CN115505815A - 一种耐高温高耐磨性材料及其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高耐磨性材料及其制备方法及应用，按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：40.0‑50.0％，Mo：1.2‑3.0％，Ni：2.0‑3.0％，Mn：10.0‑14.0％，C：0.7‑1.1％，余量为Fe；所述制备方法包括：步骤一配料计算，步骤二湿磨混料，步骤三干燥，步骤四掺胶制粒，步骤五压制成形，步骤六真空烧结；所述耐高温高耐磨性材料制备方法能用于制造高温炉底辊轮、热作与冷作模具冲头或其它耐磨件等，具有较高的硬度和耐高温性能，耐磨耐腐蚀能力强，粉末冶金工艺能实现少切削或无切削节能型生产。

Description

一种耐高温高耐磨性材料及其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及耐高温高耐磨材料技术领域，具体涉及一种耐高温高耐磨性材料及其制备方法及应用。
背景技术
耐高温高耐磨性材料被广泛运用于冶金铸造、机械工程等行业的生产设备上，这类设备对材料的硬度、屈服强度及高温性能有着极高的要求，传统的热作模具钢如H13钢在实际使用中并不能完全满足这些要求。
以高温炉底辊轮为例，它通常需要载着一吨以上的淬火工件在炉内加热至1000℃以上，经多次升温保温过程，在炉内停留时间达数小时至十几个小时不等，由于长期受到热传递，热对流甚至热辐射的影响，辊轮会产生热疲劳现象，其强度和硬度会显著下降，严重影响使用寿命，此外，当高温淬火件推入淬火介质中时，产生的高温蒸汽会严重腐蚀辊轮，使辊轮以大块氧化皮脱落的形式失效，严重时会引发倾翻事件造成危险。
另一方面，在冲头、破碎机锤头等耐磨件材料的选择方面，通常采用硬质合金，此类钢材中含钨对钢材硬度和耐热性能有很显著的提高，但是韧性会急剧下降，且使用成本较高。
需要一种高性价比的耐高温高耐磨性材料解决此类问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种耐高温高耐磨性材料及其制备方法及应用。
本发明的目的之一是提供一种耐高温高耐磨性材料，具体技术方案如下：
一种耐高温高耐磨性材料，按质量百分比计，耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：40.0-50.0％，Mo：1.2-3.0％，Ni：2.0-3.0％，Mn：10.0-14.0％，C：0.7-1.1％，余量为Fe。
本发明的目的之二是提供一种上述耐高温高耐磨性材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料计算：按照各组分配比计算重量后进行称量；
(2)湿磨混料：将步骤(1)中称量好的物料放入湿磨机中，以300-400ml/kg的含量将酒精加入物料中进行保护，以球料比3:1的比例进行湿磨混合，混合时间为24-30小时；
(3)干燥：将步骤(2)中湿磨混合料取出置入干燥锅中，通过热水蒸馏回收酒精，干燥物料，水温控制在95℃；
(4)掺胶制粒：将步骤(3)中干燥后的物料置入掺胶机内，以100-120ml/kg的含量将成型剂加入干燥的物料中，搅拌均匀后将物料放置于封闭环境下，待丁钠橡胶成型剂干燥后，通过制粒机制备出物料颗粒；
(5)压制成形：将步骤(4)中制粒好的物料装填至模具中定型制成压坯，在装填质量大于5kg的压坯时，需通过超声波振动装置振实1分钟左右；
(6)真空烧结：将步骤(5)中制作的压坯装入真空炉中进行分段慢速烧结，第一阶段为脱胶阶段，用时7小时从室温升至900℃；第二阶段为固相还原阶段，用时3小时从900℃升至1200℃；第三阶段为液相烧结阶段，用时2小时15分从1200升温至1420℃，在1420℃继续保温45分钟。
进一步的，所述步骤(1)中，对组分的称量要根据组分在真空炉内的烧结特征进行，对金属原料要计算蒸发补充值。
