CN114713820B - 近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置及制备方法，所述装置系统包括：料仓、流化床反应器、钛源发生器、产品收集装置和尾气处理装置；通过在该装置内将高速钢粉体在流化态状态下进行气相沉积，得到了一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体，实现微观尺度上碳化钛的均匀分布，调节碳化钛形貌由羽毛状、棒状转化为近球形，显著提高粉末冶金高速钢性能。

Description

近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置及制备方法

技术领域

本发明属于钢合金的粉末冶金领域，具体涉及包覆型高速钢复合粉体的制备方法，尤其涉及一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置及制备方法。

背景技术

高速工具钢作为工具材料距今己有近百年的历史，由于其高强度、高硬度、高红硬性等特点使得其至今仍在加工领域具有非常重要的意义。高速钢常用于制备丝锥、模具、钻头、刀具等切割设备。高速钢是从一种含碳量很高的TI-Mn自硬钢发展而来，除了碳以外，其主要合金元素有TI、Mo、Cr、V。另外也有部分高速钢为改善组织，提高性能而添加Co、Si、Ti、Nb、Zr、Hf、Cu、Ni、Mn和稀土元素等。根据合金元素在高速钢中的作用，可将其分为三类：(1)非碳化物形成元素，即不溶于碳化物，而完全固溶于基体中，如Al、Si、Co等；(2)部分溶于基体，另部分形成合金碳化物，如TI、Mo、Cr、V、Ti等元素；(3)形成金属间化合物而存在于基体中。通常来说，高速钢最终使用态的组织主要为回火马氏体和一次、二次碳化物。

其优异的耐磨性与其组织中含有大量的高硬度碳化物有关。碳化物是高速钢组织中的重要组成部分，其种类、数量、尺寸以及分布情况对高速钢的各项性能均起着关键性作用。按照碳化物在钢中存在的具体特征及实际生成情况，可以分成两大类：即一次和二次碳化物。凝固过程中由钢液中析出的先共晶和共晶碳化物称之为一次碳化物，也称之为“初生碳化物”，这些碳化物一般也称为“一次碳化物”；由凝固后或者热处理过程中由固态基体析出的碳化物称为二次碳化物，主要有M₆C、M₃C、M₂₃C₆、M₇C₃和M₂C等不同类型。其中Ti是高速钢高硬度特别是较高红硬性的保障。首先，形成一定数量难以溶解的一次碳化物，使钢可接近熔点高温淬火，并且提高钢的耐磨性；其次，形成足够量的二次碳化物，使得回火时脱溶析出二次M₂C及MC碳化物。因此，高速钢粉末中自生TiC颗粒中的TiC存在着两种形态，即初生TiC和共晶TiC它们的形态和尺寸都会对高速钢的性能产生影响。初生TiC多为枝晶状形貌，而共晶TiC由于高速钢粉末其含碳量远离共晶点，导致共晶TiC多为羽毛状。上述两种形貌极易引起材料内局部应力集中导致产生裂纹，严重影响加工性能、力学性能和使用寿命。因此，调控TiC形貌由枝晶状、羽毛状转化为球状、近球状形貌，有望实现高速钢工具力学性能和使用寿命的提高。

然而，晶体生长形态是由其加热部件结构和生长的外部环境所决定的，其加热部件结构主要决定于平衡形态和初生形貌，当晶体在非平衡条件下生长时形态主要由生长环境决定。碳对钛合金中共晶TiC形态的影响，也就是可用共晶凝固过程中的溶质的富集和扩散来解释。TiC发生共晶结晶时，共晶TiC周围会出现贫碳层，而贫碳层的厚度及熔体中碳浓度的富集程度与高速钢中的含碳量有关。含碳量低时，熔体中碳富集程度低，贫碳层相对较厚TiC以不断分支方式伸入到更远的区域才能减少碳的扩散距离，易于生长，从而形成枝晶状形貌。含碳量低时初生β-Ti很多，发生共晶反应时的区域狭窄，限制TiC的立体分支，使其在狭窄的二维空间内分支并生长成羽毛状。因此，TiC形貌难以在水气联合雾化过程中通过调控制备工艺来实现TiC形貌由枝晶状、羽毛状向球状、进球状形貌的调控。只有将近球形形貌的TiC直接引入高速钢粉末表面，才能实现近球形TiC形貌的增强相。

发明内容

针对上述TiC枝晶状、羽毛状形貌难调控导致的性能衰退、寿命缩短等问题，本发明提出在高速钢粉末表面直接引入近球形TiC增强相，制备近球形TiC包覆高速钢复合粉末，从粉末源头实现TiC形貌控制，大幅提高高速钢产品的力学性能和使用寿命。

