CN106222512A

CN106222512A - 一种多元硼化物基超硬双金属螺杆及其制备方法

Info

Publication number: CN106222512A
Application number: CN201610738790.2A
Authority: CN
Inventors: 袁建辉; 单张飞
Original assignee: BINZHOU YITAI SURFACE COATING TECHNIQUE Co Ltd
Current assignee: BINZHOU YITAI SURFACE COATING TECHNIQUE Co Ltd
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2016-12-14

Abstract

本发明公开了一种多元硼化物基超硬双金属螺杆及其制备方法。该双金属螺杆以含铬钼的合金结构钢棒作为芯棒，在芯棒表面包覆一层多元硼化物基金属陶瓷层，再经过精加工制备出成品螺杆。由于多元硼化物基金属陶瓷的断裂韧性高，具有良好的可加工性能，热膨胀系数与钢相近，可以与铬钼合金结构钢很好地结合在一起，而且耐摩擦磨损性能和耐高温、耐腐蚀性能优异，能够极大地提高螺杆的使用性能，延长螺杆的使用寿命，与目前广泛使用的经过渗氮、喷焊等处理的螺杆相比，该双金属螺杆具有良好的应用前景与经济效益。

Description

一种多元硼化物基超硬双金属螺杆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种螺杆制造技术领域，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

螺杆和机筒是塑料成型设备的核心部件，是加热挤出塑化的部分，相对于机筒来说，螺杆更易于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双金属机筒和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，双金属机筒、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。据报道美国95％以上的挤出机和75％以上的注射机都采用了双金属机筒。一家权威机构在对十个欧洲国家中76家厂商、公司生产的单螺杆挤出机情况统计后得出结论：在全部单螺杆挤出机产品中，备有双金属机筒供选择的约占53％，只提供双金属机筒而无选择余地的约占20家；有些厂商在较大规格的挤出机上安装双金属机筒，有些厂商则在全部规格产品上装备双金属螺杆和机筒。

用反应烧结法制备多元硼化物基金属陶瓷是由日本东洋Kohon株式会社发展起来的一种新制备工艺。制备多元硼化物基金属陶瓷时，在原料粉末中不含有多元硼化物，是在一定温度下通过原料粉末之间的烧结得到。由于最高烧结温度下多元硼化物与金属基体共存，所以这种工艺制备钢用多元硼化物覆层材料是可行的。且该覆层工艺具有工艺简单、成本低、制备出覆层材料界面结合良好、覆层可以较厚等优点。目前已经成功地研制出了Mo₂FeB₂、Mo₂NiB₂、WCoB等三种三元硼化物基金属陶瓷。

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。但是，此材料体系的实际应用还需要实验研究，目前尚未实际应用于工业领域。

发明内容

本发明的目的在于为了提高螺杆的耐摩擦腐蚀性能，从而延长其使用寿命，提出一种多元硼化物基超硬双金属螺杆。该螺杆性价比高，芯棒和金属陶瓷层结合强度高，具有优异的抗高温磨损性和耐腐蚀性，同时螺杆可加工性良好，具有良好的应用前景与经济效益。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种多元硼化物基超硬双金属螺杆，以含铬钼的合金结构钢棒作为芯棒，在该芯棒表面包覆一层多元硼化物基金属陶瓷层。

所述的芯棒材料包括15Cr、20Cr、30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、50Cr、12CrMo、15CrMo、20CrMo、30CrMo、35CrMo和42CrMo。

所述的多元硼化物基金属陶瓷包括Mo₂FeB₂-Fe系陶瓷、Mo₂NiB₂-Ni系陶瓷和WCoB-Co系陶瓷。

所述的多元硼化物基金属陶瓷层中的多元硼化物是以含有这种金属陶瓷中元素的单质或合金粉末作为原料，在烧结过程中通过原位反应形成的。

所述的用于合成Mo₂FeB₂-Fe金属陶瓷的单质或合金粉末原料包括Mo粉、Fe-B合金粉、Fe粉、Cr粉和Ni粉；用于合成Mo₂NiB₂-Ni金属陶瓷的单质或合金粉末原料包括Mo粉、Ni-B合金粉、Ni粉和Cr粉；用于合成WCoB-Co金属陶瓷的单质或合金粉末原料包括W粉、Co粉、Co-B合金粉、Ni粉和Cr粉。

所述的原料按照特定的质量份数混合，其中用于合成Mo₂FeB₂-Fe金属陶瓷的比例为：35％～55％Mo、25％～45％Fe-B、5％～20％Fe、1％～5％Cr和1％～5％Ni；用于合成Mo₂NiB₂-Ni金属陶瓷的比例为：35％～55％Mo、25％～45％Ni-B、6％～25％Ni和1％～5％Cr；用于合成WCoB-Co金属陶瓷的比例为：35％～55％W、5％～20％Co、25％～45％Co-B、1％～5％Cr和1％～5％Ni。