进一步的，所述步骤(2)中酒精的浓度为99.79％。
进一步的，所述步骤(4)中成型剂为丁钠橡胶类成型剂。
进一步的，所述步骤(4)中物料颗粒的目数为60-80。
进一步的，所述步骤(6)中压坯质量大于5kg时，第三阶段的最高温度温度由1420℃提高至1450℃。
本发明的目的之三为提供上述耐高温高耐磨性材料或制备方法的应用，将步骤(5)中模具设为炉底辊轮的模具，所得压坯形状为炉底辊轮，最终成品为耐高温高耐磨性材料制成的炉底辊轮。
进一步的，步骤(5)中模具为冲头的模具，所得压坯形状为冲头，最终成品为耐高温高耐磨性材料制成的冲头。
进一步的，步骤(5)中模具为锤头嵌套的模具，所得压坯形状为锤头嵌棒，最终成品为耐高温高耐磨性材料制成的锤头嵌棒，锤头嵌棒通过镶铸工艺与高锰钢锤头结合，镶铸温度为1460-1480℃。
本发明有益效果如下：
1.本发明提供的耐高温高耐磨性材料通过控制硬质相TiC保持在50％以内的方式，将硬度稳定在HRC60以上，大于传统热作模具钢40-52HRC的硬度，能更好的满足冶金、铸造业生产设备对材料的要求。
2.本发明提供的耐高温高耐磨性材料通过提高Ni、Mo、Mn含量的方式，提高了粘结相的润湿性，让更多的硬质相固溶于粘结相中被有效连结，扩大了固溶体相区，起到了稳定固溶体提高其强度的作用，保护硬质相不被过早的剥落，从而提高了合金的耐磨性。
3.本发明通过高温慢速烧结的方法提高了合金的耐高温性能，让合金组织留下温度记忆性，解决了传统热作模具钢受温过高时发生回火软化的问题。
4.本发明采用粉末冶金及真空烧结的方法进行生产应用，通过模具压制成型的方法避免了对工件的切削。
5.本发明TiC含量控制在50％以内，相较同类型材料贵重原料的消耗量较少，控制了生产成本，提高了产品性价比。
附图说明
图1为由本发明所述耐高温高耐磨性材料制成的炉底辊轮；
图2为本发明所述耐高温高耐磨性材料的金相图；
图3为酒精未干燥完全的报废样品对比图；
图4为成功样品对比图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1：
本实施例用于制备高温炉底辊轮，产品质量为6kg左右。
按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：47.0-50.0％，Mo：2.5-3.0％，Ni：2.7-3.0％，Mn：13.0-14.0％，C：1.0-1.1％，余量为Fe。
将上述称重后的各种原料放入湿磨机中，以400ml/kg的含量将分析纯无水酒精(体积浓度99.79％)加入物料中进行保护，以球料比3:1的比例进行湿磨混合，混合时间为24小时，将混合后的物料转移至干燥锅中，干燥锅温度控制在95℃内，在干燥过程中缓慢翻动物料，使其快速干燥，干燥完成后静置冷却，将干燥后的混合料放入掺胶机内，以120ml/kg的含量将丁钠橡胶成型剂掺入物料中均匀混合，所述丁钠橡胶成型剂以金属钠为引发剂，由丁二烯气相或液相聚合制得，掺胶12小时后，将掺胶物料放入制粒机中过滤筛选，制成60目的小颗粒，小颗粒物料能增加后续压制成形过程中的流动性，减少对模具的摩擦阻力，提高模具使用寿命，同时也提高成型率和压坯强度。
在本实施例中，选用的压制模具为高温炉底辊轮模具，将上述物料颗粒加入模具中，在装填时，需通过超声波振动装置振实1分钟左右，将压制压力控制在800kg/mm2，压制脱模后得到的单个压坯质量约为5.7kg，脱模后压坯应无分层、裂纹和掉边掉角等缺陷。
在本实施例中，选用炉内为石墨发热体的真空炉，炉堂尺寸为500×500×1200mm，一次可烧250kg以上的产品，本次烧结设计的重量约为100kg，共18个上述高温炉底辊轮压坯，整个真空烧结过程分三个阶段进行：
第一阶段为从室温加热至900℃的缓慢加热阶段，当加热温度缓慢上升至300℃以上时，成型剂开始蒸发裂解，真空度急速下降，需加大真空炉的抽气速率直至温度达到900℃，该过程持续7小时。
