粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法.pdf

本发明涉及一种粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，是将具有耐磨耐蚀性能特征的铁基合金粉末与外层碳素钢或不锈钢合金通过热等静压包套组合，经过热等静压压制结合，形成耐磨耐蚀合金管件，制得的合金管件组织结构完全致密且双层合金紧密结合，既满足了应用工况对耐磨耐蚀性能的要求，又减少了高成本合金粉末的使用量，降低了生产成本，提升了产品的市场竞争力。本发明的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，操作简单易控，具有广泛的应用市场。

权利要求书
1.  一种粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于，所述耐磨耐蚀合金为铁基合金，该方法包括以下制备步骤：
步骤一、通过粉末冶金工艺制备铁基合金粉末；
步骤二、取一端开口的中空圆柱形热等静压包套，热等静压包套外层为厚度10~300mm的碳素钢或不锈钢合金，热等静压包套内层及底部为厚度1.5~3mm的低碳钢，将铁基合金粉末装填于厚度为5~300mm的环形空隙中振实；
步骤三、对热等静压包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程对热等静压包套加热保温，热等静压包套脱气后继续加热保温，随后对热等静压包套端部进行封焊处理；
步骤四、对脱气并封焊后的热等静压包套进行热等静压处理，待热等静压包套内铁基合金粉末完全致密固结并与外层合金紧密结合后随炉冷却，车削去掉管件内层的低碳钢热等静压包套层，制得耐磨耐蚀合金管件。

2.  根据权利要求1所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述步骤一中粉末冶金工艺采用非真空方式进行熔炼然后雾化制粉，包括以下工艺步骤：
a、将钢液转移至钢包；
b、钢包内钢液上表面覆盖钢包保护渣，加热钢包保护渣，维持钢液的过热度；在钢包底部通入惰性气体对钢液进行搅拌；
c、将钢液通过钢包底部的导流管以稳定流量流入预加热的中间包，待钢液进入中间包埋没导流管下端面时对钢液上表面施加中间包保护渣；
d、对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度；
e、钢液从中间包进入具有保护气氛的雾化室后采用惰性气体在稳定气体压力下进行雾化制粉，制得的合金粉末沉降至雾化室底部，后进入具有保护气氛的储粉罐，通过保护筛分装置对合金粉末进行筛分后再进入储粉罐储装。

3.  根据权利要求2所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述粉末冶金工艺中钢液过热度为100℃-150℃，中间包预加热温度为800℃-1200℃。

4.  根据权利要求2所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述粉末冶金工艺中导流管钢液流量范围为10 kg/min -50 kg/min。

5.  根据权利要求2所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述粉末冶金工艺中惰性气体为氩气或氮气，气体纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm。

6.  根据权利要求2所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述粉末冶金工艺中雾化气体压力为1.0MPa-5.0MPa。

7.  根据权利要求1所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述步骤三中热等静压包套加热保温在200℃-600℃。

8.  根据权利要求1所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述步骤三中热等静压包套脱气至0.01Pa后继续加热保温≥2h。

9.  根据权利要求1所述的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，其特征在于：所述步骤四的热等静压温度为1050~1200℃，压力为≥100MPa，时间≥1h。

