CN112080678B - 三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺 - Google Patents

三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，其的元素含量百分比为：B 2.8～7％，Mo 25～60％；Cr 2～15％，C 0.2～1.5％，V 0.5～7％，Nb 1～4％，W 0.5～10％，Ce 0.1～1％，Mn 1～10％，Ta 0.1～2％，Ni余量。本发明制备的三元硼化物合金螺杆材料拥有高熔点、高硬度、高耐磨和耐腐蚀性，综合性能好，能足够满足注射成型领域的螺杆生产需要，使用寿命长，减少日常维护次数，降低生产成本；而且适用范围广，除了可以用于射成型领域螺杆的制作外，还可以作为耐高温材料、耐腐蚀材料、耐磨材料和超硬材料应用于其它领域有耐磨耐腐蚀需求的零部件，应用前景广阔。

Description

三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺
技术领域
本发明属于合金螺杆材料技术领域，具体涉及一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺。
背景技术
随着高新技术的不断发展,对材料性能的要求愈来愈高。既要求材料在高温下具有强度高和良好的韧性和导热性,又要求材料在高温下拥有优异的抗氧化性和抗耐磨性。三元硼化物合金材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性和高抗腐蚀性能，其密度是传统硬质合金的3/5，是种极具发展前景的硬质材料，三元硼化物(Mo2NiB2)合金材料以三元合金Mo2NiB2为硬质相，和以Ni作为金属粘结相烧结而成，具有硬度高、断裂韧性高、耐磨性高、耐腐蚀性好且热膨胀系数与钢相近,具有十分优异的性能。
目前，国内对三元硼化物合金材料多应用于表面陶瓷涂层，采用真空液相烧结法、固相反应法、放电等离子烧结法或者氩弧熔覆法，将合金熔覆于金属母材表面，从而获得耐磨性高、耐腐蚀性好的产品，然而涂覆于复杂形状的零部件表面受到限制。在注射成型领域，工程塑料中通常会添加大量的玻璃纤维、矿纤维、碳纤维、阻燃剂等增强填充物，以获得更高的特殊性能，导致工程塑料在成型过程中对螺杆的磨损腐蚀相当厉害。螺杆作为注射成型的核心部件，对耐磨耐腐蚀性能要求越来越高。在工作过程中，螺杆要完成送料、储料、注射等一系列工艺动作，其外形结构异形复杂，表面合金难以满足其工况要求，且易产生裂纹等缺陷，甚至脱落。整体合金螺杆如NiCrAl合金(3J40)、HIP工艺Co基合金(Co12或Co16)，亦难以满足耐腐蚀性要求。常规的工具钢、冷作模具钢制作的螺杆更加不能满足耐磨耐腐蚀的要求。
公开号“CN103774054B”，名称为“合金螺杆材料及其螺杆的生产工艺”公开了一种合金螺杆材料及其螺杆的生产工艺，该合金螺杆材料由钼Mo、硼化铁FeB、铬Cr、镍Ni、锰Mn、碳C和铁Fe的原料粉末配置而成，其虽然能实现较好的综合性能，但是在材料强度和耐腐蚀性方面仍有进一步提升的可能。
发明内容
针对上述的不足，本发明目的之一在于，提供一种高硬度、高耐磨，耐腐蚀性好，综合性能好的三元硼化物合金螺杆材料。
本发明目的之二在于，提供一种制作上述三元硼化物合金螺杆材料的生产工艺，该生产工艺的制作工艺简易，易于实现，能快速生产出三元硼化物合金螺杆材料。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种三元硼化物合金螺杆材料，其的元素含量百分比为：B的含量为2.8～7％，Mo的含量为25～60％，Cr的含量为2～15％，C的含量为0.2～1.5％，V的含量为0.5～7％，Nb的含量为1～4％，W的含量为0.5～10％，Ce的含量为0.1～1％，Mn的含量为1～10％，Ta的含量为0.1～2％，Ni的含量为余量。
三元硼化物(Mo2NiB2)合金的基本组成分为硬质相Mo2NiB2与粘结相Ni。通过液相反应烧结，生成硬质相，使材料获得硬度和耐磨耐腐蚀性，通过粘结使材料具有足够的强度。
B是生产三元硼化物合金螺杆材料的基本元素，生成三元硼化物的基础，当B的含量低于2.8％时，硬质相生成少，占比低，材料硬度低，没有耐磨性。当B含量达7.0％时，硬质相比例超过90％，脆性大，强度低。因此，B的含量在2.8～7％为宜。