第二阶段为从900℃加热至1200℃的固相烧结阶段，当温度达到1200℃后需保温20分钟，该过程持续3小时。
第三阶段为从1200℃加热至1450℃的液相烧结阶段，当温度达到1450℃时保温45分钟，该过程持续3小时。
如图1所示，为本实施例得到的产品实物，其HRC硬度为62.9(平均)，密度为6.13g/cm3，抗弯强度为1632MPa(平均)。
本实施例中得到的高温炉底滚轮检测了金相组织，如图2所示，金相图中白色部位是碳化钛，为硬质相；黑色部分马氏体和残余奥氏体，为粘结相。
实施例2
本实施例用于制备高温炉底辊轮，辊轮尺寸与实施例1一致。
按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：44.0-48.0％，Mo：1.7-2.3％，Ni：2.4-2.6％，Mn：12.0-13.0％，C：0.9-1.0％，余量为Fe。
本实施例中，制备方法、配料用量、模具等均与实施例1保持一致，本实施例得到的产品HRC硬度为61.1(平均)，密度为6.11g/cm3，抗弯强度为1597MPa(平均)。
实施例3
本实施例用于制备高温炉底辊轮，辊轮尺寸与实施例1一致。
按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：40.0-45.0％，Mo：1.2-1.7％，Ni：2.0-2.3％，Mn：10.0-11.0％，C：0.7-0.8％，余量为Fe。
本实施例中，制备方法、配料用量、模具等均与实施例1保持一致，本实施例得到的产品HRC硬度为60.6(平均)，密度为6.10g/cm3，抗弯强度为1564MPa(平均)。
实施例4
本实施例用于制备冲头，产品质量为3kg左右。
按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：48.0-50.0％，Mo：1.5-2.8％，Ni：2.2-2.5％，Mn：12.0-13.0％，C：0.8-0.9％，余量为Fe。
本实施例中，除以下几点外，其余制备方法、配料用量、模具等均与实施例1保持一致
①以300ml/kg的含量加入分析纯无水酒精，混合时间改为25小时；
②选用的压制模具为冲头模具；
③制粒时，制成80目的小颗粒；
④真空烧结的第三阶段最高温改为1420℃。
本实施例得到的产品HRC硬度为62.8(平均)，密度为6.13g/cm3，抗弯强度为1622MPa(平均)。
实施例5
本实施例用于制备锤头嵌棒，产品质量为120g左右。
按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：46.0-48.0％，Mo：2.6-3.0％，Ni：2.7-3.0％，Mn：12.0-14.0％，C：0.8-0.9％，余量为Fe。
本实施例中，除以下几点外，其余制备方法、配料用量、模具等均与实施例1保持一致
①以300ml/kg的含量加入分析纯无水酒精，混合时间改为25小时；
②选用的压制模具为冲头模具；
③制粒时，制成80目的小颗粒；
④真空烧结的第三阶段最高温改为1420℃。
本实施例得到的产品HRC硬度为62.5(平均)，密度为6.12g/cm3，抗弯强度为1611MPa(平均)。
上述各实施例产品参数对比如下表1所示：
表1各实施例产品参数对比
HRC硬度 密度(g/cm<sup>3</sup>) 抗弯强度(MPa) 质量
实施例1 62.9 6.13 1632 5.7kg
实施例2 61.1 6.11 1597 5.7kg
实施例3 60.6 6.10 1564 5.7kg
实施例4 62.8 6.13 1622 3kg
实施例5 62.5 6.12 1611 120g
由上表对比可知，按本发明所述方法制备的不同组分范围下、不同质量产品的硬度范围在HRC60-63之间，产品抗弯强度范围在1560-1635MPa之间，密度范围在6.10-6.13g/cm3之间，产品性能大体相当，说明组分的配比是合适的，其中，各组分起到的作用及范围划分的理由如下：
