CN104191163B - 一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁基金属陶瓷复合导辊，所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、环状钢块，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—70wt％的400目TiC粉，Fe粉为35wt％—60wt％，Mo粉为1wt％—3wt％，Ni粉为2wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—8wt％。

Description

一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺
技术领域
本发明涉及一种金属陶瓷复合导辊，尤其涉及一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺。
背景技术
钨是一种稀有金属，广泛应用于枪械制造、切削金属的刀片、钻头、超硬模具、拉丝模等等，钨的用途十分广泛，涉及矿山、冶金、机械、建筑、交通、电子、化工、轻工、纺织、军工、航天、科技、各个工业领域。钴不仅是制造合金钢的重要金属，而且是各种高级颜料的重要原料。由于钨和钴资源的限制，许多西方国家重点发展以TiC陶瓷为增强相，镍和镍合金为粘结相的无钨钴硬质合金，并得到了批量生产。95％的贫钨国家都逐渐使用TiC－Ni系金属陶瓷来替代钨钴硬质合金。用资源更为丰富，价格更低廉的铁和铁合金作为粘合相的金属陶瓷则是未来研究的发展方向。这对于象我国这样镍资源并不丰富的国家，开发铁基金属陶瓷的意义就更大。用铁基粘合相代替镍基粘合相， 大大降低了铁基金属陶瓷的制备成本。其制备成本只有镍基金属陶瓷的一半。为金属陶瓷的大规模商业推广奠定了坚实的基础。高速导辊由于其工作条件恶劣，同时承受强烈的高速高温磨损、水淋激冷激热、冲击及复杂应力的综合作用，是高速线材轧钢生产线上消耗量很大的易损配件。目前，国内高线使用的高铬铸铁导辊基本上使用寿命为一个班次。频繁更换导辊不仅直接增加生产成本，同时，致使高速线材轧钢生产线频繁停产，严重降低高速线材轧机的生产效率，造成很大经济损失。因此，导辊使用寿命是制约高速线材生产线生产效率和生产成本的关键因素之一。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺。该技术方案中首次提出了在导辊外侧敷设压制铁基陶瓷陶瓷成份梯度混合粉和内侧镶一环状钢块，这一复合体通过真空烧结，铁基陶瓷陶瓷混合粉烧结成金属陶瓷， 在烧结过程中钢同金属陶瓷焊接成一体。这一新工艺不但节省价值高的陶瓷金属复合粉的用量，也解决了金属陶瓷难以焊接的难题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种铁基金属陶瓷复合导辊，所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、环状钢块，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—70wt％的400目TiC粉，Fe粉为35wt％—60wt％，Mo粉为1wt％—3wt％，Ni粉为2wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—8wt％。
作为本发明的一种改进，所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、环状钢块，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％—57wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％。
作为本发明的一种改进，所述Fe粉、Mo粉、Ni粉、Cr粉粒度均为190—210目。
一种铁基金属陶瓷复合导辊，所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、环状钢块，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—70wt％的400目TiC粉，Fe粉为35wt％—60wt％，Mo粉为1wt％—3wt％，Ni粉为2wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—8wt％；高金属层也称为过渡层，高金属层的具体配方为15wt％—25wt％的400目TiC粉，Fe粉为60wt％—75wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—9wt％。 所述中间过渡层可以设置为一层、两层或者多层，采用多层，材料过渡阶段的成分梯度可以更加和缓，热应力也可以降的更低，该层根据实际需要来设置，工业生产中，为了提高效率，降低成本，一般设置为一层。
作为本发明的一种改进，所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％—57wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为16wt％—23wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％—72wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％。
作为本发明的一种改进，所述Fe粉、Mo粉、Ni粉、Cr粉粒度均为190—210目，所述高金属层设置为一层或者多层。所述中间过渡层可以设置为一层、两层或者多层，采用多层，材料过渡阶段的成分梯度可以更加和缓，热应力也可以降的更低，该层根据实际需要来设置，工业生产中，为了提高效率，降低成本，一般设置为一层。
一种铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述具体步骤如下；1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块，2）直接敷设混合好的金属陶瓷层混合粉，直接压制出内侧为钢环，外侧为高陶瓷混合粉的环状毛坯；3）然后将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；4）接着以8—12℃/min的速率升温至290—310℃，保温1小时；4）接着以8—12℃/min的速率升温至590—610℃，再保温1小时；5）继续以8—12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8—12min，直至烧结温度1340—1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
作为本发明的一种改进，所述具体步骤如下；1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块，2）直接敷设混合好的金属陶瓷层混合粉，直接压制出内侧为钢环，外侧为高陶瓷混合粉的环状毛坯；3）然后将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；4）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）接着以10℃/min的速率升温至600℃，再保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