Mo也是生成三元硼化物的基本元素，当Mo含量低于25％时，耐磨耐蚀性、强度均有所降低。当含量达60％时，富余的Mo易跟其它元素产生脆性合金而降低材料强度。因此要同时获得良好的耐磨性、耐腐蚀性和强度，Mo含量宜控制在25～60％之间。
Ni既是生成三元硼化物的基本元素，也是作为三元硼化物合金螺杆材料中的粘结相，故将Ni作为余量，其含量过低时，烧结过程中不能产生足够的液相，而导致强度降低。纯Mo2NiB2的晶体结构为斜方晶系，在液相烧结过程中晶粒易发生不均匀性生长现象，并产生尖锐角，导致硬质相晶粒与金属粘结相的结合性较差，加入适量Cr、V后，Cr、V会部分替代硬质相中的Ni，使Mo2NiB2的晶体结构转变为正方晶系，从而提高合金的强韧性。同时，Cr、V溶解在粘结相中，能大幅改善材料的高温性能和强度。Cr、V的总量在2.5～20％为最佳。
为进一步改善材料综合性能，适量加入W元素。W元素同时存在于硬质相和粘结相中，在硬质相中能替代部分Mo，改善Mo2NiB2的组织结构和耐磨性能；其溶解于粘结相中有利于细化抑制晶粒长大，提高合金的耐腐蚀性和强度。
添加适量的Mn、Ce、V、Nb、Ta能显著抑制晶粒的长大，进一步提高材料的硬度强度。
一种三元硼化物合金螺杆生产工艺，其包括以下步骤：
(1)配料：各材料及其质量百分比如下：B 2.8～7％，Mo 25～60％，Cr 2～15％，C0.2～1.5％，V 0.5～7％，Nb 1～4％，W 0.5～10％，Ce 0.1～1％，Mn 1～10％，Ta 0.1～2％，粘结剂2～5％,Ni余量；
(2)球磨：将粘结剂和原始粉末B、Mo、Cr、C、V、Nb、W、Ce、Mn、Ta和Ni进行球磨混合，获得混合粉末；
(3)压制成型：将混合粉末送入螺杆模具中进行压制坯体；
(4)成型烧结：对坯体进行烧结，获得三元硼化物合金棒；烧结获得的三元硼化物合金棒密度约为8.1～8.2g/m3，硬度为58-69HRC,抗弯强度可达2500Mpa以上；
(5)机械加工：通过烧结成型获得三元硼化物合金棒后，按照预定图纸进行机械加工获得所需的三元硼化物合金螺杆制品。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)采用优选以石蜡作为粘结剂、进行湿式球磨，当然也可以采用选用PEG、橡胶、树脂等作为粘结剂，但从压坯强度与脱脂性能等方面综合考虑，优选石蜡作为粘结剂；理所当然，也可以采用其它球磨制粉方式制取合格的粉末。湿式球磨对于制取粉末在粒度分布、粉末的抗氧化、粉末的偏析团聚、以及成本控制方面更具有明显的优点，故优选采用湿式球磨工艺。以无水乙醇、甲醇、丙酮、正庚烷和正己烷一种或多种的溶剂混合的共沸溶剂作为溶剂，磨球采用硬质合金球、陶瓷球或不锈钢球等，从磨球的耐磨性和球磨效率方面考虑，优选采用硬质合金球，以1:1～5:1的球料体积比，在惰性气体保护气氛下进行球磨，惰性气体可以采用氮气、氩气等惰性保护气，球磨10～60小时，获得一定粒度的混合粉末。可以通过调整球料比、转速和球磨时间来控制粉末的粒度及粒度分布范围。粉末的粒度对后续烧结温度影响很大，直接影响材料强度硬度的提升。粒度越细，对温度越敏感，所需烧结温度更低，故不同的粉末粒度，采用不同的烧结工艺。同时粒度越细，粉末更容易氧化。随着含氧量的升高，将对材料性能造成破坏性的影响。经反复测试表明，粉末粒度控制在0.5～5um为佳，D50在2.0um左右。
在惰性气体保护气氛下进行球磨；球磨至所需粒度时，在分离出磨球后进行真空干燥，使溶剂完全挥发，分离出混合粉末。干燥过程中杜绝与空气的接触以防氧化。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)根据所需生产的螺杆规格要求来选择相对应的螺杆模具来压制坯体。对于规格较小的螺杆，采用整体合金的方式，即整只棒料是三元硼化物(Mo2NiB2)合金；对于规格较大的螺杆，为增强坯体强度和棒料强度，采用在螺杆模具中预埋芯棒的方式压坯。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)采用冷等静压工艺，加压至100～300Mpa，获得高致密的坯体。因坯体为长棒结构，长径比较大，压力越高棒料轴向变形就会越大，优选采用100～200Mpa的压力压制长棒生坯。当然，也可以采用模压成型或者挤压成型等其它成型工艺。模压成型的生坯尺寸精度高，然坯体各部位密度有偏差，导致烧结时变形较大，甚至产生裂纹等缺陷。