真空烧结法、热等静压烧结法或放电等离子烧结法。上述制备原料中包括有使多元硼化物基金属陶瓷层与螺杆芯棒在烧结时更好结合在一起的颗粒度为5～10um的Ni粉和颗粒度为5～10um的Cr粉，其中在Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层和WCoB-Co基金属陶瓷层的制备原料中加入重量份比为：1～5份Ni∶1～5份Cr；而在Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层的制备原料中加入重量份比为：6～25份Ni∶1～5份Cr。
上述金属螺杆的制作方法：包括如下步骤：
步骤1：将螺杆芯棒放入热等静压烧结的包套中，并在螺杆芯棒1和包套的间隙内部填充配比好的原料粉末；
步骤2：将包套整体放入密封容器中并抽真空；
步骤3：加热步骤2中的密封容器以4～12℃/min的升温速率加热，至烧结温度达到1100～1400℃，烧结压力为80～150MPa，至保温30～60min，然后随炉冷却后去除包套形成高致密度的多元硼化物基金属陶瓷层2。
步骤4：将步骤3中的多元硼化物基金属陶瓷层2经精加工至精度达到螺杆图纸的要求，即为成品的金属螺杆。
以下结合对本发明作进一步说明。
多元硼化物基金属陶瓷是一种性能优良的新型硬质合金材料，其中，三元硼化物Mo2FeB2金属陶瓷具有良好的耐磨性，其硬度和抗弯强度分别可达到78～91HRA和1.0～2.6GPa，相当于硬质合金的硬度和抗弯强度的范围，而其密度大约为普通硬质合金的3/5，几乎等同于钢的密度。另外，与硬质合金材料相比，这种金属陶瓷的热膨胀系数在一定温度范围内与钢接近。所以，三元硼化物Mo2FeB2金属陶瓷可以与各种钢形成综合性能优良的覆层材料。本发明公开一种在含铬钼的合金结构钢棒表面通过反应烧结包覆一层多元硼化物基金属陶瓷层，再经过精加工制备出双金属螺杆或的金属螺杆方法，对促进多元硼化物基金属陶瓷的产业化应用和提升螺杆机筒的使用性能具有重大意义。
为了表征本发明中一种多元硼化物基超硬双金属螺杆机筒的性能，利用荧光金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和显微硬度计对所得到的螺杆样品进行表征，以下是具体的性能测试方法。
金属陶瓷显微硬度测试方法：
将金属陶瓷样品镶嵌后抛光，采用数显硬度计测量金属陶瓷的显微硬度，所加载荷为1000g，保压时间为10s。硬度计算公式为：
H V = 2 P d 2 sin α 2
式中：P--所加载荷；
d--压痕对角线长度；
α--正方形四棱角锥体压头两相对面夹角(规定为136°)。
每个试样测试5个点，最后的硬度取其平均值。
同时，将金属陶瓷样品镶嵌后抛光，利用荧光金相显微镜和扫描电子显微镜观测其微观组织结构。
下面以Mo2FeB2-Fe为例对本发明的双金属螺杆作进一步详细描述，
实施例A：
本实施例中，以40Cr钢为芯棒，在该芯棒表面通过热等静压烧结法包覆一层Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层，再经过精加工制得螺杆。制备金属陶瓷所采用的原料粉末为纯Mo粉(5～10μm)、纯Cr粉(5～10μm)、纯Ni粉(5～10μm)、纯Fe粉(10～15μm)和FeB粉(20～30μm)，其混合比例为35％FeB、45％Mo、3％Ni、2％Cr、15％Fe。该双金属螺杆的具体制备方法如下：
1、将芯棒放入专用包套中，并将混合好的原料粉末填充在芯棒和包套的间隙；
2、将包套整体放入热等静压设备的密封容器中并抽真空；
3、采用热等静压烧结法制备金属陶瓷坯体，以氩气作为加压介质，控制热等静压的工艺参数为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1240℃，烧结压力为100MPa，保温保压时间为45min。
4、将步骤3中的坯料精加工至精度达到螺杆图纸的要求，制备出成品螺杆。
对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1127.3HV(HRC72.7)。
从金属陶瓷的测试XRD图谱可见，金属陶瓷中主要结晶物质为Mo2FeB2，同时含有少量Cr和FeMo的结晶相，说明通过热等静压烧结可以大量合成具有优异性能的三元硼化物Mo2FeB2；
从金属陶瓷的微观组织形貌可见，金属陶瓷组织结构致密，平整光滑，仅含有极少量的微孔，这表明硬质合金层可加工性良好。金属陶瓷主要由近球状的细小颗粒紧密堆积而成，颗粒直径为2-4μm，且大小均匀，说明形成了晶粒细小的Mo2FeB2，这是金属陶瓷具有较高硬度的原因；
从双金属螺杆中芯棒和金属陶瓷的界面结合情况，可见，芯棒和硬质合金层之间存在明显的扩散层，扩散层厚度均匀，约为20μm，说明芯棒和硬质合金层之间发生了物质均匀扩散。进一步观察扩散层可见，螺杆芯棒和硬质合金层之间的物质通过相互扩散填充了结合部位的孔隙，两者呈现典型的冶金结合特征，说明采用热等静压工艺制备的双金属螺杆成功地实现了芯棒与金属陶瓷之间的冶金结合，结合强度极高。
实施例B：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，原料粉末的混合比例改为：30％FeB、50％Mo、3％Ni、2％Cr、15％Fe，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1137.5Hv(HRC73)。
实施例C：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，原料粉末的混合比例改为：30％FeB、45％Mo、3％Ni、2％Cr、20％Fe，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1110.1Hv(HRC72.4)。
实施例D：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，热等静压的工艺参数改为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1100℃，烧结压力为100MPa，保温保压时间为45min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1063.1Hv(HRC71.4)。
