CN108247063A - 一种基于热等静压工艺的双金属复合管材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热等静压工艺的双金属复合管材的制备方法，属于热等静压成型技术领域。所述的制备方法包括如下步骤：第一步，气雾化合金粉末制备；第二步，基材管选取和准备；第三步，在基材管外面安装外包套；第四步，装粉、振动、封盖；第五步，脱气；第六步，热等静压烧结；第七步，直接顶针顶住基材管的内孔进行外圆车光，去掉外包套、上环盖和下环盖，得到本发明的双金属复合管材。本发明所述双金属复合管材具有高耐磨、高耐腐蚀的优点，解决目前双金属棒材机加工定位困难问题，同时节约材料与机加工费用。
Description
技术领域
本发明属于热等静压成型技术领域，具体涉及一种基于热等静压工艺的双金属复合管材的制备方法。
背景技术
随着全球橡塑行业、化工行业、LED行业、线缆行业、木塑行业、建材行业、饲料行业、食品行业的快速发展，这些行业大量地装备双螺杆挤出机，由于添加物、填充物的不断加入，改性塑料已经成为塑料发展的趋势，对双螺杆挤出机的螺纹元件提出了极高的要求、需要更加耐磨、耐腐蚀的原材料提供螺纹元件的使用寿命，减少挤出机的停机检修维护次数，提高产量。
目前我国双螺杆挤出机的螺杆元件，如捏合块或螺纹套，该螺杆元件的材料基本采用高速工具钢(W6Mo5Cr4V2)和氮化钢(38CrMoAl)圆棒制成，例如，双螺杆挤出机采用高速工具钢或氮化钢制成的捏合块或螺纹套进行挤出工作时，当在面对挤压物料中添加有大量玻纤、陶瓷、树脂、尼龙、碳酸钙、强酸强碱等填充物时，该捏合块或螺纹套会很快被磨损和腐蚀，进而造成挤出机使用寿命降低，以致于1～2个月就必须得更换捏合块或螺纹套，进而使该双螺杆挤出机频繁停机维修，影响该双螺杆挤出机工作稳定性。
目前市场上有进口的热等静压粉末冶金双金属棒材，可以提高螺纹元件的使用寿命，但是由于热等静压双金属棒材机加工时，涉及到芯棒的定位问题，加工效率低。使机加工成本急剧增加，同时材料成本也昂贵，限制了热等静压双金属棒材的产业化应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于热等静压工艺的双金属复合管材的制备方法及其制品，所述制品具有高耐磨、高耐腐蚀的优点，解决目前双金属棒材机加工定位困难问题，同时节约材料与机加工费用。
本发明所提供的一种基于热等静压工艺的双金属复合管材制备方法，包括以下步骤；
第一步，气雾化合金粉末制备：采用气雾化法制备预合金化的铁基高速钢粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、高钒工具钢以及不同重量比例增强相(包括WC/TiC/TiN)混合的复合粉末。
第二步，基材管选取和准备：基材管作为复合管材的重要部分，其尺寸与材质根据实际产品图纸设计，所述基材管的材质包含低碳钢、不锈钢、钛合金和镍基合金等。在双螺杆螺纹元件中，选择低碳钢或者不锈钢系列作为基材管。基材管的内孔与壁厚根据不同产品设计并预留后续机加工余量。
第三步，在基材管外面安装外包套：所述的外包套为圆管结构，采用低碳钢材质，所述外包套的壁厚2-4mm，外包套的内径大于基材管的外径。通过定位工装固定好基材管与外包套，然后在外包套和基材管之间的环形部分安装下环盖密封，并通过氩弧焊将下环盖焊接在基材管和外包套上。
第四步，装粉、振动、封盖：通过装粉工装，在基材管和外包套之间的环形空间内装入合金粉末。为了保证装粉密度与收缩尺寸的控制，通过跌落式振动平台振实粉末。然后氩弧焊将上环盖焊接在基材管和外包套之间，密封合金粉末。所述的上环盖上固定连接了脱气管，连通合金粉末空间和外界真空环境，用于烧结过程的脱气。
第五步，脱气：将第四步装粉后的基材管放入井式加热炉中，抽真空，真空度需要达到<1×10-3Pa。温度升高至300℃～500℃开始脱气，脱气时间：28～48小时。
