粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的制作方法
粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工模具钢类合金管材，尤其涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀合金管 材。
【背景技术】
[0002] 在一些特殊工况条件下，塑料模具或机械零部件表面不仅经受运动部件或工作介 质中硬的研磨颗粒直接接触引起磨损，还经受潮湿、酸或其它腐蚀剂的腐蚀作用，如注塑成 形机械中的螺杆、机筒等零部件，一方面由于塑料中添加大量硬质颗粒，如玻璃纤维、碳纤 维等，导致这些零部件磨损加剧，另一方面塑料中腐蚀性成分对零部件产生化学腐蚀。为了 使应用于这些特殊工况的零部件具备长的使用寿命，所使用塑料模具钢表面必须具有高的 耐磨性能和耐蚀性能，另外为了承受工作应力加载和冲击，塑料模具钢需具备一定的硬度 和韧性。
[0003] 目前模具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备模具钢受到工艺过 程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化 物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻 模具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、可磨削性能等处于偏低水平。采用粉末冶金工艺 制备模具钢解决了合金元素偏析的问题，制备得到合金组织细小均匀，相比铸锻合金性能 有大幅度提升，但是粉末制备成本高昂，带来合金整体成本的提高，如何降低粉末冶金模具 钢的成本是需要解决的问题。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了 一种低成本的粉末冶金耐磨耐蚀合 金管材。
[0005] 为实现上述目的，本发明的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，管壁由外层合金和内 层合金组成，所述外层合金为碳素钢或不锈钢，内层合金由粉末冶金的金属粉末致密化 后制得，金属粉末化学组分按质量百分比计包括：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%，余量为铁和杂质。
[0006] 本发明中外层合金对内层合金提供力学支撑，内层合金金属粉末的组分设计是实 现耐磨耐蚀性能的关键。
[0007] C元素部分固溶于基体，提高基体强度，C元素同时是碳化物的组成元素之一，C的 含量不小于2. 36%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过3. 30%， 避免过多的C固溶于基体导致韧性下降；在上述C含量为2. 36%-3. 30%范围内，能够获得最 大耐磨性能以及强韧性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明内层合金W含量范围是0. 1%-1. 0%，M〇 的含量范围是Mo彡1. 8%。
[0009] Cr -方面固溶于基体，提高耐蚀性能及淬透性，另一方面Cr以M7C3碳化物形 式析出，考虑到Cr固溶于基体以及以碳化物形式析出之间存在的平衡，限定Cr含量为 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含量控制范围为6. 0%-12. 5%。 [0011] Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明内层合金Nb固溶于MC碳化物，提 高MC碳化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，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的含量范围为0. 5%-2. 1%。
[0012] Co主要固溶于基体，促进热处理过程碳化物析出，Co含量的范围限定为 0· 1%-0· 5%〇
[0013] Si不参与碳化物形成，作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，Si过多会使基体 的韧性下降，限定Si含量范围是Si < 1. 0%。
[0014] Mn作为脱氧剂加入，并可以固硫减少热脆性，另外Mn增加淬透性，Mn含量范围是 0· 2%-1· 0%〇
[0015] N参与形成MC碳化物，快速冷却条件下，N促进MC碳化物形核析出，同时不会导致 MC碳化物过分长大，有利于提高耐磨性能，N也可促进钢的耐蚀性能；N添加含量上限在于 避免具有高稳定性富N的MC碳化物在过高温析出，导致碳化物粗化；本发明内层合金N含 量范围是0. 05%-0. 35%。
[0016] 内层合金中V、Nb、C、N等元素形成MC碳化物类型为（V、Nb) (C、N)，在粉末冶金工 艺钢液快速冷却凝固条件下，添加的Nb和N参与MC碳化物形成，提高碳化物形核率和细化 MC碳化物颗粒，使韧性提高。
[0017] 作为对上述方式的限定，所述内层合金金属粉末的化学组分中杂质包括0， 0^0. 01%〇
[0018] 0过高导致韧性下降，本发明中控制0含量范围为< 0. 01%。
[0019] 作为对上述方式的限定，所述内层合金金属粉末的化学组分按质量百分比计包 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 为铁和杂质。
