CN112893844A - 一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，包括以下步骤：制备Mo‑Ni‑B金属混合粉末；机械加工钢质芯棒，将钢质芯棒放置于圆筒状模具内；将Mo‑Ni‑B金属粉末填充于钢质芯棒和圆筒状模具、端盖之间形成的模腔内，冷等静压压力成型，得到钢基Mo‑Ni‑B金属螺杆坯料；将钢基Mo‑Ni‑B金属螺杆坯料机械加工成螺杆毛坯；对螺杆毛坯进行真空烧结，得到钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯；对钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯精加工，得到MoNiB复合金属陶瓷品螺杆成品。本发明制备的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆同时具有超高的耐腐蚀性能和耐磨损性能，综合性能优秀。

Description

一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷螺杆复合材料加工制造、应用领域，具体涉及金属陶瓷复合螺杆制造和MoNiB陶瓷材料制造技术，主要包括MoNiB金属陶瓷制粉、冷等静压成型、真空烧结成型或热等静压成型，应用于超高腐蚀和高磨损的无卤增强塑料、透明塑料等的混炼、挤塑成型和注塑成型等。
背景技术
无卤塑料、纤维增强塑料、金属粉末增强塑料和透明塑料的混炼、挤塑、注塑螺杆需要超高的耐腐蚀性能和超强的耐磨损性能。传统的氮化螺杆、高速钢螺杆、粉末不锈钢螺杆、硬质合金涂层螺杆等只能部分满足或完全不能满足要求。
为了获得超高的耐腐蚀性能和超强的耐磨损性能，硼化物金属陶瓷材料逐渐受到科技工作者的关注，发明专利201410455813.X公开了一种三元硼化物陶瓷/铁基表面复合材料的制备方法，将金属粉末与乙醇溶剂、PVB粘接剂制成浆料涂于钢表面，激光熔覆制成质量百分比35.6％Mo，5.0％B，10.0％Cr和49.4％Ni的硼化物涂层。
但是，三元硼化物涂层脆硬，浆料涂刷钢基表面有一定局限性，作为作为整体材料应用，既不经济也不耐用。本发明钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，具有优良的强度和韧性结合、耐腐蚀性和耐磨损性能结合，以满足制造高腐蚀和高磨损的无卤塑料螺杆、加纤维增强塑料螺杆、加金属粉末增强塑料和透明塑料的混炼、挤塑成型和注塑成型螺杆机械零件产品。
发明内容
鉴于浆料涂刷钢基表面烧结制备三元硼化物涂层性能脆性，成型方法单一，应用面受限，无法满足高腐蚀和高磨损的无卤塑料螺杆、加纤维增强塑料螺杆、加金属粉末增强塑料和透明塑料的混炼、挤塑成型和注塑成型螺杆等制造需求，本发明的目的是提供一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以镍粉、硼化钼合金粉、硼化镍合金粉、镍铬合金粉为原料，并添加粘接剂进行球磨，再经干燥和筛分后，制得Mo-Ni-B金属混合粉末；
步骤2，机械加工钢质芯棒，在钢质芯棒外径表面沿着长度方向加工凸台或凹槽，将钢质芯棒放置于圆筒状模具内，圆筒状模具两端通过端盖固定，并在端盖上加工带管状芯棒的定位孔；
步骤3，将步骤1制备好的Mo-Ni-B金属粉末填充于钢质芯棒和圆筒状模具、端盖之间形成的模腔内，经过排气、密封和冷等静压压力成型，得到钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料；
步骤4，将步骤3得到的钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料机械加工成螺杆毛坯；
步骤5，对步骤4得到的螺杆毛坯进行真空烧结，得到钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯；
步骤6，对步骤5得到的钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯精加工，得到MoNiB复合金属陶瓷品螺杆成品。
进一步的，所述步骤1中，按照质量百分比，各原料的含量为：50～70％的硼化钼合金粉、0.1～2.0％的硼化镍合金粉、0.1～37.5％的镍铬合金粉和余量的镍粉；外加上述原料总质量1～5％的粘接剂，所述粘接剂为石蜡或聚乙烯醇。
进一步的，所述步骤1中，球磨时，在原料中添加液态烃类溶剂，液态烃类溶剂为正己烷、或正庚烷、或煤油的一种或多种，球磨方式为湿态行星式球磨或搅拌式球磨粉，球磨相对转动速度260～360转/分钟，球料比为1：1～4，球磨时间24～48h。
进一步的，所述步骤1中，干燥方式为真空干燥，干燥温度60～100℃，干燥时间24～48h，真空度1×10-1～9×10-1Pa。