说明书粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法
技术领域
本发明涉及一种合金管件的制备方法，尤其涉及一种粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法。
背景技术
在一些特殊工况条件下，工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、酸或其他腐蚀剂的腐蚀作用，如注塑成形机械中的螺杆、螺杆套筒等零部件，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，所使用合金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，合金需具备一定的硬度和韧性。
目前工模具用合金主要采用传统的铸锻工艺制备，浇注过程液态合金缓慢冷却凝固，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大组织，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，导致合金的性能包括强度、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合金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，如何降低粉末冶金工艺制备合金的成本是需要解决的问题。
发明内容
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工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法。
为实现上述目的，本发明的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，所述耐磨耐蚀合金为铁基合金，该方法包括以下制备步骤：
步骤一、通过粉末冶金工艺制备铁基合金粉末；
步骤二、取一端开口的中空圆柱形热等静压包套，热等静压包套外层为厚度10~300mm的碳素钢或不锈钢合金，热等静压包套内层及底部为厚度1.5~3mm的低碳钢，将铁基合金粉末装填于厚度为5~300mm的环形空隙中振实；
步骤三、对热等静压包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程对热等静压包套加热保温，热等静压包套脱气后继续加热保温，随后对热等静压包套端部进行封焊处理；
步骤四、对脱气并封焊后的热等静压包套进行热等静压处理，待热等静压包套内铁基合金粉末完全致密固结并与外层合金紧密结合后随炉冷却，车削去掉管件内层的低碳钢热等静压包套层，制得耐磨耐蚀合金管件。
本发明通过热等静压包套将具有耐磨耐蚀性能特征的铁基合金粉末与外层碳素钢或不锈钢合金组合，经过热等静压压制结合形成双层合金结构的管件，铁基合金粉末形成的内层合金使管件具有耐磨耐蚀性能，能够满足磨损及腐蚀性工况对耐磨耐蚀性能的应用要求，外层合金采用价格低廉的碳素钢或不锈钢，极大降低了管件的生产成本。制备方法中对外层合金厚度、热等静压包套内层及底部厚度、合金粉末装填厚度的限定保证了粉末合金与外层合金在热等静压压制过程中能够达到完全致密且紧密结合的结构，使用过程中管件外层合金能够对内层耐磨耐蚀合金层提供足够的力学支撑，管件整体表现出良好强韧性，同时满足于腐蚀及磨损性工况的性能要求。
作为对上述方式的限定，所述步骤一中粉末冶金工艺采用非真空方式进行熔炼然后雾化制粉，包括以下工艺步骤：
a、将钢液转移至钢包；
b、钢包内钢液上表面覆盖钢包保护渣，加热钢包保护渣，维持钢液的过热度；在钢包底部通入惰性气体对钢液进行搅拌；
c、将钢液通过钢包底部的导流管以稳定流量流入预加热的中间包，待钢液进入中间包埋没导流管下端面时对钢液上表面施加中间包保护渣；
d、对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度；
e、钢液从中间包进入具有保护气氛的雾化室后采用惰性气体在稳定气体压力下进行雾化制粉，制得的合金粉末沉降至雾化室底部，后进入具有保护气氛的储粉罐，通过保护筛分装置对合金粉末进行筛分后再进入储粉罐储装。
本发明的粉末冶金工艺采用非真空方式进行熔炼然后雾化制粉，过程中采取了多种有效保护手段来减少有害夹杂混入及防止合金氧含量增加，如钢包的保护渣具备隔绝空气以及导电加热功能；钢包底部通入惰性气体，使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加速有害夹杂的上浮去除；钢包底部的导流管一方面对钢液起导流作用，减少钢液流转过程紊流产生，避免卷渣或减少夹杂进入到下一环节，另一方面避免了钢液流直接与空气的接触，防止钢液氧含量上升；中间包钢液保护渣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，防止钢液进入中间包时局部凝结或导致第二相提前析出；雾化室、储粉罐具有强制降温冷却功能，内部均为正压惰性气体保护气氛；粉末保护筛分装置腔体内部通有正压惰性保护气体，对粉末筛分过程起到保护作用同时防止粉末飘扬；由此制得的粉末固结成形后获得的锭材组织细小均匀，具备优良的综合力学性能。由于采用非真空熔炼雾化制粉，单次制备粉末重量可达1.5-8吨，使粉末制备成本显著降低。
作为对上述方式的限定，所述粉末冶金工艺中钢液过热度为100℃-150℃，中间包预加热温度为800℃-1200℃。
作为对上述方式的限定，所述粉末冶金工艺中导流管钢液流量范围为10 kg/min -50 kg/min。