第六步，热等静压烧结：脱气后的基材管和外包套使用工装桶放入热等静压炉中进行热等静压烧结，烧结温度根据不同的合金粉末成分，选择不同的热等静压烧结制度。选取温度范围：900℃～1300℃；压力100Mpa～150Mpa，保温保压时间4小时。
第七步，直接顶针顶住基材管的内孔进行外圆车光，去掉外包套、上环盖和下环盖，得到本发明的双金属复合管材。
本发明的优点在于：
(1)本发明省掉了繁琐的双金属棒材中心定位问题，直接通过基材管内孔定位。
(2)花键槽加工在低碳钢或者不锈钢的基材管上，提高了双金属复合管材产品的韧性。
(3)工作的螺旋部分使用高性能粉末极大提高产品的耐磨性。
附图说明
图1为本发明的基于热等静压工艺的双金属复合管材的制备方法流程图。
图2为本发明中热等静压工艺制备双金属复合管材的原理示意图。
图3为本发明制备的双金属复合管材横截面结构示意图。
图中：
1.基材管；2.外包套；3.合金粉末；4.下环盖；5.上环盖；6.脱气管；7.合金层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种基于热等静压工艺的双金属复合管材制备方法，结合图1所示流程，具体步骤如下：
第一步，气雾化合金粉末制备：
气雾化制备的高钒工具钢粉末中元素成分质量百分数如下：
Cr：4-10％；Mo：1-5％；C：2.5-5％；V：9-20％；余下的为Fe。
粉末粒度为：0-500um；氧含量<200ppm；
第二步，基材管准备：选择双螺杆STS65机型，如图2所示，基材管1用普通45号钢管，外径R比螺纹原件的最大外径大至少6mm；保证花键槽全部是加工在基材管1上面。优选的，所述的基材管1需要选择冷拔精密管。
第三步，外包套2准备与外包套2焊接：外包套2采用低碳钢材质，壁厚d＝2.5mm；并准备环形的上环盖5与下环盖4；先通过定位工装固定好基材管1与外包套2，然后套上下环盖4，通过氩弧焊将下环盖4焊接在基材管1和外包套2之间的环形部分，实现所述环形部分的底部密封。
第四步，装粉、振动、封盖：通过装粉工装，把气雾化合金粉末3填在外包套2和基材管1之间的环形部分中；为了保证装粉密度与收缩尺寸的控制，通过跌落式振动平台振实合金粉末3。然后氩弧焊封上环盖5，所述上环盖5上已经焊接好脱气管6，所述的脱气管6连通合金粉末3和外界真空环境。
第五步，脱气：把密封好的外包套2通过脱气管6与真空系统连接，放入井式加热炉中。脱气温度一般500℃。升温速率为100℃/h，真空度需要达到1×10-3Pa。出炉，封脱气管6。
第六步，热等静压烧结：脱气后的外包套2和基材管1组合使用工装桶放入热等静压炉中进行热等静压烧结，烧结温度为1150℃，压力为150Mpa，保温保压时间为4小时。
第七步，热等静压烧结后，去除外包套、上环盖和下环盖，得到双金属复合管材。所述的双金属复合管材的内层基底为45号钢，外层为高钒工具钢材料层。
下料加工的时候，直接顶针顶住基材管1内孔进行外圆车光即可，加工相应螺纹等形状即可。
实施例2：
一种基于热等静压工艺的双金属管制备方法，结合图1所示流程，具体步骤如下：
第一步，合金粉末制备：气雾化制备的耐磨耐腐蚀的不锈钢粉末成分如下：
Cr：20-30％；Mo：1-5％；C：2.5-5％；V：3-10％；余下的为Fe。
粉末粒度为：0-500um；氧含量<200ppm。
第二步，基材管准备：选择双螺杆STS75机型，基材管1用304不锈钢钢管，外径R比螺纹原件的最大外径大3mm；保证花键槽全部是304不锈钢管上面。为了保证产品尺寸精度，此304不锈钢管需要选择冷拔精密管。
第三步，外包套安装：外包套2采用低碳钢材质、壁厚d＝2.5mm；并准备环形的上环盖5与下环盖4。先通过定位工装固定好基材管1与外包套2，然后套上下环盖4，通过氩弧焊将下环盖4焊接在基材管1和外包套2中间的环形部分一端。
