粉末冶金耐磨耐蝕合金管材的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工模具鋼類合金管材，尤其涉及一種粉末冶金耐磨耐蝕合金管 材。
【背景技術(shù)】
[0002] 在一些特殊工況條件下，塑料模具或機(jī)械零部件表面不僅經(jīng)受運(yùn)動(dòng)部件或工作介 質(zhì)中硬的研磨顆粒直接接觸引起磨損，還經(jīng)受潮濕、酸或其它腐蝕劑的腐蝕作用，如注塑成 形機(jī)械中的螺桿、機(jī)筒等零部件，一方面由于塑料中添加大量硬質(zhì)顆粒，如玻璃纖維、碳纖 維等，導(dǎo)致這些零部件磨損加劇，另一方面塑料中腐蝕性成分對(duì)零部件產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。為了 使應(yīng)用于這些特殊工況的零部件具備長的使用壽命，所使用塑料模具鋼表面必須具有高的 耐磨性能和耐蝕性能，另外為了承受工作應(yīng)力加載和沖擊，塑料模具鋼需具備一定的硬度 和韌性。
[0003] 目前模具鋼主要采用傳統(tǒng)的鑄鍛工藝制備，采用鑄鍛工藝制備模具鋼受到工藝過 程鋼液緩慢冷卻凝固特點(diǎn)的限制，合金成分在凝固過程中容易發(fā)生偏析，形成粗大的碳化 物組織，即使經(jīng)過后續(xù)鍛軋?zhí)幚?，這種不良組織仍然會(huì)對(duì)合金性能帶來不良影響，導(dǎo)致鑄鍛 模具鋼性能上包括強(qiáng)度、韌性、耐磨性能、可磨削性能等處于偏低水平。采用粉末冶金工藝 制備模具鋼解決了合金元素偏析的問題，制備得到合金組織細(xì)小均勻，相比鑄鍛合金性能 有大幅度提升，但是粉末制備成本高昂，帶來合金整體成本的提高，如何降低粉末冶金模具 鋼的成本是需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了 一種低成本的粉末冶金耐磨耐蝕合 金管材。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的粉末冶金耐磨耐蝕合金管材，管壁由外層合金和內(nèi) 層合金組成，所述外層合金為碳素鋼或不銹鋼，內(nèi)層合金由粉末冶金的金屬粉末致密化 后制得，金屬粉末化學(xué)組分按質(zhì)量百分比計(jì)包括：C : 2. 36%-3. 30%，W :0. 1%-1. 0%，Mo: 彡 L 8%，Cr :12· 6%-18· 0%，V :6· 0%-12· 5%，Nb :0· 5%-2· 1%，Co :0· 1%-0· 5%，Si :彡 L 0%，Mn : 0. 2%-1. 0%，N :0. 05%-0. 35%，余量為鐵和雜質(zhì)。
[0006] 本發(fā)明中外層合金對(duì)內(nèi)層合金提供力學(xué)支撐，內(nèi)層合金金屬粉末的組分設(shè)計(jì)是實(shí) 現(xiàn)耐磨耐蝕性能的關(guān)鍵。
[0007] C元素部分固溶于基體，提高基體強(qiáng)度，C元素同時(shí)是碳化物的組成元素之一，C的 含量不小于2. 36%，以保證合金元素能夠充分參與碳化物析出，C的最大含量不超過3. 30%， 避免過多的C固溶于基體導(dǎo)致韌性下降；在上述C含量為2. 36%-3. 30%范圍內(nèi)，能夠獲得最 大耐磨性能以及強(qiáng)韌性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基體，提高基體淬透性，本發(fā)明內(nèi)層合金W含量范圍是0. 1%-1. 0%，M〇 的含量范圍是Mo彡1. 8%。
[0009] Cr -方面固溶于基體，提高耐蝕性能及淬透性，另一方面Cr以M7C3碳化物形 式析出，考慮到Cr固溶于基體以及以碳化物形式析出之間存在的平衡，限定Cr含量為 12. 6%-18, 0%〇
[0010] V主要用于形成MC型碳化物，提高耐磨性能，V含量控制范圍為6. 0%-12. 5%。 [0011] Nb的作用與V類似，參與形成MC碳化物，本發(fā)明內(nèi)層合金Nb固溶于MC碳化物，提 高M(jìn)C碳化物析出時(shí)的形核數(shù)量，促進(jìn)MC碳化物析出和細(xì)化，提高耐磨性能；Nb添加含量上 限在于避免富Nb的MC碳化物析出；因此Nb的含量范圍為0. 5%-2. 1%。