作为对上述方式的限定，所述粉末冶金工艺中惰性气体为氩气或氮气，气体纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm。
作为对上述方式的限定，所述粉末冶金工艺中雾化气体压力为1.0MPa-5.0MPa，
作为对上述方式的限定，所述步骤三中热等静压包套加热保温在200℃-600℃。
作为对上述方式的限定，所述步骤三中热等静压包套脱气至0.01Pa后继续加热保温≥2h。
作为对上述方式的限定，所述步骤四的热等静压温度为1050~1200℃，压力为≥100MPa，时间≥1h。
综上所述，采用本发明的技术方案，将具有耐磨耐蚀性能特征的铁基合金粉末与外层碳素钢或不锈钢合金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，使合金管件内表面合金层具有耐磨耐蚀性能特点，同时减少了高成本合金粉末的使用量，降低了生产成本，提升了产品的市场竞争力。本发明的粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，操作简单易控，具有广泛的应用市场。
附图说明
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为本发明实施例的耐磨耐蚀合金管件的结构示意图；
图2为本发明实施例的耐磨耐蚀合金管件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；D1：外层合金外径；D2：外层合金内径；D3：热等静压包套内层直径；H：管件高度。
具体实施方式
如图 1所示，耐磨耐蚀合金管件的高度为H。
如图2所示，热等静压包套1为一端开口的中空圆柱形，热等静压包套内层及底部为1.5mm-3mm厚低碳钢，热等静压包套内层直径D3形成合金管件的内径；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D1形成合金管件的外径；热等静压包套内层与外层合金3形成的厚度5mm-300mm环形空隙用于装填铁基合金粉末，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。
实施例一
    本实施例涉及一种粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，包括以下制备步骤：
步骤一、制备一种具有耐磨耐蚀性能的铁基合金的粉末，合金化学组分的质量百分比计为C：2.68%；W：0.5%；Mo: 1.3%；Cr：16.5%；V：8.3%；Nb：2.0%；Co：0.2%；Si：0.6%；Mn：0.3%；N：0.12%；O： 0.006%；余量为铁和杂质。采用非真空粉末冶金工艺制备合金粉末，粉末冶金工艺步骤如下：
a、将钢液转移至钢包，钢液装载重量为3吨；
b、钢包内钢液上表面覆盖钢包保护渣，加热钢包保护渣，维持钢液的过热度为110℃；在钢包底部通入氮气对钢液进行搅拌；
c、将钢液通过钢包底部的钢液导流管流入预加热至850℃的中间包，控制导流管入口大小，使钢液流量为50 kg/min，钢液进入中间包后埋没导流管下端面时施加中间包保护渣；
d、对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度为110℃；
e、钢液从中间包进入雾化室后采用氮气作为气体介质进行雾化制粉，氮气纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm，雾化气体压力为3.5MPa，雾化制粉过程维持钢液温度稳定、钢液流量稳定，雾化气体压力稳定，制得的铁基合金粉末沉降至雾化室底部，后进入具有氮气保护气氛的储粉罐，雾化制粉完成后，待储粉罐内铁基合金粉末冷却到室温通过氮气保护筛分装置对铁基合金粉末进行筛分，再进入储粉罐储装备用；
步骤二、将筛分后储粉罐体内铁基合金粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，如图1、2所示，其中D1为200mm，D2为70mm，D3为50mm，H为1800mm，热等静压包套外层合金为铸锻工艺制备的45#钢，热等静压包套内层及底部材质为低碳钢，厚度2mm，铁基合金粉末装填于环形空隙中；装粉前先对热等静压包套内通入氮气排除空气，随后密闭连接热等静压包套和储粉罐体，将铁基合金粉末装填至热等静压包套内，热等静压包套装粉过程实施振动操作，增加铁基合金粉末装填密度；
步骤三、铁基合金粉末装填完成后对热等静压包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程热等静压包套加热保温在300℃，热等静压包套脱气至0.01Pa后继续加热保温≥2h，随后对热等静压包套端部进行封焊处理；
步骤四、将脱气并封焊后热等静压包套进行热等静压处理，热等静压温度1100℃，在≥100MPa压力下保持时间≥1h后热等静压包套内铁基合金粉末完全致密固结，随炉冷却制得耐磨耐蚀合金管件。
实施例二
本实施例涉及一种粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，包括以下制备步骤：
步骤一、制备一种具有耐磨耐蚀性能的铁基合金的粉末，合金化学组分的质量百分比计为C：2.08%；W：0.5%；Mo: 1.5%；Cr：16.5%；V：4.6%；Nb：1.8%；Co：0.3%；Si：0.6%；Mn：0.5%；N：0.08%；O： 0.006%；余量为铁和杂质。采用非真空粉末冶金工艺制备合金粉末，粉末冶金工艺步骤如下：