本发明的目的在于提供一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置及制备方法，所述制备方法保证了碳化钛的近球形形貌控制及其均匀分布，进而提升高速钢部件的力学性能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种包覆高速钢复合粉体的制备装置，所述制备装置包括料仓、流化床反应器、钛源发生器、产品收集装置和尾气处理装置。

所述料仓设置于流化床反应器的侧上部，所述料仓用于为所述流化床反应器提供高速钢粉末原料，所述料仓在底部设置有料仓排料口。

所述流化床反应器包括流化床反应器本体、加热部件、保护气入口、钛源载气入口、反应气入口、沉颗粒原料入口、物料排出口和尾气排出口；所述加热部件设置于流化床反应器本体的外侧，用于对流化床反应器内的固体物料和气体进行加热，所述保护气入口开设于流化床反应器本体的底部，所述反应气入口和所述钛源载气入口分别开设于流化床反应器本体的侧部底端，所述颗粒原料入口设置于流化床反应器本体的侧部的上端，所述物料排出口设置于流化床反应器本体的侧部的下端，所述尾气排出口开设于流化床反应器本体的顶端，所述料仓排料口与所述颗粒原料入口相连通。

所述钛源发生器用于将钛源(TiCl₄)预热并与载气混合，并将钛源在载气的承载下进入到流化床反应器本体内。

所述产品收集装置用于收集所述流化床反应器处理后的包覆高速钢复合粉体产品，所述产品收集装置设置有产品排入口，所述产品排入口与流化床反应器的所述物料排出口相连通。

所述尾气处理装置用于对流化床反应器反应过程中产生的尾气进行处理和排放，所述尾气处理装置设置有尾气入口，所述尾气入口与流化床反应器的所述尾气排出口相连通。

作为优选，所述加热部件为密布于流化床反应器床体外侧的电热管或电热丝。

作为优选，所述流化床反应器本体为上部圆筒状、下部圆锥状的中空结构。

作为优选，所述尾气处理装置为尾气点燃装置，内部包括有点火系统(还可以设置现有已知的检测系统，反馈系统)。

一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，采用上述的制备装置进行制备，包括如下步骤：

(1)将高速钢粉末进行筛分，将得到的1～30μm的高速钢粉末置于流化床反应器内，然后通过流化床反应器的所述保护气排入口排入保护气体，将加热部件空气排尽，并使高速钢粉末在保护气氛中处于流化状态。

(2)将钛源(TiCl₄)在钛源发生器内预热到25～136℃，然后将钛源(TiCl₄)与载气在钛源发生器内混合，然后通过加热部件对流化床反应器本体内的物料进行升温，升温温度为500～1000℃，同时将钛源(TiCl₄)在载气的承载下以10～100mL/min的气体速率通入到流化床反应器本体中，所述载气与步骤(1)中所述的保护气体为同样的气体，同时以75～300mL/min的气体速率向流化床反应器中通入反应气，所述反应气为烷烃气体，流化态的高速钢粉末、钛源(TiCl₄)以及反应气的混合时间为50～120min。

(3)对物料进行冷却，然后进行气固分离，得到近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的产品。

所述高速钢粉末为W6Mo5Cr4V2的高速钢粉磨之后形成的粉末(成分为：Mn：0.15～0.40wt％；S≤0.030wt％；P≤0.030wt％；Cr：3.80～4.40wt％；镍Ni≤0.30wt％；V：1.75～2.20wt％；Mo：4.50～5.50wt％；W：5.50～6.75wt％，基体为Fe和不可避免的杂质)。

作为优选，步骤(1)中所述保护气体和与步骤(2)中的载气为氮气和氩气中的一种或两种；步骤(2)中将钛源在载气的承载下与反应气分别独立通入所述高速钢粉体所在保护气氛的流化床反应器的中。

作为优选，步骤(2)中所述混合时间为60～120min。步骤(2)中所述的钛源为TiCl₄；钛源的预热温度为26-136℃(例如30℃、50℃、70℃、80℃、130℃)；所述的烷烃气体为甲烷。

作为优选，步骤(3)中所述的气固分离的方法为重力沉降，静置60min，实现气固分离。

一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体，所述近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体采用上述的制备方法制备得到，且所述近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体中碳化钛的质量分数为5～10wt.％。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过合理设置制备装置，使得在高速钢颗粒(粉末)在流化态的状态下，能够实现气相沉积(即实现了流化态的状态下进行气相沉积)，通过本发明装置各部件的具体设置，尤其是各个出入口的设置，使得气相沉积能够高效进行。