进一步的，所述步骤2中，凸台或凹槽的R圆弧大于5mm。
进一步的，所述步骤2中，圆筒状模具的材质为聚氨酯，端盖的材质为软质聚氨酯。
进一步的，所述步骤3中，冷等静压压力成型为干式冷等静压或湿式冷等静压成型，冷等静压压力160～380Mpa，保压时间为0.05～0.5min/mm，升压速率10～60Mpa/min。
进一步的，所述步骤4中，将钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料直接被夹持在机床卡盘上，采用普通车刀进行机械切削加工，棒料转速40～500转/min，进刀深度0.1～3.0mm/次。
进一步的，所述步骤5中，真空烧结的条件为：升温速度1～10℃/min，烧结温度1180～1300℃，烧结时间为1mm/min，真空度为8×10-2～2×10-3Pa，冷却方式为随炉冷却。
进一步的，所述步骤5中，对经真空烧结成型的螺杆毛坯进行真空或气氛退火，退火温度900～1200℃，退火保持时间为5～30min/mm，冷却方式为随炉冷却。
一种所述的方法制备的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆。
本发明的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆能够用于以下几个方面：
(1)用于高腐蚀和高磨损的无卤塑料螺杆；螺杆能够长期服役于加玻璃纤维增强无卤塑料注塑成型、挤塑成型、混炼等加工，螺杆具有抗拉强度大于1200Mpa以上，抗弯强度900Mpa以上，硬度Hv1100以上，盐酸腐蚀速率低于1～8×10-6g/cm2.h。
(2)用于金属粉末增强塑料螺杆；螺杆能够长期服役于各类MIN注塑成型。
(3)用于光学塑料、医用等透明塑料的注塑成型用螺杆。
本发明的有益效果是：本发明制备的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆是一种原位自生成三元硼化物陶瓷材料，合金粉末在1050～1250℃真空烧结过程中，各类合金中的Ni、Mo、B等元素互相原位化合形成MoNiB陶瓷化合物均匀分布在Ni固溶体组织中。与预先添加陶瓷粉末至粘接相的高熔点陶瓷材料烧结相比，具有陶瓷相与固溶体界面相容性好、结合紧密、分布均匀、抗弯强度高。MoNiB金属陶瓷不仅能够单独使用，也可以与钢芯制成复合MoNiB金属陶瓷螺杆使用。
本发明的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆可以满足超高腐蚀和高磨损的无卤塑料螺杆、加纤维增强塑料螺杆、加金属粉末增强塑料和透明塑料的混炼、挤塑成型和注塑成型螺杆等制造需求，本发明的目的是提供一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆制备方法，也可以满足特种高腐蚀和高磨损的模具制造。
具体实施方式
本发明的一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以镍粉、硼化钼合金粉、硼化镍合金粉、镍铬合金粉为原料，并添加粘接剂进行球磨，再经干燥和筛分后，制得Mo-Ni-B金属混合粉末；
其中，按照质量百分比，各原料的含量为：50～70％的硼化钼合金粉、0.1～2.0％的硼化镍合金粉、0.1～37.5％的镍铬合金粉和余量的镍粉；外加上述原料总质量1～5％的粘接剂，粘接剂为石蜡或聚乙烯醇；
球磨时，在原料中添加液态烃类溶剂，液态烃类溶剂为正己烷、或正庚烷、或煤油的一种或多种，球磨方式为湿态行星式球磨或搅拌式球磨粉，球磨相对转动速度260～360转/分钟，球料比为1：1～4，球磨时间24～48h；
干燥方式为真空干燥，干燥温度60～100℃，干燥时间24～48h，真空度1×10-1～9×10-1Pa；
步骤2，机械加工钢质芯棒，在钢质芯棒外径表面沿着长度方向加工凸台或凹槽，凸台或凹槽的R圆弧大于5mm；将钢质芯棒放置于圆筒状模具内，圆筒状模具两端通过端盖固定，并在端盖上加工带管状芯棒的定位孔；其中，圆筒状模具的材质为聚氨酯，端盖的材质为软质聚氨酯；圆筒状模具的壁厚不小于5mm；
步骤3，将步骤1制备好的Mo-Ni-B金属粉末填充于钢质芯棒和圆筒状模具、端盖之间形成的模腔内，经过排气、密封和冷等静压压力成型，得到钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料；其中，冷等静压压力成型为干式冷等静压或湿式冷等静压成型，冷等静压压力160～380Mpa，保压时间为0.05～0.5min/mm，升压速率10～60Mpa/min；
步骤4，将步骤3得到的钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料机械加工成螺杆毛坯；具体为：将钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料直接被夹持在机床卡盘上，采用普通车刀进行机械切削加工，棒料转速40～500转/min，进刀深度0.1～3.0mm/次；