[0020] 为了达到更好的综合性能，本发明的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材其内层合金金属 粉末的各化学组分应控制在要求范围之内。
[0021] 作为对上述方式的限定，所述内层合金的碳化物组成为MC碳化物和M7C3碳化物。
[0022] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、N)。
[0023] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的体积分数为12%~20%，至少80V〇1%MC碳 化物尺寸< 1. 3 μ m，最大MC碳化物尺寸不超过5 μ m。
[0024] 作为对上述方式的限定，所述M7C3碳化物为富Cr碳化物。
[0025] 作为对上述方式的限定，所述M7C3碳化物的体积分数为12%~19%，至少80V〇1%MC 碳化物尺寸< 5 μ m，最大MC碳化物尺寸不超过10 μ m。
[0026] 作为对上述方式的限定，所述内层合金的化学组分中杂质还包括S、P，其中 S 彡 0· 1% 且 P 彡 0· 03%。
[0027] 作为对上述方式的限定，所述外层合金厚度为10~300mm，内层合金厚度为 5~300mm〇
[0028] 本发明的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材由具有上述化学组分的金属粉末与碳素钢 或不锈钢管材内壁经过热等静压压制结合，形成完全致密且紧密结合的双层合金结构，制 备方法包括以下步骤： 1) 按照上述内层合金金属粉末的化学组分要求配置钢液，采用粉末冶金工艺制备金属 粉末； 2) 将金属粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，包套外层为10~300_厚 度的碳素钢或不锈钢合金，包套内层及底部为1.5mm-3mm厚低碳钢，粉末装填于厚度为 5~350mm的中间空隙并振实； 3) 对包套进行抽真空脱气，随后对包套端部进行封焊处理； 4) 将包套进行热等静压处理使包套内粉末完全致密固结，随炉冷却； 5) 车削去掉内表层热等静压包套，采用不同热处理得到不同性能的粉末冶金耐磨耐蚀 合金管材，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。
[0029] 综上所述，采用本发明的技术方案，获得的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其内层合 金具有优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，外层合金使用价格低廉的碳素钢或不锈钢对内层合 金提供力学支撑，内外双层合金通过热等静压压制，其结构完全致密且紧密结合，既满足了 管材使用时对耐磨性能、耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，提升了产品的市场竞 争力，应用广泛。
【附图说明】
[0030] 下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作更进一步详细说明： 图1为本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材横截面的结构示意图； 图中：1、热等静压包套；2、内层合金；3、外层合金；Dl :外层合金外径；D2 :外层合金内 径；D3 :包套内层直径。
【具体实施方式】
[0031] 如图1所示，热等静压包套1为一端开口的中空圆柱形，包套内层及底部 为I. 厚低碳钢，包套内层直径D3形成合金管材的内径；外层合金3为厚度 10mm-300mm的圆环形碳素钢或不锈钢合金，外层合金外径Dl形成合金管材的外径；包套内 层与外层合金3形成的厚度5mm-350mm环形空隙用于装填金属粉末，经过热等静压压制形 成内层合金2,外层合金内径D2形成内层合金的外径。
[0032] 实施例一 本实施例涉及一组粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其组成如表1. 1所示： 表1. 1实施例一粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的化学组分表
上表中N. A表;^未分析。
[0033] 采用以下制备步骤： 1)按照要求配置钢液，采用粉末冶金工艺制备金属粉末，粉末冶金工艺步骤如下： a、 将钢液装载至钢包，钢液装载重量为1. 5-8吨； b、 钢包中钢液上表面覆盖钢包保护渣，钢包保护渣具备隔绝空气以及导电加热功能， 雾化制粉过程中对保护渣通电加热，维持钢液过热度为l〇〇°C -150°C;钢包底部通过透气孔 通入惰性气体如氩气或氮气等对钢液进行搅拌，使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加 速有害夹杂上浮去除； c、 钢液通过钢包底部导流管进入中间包，导流管一方面对钢液起到导流作用，减少钢 液流转过程产生紊流，避免卷渣及防止夹杂进入下一环节，另一方面导流管保护钢液流避 免暴露于空气，防止钢液氧含量上升；钢包钢液温度达到要求时打开钢液导流管，钢液进入 中间包，通过控制钢液导流管入口大小控制钢液流量，合适的钢液流量范围为10 kg/min -50 kg/min ;钢液进入中间包埋没导流管下端 面时对中间包钢液上表面施加中间包钢液 保护剂，中间包钢液保护剂防止流经中间包的钢液直接与空气接触，减少钢液氧含量的升 高；钢液进入中间包前对中间包预加热至800°C -1200°C，防止钢液进入中间包时局部凝结 或导致第二相提前析出，雾化制粉过程中对中间包进行持续补偿加热，维持钢液过热度为 IOO0C -150°c ； d、 雾化开始前雾化室内部为氮气保护性气氛，雾化气体选择为氮气，雾化气体压 力为l.OMPa-5. OMPa，气体纯度彡99. 