第四步，装粉和密封：通过装粉工装，装入第一步准备的合金粉末3。为了保证装粉密度与收缩尺寸，通过跌落式振动平台振实粉末。然后氩弧焊焊接上环盖5。在所述的上环盖5上固定连接了脱气管6，所述的脱气管6焊接在上环盖5上的通孔。
第五步，脱气：把密封连接后的基材管1和外包套2结构通过脱气管6与真空系统连接，放入井式加热炉中。设置温度500℃，升温速率为100℃/h，真空度需要达到1×10-3Pa，开始脱气，脱气时间28小时。出炉，封脱气管6。
第六步，热等静压烧结：脱气完的基材管1和外包套2组合使用工装桶放入热等静压炉中进行热等静压烧结，烧结温度1130℃，压力130Mpa，保温保压4小时。
第七步，烧结完成的组合结构，直接顶针顶住基材管的内孔进行外圆车光，去掉上环盖5、下环盖4和外包套2，得到本发明的具有双金属层的复合管材，基材管1为304不锈钢材料，外层为热等静压烧结得到的不锈钢层。
实施例3：
一种基于热等静压工艺的双金属管制备方法，步骤如下：
第一步，合金粉末制备：气雾化制备的耐磨耐腐蚀的镍基合金粉末成分如下：
Cr：20-30％；Mo：1-5％；C：0.5～1.5％；B：3-10％；Si:1-5％余下的为Ni。
粉末粒度为：0-500um；氧含量<200ppm；
第二步，基材管准备：选择双螺杆STS75机型，基材管1用45号钢管，外径比螺纹原件的最大外径大3mm；保证花键槽全部是45号钢管上面。为了保证产品尺寸精度，此45号钢管需要选择冷拔精密管。
第三步，外包套2的安装和密封：外包套2采用低碳钢材质、壁厚d＝2.5mm；先通过定位工装固定好基材管1与外包套2，然后套上下环盖4，通过氩弧焊焊接好下环盖4。
第四步，装粉、振动、封盖：通过装粉工装，装入第一步准备的合金粉末。为了保证装粉密度与收缩尺寸的控制，通过跌落式振动平台振实粉末。然后氩弧焊封顶，具体为将上环盖5焊接连接在基材管1和外包套2之间的环形部分，实现对合金粉末3的密封。在所述的上环盖5上事先焊接好脱气管6。
第五步，脱气：把焊接密封好的基材管1和外包套2组合放入井式加热炉中，通过脱气管与真空系统连接。设置脱气温度450℃，升温速率为100℃/h，真空度需要达到1×10- 3Pa。出炉，封脱气管6。
第六步，热等静压烧结：脱完气的基材管1和外包套2组合使用工装桶放入热等静压炉中进行热等静压烧结，烧结温度范围：920℃；压力140Mpa，保温保压2小时。
第七步，烧结完成后，直接顶针顶住基材管1的内孔进行外圆车光，去掉上环盖5、下环盖4和外包套2，得到具有双层结构的双金属复合管材。
如图3所示，本发明制备的双金属复合管材具有双层结构，里层为基材管层45#钢材料，外层为通过热等静压烧结得到的合金层，所述的合金层材料为镍基合金。
对所述的双金属复合管材的界面结合力、结合层厚度、合金层硬度、耐磨性、电极腐蚀效果进行测试，测试结果如下：
| 结合力 | 结合层厚度 | 合金层硬度 | 干沙磨损失重 | 10％盐酸腐蚀电位 | |
| 45#+镍基合金 | >400Mpa | >300um | HRC:65 | 0.0149g | 2.500×10-6A/cm2 |
实施例4：
一种基于热等静压工艺的双金属管制备方法，步骤如下：
第一步，合金粉末制备：复合粉末，基体：镍基合金粉末成分如下；重量比例：35％耐磨增强相：WC；重量比例：65％；
基材：Cr：20-30％；Mo：1-5％；C：0.5～1.5％；B：3-10％；Si:1-5％余下的为Ni。
粉末粒度为：小于500um；氧含量<200ppm。
第二步，基材管准备：选择双螺杆STS75机型，基材管1用45号钢管，外径比螺纹原件的最大外径大3mm；保证花键槽全部是45号钢管上面。为了保证产品尺寸精度，此45号钢管需要选择冷拔精密管。
第三步，外包套2的安装和密封：外包套2采用低碳钢材质、壁厚d＝2.5mm；先通过定位工装固定好基材管1与外包套2，然后套上下环盖4，通过氩弧焊焊接好下环盖4。