采用挤压成型，可以成型大长径比的生坯，坯体外径尺寸精度高，但是，挤压成型的生坯需要多次干燥，过程繁杂且周期长，尤其是随着棒坯尺寸的加大，其干燥周期长达20～30天，甚至更长，生坯长期暴露易氧化，干燥过程中还容易产生裂纹而导致生坯报废。故优选冷等静压制坯，生坯密度高，强度高，生产周期短。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(4)采用真空液相烧结工艺，材料的烧结温度根据材料的成分、粉末的粒度变化而变化，优选在1160～1400℃下烧结时间30～100分钟，温度低于1160℃时，硬质相不能充分生成，粘结相液相亦不足，难以烧结致密化。当温度高于1400℃时，液相过多，棒坯变形，晶粒粗大，强度降低。故温度优选在1160～1400℃之间。升温速率优选为0.5～10℃/分钟，成型烧结在非氧气氛中进行，其它实施例中，也可以采用普通烧结方法或压力烧结、热等静压烧结等方法来生产。
本发明的有益效果为：本发明制备的三元硼化物合金螺杆材料拥有高熔点、高硬度、高耐磨和耐腐蚀性，综合性能好，各性能指标均能足够满足注射成型领域的螺杆生产需要，大大延伸螺杆的使用寿命，减少日常维护次数，降低生产成本；而且适用范围广，除了可以用于射成型领域螺杆的制作外，还可以作为耐高温材料、耐腐蚀材料、耐磨材料和超硬材料应用于其它领域有耐磨耐腐蚀需求的零部件，应用前景广阔。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的生产工艺流程图。
图2为本发明中规格较大的螺杆预埋芯棒结构示意图。
图3为本发明三元硼化物合金棒加工工艺流程图。
图4为本发明中螺杆结构示意图。
图5为本发明三元硼化物合金螺杆材料与Cr12MoV的磨粒磨损试验对比图。
图6为本发明三元硼化物合金螺杆材料的摩擦磨损试验报告1。
图7为本发明三元硼化物合金螺杆材料的摩擦磨损试验报告2。
图8为本发明三元硼化物合金螺杆材料的摩擦磨损试验报告3。
图9为本发明三元硼化物合金螺杆材料的摩擦磨损试验报告4。
图10为本发明三元硼化物合金螺杆材料的摩擦磨损试验报告5。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供的一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，参见图1，其工艺步骤如下：
(1)配料：各材料及其质量百分比如下：B 4％，Mo 50％，Cr 10％，C 1％，V 4％，Nb2％，W 5％，Ce 0.5％，Mn 5％，Ta 1％，Ni 15％，粘结剂2.5％；
(2)球磨：将粘结剂和原始粉末B、Mo、Cr、C、V、Nb、W、Ce、Mn、Ta和Ni进行球磨混合，获得混合粉末；本实施例中，优选采用石蜡作为粘结剂、优选湿式球磨，其它实施例中，也可以采用其它粘结剂与其它球磨制粉方式进行制取合格的粉末。以无水乙醇、甲醇、丙酮、正庚烷和正己烷一种或多种的溶剂混合的共沸溶剂作为溶剂。
磨球采用硬质合金球、陶瓷球或不锈钢球等，从耐磨性和球磨效率方面考虑，优选采用硬质合金球，以1:1～5:1的球料比，在惰性气体保护气氛下进行球磨，惰性气体可以采用氮气、氩气等惰性保护气，球磨10～60小时，获得粒度为0.5～5um的混合粉末。然后分离出磨球后进行真空干燥，使溶剂完全挥发，分离出混合粉末。干燥过程中杜绝与空气的接触以防氧化。
(3)压制成型：将混合粉末送入螺杆模具中进行压制坯体；对于规格较小的螺杆，采用整体合金的方式，即整只棒料是三元硼化物(Mo2NiB2)合金；对于规格较大的螺杆，为增强坯体强度和棒料强度，可以采用在螺杆模具中预埋芯棒1的方式压坯，参见图2，三元硼化物(Mo2NiB2)合金包覆在芯棒1上形成三元硼化物(Mo2NiB2)合金层2。
本实施例中，优选采用冷等静压工艺，加压至100～300Mpa，获得高致密的坯体。因坯体为长棒结构，长径比较大，压力越高棒料轴向变形就会越大，优选采用100～300Mpa的压力压制长棒生坯。其它实施例中，也可以采用模压成型或者挤压成型等其它成型工艺。
(4)成型烧结：对坯体进行脱脂烧结，获得三元硼化物合金棒；本实施例中，优选采用真空液相烧结工艺，在1160～1400℃下烧结时间30～100分钟，成型烧结在非氧气氛中进行，其它实施例中，也可以采用普通烧结方法或压力烧结、热等静压烧结等方法来生产。
(5)机械加工：通过烧结成型获得三元硼化物合金棒后，参见图3和图4，按照预定图纸进行机械加工获得所需的三元硼化物合金螺杆制品。由于三元硼化物合金棒本身的硬度非常高，可达58-69HRC，须整个加工过程采用金刚石刀具或立方氮化硼刀具加工。