999%，氧含量彡2ppm;雾化开始时钢液过热度为 100°C -150°C ;钢液通过中间包底部开口漏眼进入雾化制粉室，开启雾化气体喷嘴阀门，气 体选择为惰性气体，如氩气或氮气，钢液流在惰性气体冲击作用下被破碎成液滴，同时快速 冷却为金属粉末，飞行沉降至雾化室底部； e、金属粉末通过雾化室底部进入储粉罐体，储粉罐体具有气氛保护以及强制降温冷却 功能，雾化制粉结束后待储粉罐体内金属粉末冷却到室温，通过保护筛分装置对粉末进行 筛分；保护筛分装置腔体内部通有正压惰性保护气体，对金属粉末筛分过程起到保护作用 同时防止金属粉末飘扬；筛分后金属粉末进入储粉罐体储装，金属粉末进入储粉罐体前后， 储粉罐内部为正压惰性气体保护气氛； 2) 将筛分后储粉罐体内金属粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，包套外 层为10~300mm厚度的碳素钢或不锈钢合金，包套内层及底部为I. 厚低碳钢，粉末 装填于厚度为5~350_的中间空隙；装粉前先对包套内通入惰性气体排除空气，随后密闭 连接包套和储粉罐体，将粉末装填至包套内，包套装粉过程实施振动操作，增加粉末装填密 度； 3) 粉末装填完成后对包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程包套加热保温在 200°C -600°C，包套脱气至0.0 lPa后继续加热保温彡2h，随后对包套端部进行封焊处理； 4) 将包套进行热等静压处理，热等静压温度1050°C -1200°C，在彡IOOMPa压力下保持 时间多Ih后包套内粉末完全致密固结，随炉冷却； 5) 车削去掉内表层热等静压包套，采用不同热处理得到不同性能的粉末冶金耐磨耐蚀 合金管材，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。
[0034] 获得实施例1. 1-1. 4的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材。
[0035] 实施例二 本实施例涉及实施例一的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的碳化物含量及粒度、热处理硬 度、耐磨性能、耐蚀性能的验证，其中碳化物含量及粒度基于扫描电镜获取组织图像进行分 析，热处理硬度、耐磨性能分别参考GB/T 230. 1、GB/T 12444-2006进行测试，耐蚀性能采 用5%HN03+1%HC1腐蚀性溶液室温浸泡测试。
[0036] 将实施例1. 1、1. 2的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金与购买的铸锻工艺制 备钢(合金A)和粉末冶金工艺制备钢(合金B)进行对比分析，其结果如下： 表2. 1实施例1. 1、1. 2与合金A、B的成分组成对比
上表中N. A表;^未分析。
[0037] 表2. 2实施例1. 1、1. 2的内层合金与合金A、B的碳化物含量及粒度对比
上表中碳化物粒度为至少80V〇1%碳化物的尺寸。
[0038] 对本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金的碳化物进行分析，碳化物组成为 MC碳化物及M7C3碳化物，其中MC碳化物类型为（V、Nb) (C、N)，主要成分组成为V、Nb、C、N 以及少量Fe、Cr等合金元素。M7C3碳化物为富Cr型碳化物。
[0039] 由表2. 2可以看出，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金的碳化物中MC碳 化物非常细小，至少80V〇1%MC碳化物尺寸< 1. 3 μ m，进一步测量统计MC碳化物尺寸，最大 MC碳化物不超过5 μ m，由于MC碳化物具有高的硬度，MC碳化物颗粒细小对于本发明合金 管材内层合金具备优异可磨削性能是必要的，同时有利于韧性提高。MC碳化物的体积分数 为12%-20%，使本发明合金管材内层合金具备优异耐磨性能；M7C3碳化物达到12%-19%，至少 80V〇1% M7C3碳化物尺寸< 5 μ m，最大M 7C3碳化物尺寸不超过10 μ m，M 7C3碳化物粒度相比 MC碳化物偏大，但仍然细小于铸锻工艺制备合金A中M7C3碳化物粒度，对比合金B采用粉 末冶金工艺制备，碳化物粒度非常细小，大部分MC碳化物为0. 5-1. 5 μ m，MC碳化物体积分 数为3%-6%。
[0040] 表2. 3实施例1. 1、1. 2的内层合金与合金A、B的热处理硬度、耐磨性能对比
由表2. 3可以看出，经过合适的热处理，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金 表面硬度达到HRC60以上，能够满足塑料模具钢的应用领域需求，耐磨性能对比结果表明 本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金具有最好的耐磨性能。
[0041] 采用5%HN03+1%HC1溶液在室温条件下对本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层 合金进行浸泡腐蚀，选用具有高Cr合金组成的合金A作为耐蚀性能对比，两者耐蚀性能对 比结果如表2. 4所示。
[0042] 表2. 4实施例1. 1、1. 2的内层合金与合金A的耐蚀性能对比
