CN104911428B - 一种耐磨钼合金顶头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种耐磨钼合金顶头及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。将质量分数为62～67％的金属钼粉、8～12％的Al₂O₃粉、10～12％的Y₂O₃粉、8～10％的钛粉、3～5％的锆粉、2～2.5％的碳粉、0.08～0.16％的硼粉在球磨机内进行球磨，得到混合均匀的预合金粉末，并对预合金粉末进行模压压制成坯料，然后将坯料在1600～2400℃下进行烧结，烧结10～20h后随炉冷却，得到耐磨钼合金顶头。

Description

一种耐磨钼合金顶头及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种顶头及其制备方法，特别涉及一种耐磨钼合金顶头及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

钢管生产在国民经济中占有重要的地位，世界各国都十分重视钢管生产技术的发展。目前世界钢管年产量已超过8000万吨，在发达国家的钢材消耗中，钢管的比例约占6％-11％。无缝钢管主要用于高温、高压、耐腐蚀环境或要求较高或重要的工业部门，尽管一些输送管道及结构管已部分被焊管所替代，但是随着价廉的连铸坯直接在无缝钢管生产中推广使用，无缝钢管的生产将得到更快的发展。目前，我国热轧无缝钢管轧机的总生产能力约2000万吨，随着国民经济的发展，我国无缝钢管轧机的生产能力还将会显著增加。穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的工具之一。在穿孔过程中，顶头直接与高温管坯内壁相接触，承受着巨大的轴向、径向与切向应力，因高温和摩擦的共同作用，顶头极易破坏，并使管坯表面受到损伤，导致成品管表面质量差，故提高顶头的寿命是保证高的生产率和钢管质量的重要因素之一。