a、将钢液转移至钢包，钢液装载重量为5吨；
b、钢包内钢液上表面覆盖钢包保护渣，加热钢包保护渣，维持钢液的过热度为150℃；在钢包底部通入氩气对钢液进行搅拌；
c、将钢液通过钢包底部的钢液导流管流入预加热至1000℃的中间包，控制导流管入口大小，使钢液流量为40 kg/min，钢液进入中间包后埋没导流管下端面时施加中间包保护渣；
d、对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度为150℃；
e、钢液从中间包进入雾化室后采用氮气作为气体介质进行雾化制粉，氮气纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm，雾化气体压力为2.0MPa，雾化制粉过程维持钢液温度稳定、钢液流量稳定，雾化气体压力稳定，制得的铁基合金粉末沉降至雾化室底部，后进入具有氮气保护气氛的储粉罐，雾化制粉完成后，待储粉罐内铁基合金粉末冷却到室温通过氮气保护筛分装置对铁基合金粉末进行筛分，再进入储粉罐储装备用；
步骤二、将筛分后储粉罐体内铁基合金粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，如图1、2所示，其中D1为250mm，D2为100mm，D3为30mm，H为1000mm，热等静压包套外层合金为铸锻工艺制备的45#钢，热等静压包套内层及底部材质为低碳钢，厚度2.5mm，铁基合金粉末装填于环形空隙中；装粉前先对热等静压包套内通入氩气排除空气，随后密闭连接热等静压包套和储粉罐体，将铁基合金粉末装填至热等静压包套内，热等静压包套装粉过程实施振动操作，增加铁基合金粉末装填密度；
步骤三、铁基合金粉末装填完成后对热等静压包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程热等静压包套加热保温在450℃，热等静压包套脱气至0.01Pa后继续加热保温≥2h，随后对热等静压包套端部进行封焊处理；
步骤四、将脱气并封焊后热等静压包套进行热等静压处理，热等静压温度1200℃，在≥100MPa压力下保持时间≥1h后热等静压包套内铁基合金粉末完全致密固结，随炉冷却制得耐磨耐蚀合金管件。
实施例三
本实施例涉及一种粉末冶金工艺制备耐磨耐蚀合金管件的方法，包括以下制备步骤：
步骤一、制备一种具有耐磨耐蚀性能的铁基合金的粉末，合金化学组分的质量百分比计为C：2.1%；W：0.5%；Mo:1.5%；Cr：22.0%；V：4.0%；Nb：1.0%；Co：0.2%；Si：0.8%；Mn：0.4%；N：0.05%；O： 0.008%；余量为铁和杂质。采用非真空粉末冶金工艺制备合金粉末，粉末冶金工艺步骤如下：
a、将钢液转移至钢包，钢液装载重量为7吨；
b、钢包内钢液上表面覆盖钢包保护渣，加热钢包保护渣，维持钢液的过热度为135℃；在钢包底部通入氮气对钢液进行搅拌；
c、将钢液通过钢包底部的钢液导流管流入预加热至1200℃的中间包，控制导流管入口大小，使钢液流量为30 kg/min，钢液进入中间包后埋没导流管下端面时施加中间包保护渣；
d、对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度为135℃；
e、钢液从中间包进入雾化室后采用氮气作为气体介质进行雾化制粉，氮气纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm，雾化气体压力为5.0MPa，雾化制粉过程维持钢液温度稳定、钢液流量稳定，雾化气体压力稳定，制得的铁基合金粉末沉降至雾化室底部，后进入具有氮气保护气氛的储粉罐，雾化制粉完成后，待储粉罐内铁基合金粉末冷却到室温通过氮气保护筛分装置对铁基合金粉末进行筛分，再进入储粉罐储装备用；
步骤二、将筛分后储粉罐体内铁基合金粉末装填入一端开口的中空圆柱形热等静压包套，如图1、2所示，其中D1为150mm，D2为50mm，D3为20mm，H为1500mm，热等静压包套外层合金为铸锻工艺制备的45#钢，热等静压包套内层及底部材质为低碳钢，厚度1.5mm，铁基合金粉末装填于环形空隙中；装粉前先对热等静压包套内通入氮气排除空气，随后密闭连接热等静压包套和储粉罐体，将铁基合金粉末装填至热等静压包套内，热等静压包套装粉过程实施振动操作，增加铁基合金粉末装填密度；
步骤三、铁基合金粉末装填完成后对热等静压包套进行抽真空脱气处理，抽真空过程热等静压包套加热保温在600℃，热等静压包套脱气至0.01Pa后继续加热保温≥2h，随后对热等静压包套端部进行封焊处理；
步骤四、将脱气并封焊后热等静压包套进行热等静压处理，热等静压温度1150℃，在≥100MPa压力下保持时间≥1h后热等静压包套内铁基合金粉末完全致密固结，随炉冷却制得耐磨耐蚀合金管件。
对上述发明实施例得到的合金管件采用不同热处理制度得到不同性能，所使用的热处理包括退火、淬火和回火。所述淬火处理涉及将退火后的管件在815℃－900℃温度预热，温度均匀后放入1000℃－1200℃的温度下保温15－40分钟，随后淬火至530℃-550℃，然后空冷至50℃以下。所述回火涉及将淬火后的管件加热到540－670℃的温度并保温1.5-2小时，随后空冷至50℃以下，如此重复2到3次。
通过上述的粉末冶金制备方法，得到完全致密的合金管件，管件内层合金具备高的耐磨性能同时具备高的耐蚀性能，基于这样一种性能特点，本发明合金管件适合在具有磨损及腐蚀工况场合使用。由于本发明合金管件采用独特的合金结构，使用廉价的碳素钢或不锈钢部分替代价格昂贵的合金粉末进行制备，节省了贵重合金的使用，降低了生产成本，同时不影响整体使用性能，使产品市场竞争力得到提升。