由表2. 4可以看出，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的内层合金表现出优异的耐蚀 性能。
[0043] 需要说明的是，根据不同的应用场合对耐磨性能及耐蚀性能的需求，应选择合适 的热处理制度，即相同淬火条件下，采用较低的回火制度时，较多Cr元素固溶于基体，能够 获得较高耐蚀性能，采用较高的回火制度时，较多Cr合金元素以碳化物形式析出，耐蚀性 能将降低同时耐磨性能将升高，总体而言，在一个宽的热处理范围内，本发明塑料模具钢能 够同时具备优异的耐磨及耐蚀性能，从而满足具有磨损及腐蚀工况场合的应用。
[0044] 综上所述，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材具备高的耐磨性能同时具备高的耐 蚀性能，适用于塑料模具钢，可应用于注塑机机筒、食品加工以及其它内表面要求耐磨耐蚀 的中空管状零部件。由于本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材采用独特的合金结构，使用廉 价的碳素钢或不锈钢管材部分替代价格昂贵的金属粉末进行制备，节省了贵重合金元素的 使用，既满足了管材使用时对耐磨性能、耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，使产 品市场竞争力得到提升。
【主权项】
1. 一种粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，管壁由外层合金和内层合金组成，其特征在于： 所述外层合金为碳素钢或不锈钢，内层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金 属粉末化学组分按质量百分比计包括：C:2. 36%-3. 30%，W:0. 1%-1. 0%，Mo:彡1. 8%，Cr: 12. 6%-18. 0%，V:6. 0%-12. 5%，Nb:0? 5%-2. 1%，Co:0? 1%-0. 5%，Si:彡L0%，Mn:0? 2%-L0%， N:0. 05%-0. 35%，余量为铁和杂质。2. 根据权利要求1所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述内层合金金 属粉末的化学组分中杂质包括〇, 〇 < 〇. 01%。3. 根据权利要求2所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述内层合金金 属粉末的化学组分按质量百分比计包括：C:2. 40%-3. 18%，W:0. 1%-0. 8%，Mo:彡1. 8%，Cr: 13. 0%-18. 0%,V：6.2%-12. 5%,Nb：1.0%-2. 0%,Co：0.l%-〇.4%,Si0.8%,Mn：0. 2%-〇,8%, N:0. 05%-0. 30%，0彡0. 008%，余量为铁和杂质。4. 根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述 内层合金的碳化物组成为MC碳化物和M7C3碳化物。5. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述MC碳化物的 类型为（V、Nb) (C、N)。6. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述MC碳化物 的体积分数为12%~20%，至少80V〇1%MC碳化物尺寸彡I. 3ym，最大MC碳化物尺寸不超过 5um〇7. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述M7C3碳化物 为富Cr碳化物。8. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述M7C3碳化 物的体积分数为12%~19%，至少80V〇1%MC碳化物尺寸彡5ym，最大MC碳化物尺寸不超过 10ym〇9. 根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述 内层合金的化学组分中杂质还包括S、P，其中S< 0. 1%且P< 0. 03%。10. 根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述 外层合金厚度为10~300mm，内层合金厚度为5~300mm。
【专利摘要】本发明涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，管壁由外层合金和内层合金组成，其特征在于：所述外层合金为碳素钢或不锈钢，内层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金属粉末化学组分按质量百分比计包括：C：2.36%-3.30%，W：0.1%-1.0%，Mo：≤1.8%，Cr：12.6%-18.0%，V：6.0%-12.5%，Nb：0.5%-2.1%，Co：0.1%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.35%，余量为铁和杂质。获得的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，既实现了管材使用时对耐磨损耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，提升了产品的市场竞争力，应用广泛。
【IPC分类】B22F7/06, C22C38/36, B22F5/12, B22F3/15
【公开号】CN104889400
【申请号】CN201510247970
【发明人】李小明, 吴立志, 况春江, 王学兵, 匡星