实施例E：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，热等静压的工艺参数改为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1400℃，烧结压力为100MPa，保温保压时间为45min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1030.9Hv(HRC70.6)。
实施例F：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，热等静压的工艺参数改为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1240℃，烧结压力为80MPa，保温保压时间为45min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1092.5Hv(HRC72.0)。
实施例G：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，热等静压的工艺参数改为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1240℃，烧结压力为150MPa，保温保压时间为45min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1122.5Hv(HRC72.6)。
实施例H：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，热等静压的工艺参数改为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1240℃，烧结压力为100MPa，保温保压时间为30min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1082.5Hv(HRC71.8)。
实施例I：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，热等静压的工艺参数改为：升温速率为8℃/min，烧结温度为1240℃，烧结压力为100MPa，保温保压时间为60min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1095.3Hv(HRC72.0)。
实施例J：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，烧结方法改为放电等离子烧结，其工艺参数为：升温速率为150℃/min，烧结温度为1070℃，烧结压力为30MPa，保温保压时间为4min，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1097.6Hv(HRC72.0)。
实施例K：
本实施例中金属螺杆的制备与实施例A基本相同，所不同的是，所用原料粉末改为 35％Ni-B、45％Mo、18％Ni、2％Cr，其他实验条件相同。对上述制备得到的双金属螺杆的金属陶瓷进行显微硬度测试，得到其平均硬度为1075.7Hv(HRC71.7)。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种金属螺杆，包括有进料段、熔化段、挤出段，其特征在于：所述螺杆以含铬钼的合金钢棒作为螺杆芯棒(1)，在螺杆芯棒(1)的外周通过烧结法包覆有一层多元硼化物基金属陶瓷层(2)：所述多元硼化物基金属陶瓷层(2)为Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层或Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层或WCoB-Co基金属陶瓷层；所述Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的Mo粉、颗粒度为20～30um的Fe-B合金粉、颗粒度为10～15um的Fe粉；所述原料重量份比依次为35～55份Mo∶25～45份FeB∶5～20份Fe；所述Mo2NiB2-Ni金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的Mo粉、颗粒度为20～30um的Ni-B合金粉、颗粒度为5～10umNi粉相互混合组成；所述原料重量份比依次为：35～55份Mo：25～45份Ni-B：6～25份Ni；所述WCoB-Co金属陶瓷层的制备原料包括有颗粒度为5～10um的W粉、颗粒度为20～30um的Co-B合金粉、颗粒度为5～10um的Co粉相互混合组成；所述原料重量份比依次为：35～55份W：25～45份Co-B：5～20份Co；所述烧结法包括真空烧结法、热等静压烧结法或放电等离子烧结法；所述制备原料中包括有使多元硼化物基金属陶瓷层与螺杆芯棒在烧结时更好结合在一起的颗粒度为5～10um的Ni粉和颗粒度为5～10um的Cr粉，其中在Mo2FeB2-Fe基金属陶瓷层和WCoB-Co基金属陶瓷层的制备原料中加入重量份比为：1～5份Ni：1～5份Cr；而在Mo2NiB2-Ni基金属陶瓷层的制备原料中加入重量份比为：6～25份Ni：1～5份Cr。
2.一种制备根据权利要求1所述的金属螺杆的制作方法：其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将螺杆芯棒放入烧结的包套中，并在螺杆芯棒(1)和包套的间隙内部填充配比好的原料粉末；
步骤2：将包套整体放入密封容器中并抽真空；
步骤3：加热步骤2中的密封容器以4～12℃/min的升温速率加热，至烧结温度达到1100～1400℃，烧结压力为80～150MPa，保温30～60min，然后随炉冷却后去除包套形成高致密度的多元硼化物基金属陶瓷层(2)；
步骤4：将步骤3中的多元硼化物基金属陶瓷层(2)经精加工至精度达到螺杆图纸的要求，即为成品的金属螺杆。
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