CN104874802A - 粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，由外层合金和内层合金组成，其特征在于：所述内层合金为碳素钢或不锈钢，外层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金属粉末化学组分按质量百分比计包括：C：1.8%-2.3%，W：0.1%-1.0%，Mo:≤1.8%，Cr：18.2%-24.0%，V：3.0%-5.2%，Nb：0.2%-1.8%，Co：0.1%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.5%，余量为铁和杂质。获得的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，既实现了棒材使用时对耐磨损耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，提升了产品的市场竞争力，应用广泛。

Description

粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材

技术领域

本发明涉及一种工模具钢类合金棒材，尤其涉及一种粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材。

背景技术

在一些特殊工况条件下，塑料模具或机械零部件表面不仅经受运动部件或工作介质中硬的研磨颗粒直接接触引起磨损，还经受潮湿、酸或其它腐蚀剂的腐蚀作用，如注塑成形机械中的螺杆、螺杆头或螺杆套筒等零部件，一方面由于塑料中添加大量硬质颗粒，如玻璃纤维、碳纤维等，导致这些零部件磨损加剧，另一方面塑料中腐蚀性成分对零部件产生化学腐蚀。为了使应用于这些特殊工况的零部件具备长的使用寿命，所使用塑料模具钢表面必须具有高的耐磨性能和耐蚀性能，另外为了承受工作应力加载和冲击，塑料模具钢需具备一定的硬度和韧性。

目前模具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备模具钢受到工艺过程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻模具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、可磨削性能等处于偏低水平。采用粉末冶金工艺制备模具钢解决了合金元素偏析的问题，制备得到合金组织细小均匀，相比铸锻合金性能有大幅度提升，但是粉末制备成本高昂，带来合金整体成本的提高，如何降低粉末冶金模具钢的成本是需要解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种低成本的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材。

为实现上述目的，本发明的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，由外层合金和内层合金组成，所述内层合金为碳素钢或不锈钢，外层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金属粉末化学组分按质量百分比计包括：C：1.8%-2.3%，W：0.1%-1.0%，Mo: ≤1.8%，Cr：18.2%-24.0%，V：3.0%-5.2%，Nb：0.2%-1.8%，Co：0.1%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.5%，余量为铁和杂质。

本发明中内层合金对外层合金提供力学支撑，外层合金金属粉末的组分设计是实现耐磨耐蚀性能的关键。

C元素部分固溶于基体，提高基体强度，同时，C元素是碳化物的组成元素之一，含量不能小于1.8%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过2.3%，避免过多的C固溶于基体导致韧性下降，在C含量1.8%-2.3%范围内，能够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。

W 、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明外层合金W含量范围是0.1%-1.0%，Mo的含量范围是Mo≤1.8%。

Cr一方面固溶于基体，提高耐蚀性能及淬透性，另一方面Cr以M₇C₃碳化物形式析出，考虑到Cr固溶于基体以及以碳化物形式析出之间存在的平衡，限定Cr含量为18.2%-24.0%。

V主要用于形成MC型碳化物，提高耐磨性能，V含量控制范围为3.0%-5.2%。

Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明外层合金Nb固溶于MC碳化物，提高MC碳化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，提高耐磨性能； Nb添加含量上限在于避免富Nb的MC碳化物析出，因此控制Nb的含量范围为0.2%-1.8%。

Co主要固溶于基体，促进碳化物析出，细化碳化物颗粒度，Co含量的范围限定为0.1%-0.5%。

Si不参与碳化物形成，作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，Si过多会使基体的韧性下降，因此Si含量范围限定为Si≤1.0%。

Mn作为脱氧剂加入，可以固硫减少热脆性，另外锰增加淬透性，Mn含量范围为0.2%-1.0%。

N参与形成MC碳化物，快速冷却条件下，N促进MC碳化物形核析出，同时不会导致MC碳化物过分长大，有利于提高耐磨性能，N同时促进钢的耐蚀性能提高，限定N含量范围为0.05%-0.5%。

外层合金中V、Nb、C、N等元素形成MC碳化物类型为（V、Nb）（C、N），在粉末冶金工艺快速冷却凝固条件下，添加的Nb和N参与MC碳化物形成，提高碳化物形核率和细化MC碳化物颗粒，使韧性提高。