[0012] Co主要固溶于基體，促進(jìn)熱處理過程碳化物析出，Co含量的范圍限定為 0· 1%-0· 5%〇
[0013] Si不參與碳化物形成，作為一種脫氧劑和基體強(qiáng)化元素來使用，Si過多會(huì)使基體 的韌性下降，限定Si含量范圍是Si < 1. 0%。
[0014] Mn作為脫氧劑加入，并可以固硫減少熱脆性，另外Mn增加淬透性，Mn含量范圍是 0· 2%-1· 0%〇
[0015] N參與形成MC碳化物，快速冷卻條件下，N促進(jìn)MC碳化物形核析出，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致 MC碳化物過分長大，有利于提高耐磨性能，N也可促進(jìn)鋼的耐蝕性能；N添加含量上限在于 避免具有高穩(wěn)定性富N的MC碳化物在過高溫析出，導(dǎo)致碳化物粗化；本發(fā)明內(nèi)層合金N含 量范圍是0. 05%-0. 35%。
[0016] 內(nèi)層合金中V、Nb、C、N等元素形成MC碳化物類型為（V、Nb) (C、N)，在粉末冶金工 藝鋼液快速冷卻凝固條件下，添加的Nb和N參與MC碳化物形成，提高碳化物形核率和細(xì)化 MC碳化物顆粒，使韌性提高。
[0017] 作為對(duì)上述方式的限定，所述內(nèi)層合金金屬粉末的化學(xué)組分中雜質(zhì)包括0， 0^0. 01%〇
[0018] 0過高導(dǎo)致韌性下降，本發(fā)明中控制0含量范圍為< 0. 01%。
[0019] 作為對(duì)上述方式的限定，所述內(nèi)層合金金屬粉末的化學(xué)組分按質(zhì)量百分比計(jì)包 括：C :2· 40%-3· 18%，W :0· 1%-0· 8%，Mo: ^ I. 8%, Cr ：13. 0%-18. 0%, V ：6. 2%-12. 5%, Nb ： 1. 0%-2· 0%，Co :0· 1%-0· 4%，Si :彡 0· 8%，Mn :0· 2%-0· 8%，N :0· 05%-0· 30%，0 彡 0· 008%，余量 為鐵和雜質(zhì)。
[0020] 為了達(dá)到更好的綜合性能，本發(fā)明的粉末冶金耐磨耐蝕合金管材其內(nèi)層合金金屬 粉末的各化學(xué)組分應(yīng)控制在要求范圍之內(nèi)。
[0021] 作為對(duì)上述方式的限定，所述內(nèi)層合金的碳化物組成為MC碳化物和M7C3碳化物。
[0022] 作為對(duì)上述方式的限定，所述MC碳化物的類型為（V、Nb) (C、N)。
[0023] 作為對(duì)上述方式的限定，所述MC碳化物的體積分?jǐn)?shù)為12%~20%，至少80V〇1%MC碳 化物尺寸< 1. 3 μ m，最大MC碳化物尺寸不超過5 μ m。
[0024] 作為對(duì)上述方式的限定，所述M7C3碳化物為富Cr碳化物。
[0025] 作為對(duì)上述方式的限定，所述M7C3碳化物的體積分?jǐn)?shù)為12%~19%，至少80V〇1%MC 碳化物尺寸< 5 μ m，最大MC碳化物尺寸不超過10 μ m。
[0026] 作為對(duì)上述方式的限定，所述內(nèi)層合金的化學(xué)組分中雜質(zhì)還包括S、P，其中 S 彡 0· 1% 且 P 彡 0· 03%。
[0027] 作為對(duì)上述方式的限定，所述外層合金厚度為10~300mm，內(nèi)層合金厚度為 5~300mm〇