第四步，装粉、振动、封盖：通过装粉工装，装入第一步准备的合金粉末。为了保证装粉密度与收缩尺寸的控制，通过跌落式振动平台振实粉末。然后氩弧焊封顶，具体为将上环盖5焊接连接在基材管1和外包套2之间的环形部分，实现对合金粉末3的密封。在所述的上环盖5上事先焊接好脱气管6。
第五步，脱气：把焊接密封好的基材管1和外包套2组合放入井式加热炉中，通过脱气管6与真空系统连接。设置脱气温度450℃，升温速率为100℃/h，真空度需要达到1×10- 3Pa。出炉，封脱气管6。
第六步，热等静压烧结：脱完气的基材管1和外包套2组合使用工装桶放入热等静压炉中进行热等静压烧结，烧结温度范围：920℃；压力140Mpa，保温保压2小时。
第七步，烧结完成后，直接顶针顶住基材管1的内孔进行外圆车光，去掉上环盖5、下环盖4和外包套2，得到具有双层结构的双金属复合管材。
如图3所示，本发明制备的双金属复合管材具有双层结构，里层为基材管层，外层为通过热等静压烧结得到的合金层，所述的合金层为镍基合金材料层。
对得到双金属复合管材的界面结合力、结合层厚度、合金层硬度、合金层耐磨性、耐腐蚀性进行测试，结果如下：
应用本发明发明提供的基于热等静压工艺的双金属复合管材，可以用于制作造粒机用螺纹元件。所述的螺纹元件包括螺纹块与捏合块，其中，花键槽加工在基材管1上，螺纹部分加工在双金属表面的合金层上。通过上述本发明制备得到的双金属复合管材，基体和表面合金层之间的结合力大于300MPa，结合层厚度大于300微米，合金层硬度HRC68，将其加工成螺纹元件制品，所得制品具有较高的韧性，工作的螺旋部分使用高性能粉末极大提高产品的耐磨性。
Claims (4)
1.一种基于热等静压工艺的双金属复合管材制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
第一步，气雾化合金粉末制备：采用气雾化法制备预合金化的粉末，此粉末包括：铁基高速钢粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、高钒工具钢粉末以及在此粉末中添加不同重量比例增强相的混合粉末；增强相粉末包括：碳化钨、碳化钛；
第二步，基材管选取和准备：所述基材管的材质选择低碳钢、不锈钢、钛合金和镍基合金；
第三步，在基材管外面安装外包套：所述的外包套为圆管结构，采用低碳钢材质，所述外包套的壁厚2-4mm，外包套的内径大于基材管的外径；通过定位工装将基材管固定在外包套内，然后在外包套和基材管之间的环形空间部分安装下环盖密封，并通过氩弧焊将下环盖焊接在基材管和外包套上；
第四步，装粉和密封：通过装粉工装，在基材管和外包套之间的环形空间内装入合金粉末；装粉过程通过跌落式振动平台振实粉末；然后氩弧焊将上环盖焊接在基材管和外包套之间，密封合金粉末；所述的上环盖上固定连接了脱气管，连通合金粉末空间和外界真空环境，用于烧结过程的脱气；
第五步，脱气；
第六步，热等静压烧结：脱气后的基材管和外包套组合使用工装桶放入热等静压炉中进行热等静压烧结；
第七步，直接顶针顶住基材管的内孔进行外圆车光，去掉外包套、上环盖和下环盖，得到双金属复合管材。
2.根据权利要求1所述的一种基于热等静压工艺的双金属复合管材制备方法，其特征在于：所述的脱气，具体过程为：将第四步装粉后的基材管放入井式加热炉中，抽真空，真空度需要达到<1×10-3Pa，温度升高至300℃～500℃，脱气时间28～48小时。
3.根据权利要求1所述的一种基于热等静压工艺的双金属复合管材制备方法，其特征在于：所述的热等静压烧结的条件为，选取温度范围：900℃～1300℃；压力100Mpa～150Mpa，保温保压时间4小时。
4.一种基于热等静压工艺的双金属复合管材的应用，其特征在于：用于造粒机用螺纹元件，所述的螺纹元件包括螺纹块与捏合块，采用热等静压双金属复合管材制备的螺纹元件，花键槽在基材上，螺纹部分在双金属复合管材的表面。
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