作为对上述方式的限定，所述外层合金金属粉末的化学组分中杂质包括O，O≤0.01%。

O过高导致韧性下降，本发明中控制O含量范围为≤0.01%。

作为对上述方式的限定，所述外层合金金属粉末的化学组分按质量百分比计包括：C：1.8%-2.2%，W：0.1%-0.8%，Mo：≤1.8%，Cr：18.2%-23.0%，V：3.0%-5.0%，Nb：0.2%-1.5%，Co：0.1%-0.4%，Si：≤0.8%，Mn：0.2%-0.8%，N：0.05%-0.4%，O≤0.008%，余量为铁和杂质。

为了达到更好的综合性能，本发明的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材其外层合金金属粉末的各化学组分应控制在要求范围之内。

作为对上述方式的限定，所述外层合金的碳化物组成为MC碳化物和M₇C₃碳化物。

作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。

作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的体积分数为2%~6%，至少80Vol%MC碳化物尺寸为0.5~1.1μm，最大MC碳化物尺寸不超过2.5μm。

作为对上述方式的限定，所述M₇C₃碳化物为富Cr碳化物。

作为对上述方式的限定，所述M₇C₃碳化物的体积分数为18%~26%，至少80Vol%MC碳化物尺寸为1~5μm，最大MC碳化物尺寸不超过10μm。

作为对上述方式的限定，所述外层合金的化学组分中杂质还包括S、P，其中S≤0.1%且P≤0.03%。

作为对上述方式的限定，所述外层合金厚度为10~300mm，内层合金厚度为20~300mm。

本发明的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材由具有上述化学组分的金属粉末与内层碳素钢或不锈钢棒材经过热等静压压制结合，形成完全致密且紧密结合的双层合金结构，制备方法包括以下步骤：

1)按照上述外层合金金属粉末的化学组分要求配置钢液，采用粉末冶金工艺制备金属粉末；

2)将金属粉末装填入一端开口的圆柱形热等静压包套，包套直径为30~600mm，包套壁厚度1.3mm-3mm，包套轴心位置固定有碳素钢或不锈钢圆形棒材，棒材直径为20mm-300mm，金属粉末沿中心棒材与包套之间空隙装填并振实；

3)对包套进行抽真空脱气，随后对包套端部进行封焊处理；

4)将包套进行热等静压处理使包套内粉末完全致密固结，随炉冷却；

5)去掉表层包套，进一步锻造变形获得一定形状尺寸的棒材，采用不同热处理得到不同性能的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。

综上所述，采用本发明的技术方案，获得的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其外层合金具有优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，内层合金使用价格低廉的碳素钢或不锈钢对外层合金提供力学支撑，内外双层合金通过热等静压压制，其结构完全致密且紧密结合，既满足了棒材使用时对耐磨性能、耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，提升了产品的市场竞争力，应用广泛。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作更进一步详细说明：

图1为本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材横截面的结构示意图；

图中：1、内层合金；2、外层合金；3、热等静压包套；D1：内层合金直径；D2：热等静压包套直径。

具体实施方式

如图 1所示，热等静压包套3为一端开口的圆柱形，其壁厚为1.3mm-3mm，热等静压包套直径D2为30~600mm；内层合金1为碳素钢或不锈钢圆形棒材，位于热等静压包套3的轴心位置，内层合金直径D1为20mm-300mm；热等静压包套3与内层合金1形成的环形空隙用于装填金属粉末，经过热等静压压制形成外层合金2。

实施例一

本实施例涉及一组粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其组成如表1.1所示：

表1.1实施例一粉末冶金耐磨耐蚀合金棒材的化学组分表

上表中N.A表示未分析。

采用以下制备步骤：

1)按照要求配置钢液，采用粉末冶金工艺制备金属粉末，粉末冶金工艺步骤如下：

a、将钢液装载至钢包，钢液装载重量为1.5-8吨；

b、钢包中钢液上表面覆盖钢包保护渣，钢包保护渣具备隔绝空气以及导电加热功能，雾化制粉过程中对保护渣通电加热，维持钢液过热度为100℃-150℃；钢包底部通过透气孔通入惰性气体如氩气或氮气等对钢液进行搅拌，使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加速有害夹杂上浮去除；