[0028] 本發(fā)明的粉末冶金耐磨耐蝕合金管材由具有上述化學(xué)組分的金屬粉末與碳素鋼 或不銹鋼管材內(nèi)壁經(jīng)過熱等靜壓壓制結(jié)合，形成完全致密且緊密結(jié)合的雙層合金結(jié)構(gòu)，制 備方法包括以下步驟： 1) 按照上述內(nèi)層合金金屬粉末的化學(xué)組分要求配置鋼液，采用粉末冶金工藝制備金屬 粉末； 2) 將金屬粉末裝填入一端開口的中空圓柱形熱等靜壓包套，包套外層為10~300_厚 度的碳素鋼或不銹鋼合金，包套內(nèi)層及底部為1.5mm-3mm厚低碳鋼，粉末裝填于厚度為 5~350mm的中間空隙并振實(shí)； 3) 對(duì)包套進(jìn)行抽真空脫氣，隨后對(duì)包套端部進(jìn)行封焊處理； 4) 將包套進(jìn)行熱等靜壓處理使包套內(nèi)粉末完全致密固結(jié)，隨爐冷卻； 5) 車削去掉內(nèi)表層熱等靜壓包套，采用不同熱處理得到不同性能的粉末冶金耐磨耐蝕 合金管材，所使用的熱處理包括退火、淬火和回火。
[0029] 綜上所述，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，獲得的粉末冶金耐磨耐蝕合金管材，其內(nèi)層合 金具有優(yōu)異的耐磨性能和耐腐蝕性能，外層合金使用價(jià)格低廉的碳素鋼或不銹鋼對(duì)內(nèi)層合 金提供力學(xué)支撐，內(nèi)外雙層合金通過熱等靜壓壓制，其結(jié)構(gòu)完全致密且緊密結(jié)合，既滿足了 管材使用時(shí)對(duì)耐磨性能、耐腐蝕性能的要求，又極大降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的市場競 爭力，應(yīng)用廣泛。
【附圖說明】
[0030] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步詳細(xì)說明： 圖1為本發(fā)明粉末冶金耐磨耐蝕合金管材橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中：1、熱等靜壓包套；2、內(nèi)層合金；3、外層合金；Dl :外層合金外徑；D2 :外層合金內(nèi) 徑；D3 :包套內(nèi)層直徑。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 如圖1所示，熱等靜壓包套1為一端開口的中空圓柱形，包套內(nèi)層及底部 為I. 厚低碳鋼，包套內(nèi)層直徑D3形成合金管材的內(nèi)徑；外層合金3為厚度 10mm-300mm的圓環(huán)形碳素鋼或不銹鋼合金，外層合金外徑Dl形成合金管材的外徑；包套內(nèi) 層與外層合金3形成的厚度5mm-350mm環(huán)形空隙用于裝填金屬粉末，經(jīng)過熱等靜壓壓制形 成內(nèi)層合金2,外層合金內(nèi)徑D2形成內(nèi)層合金的外徑。
[0032] 實(shí)施例一 本實(shí)施例涉及一組粉末冶金耐磨耐蝕合金管材，其組成如表1. 1所示： 表1. 1實(shí)施例一粉末冶金耐磨耐蝕合金管材的化學(xué)組分表
上表中N. A表;^未分析。
[0033] 采用以下制備步驟： 1)按照要求配置鋼液，采用粉末冶金工藝制備金屬粉末，粉末冶金工藝步驟如下： a、 將鋼液裝載至鋼包，鋼液裝載重量為1. 5-8噸； b、 鋼包中鋼液上表面覆蓋鋼包保護(hù)渣，鋼包保護(hù)渣具備隔絕空氣以及導(dǎo)電加熱功能， 霧化制粉過程中對(duì)保護(hù)渣通電加熱，維持鋼液過熱度為l〇〇°C -150°C;鋼包底部通過透氣孔 通入惰性氣體如氬氣或氮?dú)獾葘?duì)鋼液進(jìn)行攪拌，使鋼包內(nèi)不同位置鋼液溫度均衡，同時(shí)加 速有害夾雜上浮去除； c、 鋼液通過鋼包底部導(dǎo)流管進(jìn)入中間包，導(dǎo)流管一方面對(duì)鋼液起到導(dǎo)流作用，減少鋼 液流轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生紊流，避免卷渣及防止夾雜進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，另一方面導(dǎo)流管保護(hù)鋼液流避 免暴露于空氣，防止鋼液氧含量上升；鋼包鋼液溫度達(dá)到要求時(shí)打開鋼液導(dǎo)流管，鋼液進(jìn)入 中間包，通過控制鋼液導(dǎo)流管入口大小控制鋼液流量，合適的鋼液流量范圍為10 kg/min -50 kg/min ;鋼液進(jìn)入中間包埋沒導(dǎo)流管下端