①TiC：TiC为合金硬质相，其含量的提升可以提高合金硬度，但是含量过高会使合金变脆且增加生产成本，本发明将TiC的含量控制在40-50％以内，使其硬度即能够超过传统的H13钢，又能在脆性和经济性上取得平衡，也有利于粘结相金属含量的提高；
②Mo：Mo作为粘结相金属之一，具有高熔点及高密度，易于与C形成MoC大大提高对TiC的湿润性，让TiC颗粒溶于MoC的晶粒中，起固溶强化和阻止晶粒长大的作用(晶粒长大容易产生裂纹、脱层和碎裂)，也抑制硬质相的桥接而提高韧性。；
③Ni：Ni作为粘结相金属之一，可以与Fe以互溶形式存在于钢基体的铁素体α相和奥氏体相中，从而扩大奥氏体相区，起固溶强化、稳定奥氏体组织、提高强韧性及抗腐蚀能力的作用；
④Mn：Mn作为粘结相金属之一，可以扩大奥氏体相区并稳定奥氏体组织；
⑤C：C能在合金中形成碳化物及还原金属氧化物，同时也扩大奥氏体相区，是形成固溶强化相的主要合金元素；
⑥Fe：Fe为钢基体的基本元素，它与Ni、Mo、Mn和C形成一种高锰钢基体，是粘结硬质相的基体。
如上所述，由于本发明将TiC的含量限制在了50％以内，且提高了Ni、Mo、Mn的含量，因此使粘结相更具湿润性，能够使更多的硬质相被有效连结，从而使硬质相不易剥落，提高了合金的耐磨性，在实际使用中，H13钢制成的炉底辊轮使用寿命一般在8个月左右(按每天工作24小时记)，而本发明制成的炉底辊轮(见实施例1-3)使用寿命超过两年，是H13钢的3倍以上；由本发明制成的冲头(见实施例4)使用寿命可达60多万次，与更昂贵且质量更大的硬质合金冲头寿命相当；由本发明镶铸而成的高锰钢锤头(见实施例5)，经用户试用耐磨性提高3倍以上。由此可见本发明优异的耐磨性能，足以在多个方面取代H13钢、硬质合金等传统材料。
值得注意的是，当Mn、C含量低于本发明给出的下限值时，合金的芯部将失去韧性而变脆，同时出现磁性，使合金失去焊接性能和抗冲击磨损的硬化性能而报废；而当Mn、C含量超出本发明给出的上限值时，合金内部会出现黑芯，使强度和硬度显著下降；当Ni、Mo含量低于本发明给出的下限值时，合金各方面性能将显著下降；而当Ni、Mo超过上限值时，合金性能无法继续提升，反而提升生产成本。
此外，在称量上述金属原料时，要根据它们在真空炉内的烧结特征进行蒸发补充值计算，并根据结果对称量值进行修正，以保证所得产品的各项组分在正确的区间内。
需要说明的是，本发明在湿磨混料阶段限制了酒精的加入量为300ml-400ml/kg，酒精量较多时，有利于组分的混合，能够减少混料所需的时间，而加入量过大会导致干燥时间变长，浪费时间成本，酒精需干燥完全后才可进入掺胶制粒阶段，否则生产的产品表面会出现螺旋线流蚀而报废(如图3所示)，当酒精纯度不够时也会导致最终产品的失败，因此酒精浓度要求为分析纯无水酒精(体积浓度99.79％)，制造成功的产品样品如图4所示。
在掺胶制粒阶段，成型剂的选择十分重要，目前市面上出售的乙二醇、聚乙烯醇及石蜡等成型剂杂质含量高，且保质期较短(一星期左右)，容易使产品内部出现孔洞，造成强度降低、失去耐磨性等问题，此外，石蜡的脱除难度大，极易堵塞真空炉管道，难以清理，成型性也较差。本发明使用的丁钠橡胶成型剂很好的解决了这些问题，但需要严格控制在本发明的工艺范围内，量少时压坯成型效果差，会出现分层、裂纹等缺陷；过多时会使真空炉的排胶系统出现问题，难以排除干净，最终使产品内出现点状或梅花状石墨(丁钠橡胶属于碳氢化合物，未除尽时会积碳)，严重影响产品质量。
本发明具有优异的耐高温性能，实施例5中制得的锤头嵌棒在进行镶铸时，灌入铁水的温度为1460-1480℃，虽高于实施例5中的烧结温度，但制得的锤头经线切割打磨后，检测出内部的锤头嵌棒硬度仍有HRC62以上，说明本发明具有良好的温度记忆性。