为了提高顶头使用寿命，中国发明专利CN101942610A公开了一种热轧无缝钢管穿孔顶头及其加工方法，是由以下组分加工而成，各组分含量(总重量按100％计)为：C：0.2％～0.3％，Si：0.3％～0.5％，Mn：0.4％～0.6％，Cr：1.0％～2.0％，Ni：1.5％～4.0％，W：2.5％～3.0％，Mo：0.5％～1.5％，Co：2.0％～4.0％，Yb：0.05％～0.1％，余量为铁及不可避免的微量杂质。浇注前，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互垂直或平行重合，顶头鼻部朝外或朝下；浇注时，金属液顺序进入顶头模具型腔，离心铸造机转速不低于220rpm，待钢液全部注入模具型腔，在220～300rpm范围内调整离心铸造机转速。该发明具有组织均匀致密、高温强度好、热疲劳性能优异的优点，使用寿命是同类国内外产品的1.5～2倍。中国发明专利CN103160749A还公开了一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，它解决了现有技术中无缝钢管穿孔顶头耐磨性、耐温性不够，寿命不长等问题。该发明的无缝钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.30％-0.42％，铬(Cr)：11.5％-12.4％，锰(Mn)：1.5％-2.0％，钼(Mo)：0.1％-0.5％，钒(V)：0.4％-0.6％，铼(Re)：0.2％-0.3％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。该发明还提供了制备上述无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其方法包括以下步骤：配料，锻造，退火热处理，表面氧化处理。该发明的无缝钢管穿孔顶头耐磨性好，耐高温，使用寿命长。中国发明专利CN101391265还公开了一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料及其制备方法，属于金属管轧机的应用领域。利用负压铸型型腔内的燃烧合成化学反应，在顶头前沿鼻部形成厚度为15～20毫米厚度的TiC陶瓷-金属增强区域；陶瓷增强区域和顶头之间的结合为冶金结合。工艺为：1)将Ti粉、C粉和Ni粉作为反应物，按照一定比例混合均匀并压制成坯料；2)将除气后的压坯置于负压铸型型腔内顶头需要增强的对应位置，并保持负压砂箱的真空抽力，随后将高温热作模具钢液浇注到铸型内，引燃压坯内的化学反应，形成TiC陶瓷颗粒，从而制备出顶头铸件毛坯；3)将顶头铸件毛坯进行车削或磨削等机械加工，使其达到顶头设计尺寸要求。中国发明专利CN101070581还公开了不锈钢无缝钢管穿孔顶头，主要是由碳、铁、铬等元素所组成，其中C为0.19-0.39％，Cr为0.2-1.4％，Ni为0.35-2.0％，Co为0.3-1.8％，Si为0.1-1.0％，Mn为0.1-0.9％，Mo为0.3-2.3％，W为0.5-4％，Nb为0.1-1.3％，其余为Fe和少量其它元素。由于加入了合金元素，使穿孔顶头的强度得到了大幅度的提高，不但可以满足穿孔所必须的刚度，同时还具有良好的耐温性能，在穿制不锈钢无缝钢管时，使用寿命是同类国外产品的2至3倍，从而大幅度地降低了生产成本。中国发明专利还公开了一种无缝钢管穿孔机顶头表面堆焊强化的方法，顶头可以是铸件或锻件，其首先对顶头坯料进行初机加工，顶头头部切削出堆焊厚度并身体部位保留精加工余量；作常规探伤处理存在缺陷返工处理；采用Ni基、Co基或金属陶瓷合金材料对顶头头部进行堆焊形成堆焊层并采用等离子弧堆焊方法，保证堆焊层与顶头头部基体充分熔合；将顶头作车削加工至最终尺寸要求并探伤处理，存在缺陷返工处理；将顶头进行表面热氧化处理形成氧化膜。利用该方法可显著提高顶头表面的强度，改善了顶头的使用性能，降低了顶头的制作成本，提高了顶头的使用寿命，保证了无缝钢管轧制质量。中国发明专利CN101596551还公开了一种双合金涂层无缝钢管顶头，其特征在于：在顶头(1)的鼻部(2)、工作部(4)激光宽带熔覆镍基或钴基合金涂层，在矫直部(5)、平行部(6)激光宽带熔覆铁基合金涂层，获得一种双合金涂层无缝钢管顶头；所述的镍基合金，其化学成分为C：0.4－0.5wt％、Cr：15－18wt％、Si：2－3wt％、W：8－10wt％、Mo：2.5－3.5wt％、B：1.5－2.0wt％、余量Ni；所述的钴基合金，其化学成分为C：0.3－0.4wt％、B：2.0－2.5wt％、Cr：20－21wt％、Fe：2－3wt％、Mo：2.5－3.5wt％、Ni：3－4wt％、Si：1.5－2.0wt％、W：8－10wt％、余量Co；所述的铁基合金，其化学成分为C：0.60－0.70wt％、B：1.5－2.0wt％、Cr：25－28wt％、Ni：2－3wt％、Si：1.0－1.5wt％、余量Fe。中国发明专利CN102534604A还公开了一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法。将高能微弧合金化技术引入到穿孔顶头表面涂层的制备技术中，首先采用热压烧结法制成稀土金属钇改性的碳化铬电极，然后在氩气保护下采用高能微弧合金化设备在穿孔顶头上沉积碳化铬涂层，控制涂层制备过程中的氩气流量和设备输出电压、频率、功率及沉积时间，从而实现在顶头表面制备出性能优异的对涂层，提高穿孔顶头的使用寿命。中国发明专利CN101879593A还公开了一种高密度钼合金顶头及其制备方法，其特征在于：所述的具有高密度合金顶尖的钼顶头含有如下重量组份的原料：钼95.8％、Ti 2％、Zr 0.2％、Nb 0.15％、Cr 0.55％、V 1.1％、Ni 0.05％、C 0.15％，制备方法为：步骤一、选配原料：按照以下重量组份的原料进行配制；Fmo－1标准、粒度为2－3μm的钼粉95.8％、Ti 2％、Zr 0.2％、Nb 0.15％、Cr 0.55％、V 1.1％、Ni 0.05％、C0.15％；步骤二、将步骤一中所得的原料在混料机中搅拌24小时，并结合振动筛混合；步骤三、将步骤二中所得的混合料，装入压力成型设备施加200MPa压力压制成坯料；步骤四、将步骤三中获得的压制坯料置于中频炉中，逐渐升温至1970℃，保持5小时后降至室温；步骤五、将步骤四中获取的钼顶头进行车削成型即成。中国发明专利CN1865476还公开了钨合金顶头，主要是为解决现有的钼合金顶头造价高，使用寿命短，穿管数量少的问题而研制的。特征是它的化学组成成份以钨为主，并含有占总重量0.5－5％的碳化钛和/或占总重量0.5－5％的碳化锆。也可以再加入适量的碳及其它微量元素。优点是使用寿命长，穿管数量多，造价低。

但是，目前的各种铸造顶头制造方法，普遍存在顶头使用寿命低，而各种表面处理顶头则存在复合层与基体结合强度低，使用中复合层易脱落，从而降低顶头使用寿命，采用粉末冶金方法制造的钼合金、钨合金顶头，则存在脆性大，顶头使用安全性差等不足。

发明内容

本发明是在钼合金顶头基础上，通过多元素掺杂和陶瓷颗粒强化，达到降低钼合金脆性，提高钼合金顶头使用寿命的目的。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明耐磨钼合金顶头及其制备方法是：

①先将质量分数为62～67％的金属钼粉、8～12％的Al₂O₃粉、10～12％的Y₂O₃粉、8～10％的钛粉、3～5％的锆粉、2～2.5％的碳粉、0.08～0.16％的硼粉在球磨机内进行球磨，球磨3～8h，得到混合均匀的预合金粉末，其中颗粒尺寸为25～30μm的钼粉占金属钼粉总质量分数的75～80％，颗粒尺寸为50～150nm的钼粉占金属钼粉总质量分数的25～20％，Al₂O₃粉的颗粒尺寸为200～500nm，Y₂O₃粉、钛粉、锆粉、碳粉和硼粉的颗粒尺寸均为12～20μm；

②将步骤①球磨后的预合金粉末进行模压压制成形，压强为180～350MPa，保压时间为0.5～2.5分钟，压制成坯料；

③烧结：将坯料在1600～2400℃下进行烧结，采用真空氛围、或采用氢气或惰性气体作为保护气体，烧结10～20h后随炉冷却，得到耐磨钼合金顶头。

发明效果：

本发明耐磨钼合金顶头与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明耐磨钼合金顶头硬度高，大于500Hv；