步骤5，对步骤4得到的螺杆毛坯进行真空烧结，得到钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯；其中，真空烧结的条件为：升温速度1～10℃/min，烧结温度1180～1300℃，烧结时间为1mm/min，真空度为8×10-2～2×10-3Pa，冷却方式为随炉冷却；
真空烧结成型的螺杆毛坯进行真空或气氛退火，退火温度900～1200℃，退火保持时间按5～30min/mm计算，冷却方式为随炉冷却。退火明显影响Mo2NiB2的数量和分布，对材料的强度、抗弯强度、断裂韧性和硬度有显著影响；
步骤6，对步骤5得到的钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯精加工，得到MoNiB复合金属陶瓷品螺杆成品。
MoNiB金属陶瓷是通过合金粉末在烧结过程中原位自生成Mo2FeB2相，与粘接相固溶体Ni界面结合好，MoNiB金属陶瓷的最终组分组成：47.0～60.0％的Mo、5.0～6.9％的B和0.4～17.5％的Cr和余量的Ni。
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：
步骤1a：按质量百分比将57％硼化钼合金粉、1.0％硼化镍合金粉、37.0％镍铬合金粉和余量的镍粉混合，外加上述原料总质量2.5％的石蜡粘接剂，再按照1:1的球料比例进行球磨混合，球磨剂为正己烷，球磨时间40小时，转速300转/分钟，经真空干燥、筛分为MoNiB金属陶瓷混合粉末；
步骤1b：将步骤1a的混合粉末装入聚氨酯圆筒模具，中间放置钢棒芯，两端头用橡胶塞子定位、排气和密封后，经干式冷等静压压力170Mpa，保压30分钟成型为钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料；
步骤1c：对步骤1b的冷等静压成型MoNiB金属陶瓷棒坯料进行真空烧结，烧结温度1060℃，保温烧结时间40分钟，真空度2.0×10-3Pa，升温速度1.5℃/min，随炉冷却，获得MoNiB金属陶瓷棒毛坯。
MoNiB金属陶瓷最终组分组成：51.2％的Mo、5.9％的B和17.4％的Cr和余量的Ni。
实施例2：
步骤2a：按质量百分比将和53％硼化钼合金粉、0.5％硼化镍合金粉、7.5％镍铬合金粉和余量的镍粉混合，外加上述原料总质量3.5％的石蜡粘接剂，再按照1:2的球料比例进行球磨混合，球磨剂为煤油，球磨时间60小时，转速280转/分钟，经真空干燥、筛分为MoNiB金属陶瓷混合粉末；
步骤2b：将步骤2a的混合粉末装入橡胶圆筒模具，中间放置钢棒芯，两端头用橡胶塞子定位、排气和密封后，经冷等静压压力280Mpa，保压20分钟成型为钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料；
步骤2c：对步骤2b的冷等静压成型钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料进行真空烧结，烧结温度1160℃，保温烧结时间20分钟，真空度8.0×10-2Pa，升温速度5℃/min，随炉冷却，获得钢芯MoNiB金属陶瓷棒毛坯。
MoNiB金属陶瓷最终组分组成：47.6％的Mo、5.4％的B和3.5％的Cr和余量的Ni。
实施例3：
步骤3a：按质量百分比将64.5％硼化钼合金粉、0.5％硼化镍合金粉、21.5％镍铬合金粉和余量的镍粉混合，外加上述原料总质量3.0％的聚乙烯醇粘接剂，再按照1:4的球料比例进行球磨混合，球磨剂为乙醇，球磨时间35小时，转速300转/分钟，经真空干燥、筛分为MoNiB金属陶瓷混合粉末；
步骤3b：将步骤3a的混合粉末装入橡胶圆筒模具，中间放置钢棒芯，两端头用橡胶塞子定位、排气和密封后，经冷等静压压力260Mpa，保压25分钟成型为钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料；
步骤3c：对步骤3b的冷等静压成型钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料进行真空烧结，烧结温度1200℃，保温烧结时间18分钟，真空度1.0×10-3Pa，升温速度3℃/min，随炉冷却，获得钢芯MoNiB金属陶瓷棒毛坯。
MoNiB金属陶瓷最终组分组成：58.0％的Mo、6.6％的B和10.1％的Cr和余量的Ni。
实施例4：
步骤4a：按质量百分比将66.0％硼化钼合金粉、0.1％硼化镍合金粉、0.1％镍铬合金粉和余量的镍粉混合，外加上述原料总质量4.0％的聚乙烯醇粘接剂，再按照1:3的球料比例进行球磨混合，球磨剂为乙醇，球磨时间45小时，转速260转/分钟，经真空干燥、筛分为MoNiB金属陶瓷混合粉末；