一种铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述具体步骤如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块，再根据高金属层的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层含量混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为钢环的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；6）接着以8—12℃/min的速率升温至290—310℃，保温1小时；7）接着以8—12℃/min的速率升温至590—610℃，再保温1小时；8）继续以8—12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8—12min，直至烧结温度1340—1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
一种铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述具体步骤如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块，再根据高金属层的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层含量混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为钢环的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；6）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；7）接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；8）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后， 随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷， 内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。 这样做是为了炉温均匀，从而保证样品温度均匀。烧结出的产品品质均一。
相对于现有技术，本发明的优点如下，1）该技术方案中为了缓和铁基金属陶瓷与钢之间因热膨胀系数的不同，金属陶瓷层采用热应力缓和设计，分外两层，外层的高陶瓷层中高陶瓷含量高，用于耐热耐磨；中间层的高金属层中金属含量高，通过合理的成分配比，使得该层的热膨胀系数与钢接近，降低热应力；2）该技术方案中工艺的炉温控制比较均匀，进一步保证了样品温度的均匀性；3）整个工艺简单，容易操作，该技术方案解决了铁基金属陶瓷焊接难题，便于大规模的推广使用；4）该技术方案中提出了不含有高金属过渡层的方案，如果外侧TiC含量不太高时，热应力在许可范围内，就可以不设过渡层，进一步降低产品成本。
附图说明
图1为本发明压制毛坯剖视图；
图中：1为高陶瓷层、2为高金属层、3为环状钢块。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语，包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例1：
参见图1：一种铁基金属陶瓷复合导辊，其中复合导辊从外到内依次是高陶瓷层1、高金属层2、环状钢块3，所述高陶瓷层的具体配方为50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为3wt％，Cr粉为7wt％；过渡层为高金属层，具体配方为25wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；以上金属粉的粒度均为200目。
实施例2：参见图1，一种铁基金属陶瓷复合导辊，其中复合导辊从外到内依次是高陶瓷层1、高金属层2、环状钢块3，所述高陶瓷层的具体配方为：40wt％的400目TiC粉，Fe粉为47wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；内层的配方20wt％的400目TiC粉，Fe粉为67wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；以上金属粉的粒度均为200目。
实施例3：参见图1，一种铁基金属陶瓷复合导辊，其中复合导辊从外到内依次是高陶瓷层1、高金属层2、环状钢块3，所述高陶瓷层的具体配方为：30wt％的400目TiC粉，Fe粉为57wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％；内层的配方15wt％的400目TiC粉，Fe粉为72wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％；以上金属粉的粒度均为200目。。这样做是为了炉温均匀，从而保证样品温度均匀，烧结出的产品品质均一。
实施例4：参见图1，所述中间过渡层2可以设置为一层、两层或者多层，采用多层，材料过渡阶段的成分梯度可以更加和缓，热应力也可以降的更低，该层根据实际需要来设置，工业生产中，为了提高效率，降低成本，一般设置为一层。
实施例5：参见图1，作为本发明的一种改进，所述复合导辊烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块3，再根据高金属层2的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层含量混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为钢环的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；6）接着以8℃/min的速率升温至290℃，保温1小时；7）接着以8℃/min的速率升温至590℃， 在保温1小时；8）继续以8℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1340℃，烧结1小时后， 随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。这样做是为了炉温均匀，从而保证样品温度均匀，烧结出的产品品质均一。
实施例6：参见图1，作为本发明的一种改进，所述复合导辊烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块3，再根据高金属层2的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层含量混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为钢环的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；6）接着以12℃/min的速率升温至290℃，保温1小时；7）接着以12℃/min的速率升温至610℃， 在保温1小时；8）继续以12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温12min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后， 随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。这样做是为了炉温均匀，从而保证样品温度均匀，烧结出的产品品质均一。
实施例7：参见图1，作为本发明的一种改进，所述复合导辊烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块3，再根据高金属层2的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层含量混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为钢环的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；6）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；7）接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；8）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1350℃，烧结1小时后， 随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。这样做是为了炉温均匀，从而保证样品温度均匀，烧结出的产品品质均一。