【申请人】安泰科技股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种工模具钢类合金管材，尤其涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀合金管 材。
【背景技术】
[0002] 在一些特殊工况条件下，塑料模具或机械零部件表面不仅经受运动部件或工作介 质中硬的研磨颗粒直接接触引起磨损，还经受潮湿、酸或其它腐蚀剂的腐蚀作用，如注塑成 形机械中的螺杆、机筒等零部件，一方面由于塑料中添加大量硬质颗粒，如玻璃纤维、碳纤 维等，导致这些零部件磨损加剧，另一方面塑料中腐蚀性成分对零部件产生化学腐蚀。为了 使应用于这些特殊工况的零部件具备长的使用寿命，所使用塑料模具钢表面必须具有高的 耐磨性能和耐蚀性能，另外为了承受工作应力加载和冲击，塑料模具钢需具备一定的硬度 和韧性。
[0003] 目前模具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备模具钢受到工艺过 程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化 物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻 模具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、可磨削性能等处于偏低水平。采用粉末冶金工艺 制备模具钢解决了合金元素偏析的问题，制备得到合金组织细小均匀，相比铸锻合金性能 有大幅度提升，但是粉末制备成本高昂，带来合金整体成本的提高，如何降低粉末冶金模具 钢的成本是需要解决的问题。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了 一种低成本的粉末冶金耐磨耐蚀合 金管材。
[0005] 为实现上述目的，本发明的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，管壁由外层合金和内 层合金组成，所述外层合金为碳素钢或不锈钢，内层合金由粉末冶金的金属粉末致密化 后制得，金属粉末化学组分按质量百分比计包括：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%，余量为铁和杂质。
[0006] 本发明中外层合金对内层合金提供力学支撑，内层合金金属粉末的组分设计是实 现耐磨耐蚀性能的关键。
[0007] C元素部分固溶于基体，提高基体强度，C元素同时是碳化物的组成元素之一，C的 含量不小于2. 36%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过3. 30%， 避免过多的C固溶于基体导致韧性下降；在上述C含量为2. 36%-3. 30%范围内，能够获得最 大耐磨性能以及强韧性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明内层合金W含量范围是0. 1%-1. 0%，M〇 的含量范围是Mo彡1. 8%。
[0009] Cr -方面固溶于基体，提高耐蚀性能及淬透性，另一方面Cr以M7C3碳化物形 式析出，考虑到Cr固溶于基体以及以碳化物形式析出之间存在的平衡，限定Cr含量为 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含量控制范围为6. 0%-12. 5%。 [0011] Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明内层合金Nb固溶于MC碳化物，提 高MC碳化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，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的含量范围为0. 5%-2. 1%。
[0012] Co主要固溶于基体，促进热处理过程碳化物析出，Co含量的范围限定为 0· 1%-0· 5%〇
[0013] Si不参与碳化物形成，作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，Si过多会使基体 的韧性下降，限定Si含量范围是Si < 1. 0%。
[0014] Mn作为脱氧剂加入，并可以固硫减少热脆性，另外Mn增加淬透性，Mn含量范围是 0· 2%-1· 0%〇
[0015] N参与形成MC碳化物，快速冷却条件下，N促进MC碳化物形核析出，同时不会导致 MC碳化物过分长大，有利于提高耐磨性能，N也可促进钢的耐蚀性能；N添加含量上限在于 避免具有高稳定性富N的MC碳化物在过高温析出，导致碳化物粗化；本发明内层合金N含 量范围是0. 05%-0. 35%。
[0016] 内层合金中V、Nb、C、N等元素形成MC碳化物类型为（V、Nb) (C、N)，在粉末冶金工 艺钢液快速冷却凝固条件下，添加的Nb和N参与MC碳化物形成，提高碳化物形核率和细化 MC碳化物颗粒，使韧性提高。
[0017] 作为对上述方式的限定，所述内层合金金属粉末的化学组分中杂质包括0， 0^0. 01%〇
[0018] 0过高导致韧性下降，本发明中控制0含量范围为< 0. 01%。
[0019] 作为对上述方式的限定，所述内层合金金属粉末的化学组分按质量百分比计包 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 为铁和杂质。
[0020] 为了达到更好的综合性能，本发明的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材其内层合金金属 粉末的各化学组分应控制在要求范围之内。