为了进一步证明本发明的耐高温性能，还将实施例1中得到的高温炉底滚轮进行了耐高温性能试验，首先将用于试样的高温炉底滚轮埋入碳黑保护下的铁盒内，随后将铁盒置入箱式电阻炉中随炉升温至1100℃，保温45分钟后，随炉冷却到室温，全过程约13小时，取出试样打磨后再次测试硬度，结果仍然为HRC63左右，该结果证明：本发明提供的耐高温高耐磨性材料，在低于其烧结温度的温度下加热和冷却时不会改变其内部组织结构，材料的硬度保持不变。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温高耐磨性材料，其特征在于，按质量百分比计，所述耐高温高耐磨性材料包括如下组分：TiC：40.0-50.0％，Mo：1.2-3.0％，Ni：2.0-3.0％，Mn：10.0-14.0％，C：0.7-1.1％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的耐高温高耐磨性材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)配料计算：按照各组分配比计算重量后进行称量；
(2)湿磨混料：将步骤(1)中称量好的物料放入湿磨机中，以300-400ml/kg的含量将酒精加入物料中进行保护，以球料比3:1的比例进行湿磨混合，混合时间为24-30小时；
(3)干燥：将步骤(2)中湿磨混合料取出置入干燥锅中，通过热水蒸馏回收酒精，干燥物料，水温控制在95℃；
(4)掺胶制粒：将步骤(3)中干燥后的物料置入掺胶机内，以100-120ml/kg的含量将成型剂加入干燥的物料中，搅拌均匀后将物料放置于封闭环境下，待丁钠橡胶成型剂干燥后，通过制粒机制备出物料颗粒；
(5)压制成形：将步骤(4)中制粒好的物料装填至模具中定型制成压坯，在装填质量大于5kg的压坯时，需通过超声波振动装置振实1分钟左右；
(6)真空烧结：将步骤(5)中制作的压坯装入真空炉中进行分段慢速烧结，第一阶段为脱胶阶段，用时7小时从室温升至900℃；第二阶段为固相还原阶段，用时3小时从900℃升至1200℃；第三阶段为液相烧结阶段，用时2小时15分从1200升温至1420℃，在1420℃继续保温45分钟。
3.根据权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对组分的称量要根据组分在真空炉内的烧结特征进行，对金属原料要计算蒸发补充值。
4.根据权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中酒精的浓度为99.79％。
5.根据权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中成型剂为丁钠橡胶类成型剂。
6.根据权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中物料颗粒的目数为60-80。
7.根据权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中压坯质量大于5kg时，第三阶段的最高温度温度由1420℃提高至1450℃。
8.根据权利要求1所述的耐高温高耐磨性材料或权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料制备方法的应用，其特征在于，所述步骤(5)中模具为炉底辊轮的模具，所得压坯形状为炉底辊轮，最终成品为耐高温高耐磨性材料制成的炉底辊轮。
9.根据权利要求1所述的耐高温高耐磨性材料或权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料制备方法的应用，其特征在于，所述步骤(5)中模具为冲头的模具，所得压坯形状为冲头，最终成品为耐高温高耐磨性材料制成的冲头。
10.根据权利要求1所述的耐高温高耐磨性材料或权利要求2所述的耐高温高耐磨性材料制备方法的应用，其特征在于，所述步骤(5)中模具为锤头嵌棒的模具，所得压坯形状为锤头嵌棒，最终成品为耐高温高耐磨性材料制成的锤头嵌棒，锤头嵌棒通过镶铸工艺与高锰钢锤头结合，镶铸温度为1460-1480℃。
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