本发明通过在具体特定制备装置内进行具体步骤的制备方法，实现了粉体尺度上高速钢粉末和近球形碳化钛增强相的均匀分布，尤其是对流速、温度等参数的具体设置，从粉体源头实现了碳化钛形貌的近球形调控，保证高速钢产品优异的力学性能，从而提升高速钢产品使用寿命。通过本发明方法制备得到的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的方法包覆量可控，成本低，易于规模化批量生产。

附图说明

图1是本发明近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置结构示意图。

图2是实施例1提供的制备方法制得的碳化钛包覆高速钢复合粉体的SEM图。

其中：1-料仓；2-流化床反应器；3-钛源发生器；4-产品收集装置；5-尾气处理装置，A-反应气，B-保护气体，C-载气。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本实施方式提供一种如图1所示的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备装置，所述制备装置包括料仓1、流化床反应器2、钛源发生器3、产品收集装置4和尾气处理装置5。

所述料仓1设置于流化床反应器2的侧上部，所述料仓1用于为所述流化床反应器2提供高速钢粉末原料，所述料仓在底部设置有料仓排料口。

所述流化床反应器包括流化床反应器本体、加热部件、保护气入口、钛源载气入口、反应气入口、沉颗粒原料入口、物料排出口和尾气排出口；如图1所示，所述流化床反应器本体为上部圆筒状、下部圆锥状的中空结构。所述加热部件设置于流化床反应器本体的外侧，用于对流化床反应器内的固体物料和气体进行加热，所述保护气入口开设于流化床反应器本体的底部，所述反应气入口和所述钛源载气入口分别开设于流化床反应器本体的侧部底端，所述颗粒原料入口设置于流化床反应器本体的侧部的上端，所述物料排出口设置于流化床反应器本体的侧部的下端，所述尾气排出口开设于流化床反应器本体的顶端，所述料仓排料口与所述颗粒原料入口相连通。

所述钛源发生器3用于将钛源(TiCl₄)预热并与载气混合，并将钛源在载气的承载下进入到流化床反应器本体内。在其它使用情况下，还可以置换为钨源发生器进行钨源的沉积。

所述产品收集装置4用于收集所述流化床反应器处理后的包覆高速钢复合粉体产品，所述产品收集装置设置有产品排入口，所述产品排入口与流化床反应器的所述物料排出口相连通。

所述尾气处理装置4用于对流化床反应器反应过程中产生的尾气进行处理和排放，所述尾气处理装置设置有尾气入口，所述尾气入口与流化床反应器的所述尾气排出口相连通。

如下为制备方法的实施例：

实施例1

本实施例提供一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，所述制备方法在本发明提供的如图1所示的装置系统中进行，所述制备方法包括以下步骤：

(1)使粒径为1μm-30μm的高速钢粉体在流化床反应器保护气氛中处于流化状态。

(2)在步骤(1)持续进行的基础上，将钛源与反应气同步通入流化床反应器中，与高速钢粉末体混合，混合温度600℃(在其它实施例中还可以为500℃、700℃、800℃、900℃、950℃、1000℃)，混合时间60min(在其它实施例中还可以为1min、5min、10min、15min、20min、30min、40min、50min、120min)，所述钛源的温度20℃，通入气速50ml(在其它实施例中还可以为10mL/min、20mL/min、30mL/min、70mL/min、90mL/min、100mL/min)，所述反应气通入气速100ml(在其它实施例中还可以为75mL/min、120mL/min、130mL/min、150mL/min、175mL/min、200mL/min、250mL/min、300mL/min)。

(3)反应结束后气固分离，得到碳化钛包覆高速钢复合粉体。

图2为本实施例提供的制备方法所得碳化钛包覆高速钢复合粉体的SEM图，由图2可见高速钢粉末体表面均匀包覆了近球形碳化钛颗粒。

本实施例提供的制备方法所得碳化钛包覆高速钢复合粉体的碳化钛含量为5wt.％。

实施例2

本实施例提供一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，所述制备方法在本发明提供的如图1所示的装置系统中进行，所述制备方法包括以下步骤：

(1)使粒径为1μm-30μm的高速钢粉体在流化床反应器保护气氛中处于流化状态。

(2)在步骤(1)持续进行的基础上，将钛源与反应气同步通入流化床反应器中，与高速钢粉末体混合，混合温度800℃，混合时间90min，所述钛源的温度40℃，通入气速75ml，所述反应气通入气速150ml。

(3)反应结束后气固分离，得到碳化钛包覆高速钢复合粉体。

本实施例提供的制备方法所得碳化钛包覆高速钢复合粉体的碳化钛含量为7wt.％。且所得碳化钛包覆高速钢合粉体微观形貌与实施例1相似，故在此不做赘述。

实施例3

本实施例提供一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，所述制备方法在本发明提供的如图1所示的装置系统中进行，所述制备方法包括以下步骤：

