一种铁基合金双螺杆整体合金衬套及其制备方法与流程

本发明涉及双螺杆挤出机技术领域，尤其涉及一种铁基合金双螺杆整体合金衬套及其制备方法。

背景技术：

现有螺杆挤出机用整体式内衬套，无复合合金结构，为整体结构衬套，其主要制作材料为高铬铸铁、高矾铸铁、w6mo5cr4v2高速钢(工具钢)、热等静压铁基粉末合金等，在结构上，整体式内衬套虽然解决了c型/o型分离式复合合金内衬套的拼接处接缝间隙问题，使用寿命比c型/o型分离式复合合金内衬套套有所提高，但由于双螺杆挤出机具体使用环境对筒体内衬套和螺杆之间的配合间隙有较为严格的工艺要求，即该配合间隙大于一定数值(1-1.5mm)后，对挤出机生产出的产品质量及生产效率产生较大影响，通常在整体式内衬套的内孔磨损1-1.5mm后便需要进行更换内衬套，造成剩余的材料浪费，不环保。

如专利cn105463447a公开了一种双合金整体套及其制备方法，其包括基体套筒和耐磨层，耐磨层附着在基体套筒内侧壁，基体套筒由45号钢或模具钢制成，耐磨层由镍基合金材料或碳化钨颗粒强化镍基合金材料制成，且碳化钨颗粒的质量百分比为10％～35％，镍基合金的质量百分比为65％～90％。由于该双合金整体套的耐磨损能差，使用寿命短，不能够满足现有日益提高的双螺杆挤出机高质量、高使用寿命的工作要求，需要经常停机更换，停机时间长，造成双螺杆挤出机的使用/维护成本较高。

而铁基合金材料具有硬度高、耐蚀、耐磨、耐热特点，现有应用主要以氧乙炔喷焊、等离子焊、超音速喷焊或激光覆焊为主，由于铁基合金喷焊层的高硬度特性，难以切削，使得铁基合金的应用范围受到一定限制。此外，发明人将现有技术中的铁基合金采用高成本的加工技术制成合金衬套，高分子挤出材料中的相关添加剂易磨损和腐蚀该合金衬套，因此，现有铁基合金的耐磨损和耐腐蚀性能还有待进一步的提高。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中的铁基合金材料在应用于挤出机衬套时的局限性问题，将铁基合金应用于双螺杆挤出机衬套，提出一种具有高耐磨、耐腐蚀且加工工艺简单、生产成本低的铁基合金双螺杆整体合金衬套及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种铁基合金双螺杆整体合金衬套，该铁基合金双螺杆整体合金衬套由铁基合金粉末一体烧结成型，按重量百分比计，所述铁基合金粉末成分包括：b:1.00-3.50、c：0.50-2.00、cr:3.00-15.00、ni:5.00-20.00、si:1.50-4.00、w:0.00-5.00、fe余量。

进一步优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套中，按重量百分比计，所述铁基合金粉末成分包括：b:1.50-3.00、c：0.80-1.60、cr:6.00-12.00、ni:8.00-16.00、si:2.00-3.50、w:0.00-3.00、fe余量。

进一步较为优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套中，按重量百分比计，所述铁基合金粉末成分包括：b:2.00-2.50、c：1.00-1.40、cr:9.00-10.00、ni:10.00-12.00、si:2.50-3.00、w:0.00-1.50、fe余量。

进一步更为优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套中，按重量百分比计，所述铁基合金粉末成分包括：b:2.20、c：1.20、cr:9.50、ni:11.30、si:2.85、w:0.70、fe余量。

进一步地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套中，所述基合金粉末的纯度均大于99.9％。

进一步地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套中，所述铁基合金粉末的粒度为200-400目。

进一步地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套中，所述铁基合金双螺杆整体合金衬套的外轮郭为椭圆形，内轮廓为“8”字型结构。

本发明的第二个方面是提供一种所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)在烘干后的模具表面刷涂一层高温脱模剂并晾干；

(2)将铁基合计粉末装填到模具腔内并震实；

(3)将上述装填好铁基合计粉末的模具送入真空烧结炉内，，以5-15℃/min的速度升温至1000-1600℃，保温30-250min；

(4)保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除烧结模具，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

进一步地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(1)中模具的烘干温度为220-250℃、烘干温度为30min。

进一步优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(1)中模具的烘干温度为225-245℃、烘干温度为30min。

进一步较为优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(1)中模具的烘干温度为235-240℃、烘干温度为30min。

进一步地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(3)中以7-12℃/min的速度升温至1100-1400℃，保温50-120min。

进一步优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(3)中以8-10℃/min的速度升温至1150-1300℃，保温80-100min。

进一步较为优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(3)中以8.5℃/min的速度升温至1240-1250℃，保温90min。

进一步优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述步骤(4)中制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套的密度为7.00-7.80g/cm³；优选为7.38g/cm³。

进一步较为优选地，在所述的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法中，所述铁基合金双螺杆整体合金衬套的工作温度可达500-650℃