c、钢液通过钢包底部导流管进入中间包，导流管一方面对钢液起到导流作用，减少钢液流转过程产生紊流，避免卷渣及防止夹杂进入下一环节，另一方面导流管保护钢液流避免暴露于空气，防止钢液氧含量上升；钢包钢液温度达到要求时打开钢液导流管，钢液进入中间包，通过控制钢液导流管入口大小控制钢液流量，合适的钢液流量范围为10 kg/min -50 kg/min；钢液进入中间包埋没导流管下端面时对中间包钢液上表面施加中间包钢液保护剂，中间包钢液保护剂防止流经中间包的钢液直接与空气接触，减少钢液氧含量的升高；钢液进入中间包前对中间包预加热至800℃-1200℃，防止钢液进入中间包时局部凝结或导致第二相提前析出，雾化制粉过程中对中间包进行持续补偿加热，维持钢液过热度为100℃-150℃；

d、雾化开始前雾化室内部为氮气保护性气氛，雾化气体选择为氮气，雾化气体压力为1.0MPa-5.0MPa，气体纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm；雾化开始时钢液过热度为100℃-150℃；钢液通过中间包底部开口漏眼进入雾化制粉室，开启雾化气体喷嘴阀门，气体选择为惰性气体，如氩气或氮气，钢液流在惰性气体冲击作用下被破碎成液滴，同时快速冷却为金属粉末，飞行沉降至雾化室底部；

e、金属粉末通过雾化室底部进入储粉罐体，储粉罐体具有气氛保护以及强制降温冷却功能，雾化制粉结束后待储粉罐体内金属粉末冷却到室温，通过保护筛分装置对粉末进行筛分；保护筛分装置腔体内部通有正压惰性保护气体，对金属粉末筛分过程起到保护作用同时防止金属粉末飘扬；筛分后金属粉末进入储粉罐体储装，金属粉末进入储粉罐体前后，储粉罐内部为正压惰性气体保护气氛；

2)将筛分后储粉罐体内金属粉末装填入一端开口的圆柱形热等静压包套，包套直径为30mm-600mm，包套壁厚度1.3mm-3mm，包套轴心位置固定有铸锻工艺制备的碳素钢或不锈钢圆形棒材，棒材直径为20mm-300mm，金属粉末沿中心棒材与包套之间环形空隙装填，装填过程实施振动操作，增加粉末装填密度；

3)粉末装填完成后对包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程包套加热保温在200℃-600℃，包套脱气至0.01Pa后继续加热保温≥2h，随后对包套端部进行封焊处理；

4)将包套进行热等静压处理，热等静压温度1050℃-1200℃，在≥100MPa压力下保持时间≥1h后包套内粉末完全致密固结并与中心棒材紧密结合，随炉冷却；

5)车削去掉表层热等静压包套，根据需要对本发明塑料模具钢进一步锻造变形得到一定形状尺寸，采用不同热处理得到不同性能的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。

获得实施例1.1-1.4的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材。

实施例二

本实施例涉及实施例一的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材的碳化物含量及粒度、热处理硬度、耐磨性能、耐蚀性能的验证，其中碳化物含量及粒度基于扫描电镜获取组织图像进行分析，热处理硬度、耐磨性能分别参考GB/T 230.1、GB/T 12444-2006进行测试, 耐蚀性能采用5%HNO₃+1%HCl腐蚀性溶液室温浸泡测试。

将实施例1.1、1.2的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材外层合金与购买的铸锻工艺制备钢（合金A）和粉末冶金工艺制备钢（合金B）进行对比分析，其结果如下：

表1.1实施例1.1、1.2与合金A、B的成分组成对比

上表中N.A表示未分析。

表2.2实施例1.1、1.2的外层合金与合金A、B的碳化物含量及粒度对比

上表中碳化物粒度为至少80Vol%碳化物的尺寸。

对本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材外层合金的碳化物进行分析，碳化物组成为MC碳化物及M₇C₃碳化物，其中MC碳化物类型为（V、Nb）（C、N），主要成分组成为V、Nb、C、N以及少量Fe、Cr等合金元素。M₇C₃碳化物为富Cr型碳化物。