(1)使粒径为1μm-30μm的高速钢粉体在流化床反应器保护气氛中处于流化状态。

(2)在步骤(1)持续进行的基础上，将钛源与反应气同步通入流化床反应器中，与高速钢粉末体混合，混合温度900℃，混合时间120min，所述钛源的温度60℃，通入气速90ml，所述反应气通入气速260ml。

(3)反应结束后气固分离，得到碳化钛包覆高速钢复合粉体。

本实施例提供的制备方法所得碳化钛包覆高速钢复合粉体的碳化钛含量为10wt.％。且所得碳化钛包覆高速钢合粉体微观形貌与实施例1相似，故在此不做赘述。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，采用包覆高速钢复合粉体的制备装置进行制备，所述制备装置包括料仓、流化床反应器、钛源发生器、产品收集装置和尾气处理装置；

所述料仓设置于流化床反应器的侧上部，所述料仓用于为所述流化床反应器提供高速钢粉末原料，所述料仓在底部设置有料仓排料口；

所述流化床反应器包括流化床反应器本体、加热部件、保护气入口、钛源载气入口、反应气入口、颗粒原料入口、物料排出口和尾气排出口；所述加热部件设置于流化床反应器本体的外侧，用于对流化床反应器内的固体物料和气体进行加热，所述保护气入口开设于流化床反应器本体的底部，所述反应气入口和所述钛源载气入口分别开设于流化床反应器本体的侧部底端，所述颗粒原料入口设置于流化床反应器本体的侧部的上端，所述物料排出口设置于流化床反应器本体的侧部的下端，所述尾气排出口开设于流化床反应器本体的顶端，所述料仓排料口与所述颗粒原料入口相连通；

所述钛源发生器用于将钛源预热并与载气混合，并将钛源在载气的承载下进入到流化床反应器本体内；

所述产品收集装置用于收集所述流化床反应器处理后的包覆高速钢复合粉体产品，所述产品收集装置设置有产品排入口，所述产品排入口与流化床反应器的所述物料排出口相连通；

所述尾气处理装置用于对流化床反应器反应过程中产生的尾气进行处理和排放，所述尾气处理装置设置有尾气入口，所述尾气入口与流化床反应器的所述尾气排出口相连通；

所述制备方法包括如下步骤：

（1）将高速钢粉末进行筛分，将得到的1~30μm的高速钢粉末置于流化床反应器内，然后通过流化床反应器的所述保护气入口排入保护气体，将加热部件空气排尽，并使高速钢粉末在保护气氛中处于流化状态；

（2）将TiCl₄在钛源发生器内预热到25~136℃，然后将TiCl₄与载气在钛源发生器内混合，然后通过加热部件对流化床反应器本体内的物料进行升温，升温温度为500~1000℃，同时将TiCl₄在载气的承载下以10~100mL/min的气体速率通入到流化床反应器本体中，所述载气与步骤（1）中所述的保护气体为同样的气体，同时以75~300mL/min的气体速率向流化床反应器中通入烷烃气体，流化态的高速钢粉末、TiCl₄以及反应气的混合时间为50~120min，其中TiCl₄的总添加量为使得最终高速钢复合粉体的中碳化钛的质量分数为5~10wt.%；

（3）对物料进行冷却，然后进行气固分离，得到近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的产品。

2.根据权利要求1 所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，所述加热部件为密布于流化床反应器的床体外侧的电热管或电热丝。

3.根据权利要求1 所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，所述流化床反应器本体为上部圆筒状、下部圆锥状的中空结构。

4.根据权利要求1 所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，所述尾气处理装置为尾气燃烧装置，尾气燃烧装置内包括点火部件。

5.根据权利要求1 所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，所述钛源发生器设置有气体出口，并且该气体出口与所述钛源载气入口相连通，所述钛源发生器将钛源在载气的承载下通过所述钛源载气入口排入到流化床反应器本体内。

6.根据权利要求1所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述保护气体和与步骤（2）中的载气为氮气和氩气中的一种或两种；步骤（2）中将TiCl₄在载气的承载下与烷烃气体分别独立通入所述高速钢粉体所在保护气氛的流化床反应器的中。

7.根据权利要求1所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述混合时间为60~120min；TiCl₄的预热温度为26~136℃；所述的烷烃气体为反应气体，具体为甲烷。

8.据权利要求1所述的近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的气固分离的方法为重力沉降，具体为静置60min，实现气固分离。

9.一种近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体，其特征在于，所述近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到，且所述近球形碳化钛包覆高速钢复合粉体中碳化钛的质量分数为5~10wt.%。