[0021] 作为对上述方式的限定，所述内层合金的碳化物组成为MC碳化物和M7C3碳化物。
[0022] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的类型为（V、Nb) (C、N)。
[0023] 作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的体积分数为12%~20%，至少80V〇1%MC碳 化物尺寸< 1. 3 μ m，最大MC碳化物尺寸不超过5 μ m。
[0024] 作为对上述方式的限定，所述M7C3碳化物为富Cr碳化物。
[0025] 作为对上述方式的限定，所述M7C3碳化物的体积分数为12%~19%，至少80V〇1%MC 碳化物尺寸< 5 μ m，最大MC碳化物尺寸不超过10 μ m。
[0026] 作为对上述方式的限定，所述内层合金的化学组分中杂质还包括S、P，其中 S 彡 0· 1% 且 P 彡 0· 03%。
[0027] 作为对上述方式的限定，所述外层合金厚度为10~300mm，内层合金厚度为 5~300mm〇
[0028] 本发明的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材由具有上述化学组分的金属粉末与碳素钢 或不锈钢管材内壁经过热等静压压制结合，形成完全致密且紧密结合的双层合金结构，制 备方法包括以下步骤： 1) 按照上述内层合金金属粉末的化学组分要求配置钢液，采用粉末冶金工艺制备金属 粉末； 2) 将金属粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，包套外层为10~300_厚 度的碳素钢或不锈钢合金，包套内层及底部为1.5mm-3mm厚低碳钢，粉末装填于厚度为 5~350mm的中间空隙并振实； 3) 对包套进行抽真空脱气，随后对包套端部进行封焊处理； 4) 将包套进行热等静压处理使包套内粉末完全致密固结，随炉冷却； 5) 车削去掉内表层热等静压包套，采用不同热处理得到不同性能的粉末冶金耐磨耐蚀 合金管材，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。
[0029] 综上所述，采用本发明的技术方案，获得的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其内层合 金具有优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，外层合金使用价格低廉的碳素钢或不锈钢对内层合 金提供力学支撑，内外双层合金通过热等静压压制，其结构完全致密且紧密结合，既满足了 管材使用时对耐磨性能、耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，提升了产品的市场竞 争力，应用广泛。
【附图说明】
[0030] 下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作更进一步详细说明： 图1为本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材横截面的结构示意图； 图中：1、热等静压包套；2、内层合金；3、外层合金；Dl :外层合金外径；D2 :外层合金内 径；D3 :包套内层直径。
【具体实施方式】
[0031] 如图1所示，热等静压包套1为一端开口的中空圆柱形，包套内层及底部 为I. 厚低碳钢，包套内层直径D3形成合金管材的内径；外层合金3为厚度 10mm-300mm的圆环形碳素钢或不锈钢合金，外层合金外径Dl形成合金管材的外径；包套内 层与外层合金3形成的厚度5mm-350mm环形空隙用于装填金属粉末，经过热等静压压制形 成内层合金2,外层合金内径D2形成内层合金的外径。
[0032] 实施例一 本实施例涉及一组粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其组成如表1. 1所示： 表1. 1实施例一粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的化学组分表
上表中N. A表;^未分析。
[0033] 采用以下制备步骤： 1)按照要求配置钢液，采用粉末冶金工艺制备金属粉末，粉末冶金工艺步骤如下： a、 将钢液装载至钢包，钢液装载重量为1. 5-8吨； b、 钢包中钢液上表面覆盖钢包保护渣，钢包保护渣具备隔绝空气以及导电加热功能， 雾化制粉过程中对保护渣通电加热，维持钢液过热度为l〇〇°C -150°C;钢包底部通过透气孔 通入惰性气体如氩气或氮气等对钢液进行搅拌，使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加 速有害夹杂上浮去除； c、 钢液通过钢包底部导流管进入中间包，导流管一方面对钢液起到导流作用，减少钢 液流转过程产生紊流，避免卷渣及防止夹杂进入下一环节，另一方面导流管保护钢液流避 免暴露于空气，防止钢液氧含量上升；钢包钢液温度达到要求时打开钢液导流管，钢液进入 中间包，通过控制钢液导流管入口大小控制钢液流量，合适的钢液流量范围为10 kg/min -50 kg/min ;钢液进入中间包埋没导流管下端 面时对中间包钢液上表面施加中间包钢液 保护剂，中间包钢液保护剂防止流经中间包的钢液直接与空气接触，减少钢液氧含量的升 高；钢液进入中间包前对中间包预加热至800°C -1200°C，防止钢液进入中间包时局部凝结 或导致第二相提前析出，雾化制粉过程中对中间包进行持续补偿加热，维持钢液过热度为 IOO0C -150°c ； d、 雾化开始前雾化室内部为氮气保护性气氛，雾化气体选择为氮气，雾化气体压 力为l.OMPa-5. OMPa，气体纯度彡99. 