CN107695342A - 一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末及其制备方法和应用 - Google Patents

一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末及其制备方法和应用，该合金粉末由内核为立方氮化硼，外壳为金属合金粘接相的复合颗粒组成；立方氮化硼质量占25～35％，金属合金粘接相质量占65～75％。其制备方法是：将金属合金粘结相材料在高温炉中熔化成为液态，将预热的固体氮化硼粉末加入熔融的液态金属合金粘结相中，搅拌均匀，使氮化硼颗粒被液态熔融金属合金粘结相材料完全黏附，通过转包至真空气雾化设备中，通过真空气雾化方法制备复合结构立方氮化硼球状合金粉末。本发明的复合结构氮化硼合金球形粉末为热喷涂、粉末冶金等提供优良防腐蚀、耐磨损、抗氧化功能复合粉末，是超耐磨粉末材料的有益补充。

Description

一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合合金粉末材料制备领域，具体涉及一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末的配方及其制备方法。
背景技术
立方氮化硼(C-BN)的结构、性能类似于金刚石，硬度高(硬度为HV72000～98000Mpa，仅次于金刚石)，化学性质稳定，热稳定性高。但脆性大，颗粒间不宜粘接，所以立方BN单独应用的场合并不多。
工业制造中立方BN应用主要有树脂粘接BN砂轮，化学气相沉积制备BN镀层等。
现有的立方氮化硼粉末是纯BN粉末，不含金属粘接剂。
发明内容
针对现有复合立方氮化硼粉末制备技术的不足，本发明的目的在于提出一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末及其制备方法，以克服现有氮化硼粉末球形度差、自身无粘接性、用途不广等技术难题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末，由内核为立方氮化硼，外壳为金属合金粘接相的复合颗粒组成；所述复合颗粒中，立方氮化硼质量占25～35％，金属合金粘接相质量占65～75％。
所述金属合金粘接相为以下A、B、C三种组分的一种：
组分A的质量百分比组成为：0.4～0.7％的C，12.5～13.5％的Cr，10.5～13.5％的Fe，3.0～4.0％的Si，2.5～3.0％的B，≤2.9％的Mo和余量的Ni；
组分B的质量百分比组成为：1.2～1.4％的C，22.0～28.5％的Cr，4.5～8.0％的W，2.0～3.0％的Fe，2.0～3.0％的Ni，≤1.0％的Mo和余量的Co；
组分C的质量百分比组成为：1.6～2.6％的C，11.5～13.5％的Cr，2.0～3.0％的Mo，0.55～0.75％的Mn，0.35～0.75％的Si和余量的Fe。
所述立方氮化硼的粒度为5～25μm，形状为不规则多面体，化学组成为56.4％N，43.6％B。
一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
按照A、B、C三种组分，将制备金属合金粘结相的原材料在高温炉熔化成为液态，将预热的固体氮化硼粉末加入熔融的液态金属合金粘结相中，搅拌均匀，使立方氮化硼颗粒被液态熔融金属合金粘结相材料完全黏附，通过转包至真空气雾化设备中，通过真空气雾化方法制备复合结构立方氮化硼球状合金粉末。
若金属合金粘结相为组分A，则：
按照组分A的组成，将不锈钢、硅铁、硼铁、镍混合，加热至1250～1450℃熔融为高温液态。
若金属合金粘结相为组分B，则：
按照组分B的组成，将钴铬钨、铁基合金、镍混合，加热至1150～1300℃熔融为高温液态。
若金属合金粘结相为组分C，则：
按照组分C的组成，将高铬铸铁、铁基合金混合，加热至1250～1450℃熔融为高温液态。
所述固体氮化硼粉末的预热温度为200～300℃，预热后的固体氮化硼粉末加入高温金属合金粘结相材料熔融液体，经机械充分搅拌混合，去除表面浮渣，以比熔炼温度过热100～200℃转移至浇包。
所述真空气雾化方法制备复合结构立方氮化硼球状合金粉末是：采用氩气对浇包流出的合金粘结相-氮化硼混合熔融液滴进行雾化，冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
上述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末能够用于机械零部件制造方面，不仅能制造单一氮化硼合金零件，还能与多种牌号钢复合，制造外层氮化硼或内层氮化硼的复合材料零件。本发明的复合BN合金粉末为热喷涂、粉末冶金等提供优良防腐蚀、耐磨损、抗氧化功能复合粉末，是超耐磨粉末材料的有益补充，为制造高性能机械零部件提供了优质粉末材料。
有益效果：本发明提供的复合结构立方氮化硼球状合金粉末是一种核—壳结构，核材料立方氮化硼熔点3000℃，壳材料A、B、C粘结相合金熔点1150～1450℃。这种复合粉末将使BN的应用范围扩展，可以使用热喷涂、3D打印、粉末冶金等方法制备含BN材料的高性能机械设备零部件。
本发明的复合结构立方氮化硼球状合金粉末，可以通过粉末成型(如热喷涂、粉末冶金、热等静压等)方法在粘结相材料熔点1150～1450℃温度以下以半熔融态制备含氮化硼基的机械零部件，拓展了如气相沉积或树脂粘接方法制备氮化硼部件应用领域。不仅能制造单一氮化硼合金零件，还能与多种牌号钢复合，制造外层氮化硼或内层氮化硼的复合材料零件。
本发明的复合结构立方氮化硼球状合金粉末为热喷涂、粉末冶金等提供优良防腐蚀、耐磨损、抗氧化功能复合粉末，是超耐磨粉末材料的有益补充，为制造高性能机械零部件提供了优质粉末材料。