由于材料硬度非常高，螺杆尾部3键槽部位难以加工，该部位起传递扭矩和缓冲射出时的冲击力的作用，该部位采用硬度稍低(40-50HRC)、韧性较高的材料，采用焊接的方式将两种材料复合成一体。然后粗、精车外形，进行探伤，确保焊接牢靠无缺陷；然后加工螺杆前端的螺孔4，由于材料硬，普通刀具难以加工螺纹5，采用电火花放电加工螺纹5；然后采用金刚石砂轮或者立方氮化硼砂轮磨削螺杆外部牙型，再后精加工螺杆尾部键槽等安装部位，精磨螺杆外圆，然后进行粗抛光、精抛光螺槽外表面，提高表面光洁度，检验合格后获得三元硼化物合金螺杆制品。
实施例2：本实施例提供的一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，其与实施例1基本相同，区别点在于各元素及其质量百分比如下：B 5％，Mo 45％，Cr 7％，C 0.8％，V5％，Nb 3％，W 4％，Ce 0.6％，Mn 6％，Ta 1.6％，Ni 19％，粘结剂3.0％。
实施例3：本实施例提供的一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，其与实施例1基本相同，区别点在于各元素及其质量百分比如下：B 2.5％，Mo 60％，Cr 2％，C0.2％，V 2％，Nb 1％，W 0.5％，Ce 0.1％，Mn 1％，Ta 0.7％，Ni 26.5％，粘结剂3.5％。
实施例4：本实施例提供的一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，其与实施例1基本相同，区别点在于各元素及其质量百分比如下：B 7％，Mo 30％，Cr 15％，C 1.5％，V 7％，Nb 4％，W 10％，Ce 0.5％，Mn 3％，Ta 1％，Ni 19％，粘结剂2％。
实施例5：本实施例提供的一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，其与实施例1基本相同，区别点在于各元素及其质量百分比如下：B 2.8％，Mo 25％，Cr 9％，C1.3％，V 0.5％，Nb 2％，W 6％，Ce 0.4％，Mn 10％，Ta 2％，Ni36.5％，粘结剂4.5％。
实施例6：本实施例提供的一种三元硼化物合金螺杆材料及其生产工艺，其与实施例1基本相同，区别点在于各元素及其质量百分比如下：B 6％，Mo 38％，Cr 11％，C 1.2％，V 3％，Nb 2％，W 7％，Ce 1％，Mn 4％，Ta 1.3％，Ni 20.5％，粘结剂5％。
上述实施例仅为本发明较好的实施方式，本发明不能一一列举出全部的实施方式，凡采用上述实施例之一的技术方案，或根据上述实施例所做的等同变化，均在本发明保护范围内。
采用本发明获得的三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料密度约为8.1～8.2g/m3，硬度为58-69HRC,抗弯强度可达2500Mpa以上，具体性能参见表1。
表1
Figure BDA0002682032600000091
采用微机控制平面止推磨损试验机，模拟恶劣工况下干磨试验，试验表明，在实验力为100N,转速200r/min，常温下干磨120min，本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料在不同的摩擦副条件下，摩擦系数不同，磨损量均小于另一材料。摩擦副同为本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料时，也表现出优异的耐磨性。试验对比数据如表2。本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料中高Mo含量，在摩擦时会产生二氧化钼等自润滑物质，故摩擦系数很小，进一步提高材料耐磨性。
表2
Figure BDA0002682032600000101
表3中，SKH55为日本进口高速工具钢，热处理至62HRC；Ni69SM为进口WCC雾化镍基粉末，通过激光熔覆制成试样；Ni255是国产水雾化镍基粉末，通过激光熔覆制成试样；Co119是司太立钴基合金粉末，通过热等静压烧结制成。干磨摩擦试验表明，本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料的耐磨性与热处理SKH55相近，但摩擦系数较大；远远优于其他3种常用的耐磨合金。