999%，氧含量彡2ppm;雾化开始时钢液过热度为 100°C -150°C ;钢液通过中间包底部开口漏眼进入雾化制粉室，开启雾化气体喷嘴阀门，气 体选择为惰性气体，如氩气或氮气，钢液流在惰性气体冲击作用下被破碎成液滴，同时快速 冷却为金属粉末，飞行沉降至雾化室底部； e、金属粉末通过雾化室底部进入储粉罐体，储粉罐体具有气氛保护以及强制降温冷却 功能，雾化制粉结束后待储粉罐体内金属粉末冷却到室温，通过保护筛分装置对粉末进行 筛分；保护筛分装置腔体内部通有正压惰性保护气体，对金属粉末筛分过程起到保护作用 同时防止金属粉末飘扬；筛分后金属粉末进入储粉罐体储装，金属粉末进入储粉罐体前后， 储粉罐内部为正压惰性气体保护气氛； 2) 将筛分后储粉罐体内金属粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，包套外 层为10~300mm厚度的碳素钢或不锈钢合金，包套内层及底部为I. 厚低碳钢，粉末 装填于厚度为5~350_的中间空隙；装粉前先对包套内通入惰性气体排除空气，随后密闭 连接包套和储粉罐体，将粉末装填至包套内，包套装粉过程实施振动操作，增加粉末装填密 度； 3) 粉末装填完成后对包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程包套加热保温在 200°C -600°C，包套脱气至0.0 lPa后继续加热保温彡2h，随后对包套端部进行封焊处理； 4) 将包套进行热等静压处理，热等静压温度1050°C -1200°C，在彡IOOMPa压力下保持 时间多Ih后包套内粉末完全致密固结，随炉冷却； 5) 车削去掉内表层热等静压包套，采用不同热处理得到不同性能的粉末冶金耐磨耐蚀 合金管材，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。
[0034] 获得实施例1. 1-1. 4的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材。
[0035] 实施例二 本实施例涉及实施例一的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的碳化物含量及粒度、热处理硬 度、耐磨性能、耐蚀性能的验证，其中碳化物含量及粒度基于扫描电镜获取组织图像进行分 析，热处理硬度、耐磨性能分别参考GB/T 230. 1、GB/T 12444-2006进行测试，耐蚀性能采 用5%HN03+1%HC1腐蚀性溶液室温浸泡测试。
[0036] 将实施例1. 1、1. 2的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金与购买的铸锻工艺制 备钢(合金A)和粉末冶金工艺制备钢(合金B)进行对比分析，其结果如下： 表2. 1实施例1. 1、1. 2与合金A、B的成分组成对比
上表中N. A表;^未分析。
[0037] 表2. 2实施例1. 1、1. 2的内层合金与合金A、B的碳化物含量及粒度对比
上表中碳化物粒度为至少80V〇1%碳化物的尺寸。
[0038] 对本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金的碳化物进行分析，碳化物组成为 MC碳化物及M7C3碳化物，其中MC碳化物类型为（V、Nb) (C、N)，主要成分组成为V、Nb、C、N 以及少量Fe、Cr等合金元素。M7C3碳化物为富Cr型碳化物。
[0039] 由表2. 2可以看出，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金的碳化物中MC碳 化物非常细小，至少80V〇1%MC碳化物尺寸< 1. 3 μ m，进一步测量统计MC碳化物尺寸，最大 MC碳化物不超过5 μ m，由于MC碳化物具有高的硬度，MC碳化物颗粒细小对于本发明合金 管材内层合金具备优异可磨削性能是必要的，同时有利于韧性提高。MC碳化物的体积分数 为12%-20%，使本发明合金管材内层合金具备优异耐磨性能；M7C3碳化物达到12%-19%，至少 80V〇1% M7C3碳化物尺寸< 5 μ m，最大M 7C3碳化物尺寸不超过10 μ m，M 7C3碳化物粒度相比 MC碳化物偏大，但仍然细小于铸锻工艺制备合金A中M7C3碳化物粒度，对比合金B采用粉 末冶金工艺制备，碳化物粒度非常细小，大部分MC碳化物为0. 5-1. 5 μ m，MC碳化物体积分 数为3%-6%。
[0040] 表2. 3实施例1. 1、1. 2的内层合金与合金A、B的热处理硬度、耐磨性能对比
由表2. 3可以看出，经过合适的热处理，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金 表面硬度达到HRC60以上，能够满足塑料模具钢的应用领域需求，耐磨性能对比结果表明 本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层合金具有最好的耐磨性能。
[0041] 采用5%HN03+1%HC1溶液在室温条件下对本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材内层 合金进行浸泡腐蚀，选用具有高Cr合金组成的合金A作为耐蚀性能对比，两者耐蚀性能对 比结果如表2. 4所示。
[0042] 表2. 4实施例1. 1、1. 2的内层合金与合金A的耐蚀性能对比
由表2. 4可以看出，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材的内层合金表现出优异的耐蚀 性能。