具体实施方式
下面结合一些具体实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1：按照金属合金粘结相的组分A的要求，将不锈钢、硅铁、硼铁、镍作为原材料混合，在感应炉加热至1270℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量百分比组成为0.65％C，12.5％Cr，11.5％Fe，3.5％Si，2.5％B，2.0％Mo和余量Ni。
将粒度15μm的立方氮化硼加热至200℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1370℃转移至浇包。金属合金粘结相与立方氮化硼的质量比为70:30。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为3.5Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例2：按照金属合金粘结相的组分A的要求，将不锈钢、硅铁、硼铁、镍作为原材料混合，在感应炉加热至1250℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量百分比组成为0.4％C，13.0％Cr，13.5％Fe，4％Si，2.7％B，2.5％Mo和余量Ni。
将粒度为25μm的立方氮化硼加热至250℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1450℃转移至浇包。金属合金粘结相与立方氮化硼的质量比为65:35。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为3.5Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例3：按照金属合金粘结相的组分A的要求，将不锈钢、硅铁、硼铁、镍作为原材料混合，在感应炉加热至1450℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量百分比组成为0.7％C，13.5％Cr，10.5％Fe，3％Si，3％B，2.9％Mo和余量Ni。
将粒度为5μm的立方氮化硼加热至300℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1600℃转移至浇包。金属合金粘结相与立方氮化硼的质量比为75:25。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为3.5Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例4：按照金属合金粘结相的组分B的要求，将钴铬钨、铁基合金、镍作为原材料混合，在感应炉加热至1200℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量组成为1.2％C，24.5％Cr，6.5％W，2.0％Fe，3.0％Ni，0.9％Mo和余量Co。
将粒度20μm立方氮化硼加热至300℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1350℃转移至浇包。粘结相材料与氮化硼的质量比为65:35。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为3.0Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例5：按照金属合金粘结相的组分B的要求，将钴铬钨、铁基合金、镍作为原材料混合，在感应炉加热至1150℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量组成为1.4％C，22.0％Cr，8.0％W，3.0％Fe，2.5％Ni，1.0％Mo和余量Co。
将粒度25μm立方氮化硼加热至280℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1350℃转移至浇包。粘结相材料与氮化硼的质量比为70:30。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为3.0Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例6：按照金属合金粘结相的组分B的要求，将钴铬钨、铁基合金、镍作为原材料混合，在感应炉加热至1300℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量组成为1.3％C，28.5％Cr，4.5％W，2.5％Fe，2.0％Ni，0.5％Mo和余量Co。
将粒度10μm立方氮化硼加热至220℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1400℃转移至浇包。粘结相材料与氮化硼的质量比为75:25。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为3.0Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例7：按照金属合金粘结相的组分C的要求，将高铬铸铁、铁基合金作为原材料混合。在感应炉加热至1250℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量组成为2.0％C，12.5％Cr，2.0％Mo，0.65％Mn，0.35％Si和余量Fe。