2)本发明耐磨钼合金顶头耐磨性好，使用寿命比高镍铬合金钢顶头提高3～4倍，比普通钼合金顶头可以提高100～120％；

3)本发明耐磨钼合金顶头强度高，韧性好，使用安全可靠。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

一种耐磨钼合金顶头，其具体制备工艺步骤是：

①先将质量分数为64.84％的金属钼粉、8％的Al₂O₃粉、12％的Y₂O₃粉、8％的钛粉、5％的锆粉、2％的碳粉、0.16％的硼粉在球磨机内进行球磨，球磨8h，得到混合均匀的预合金粉末，其中颗粒尺寸为25～30μm的钼粉占金属钼粉总质量分数的80％，颗粒尺寸为50～150nm的钼粉占金属钼粉总质量分数的20％，Al₂O₃粉的颗粒尺寸为200～500nm，Y₂O₃粉、钛粉、锆粉、碳粉和硼粉的颗粒尺寸均为12～20μm；

②将步骤①球磨后的预合金粉末进行模压压制成形，压强为180MPa，保压时间为2.5分钟，压制成坯料；

③烧结：将坯料在2400℃下进行烧结，采用真空气氛，烧结10h后随炉冷却，得到耐磨钼合金顶头，其硬度为536Hv。

实施例2：

一种耐磨钼合金顶头，其具体制备工艺步骤是：

①先将质量分数为62.42％的金属钼粉、12％的Al₂O₃粉、10％的Y₂O₃粉、10％的钛粉、3％的锆粉、2.5％的碳粉、0.08％的硼粉在球磨机内进行球磨，球磨3h，得到混合均匀的预合金粉末，其中颗粒尺寸为25～30μm的钼粉占金属钼粉总质量分数的75％，颗粒尺寸为50～150nm的钼粉占金属钼粉总质量分数的25％，Al₂O₃粉的颗粒尺寸为200～500nm，Y₂O₃粉、钛粉、锆粉、碳粉和硼粉的颗粒尺寸均为12～20μm；

②将步骤①球磨后的预合金粉末进行模压压制成形，压强为350MPa，保压时间为0.5分钟，压制成坯料；

③烧结：将坯料在1600℃下进行烧结，采用氢气作为保护气氛，烧结20h后随炉冷却，得到耐磨钼合金顶头，其硬度为547Hv。

实施例3：

一种耐磨钼合金顶头，其具体制备工艺步骤是：

①先将质量分数为65％的金属钼粉、8.7％的Al₂O₃粉、11％的Y₂O₃粉、9％的钛粉、4％的锆粉、2.2％的碳粉、0.10％的硼粉在球磨机内进行球磨，球磨5h，得到混合均匀的预合金粉末，其中颗粒尺寸为25～30μm的钼粉占金属钼粉总质量分数的78％，颗粒尺寸为50～150nm的钼粉占金属钼粉总质量分数的22％，Al₂O₃粉的颗粒尺寸为200～500nm，Y₂O₃粉、钛粉、锆粉、碳粉和硼粉的颗粒尺寸均为12～20μm；

②将步骤①球磨后的预合金粉末进行模压压制成形，压强为250MPa，保压时间为1.5分钟，压制成坯料；

③烧结：将坯料在2000℃下进行烧结，采用氩气惰性气体作为保护气氛，烧结15h后随炉冷却，得到耐磨钼合金顶头，其硬度为529Hv。

本发明耐磨钼合金顶头再结晶温度比纯钼高300-400℃，高温下的强度较其他钼材料强度高，硬度大于500Hv，耐磨性更好，本发明耐磨钼合金顶头使用寿命比高镍铬合金钢顶头提高3～4倍，比普通钼合金顶头可以提高100～120％，且使用安全可靠，推广应用具有良好的社会和经济效益。

Claims (2)

1.一种耐磨钼合金顶头的制备方法，其特征在于，采用以下步骤：

①先将质量分数为62～67％的金属钼粉、8～12％的Al₂O₃粉、10～12％的Y₂O₃粉、8～10％的钛粉、3～5％的锆粉、2～2.5％的碳粉、0.08～0.16％的硼粉在球磨机内进行球磨，球磨3～8h，得到混合均匀的预合金粉末，其中颗粒尺寸为25～30μm的钼粉占金属钼粉总质量分数的75～80％，颗粒尺寸为50～150nm的钼粉占金属钼粉总质量分数的25～20％，Al₂O₃粉的颗粒尺寸为200～500nm，Y₂O₃粉、钛粉、锆粉、碳粉和硼粉的颗粒尺寸均为12～20μm；

②将步骤①球磨后的预合金粉末进行模压压制成形，压强为180～350MPa，保压时间为0.5～2.5分钟，压制成坯料；

③烧结：将坯料在1600～2400℃下进行烧结，采用真空氛围、或采用氢气或惰性气体作为保护气体，烧结10～20h后随炉冷却，得到耐磨钼合金顶头。

2.按照权利要求1的方法制备得到的耐磨钼合金顶头。