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)采用本发明方法制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套，烧结后的铁基合金衬套硬度为hrc58-65；经耐磨性能试验，该铁基合金衬套的耐磨性能为6542材料的4-7倍，且耐腐蚀性也得到了大幅度的提高，满足了现有合金衬套对耐磨和耐腐蚀性能的要求，大大提高了塑料机核心部件-机筒内衬套及螺杆部件的使用寿命，减少了在使用过程中的停机、拆机次数及时间，大大降低了在使用过程中的设备使用成本及停机损失；

(2)本发明所提供的铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法，采用独特的加工工艺过程，革新了衬套、机筒组合的传统工艺方式，大大提高了机筒关键尺寸的加工精度，使衬套、机筒组合精度得到大幅度提升，满足了市场对产品质量不断提高的迫切需求。

附图说明

图1为本发明一种铁基合金双螺杆整体合金衬套用模具的剖面结构示意图；

图2为本发明一种铁基合金双螺杆整体合金衬套用模具的横截面结构示意图；

图3为本发明一种铁基合金双螺杆整体合金衬套用模具的合金熔覆层金相组织结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备方法，采用特殊的工艺将铁基合金粉末整体烧结成为双螺杆挤出机内衬套，革新了衬套、机筒组合的传统工艺方式，提高了机筒关键尺寸的加工精度，使机筒组合精度得到大幅度提升。

本发明还提供了一种采用上述方法制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套，其具有良好的高温强度和优良的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗热冲击、抗氧化性能；在强酸、氧化-还原复合介质、卤族以及化合物、强还原介质、碱性介质、含有氯离子的氧化还原介质等环境中都具有良好的耐腐蚀性能；从而大大降低了由于在高分子中加入的各种添加剂如玻璃纤维、碳纤维、碳酸钙、高岭土、红泥、二氧化硅等改性物质对挤出机内衬套的磨损和腐蚀，减少了因为更换挤出机内衬套而花费大量的人力、物力以及停机检修的时间，低了设备使用的成本。填补了铁基合金在应用上的一项空白。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备，包括如下步骤：

(1)按设计图纸要求将如图1-2所示模具外形、内腔、底板、内模具采用线切割加工到位，尺寸精度控制到0.05mm内，保证烧结后毛坯余量的准确性，然后将底板与外形定位焊接固定；

(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；

(3)将铁基合金粉末按重量百分比：b:1.00、c：0.80、cr:5.00、ni:9.00、si:2.00、fe余量，装填到模具形腔内并震实；

(4)将上述装好铁基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照5℃/min的升温速度，加热到1200℃左右并保温100min；

(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具得烧结毛坯；

(6)将烧结好的毛坯按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

实施例2铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备，包括如下步骤：

(1)按设计图纸要求将如图1-2所示模具外形、内腔、底板、内模具采用线切割加工到位，尺寸精度控制到0.05mm内，保证烧结后毛坯余量的准确性，然后将底板与外形定位焊接固定；

(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；

(3)将铁基合金粉末按重量百分比：b:3.50、c：2.00、cr:15.00、ni:15.00、si:3.00、w:0.10、fe余量，装填到模具形腔内并震实；

(4)将上述装好铁基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照15℃/min的升温速度，加热到1400℃左右并保温200min；

(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具得烧结毛坯；

(6)将烧结好的毛坯按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

实施例3铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备，包括如下步骤：

(1)按设计图纸要求将如图1-2所示模具外形、内腔、底板、内模具采用线切割加工到位，尺寸精度控制到0.05mm内，保证烧结后毛坯余量的准确性，然后将底板与外形定位焊接固定；

(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；

(3)将铁基合金粉末按重量百分比：b:1.50、c：0.80、cr:6.00、ni:10.00、si:3.50、w:1.00、fe余量，装填到模具形腔内并震实；

(4)将上述装好铁基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照12℃/min的升温速度，加热到950℃左右并保温60min；

(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具得烧结毛坯；

(6)将烧结好的毛坯按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

实施例4铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备，包括如下步骤：

(1)按设计图纸要求将如图1-2所示模具外形、内腔、底板、内模具采用线切割加工到位，尺寸精度控制到0.05mm内，保证烧结后毛坯余量的准确性，然后将底板与外形定位焊接固定；

(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；

(3)将铁基合金粉末按重量百分比：b:3.00、c：1.60、cr:12.00、ni:16.00、si:2.50、w:2.50、fe余量，装填到模具形腔内并震实；

(4)将上述装好铁基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照12℃/min的升温速度，加热到1050℃左右并保温50min；

(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具得烧结毛坯；

(6)将烧结好的毛坯按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

实施例5铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备，包括如下步骤：

(1)按设计图纸要求将如图1-2所示模具外形、内腔、底板、内模具采用线切割加工到位，尺寸精度控制到0.05mm内，保证烧结后毛坯余量的准确性，然后将底板与外形定位焊接固定；

(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；

(3)将铁基合金粉末按重量百分比：b:3.50、c：2.00、cr:3.00、ni:5.00、si:1.70、w:0.80、fe余量，装填到模具形腔内并震实；

(4)将上述装好铁基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照5℃/min的升温速度，加热到1200℃左右并保温80min；