所述的原料粉末烧结方法包括真空烧结、热等静压烧结和放电等离子烧结等。

一种多元硼化物基超硬双金属螺杆的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将芯棒放入热等静压专用包套中，并在芯棒和包套的间隙填充原料粉末；

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中的密封容器至特定的温度，并保温一定时间，随炉冷却后去除包套形成高致密度坯料。

步骤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。

所述步骤3的烧结参数为：升温速率为4～12℃/min，烧结温度为1100～1400℃，烧结压力为80～150MPa，保温保压时间为30～60min。

为了表征本发明中一种多元硼化物基超硬双金属螺杆的性能，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} = \frac{2 P}{d^{2}} s i n \frac{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。

综上所述，本发明采用反应烧结方法制备的多元硼化物基超硬双金属螺杆以含铬钼的合金结构钢棒作为芯棒，在该芯棒表面包覆一层多元硼化物基金属陶瓷层，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，该双金属螺杆极大地提高了螺杆的使用性能，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具有综合成本较低、制备过程简单、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、喷焊等处理的螺杆，具有良好的市场前景。

附图说明

图1是本发明双金属螺杆的剖面结构示意图，附图标记1为芯棒；2为多元硼化物基金属陶瓷；

图2是本发明实施例1中制得的双金属螺杆中芯棒的XRD图谱；

图3是本发明实施例1中制得的金属陶瓷的XRD图谱；

图4是本发明实施例1中制得的双金属螺杆中金属陶瓷的微观组织形貌低倍放大图；

图5是本发明实施例1中制得的双金属螺杆中金属陶瓷的微观组织形貌高倍放大图；

图6是本发明实施例1中制得的双金属螺杆中芯棒和金属陶瓷的界面结合情况低倍放大图；

图7是本发明实施例1中制得的双金属螺杆中芯棒和金属陶瓷的界面结合情况局部放大图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明，但本发明绝非限于实施例。

实施例1：

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)。

图3是本实施例中制得的金属陶瓷的XRD图谱，由图可见，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；

由图4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。进一步观察图5发现，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；

由图6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(图7)，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2：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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3：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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4：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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5：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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6：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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7：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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8：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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9：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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10：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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11：

本实施例中螺杆的制备与实施例1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

1.一种多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：以含铬钼的合金结构钢棒作为芯棒，在该芯棒表面包覆一层多元硼化物基金属陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：所述的芯棒材料包括15Cr、20Cr、30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、50Cr、12CrMo、15CrMo、20CrMo、30CrMo、35CrMo和42CrMo。

3.根据权利要求1所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：所述的多元硼化物基金属陶瓷包括Mo₂FeB₂-Fe系陶瓷、Mo₂NiB₂-Ni系陶瓷和WCoB-Co系陶瓷。

4.根据权利要求1所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：所述的多元硼化物基金属陶瓷层中的多元硼化物是以含有这种金属陶瓷中元素的单质或合金粉末作为原料，在烧结过程中通过原位反应形成的。

5.根据权利要求3所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：所述的用于合成Mo₂FeB₂-Fe金属陶瓷的单质或合金粉末原料包括Mo粉、Fe-B合金粉、Fe粉、Cr粉和Ni粉；用于合成Mo₂NiB₂-Ni金属陶瓷的单质或合金粉末原料包括Mo粉、Ni-B合金粉、Ni粉和Cr粉；用于合成WCoB-Co金属陶瓷的单质或合金粉末原料包括W粉、Co粉、Co-B合金粉、Ni粉和Cr粉。

6.根据权利要求5所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：所述的原料按照特定的质量份数混合，其中用于合成Mo₂FeB₂-Fe金属陶瓷的比例为：35％-55％Mo、25％-45％Fe-B、5％-20％Fe、1％-5％Cr和1％-5％Ni；用于合成Mo₂NiB₂-Ni金属陶瓷的比例为：35％-55％Mo、25％-45％Ni-B、6％-25％Ni和1％-5％Cr；用于合成WCoB-Co金属陶瓷的比例为：35％-55％W、5％-20％Co、25％-45％Co-B、1％-5％Cr和1％-5％Ni。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆，其特征是：所述的原料粉末烧结方法包括真空烧结、热等静压烧结和放电等离子烧结等。

8.一种多元硼化物基超硬双金属螺杆的制备方法，其特征是包括如下步骤：

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中的密封容器至特定的温度，并保温一定时间，随炉冷却后去除包套形成高致密度坯料；

9.根据权利要求8所述的多元硼化物基超硬双金属螺杆的制备方法，其特征是：所述步骤3的烧结参数为：升温速率为4-12℃/min，烧结温度为1100-1400℃，烧结压力为80-150MPa，保温保压时间为30-60min。