由表2.2可以看出，本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材外层合金的碳化物中MC碳化物非常细小，至少80Vol%MC碳化物尺寸≤1.1μm，进一步测量统计MC碳化物尺寸，最大MC碳化物不超过2.5μm，由于MC碳化物具有高的硬度，MC碳化物颗粒细小，使外层合金具备优异的可磨削性能和韧性；MC碳化物的体积分数为2%-6%，使外层合金具备优异的耐磨性能；M₇C₃碳化物达到18%-26%，至少80Vol% M₇C₃碳化物尺寸≤5μm，最大M₇C₃碳化物尺寸不超过10μm，M₇C₃碳化物粒度相比MC碳化物偏大，但仍然细小于铸锻工艺制备合金A中M₇C₃碳化物粒度，对比合金B采用粉末冶金工艺制备，碳化物粒度非常细小，大部分MC碳化物为0.5-1.5μm，MC碳化物体积分数为3%-6%。

表2.3实施例1.1、1.2的外层合金与合金A、B的热处理硬度、耐磨性能对比

由表2.3可以看出，经过合适的热处理，本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材外层合金表面硬度达到HRC60以上，能够满足塑料模具钢的应用领域需求，耐磨性能对比结果表明本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材外层合金具有最好的耐磨性能。

采用5%HNO₃+1%HCl溶液在室温条件下对本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材外层合金进行浸泡腐蚀，选用具有高Cr合金组成的合金A作为耐蚀性能对比，两者耐蚀性能对比结果如表2.4所示。

表2.4实施例1.1、1.2的外层合金与合金A的耐蚀性能对比

由表2.4可以看出，本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材的外层合金表现出优异的耐蚀性能。

需要说明的是，根据不同的应用场合对耐磨性能及耐蚀性能的需求，应选择合适的热处理制度，即相同淬火条件下，采用较低的回火制度时，较多Cr元素固溶于基体，能够获得较高耐蚀性能，采用较高的回火制度时，较多Cr合金元素以碳化物形式析出，耐蚀性能将降低同时耐磨性能将升高，总体而言，在一个宽的热处理范围内，本发明合金能够同时具备优异的耐磨及耐蚀性能，从而满足具有磨损及腐蚀工况场合的应用。

综上所述，本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材具备高的耐磨性能同时具备高的耐蚀性能，可应用于注塑机机筒、食品加工以及其它外表面要求耐磨耐蚀零部件。由于本发明粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材采用独特的合金结构，使用廉价的碳素钢或不锈钢棒材部分替代价格昂贵的金属粉末进行制备，节省了贵重合金元素的使用，既满足了棒材使用时对耐磨性能、耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，使产品市场竞争力得到提升。

Claims (10)

1.一种粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，由外层合金和内层合金组成，其特征在于：所述内层合金为碳素钢或不锈钢，外层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金属粉末化学组分按质量百分比计包括：C：1.8%-2.3%，W：0.1%-1.0%，Mo: ≤1.8%，Cr：18.2%-24.0%，V：3.0%-5.2%，Nb：0.2%-1.8%，Co：0.1%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.5%，余量为铁和杂质。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述外层合金金属粉末的化学组分中杂质包括O，O≤0.01%。

3.根据权利要求2所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述外层合金金属粉末的化学组分按质量百分比计包括：C：1.8%-2.2%，W：0.1%-0.8%，Mo：≤1.8%，Cr：18.2%-23.0%，V：3.0%-5.0%，Nb：0.2%-1.5%，Co：0.1%-0.4%，Si：≤0.8%，Mn：0.2%-0.8%，N：0.05%-0.4%，O≤0.008%，余量为铁和杂质。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述外层合金的碳化物组成为MC碳化物和M₇C₃碳化物。

5.根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。

6.根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述MC碳化物的体积分数为2%~6%，至少80Vol%MC碳化物尺寸为0.5~1.1μm，最大MC碳化物尺寸不超过2.5μm。

7.根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述M₇C₃碳化物为富Cr碳化物。

8.根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述M₇C₃碳化物的体积分数为18%~26%，至少80Vol% M₇C₃碳化物尺寸为1~5μm，最大M₇C₃碳化物尺寸不超过10μm。

9.根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述外层合金的化学组分中杂质还包括S、P，其中S≤0.1%且P≤0.03%。

10.根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨损耐腐蚀合金棒材，其特征在于：所述外层合金厚度为10~300mm，内层合金厚度为20~300mm。