(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具得烧结毛坯；

(6)将烧结好的毛坯按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

实施例6铁基合金双螺杆整体合金衬套的制备，包括如下步骤：

(1)按设计图纸要求将如图1-2所示模具外形、内腔、底板、内模具采用线切割加工到位，尺寸精度控制到0.05mm内，保证烧结后毛坯余量的准确性，然后将底板与外形定位焊接固定；

(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；

(3)将铁基合金粉末按重量百分比：b:2.20、c：1.20、cr:9.50、ni:11.30、si:2.85、w:0.70、fe余量，装填到模具形腔内并震实；

(4)将上述装好铁基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照10℃/min的升温速度，加热到1300℃左右并保温80min；

(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具得烧结毛坯；

(6)将烧结好的毛坯按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得铁基合金双螺杆整体合金衬套。

洛氏硬度测试：

(1)检测项：以本发明实施例1-6制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套为测试样；以专利cn105463447a制得的整体套为对比例1，以6542钢材为对比例2；(2)测试标准：gb/t230.1-2009；

(3)硬度测试方法：在上述实施例和对比例制得的衬套上取φ30×10mm试块，

将试块两面在平面磨床上磨平后测试洛氏硬度hrc；

(4)测试结果：如下表一所示；

表一各实施例和对比例衬套的硬度测试结果

由上述表一的检测结果可知，采用本发明方法制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套，烧结后的铁基合金衬套硬度为hrc58-65；而对比例1、对比例2制得的衬套的硬度分别为57hrc、60hrc。因此，采用本发明实施例1-6的铁基合金双螺杆整体合金衬套的硬度较小于专利cn105463447a整体套和6542钢材的硬度。

磨损试验：

(1)检测项：以本发明实施例1-6制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套为测试样；以专利cn105463447a制得的整体套为对比例1；

(2)测试标准：参照国家标准gb/t12444-2006；

(3)试验方法：试验在环块磨损试验机上进行，测试时，磨损试验条件：载荷为392n，线速度0.42m/s，环境温度24℃，环境湿度50％rh，水润滑，2小时后分别测试轮和块的失重重量；试样块尺寸为7×6×30；对磨轮为6542高速钢(热处理态hrc58-62)，尺寸φ40×φ16×10。

(4)测试结果：如下表二所示；

由上述表一、表二的检测结果可知，采用本发明方法制得的铁基合金双螺杆整体合金衬套，烧结后的铁基合金衬套硬度为hrc58-65；经耐磨性能试验，可知该铁基合金衬套的耐磨性能为6542材料4-7倍，且耐腐蚀性也得到了大幅度的提高，满足了现有合金衬套对耐磨和耐腐蚀性能的要求，大大提高了塑料机核心部件-机筒内衬套及螺杆部件的使用寿命，以寿命提高2-3倍为例，使用本发明合金衬套可以减少3次筒体更换，减少了在使用过程中的停机、拆机次数及时间，大大降低了在使用过程中的设备使用成本及停机损失。

耐磨机理检测分析：

对本发明铁基合金双螺杆整体合金衬套采用x衍射仪结合金相显微分析与观察，观察其熔覆层金相的组织组成，如图3所示的合金熔覆层金相组织结构图(×800)，并分析认为：

(1)白色块状为基体，是含硅镍铬固溶体相；溶入固溶体中的si元素使镍晶格畸变增大，溶质原子对位错运动产生强烈的阻碍作用，使塑性变形阻力增大，使基体的强度提高，因此合金基体相具有一定有耐磨性能；

(2)白色细小点状为硬质相crb，相比而言，市面上常用机筒材料有cr12mov、高铬铸铁(c型套)以及6542钢材的金相组织中，虽然也含有各种碳化物硬质相，但其硬质相的显微硬度仅hv1300-1800，因此虽然其宏观硬度较高，但其耐磨性较差；但该硬质相crb与固溶体相协同作用下，虽然其宏观硬度交底，但该铁基合金双螺杆整体合金衬套的耐磨性较高；

(3)黑色细小点状为硬质相(cr，fe)23c6，硬度约hv1000(约hrc70)，该相的作用是强化基体，提高硬度，增强耐磨性；

(4)灰色块状为硬质相ni3b，其主要作用是提高材料在高温下的耐磨性，该相硬度hv10450-553(约hrc45-53)，在高温下结构稳定，保持较高的硬度，因此提高了材料在高温下的耐磨性能。

由以上分析可知，本发明铁基合金双螺杆整体合金衬套的金相组织中含有高耐磨的超高硬度硼化物相(crb)，以及在高温下保持耐磨性的硼化镍相(ni3b)，从而造就了铁基合金双螺杆整体合金衬套的高耐磨性能。综上，合金的耐磨性能主要依靠合金内部硬质相起到抗磨损作用，而检测的都是宏观硬度不能反映硬质相的硬度，而这就形成了本发明铁基合金双螺杆整体合金衬套所检测的硬度略小于专利cn105463447a整体套和6542钢材的硬度，但反而该铁基合金衬套的耐磨性能为6542材料4-7倍。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。