参见图5，在磨粒磨损实验中，以二氧化硅为磨料，以Cr12MoV冷作模具钢为对比材料，试验表明，本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料优于常用的Cr12MoV冷作模具钢，其耐磨性达冷作模具钢的6倍以上。
参见表4，在耐腐蚀试验中，通过在10％HCl盐酸溶液中浸泡10h，结果表明，本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料均优于高速钢W18Cr4V、不锈钢2Cr13、三元硼化物Mo2FeB2合金。
表4
Figure BDA0002682032600000102
参见图6至图10，为本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料的磨损试验报告，本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料质量磨损均小于高钒工具钢10V、HYC3冷作模具钢、JFA62(Mo2FeB2)、Co119和Ni69SM，耐磨性能好，使用寿命长。
综上分析试验，可见本发明三元硼化物(Mo2NiB2)合金螺杆材料拥有高熔点、高硬度、高耐磨和耐腐蚀性，综合性能好，各性能指标均能足够满足注射成型领域的螺杆生产需要，大大延伸螺杆的使用寿命，减少日常维护次数，降低生产成本；而且适用范围广，除了可以用于射成型领域螺杆的制作外，还可以作为耐高温材料、耐腐蚀材料、耐磨材料和超硬材料应用于其它领域有耐磨耐腐蚀需求的零部件。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似生产工艺及组分而得到的其它材料及其生产工艺，均在本发明保护范围内。

Claims (7)

1.一种三元硼化物合金螺杆生产工艺，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)配料：各材料及其质量百分比如下：B 2.8～7％，Mo 25～60％，Cr 2～15％，C 0.2～1.5％，V 0.5～7％，Nb 1～4％，W 0.5～10％，Ce 0.1～1％，Mn 1～10％，Ta 0.1～2％，粘结剂2～5％,Ni余量；
(2)球磨：将粘结剂和原始粉末B、Mo、Cr、C、V、Nb、W、Ce、Mn、Ta和Ni进行球磨混合，获得混合粉末；
(3)压制成型：将混合粉末送入螺杆模具中进行压制坯体；
(4)成型烧结：对坯体进行烧结，获得三元硼化物合金棒；
(5)机械加工：对三元硼化物合金棒进行加工，获得三元硼化物合金螺杆制品；
所述步骤(2)采用湿式球磨，以无水乙醇、甲醇、丙酮、正庚烷和正己烷一种或多种的溶剂混合的共沸溶剂作为溶剂，磨球采用硬质合金球、陶瓷球或不锈钢球，在惰性气体保护气氛下进行球磨；球磨至所需粒度时，在分离出磨球后进行真空干燥，使溶剂完全挥发，分离出混合粉末；
所述步骤(4)采用真空液相烧结工艺，烧结温度为1160～1400℃，升温速率为0.5～10℃/分钟，烧结时间30～100分钟。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述粘结剂为PEG、橡胶、树脂或石蜡。
3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述混合粉末的粒度为0.5～5μm 。
4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气。
5.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述螺杆模具中预埋有芯棒。
6.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤(3)采用冷等静压工艺，压制的压力设定为100～300Mpa。
7.一种三元硼化物合金螺杆材料，其特征在于，其采用权利要求1-6任意一项所述三元硼化物合金螺杆生产工艺制成,其的元素含量百分比为：B的含量为2.8～7％，Mo的含量为25～60％，Cr的含量为2～15％，C的含量为0.2～1.5％，V的含量为0.5～7％，Nb的含量为1～4％，W的含量为0.5～10％，Ce的含量为0.1～1％，Mn的含量为1～10％，Ta的含量为0.1～2％，Ni的含量为余量。
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