步骤4b：将步骤4a的混合粉末装入聚氨酯圆筒模具，中间放置钢棒芯，两端头用聚氨酯塞子定位和密封后，经冷等静压压力360Mpa，保压20分钟成型为钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料；
步骤4c：对步骤4b的冷等静压成型钢芯MoNiB金属陶瓷棒坯料进行真空烧结，烧结温度1250℃，保温烧结时间30分钟，真空度1.5×10-3Pa，升温速度6℃/min，随炉冷却，获得钢芯MoNiB金属陶瓷棒毛坯。
MoNiB金属陶瓷最终组分组成：59.3％的Mo、6.7％的B和0.5％的Cr和余量的Ni。
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)

1.一种钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，以镍粉、硼化钼合金粉、硼化镍合金粉、镍铬合金粉为原料，并添加粘接剂进行球磨，再经干燥和筛分后，制得Mo-Ni-B金属混合粉末；
步骤2，机械加工钢质芯棒，在钢质芯棒外径表面沿着长度方向加工凸台或凹槽，将钢质芯棒放置于圆筒状模具内，圆筒状模具两端通过端盖固定，并在端盖上加工带管状芯棒的定位孔；
步骤3，将步骤1制备好的Mo-Ni-B金属粉末填充于钢质芯棒和圆筒状模具、端盖之间形成的模腔内，经过排气、密封和冷等静压压力成型，得到钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料；
步骤4，将步骤3得到的钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料机械加工成螺杆毛坯；
步骤5，对步骤4得到的螺杆毛坯进行真空烧结，得到钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯；
步骤6，对步骤5得到的钢基MoNiB复合金属陶瓷螺杆熟坯精加工，得到MoNiB复合金属陶瓷品螺杆成品。
2.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，按照质量百分比，各原料的含量为：50～70％的硼化钼合金粉、0.1～2.0％的硼化镍合金粉、0.1～37.5％的镍铬合金粉和余量的镍粉；外加上述原料总质量1～5％的粘接剂，所述粘接剂为石蜡或聚乙烯醇。
3.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，球磨时，在原料中添加液态烃类溶剂，液态烃类溶剂为正己烷、或正庚烷、或煤油的一种或多种，球磨方式为湿态行星式球磨或搅拌式球磨粉，球磨相对转动速度260～360转/分钟，球料比为1：1～4，球磨时间24～48h；干燥方式为真空干燥，干燥温度60～100℃，干燥时间24～48h，真空度1×10-1～9×10-1Pa。
4.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，凸台或凹槽的R圆弧大于5mm。
5.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，圆筒状模具的材质为聚氨酯，端盖的材质为软质聚氨酯。
6.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，冷等静压压力成型为干式冷等静压或湿式冷等静压成型，冷等静压压力160～380Mpa，保压时间为0.05～0.5min/mm，升压速率10～60Mpa/min。
7.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，将钢基Mo-Ni-B金属螺杆坯料直接被夹持在机床卡盘上，采用普通车刀进行机械切削加工，棒料转速40～500转/min，进刀深度0.1～3.0mm/次。
8.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，真空烧结的条件为：升温速度1～10℃/min，烧结温度1180～1300℃，烧结时间为1mm/min，真空度为8×10-2～2×10-3Pa，冷却方式为随炉冷却。
9.根据权利要求1所述的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，对经真空烧结成型的螺杆毛坯进行真空或气氛退火，退火温度900～1200℃，退火保持时间为5～30min/mm，冷却方式为随炉冷却。
10.一种由权利要求1至9任一所述的方法制备的钢基MoNiB金属陶瓷螺杆。
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