[0043] 需要说明的是，根据不同的应用场合对耐磨性能及耐蚀性能的需求，应选择合适 的热处理制度，即相同淬火条件下，采用较低的回火制度时，较多Cr元素固溶于基体，能够 获得较高耐蚀性能，采用较高的回火制度时，较多Cr合金元素以碳化物形式析出，耐蚀性 能将降低同时耐磨性能将升高，总体而言，在一个宽的热处理范围内，本发明塑料模具钢能 够同时具备优异的耐磨及耐蚀性能，从而满足具有磨损及腐蚀工况场合的应用。
[0044] 综上所述，本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材具备高的耐磨性能同时具备高的耐 蚀性能，适用于塑料模具钢，可应用于注塑机机筒、食品加工以及其它内表面要求耐磨耐蚀 的中空管状零部件。由于本发明粉末冶金耐磨耐蚀合金管材采用独特的合金结构，使用廉 价的碳素钢或不锈钢管材部分替代价格昂贵的金属粉末进行制备，节省了贵重合金元素的 使用，既满足了管材使用时对耐磨性能、耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，使产 品市场竞争力得到提升。
【主权项】
1. 一种粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，管壁由外层合金和内层合金组成，其特征在于： 所述外层合金为碳素钢或不锈钢，内层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金 属粉末化学组分按质量百分比计包括：C:2. 36%-3. 30%，W:0. 1%-1. 0%，Mo:彡1. 8%，Cr: 12. 6%-18. 0%，V:6. 0%-12. 5%，Nb:0? 5%-2. 1%，Co:0? 1%-0. 5%，Si:彡L0%，Mn:0? 2%-L0%， N:0. 05%-0. 35%，余量为铁和杂质。2. 根据权利要求1所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述内层合金金 属粉末的化学组分中杂质包括〇, 〇 < 〇. 01%。3. 根据权利要求2所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述内层合金金 属粉末的化学组分按质量百分比计包括：C:2. 40%-3. 18%，W:0. 1%-0. 8%，Mo:彡1. 8%，Cr: 13. 0%-18. 0%,V：6.2%-12. 5%,Nb：1.0%-2. 0%,Co：0.l%-〇.4%,Si0.8%,Mn：0. 2%-〇,8%, N:0. 05%-0. 30%，0彡0. 008%，余量为铁和杂质。4. 根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述 内层合金的碳化物组成为MC碳化物和M7C3碳化物。5. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述MC碳化物的 类型为（V、Nb) (C、N)。6. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述MC碳化物 的体积分数为12%~20%，至少80V〇1%MC碳化物尺寸彡I. 3ym，最大MC碳化物尺寸不超过 5um〇7. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述M7C3碳化物 为富Cr碳化物。8. 根据权利要求4所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述M7C3碳化 物的体积分数为12%~19%，至少80V〇1%MC碳化物尺寸彡5ym，最大MC碳化物尺寸不超过 10ym〇9. 根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述 内层合金的化学组分中杂质还包括S、P，其中S< 0. 1%且P< 0. 03%。10. 根据权利要求1~3中任一项所述的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，其特征在于：所述 外层合金厚度为10~300mm，内层合金厚度为5~300mm。
【专利摘要】本发明涉及一种粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，管壁由外层合金和内层合金组成，其特征在于：所述外层合金为碳素钢或不锈钢，内层合金由粉末冶金的金属粉末致密化后制成，其金属粉末化学组分按质量百分比计包括：C：2.36%-3.30%，W：0.1%-1.0%，Mo：≤1.8%，Cr：12.6%-18.0%，V：6.0%-12.5%，Nb：0.5%-2.1%，Co：0.1%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.35%，余量为铁和杂质。获得的粉末冶金耐磨耐蚀合金管材，既实现了管材使用时对耐磨损耐腐蚀性能的要求，又极大降低了生产成本，提升了产品的市场竞争力，应用广泛。
【IPC分类】B22F7/06, C22C38/36, B22F5/12, B22F3/15
【公开号】CN104889400
【申请号】CN201510247970
【发明人】李小明, 吴立志, 况春江, 王学兵, 匡星
【申请人】安泰科技股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日
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