将粒度10μm立方氮化硼加热至250℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1350℃转移至浇包。粘结相材料与氮化硼的质量比为75:25。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为1.8Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例8：按照金属合金粘结相的组分C的要求，将高铬铸铁、铁基合金作为原材料混合。在感应炉加热至1350℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量组成为1.6％C，13.5％Cr，2.5％Mo，0.75％Mn，0.50％Si和余量Fe。
将粒度5μm立方氮化硼加热至210℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1500℃转移至浇包。粘结相材料与氮化硼的质量比为70:30。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为1.8Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
实施例9：按照金属合金粘结相组分C的要求，将高铬铸铁、铁基合金作为原材料混合。在感应炉加热至1450℃熔融为高温液态，获得粘结相材料质量组成为2.6％C，11.5％Cr，3.0％Mo，0.55％Mn，0.75％Si和余量Fe。
将粒度25μm立方氮化硼加热至280℃，加入上述粘结相液态熔融体中，经搅拌均匀和表面除渣后，升温至1650℃转移至浇包。粘结相材料与氮化硼的质量比为65:35。
浇包内合金粘结相-氮化硼混合熔融液以重力方式流出高温液滴，导流管直径6mm，氩气气流以环形喷吹高温液滴，气流与液滴滴落中心线成30度夹角，环形氩气喷嘴直径0.2mm，间距5mm，压力为1.8Mpa。冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合结构立方氮化硼球状合金粉末，其特征在于：由内核为立方氮化硼，外壳为金属合金粘接相的复合颗粒组成；所述复合颗粒中，立方氮化硼质量占25～35％，金属合金粘接相质量占65～75％。
2.根据权利要求1所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末，其特征在于：所述金属合金粘接相为以下A、B、C三种组分的一种：
组分A的质量百分比组成为：0.4～0.7％的C，12.5～13.5％的Cr，10.5～13.5％的Fe，3.0～4.0％的Si，2.5～3.0％的B，≤2.9％的Mo和余量的Ni；
组分B的质量百分比组成为：1.2～1.4％的C，22.0～28.5％的Cr，4.5～8.0％的W，2.0～3.0％的Fe，2.0～3.0％的Ni，≤1.0％的Mo和余量的Co；
组分C的质量百分比组成为：1.6～2.6％的C，11.5～13.5％的Cr，2.0～3.0％的Mo，0.55～0.75％的Mn，0.35～0.75％的Si和余量的Fe。
3.根据权利要求1所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末，其特征在于：所述立方氮化硼的粒度为5～25μm，形状为不规则多面体，化学组成为56.4％N，43.6％B。
4.一种权利要求1-3任一所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
按照A、B、C三种组分，将制备金属合金粘结相的原材料在高温炉熔化成为液态，将预热的固体氮化硼粉末加入熔融的液态金属合金粘结相中，搅拌均匀，使立方氮化硼颗粒被液态熔融金属合金粘结相材料完全黏附，通过转包至真空气雾化设备中，通过真空气雾化方法制备复合结构立方氮化硼球状合金粉末。
5.根据权利要求4所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，其特征在于：若金属合金粘结相为组分A，则：
按照组分A的组成，将不锈钢、硅铁、硼铁、镍混合，加热至1250～1450℃熔融为高温液态。
6.根据权利要求4所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，其特征在于：若金属合金粘结相为组分B，则：
按照组分B的组成，将钴铬钨、铁基合金、镍混合，加热至1150～1300℃熔融为高温液态。
7.根据权利要求4所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，其特征在于：若金属合金粘结相为组分C，则：
按照组分C的组成，将高铬铸铁、铁基合金混合，加热至1250～1450℃熔融为高温液态。
8.根据权利要求4所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，其特征在于：所述固体氮化硼粉末的预热温度为200～300℃，预热后的固体氮化硼粉末加入高温金属合金粘结相材料熔融液体，经机械充分搅拌混合，去除表面浮渣，以比熔炼温度过热100～200℃转移至浇包。
9.根据权利要求4所述的复合结构立方氮化硼球状合金粉末的制备方法，其特征在于：所述真空气雾化方法制备复合结构立方氮化硼球状合金粉末是：采用氩气对浇包流出的合金粘结相-氮化硼混合熔融液滴进行雾化，冷却后形成核-壳结构的复合氮化硼球形粉末。
10.权利要求1-3任一所述的复合BN合金粉末机械零部件制造方面的应用。
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