实施例8：一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合导辊从外到内依次是高陶瓷层1、环状钢块3，所述高陶瓷层的具体配方为：30wt％的400目TiC粉，Fe粉为57wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％；以上金属粉的粒度均为200目。；所述铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，所述具体步骤如下；1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块3，2）直接敷设混合好的金属陶瓷层混合粉，压制出内侧为钢环，外侧为高陶瓷混合粉的环状毛坯；3）将环状环状毛坯放入真空炉中，抽真空；4）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）接着以10℃/min的速率升温至600℃，再保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
实施例9：一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合导辊从外到内依次是高陶瓷层1、环状钢块3，所述高陶瓷层的具体配方为：30wt％的400目TiC粉，Fe粉为57wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％；以上金属粉的粒度均为200目；铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，所述具体步骤如下；1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块3，2）直接敷设混合好的金属陶瓷层混合粉，压制出内侧为钢环，外侧为高陶瓷混合粉的环状毛坯；3）将环状环状毛坯放入真空炉中，抽真空；4）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）接着以10℃/min的速率升温至600℃，再保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
实施例10：一种铁基金属陶瓷复合导辊及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合导辊从外到内依次是高陶瓷层1、环状钢块3，所述高陶瓷层的具体配方为50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为3wt％，Cr粉为7wt％；以上金属粉的粒度均为200目；铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，所述具体步骤如下；1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块3，2）直接敷设混合好的金属陶瓷层混合粉，压制出内侧为钢环，外侧为高陶瓷混合粉的环状毛坯；3）将环状环状毛坯放入真空炉中，抽真空；4）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）接着以10℃/min的速率升温至600℃，再保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
本发明可以将实施例4所述的技术特征中与实施例1、2、3中的任何一个组合成新的实施方式。本发明还可以将实施例5、6、7所述的技术特征中的任何一个与实施例1、2、3中的任何一个组合成新的实施方式。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上作出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种铁基金属陶瓷复合导辊，其特征在于；所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、环状钢块，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％—57wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为15wt％—25wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％—72wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％。
2.根据权利要求1所述的铁基金属陶瓷复合导辊，其特征在于：所述Fe粉、Mo粉、Ni粉、Cr粉粒度均为190—210目，所述高金属层设置为一层或者多层。
3.根据权利要求1或2任一项权利要求所述的铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：具体步骤如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块，再根据高金属层的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为环状钢块的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；
6）接着以8—12℃/min的速率升温至290—310℃，保温1小时；7）接着以8—12℃/min的速率升温至590—610℃，再保温1小时；8）继续以8—12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8—12min，直至烧结温度1340—1360℃，烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷，内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
4.根据权利要求3所述的铁基金属陶瓷复合导辊的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：具体步骤如下，1）配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在模具腔内先放置环状钢块，再根据高金属层的尺寸，高金属层也称为过渡层，置入同等外径的金属薄环，2）在金属薄环内侧与环状钢块之间敷设过渡层混合粉；3）在金属薄环外侧与模具之间敷设高陶瓷层混合粉；4）然后抽取金属薄环，分层敷设好后，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，内侧为环状钢块的环状毛坯；5）将环状毛坯放入真空炉中，抽真空；6）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；7）接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；8）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃，烧结1小时后， 随炉冷却至室温，就可获得外层为金属陶瓷， 内层为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合导辊。
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