易机加工的合金棒材及其制备方法

摘要

本发明涉及一种易机加工的合金棒材及其制备方法，易机加工的合金棒材包括成分为第一合金的包套棒材和成分为第二合金的棒芯，所述包套棒材设置在所述棒芯的周侧；以质量分数计：所述第一合金中，C％为1.8～2.9，Si％为0.4～1.2，Mn％为0.2～0.9，Cr％为4～7.8，Mo％为0.8～4.0，V％为6.5～12，S％为0.1～0.5，N％为0.04～0.10，余量为Fe；所述第二合金中，C％为0.15～2.1。本发明申请提供的易机加工的合金棒材采用粉末冶金工艺制备，通过粉末第一合金制备易机加工的合金棒材外围，避免合金元素偏析，经过热等静压工艺致密化后，能够保持合金元素无偏析状态和微观组织的均匀分布，从而使得易机加工的合金棒材具有高的耐磨性能和良好的机加工性能。

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，特别是涉及一种易机加工的合金棒材及其制备方法。

背景技术

对于很多机械工具或机械零部件而言，对于使用的合金材料，通常具备两方面的期望：一方面需要具备优异的耐磨性能，确保工具或零件具有较长的使用寿命；另一方面，由于从原材料到机械工具或零件的最终形态，需要经过多重的机加工，因此又希望合金材料具有良好的机械加工性能，以降低加工成本。

有一种典型的零部件如塑料挤出机螺纹块或啮合块部件，当塑料中存在玻纤、碳纤、陶瓷、碳酸钙等硬质填充物时，会产生对螺纹块或啮合块刃部端面的剧烈磨损，对螺纹块或啮合块的耐磨性能有极高的要求。同时螺纹块或啮合块从原始合金棒材到最终产品，需要经过较大幅度的去材料机加工，去除量较大，不仅需要对棒材中心进行通孔加工，同时需要对棒材外圆加工出各类啮合齿形，总去除量约为50％，因此合金棒材的机加工性能对部件最终的制造成本有较大的影响。

目前国内大量使用传统合金(如M2高速钢)作为塑料挤出机的螺纹块或啮合块部件的原材料。面对塑料挤出机可能的恶劣磨损工况时，M2高速钢所表现的耐磨性能较为有限，同时该方案未能很好解决中心孔加工及外圆刃机加工成本降低的难题。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种易机加工的合金棒材及其制备方法。

第一个方面，本发明申请提供了一种易机加工的合金棒材，包括成分为第一合金的包套棒材和成分为第二合金的棒芯，所述包套棒材设置在所述棒芯的周侧；以质量分数计：

所述第一合金中，C％为1.8～2.9，Si％为0.4～1.2，Mn％为0.2～0.9，Cr％为4～7.8，Mo％为0.8～4.0，V％为6.5～12，S％为0.1～0.5，N％为0.04～0.10，余量为Fe；

所述第二合金中，C％为0.15～2.1。

在第一个方面的某些实现方式中，所述易机加工的合金棒材为圆柱形；所述易机加工的合金棒材的直径为30～400mm，所述棒芯的直径为20mm-300mm，所述棒芯的直径小于所述易机加工的合金棒材的直径。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述第二合金为45#钢；所述第一合金中，C％为2.5，Si％为0.8，Mn％为0.5，Cr％为5.25，Mo％为4.0，V％为9.75，S％为0.2，N％为0.05。

第二个方面，本发明申请提供了一种易机加工的合金棒材的制备方法，制备如本发明申请第一个方面任一项描述的易机加工的合金棒材，包括如下步骤：

在热等静压包套内放入粉末状的第一合金，以及棒状的第二合金棒芯，所述第二合金棒芯设置在所述热等静压包套的中心位置，所述第一合金填充在所述第二合金棒芯与所述热等静压包套内壁之间；

对所述热等静压包套进行抽真空脱气处理至预设真空度，同时对所述热等静压包套加热至180℃～220℃并保温预设时间；

将封端后的所述热等静压包套进行热等静压处理，热等静压处理的温度为1050℃～1250℃，压力为120MPa～200MPa，保压时间为1～3小时；

将所述热等静压包套随炉冷却后，得到易机加工的合金棒材。

在第二个方面的某些实现方式中，所述热等静压包套为一端开口的圆柱形热等静压包套，所述热等静压包套的直径为30～400mm。

结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，所述将封端后的所述热等静压包套进行热等静压处理的步骤中，所述封端为焊接封端。

结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，所述预设真空度为0.01Pa，所述对所述热等静压包套加热至180℃～220℃并保温预设时间的步骤包括：

对所述热等静压包套加热至200℃，待所述真空度达到所述预设真空度，保温保压处理2小时。

结合第二个方面和上述实现方式，在第二个方面的某些实现方式中，所述将封端后的所述热等静压包套进行热等静压处理的步骤，包括：

将所述热等静压包套进行热等静压处理，热等静压温度为1160℃，在170MPa的压力下保持2小时。

本发明申请的实施例中提供的技术方案带来如下有益技术效果：

本发明申请提供的易机加工的合金棒材采用粉末冶金工艺制备，通过粉末第一合金制备易机加工的合金棒材外围，避免合金元素偏析，经过热等静压工艺致密化后，能够保持合金元素无偏析状态和微观组织的均匀分布，从而使得易机加工的合金棒材具有高的耐磨性能和良好的机加工性能。

本申请附加的方面和优点将在后续部分中给出，并将从后续的描述中详细得到理解，或通过对本发明的具体实施了解到。

附图说明

图1为本发明申请一实施例中易机加工的合金棒材的横截面结构示意图；

图2为本发明申请一实施例中易机加工的合金棒材制备方法的方法流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可能的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文已经通过附图描述的实施例。通过参考附图描述的实施例是示例性的，用于使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，而不能解释为对本发明的限制。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本发明的特征是非必要技术的，则可能将这些技术细节予以省略。

相关领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及该技术方案如何解决上述的技术问题进行详细说明。

本发明申请第一个方面的实施例提供了一种易机加工的合金棒材，包括成分为第一合金10的包套棒材和成分为第二合金20的棒芯，包套棒材设置在棒芯的周侧；以质量分数计：

第一合金10中，C％为1.8～2.9，Si％为0.4～1.2，Mn％为0.2～0.9，Cr％为4～7.8，Mo％为0.8～4.0，V％为6.5～12，S％为0.1～0.5，N％为0.04～0.10，余量为Fe；第二合金20中，C％为0.15～2.1。也即第一合金10中含碳量为1.8％～2.9％，含硅量为0.4％～1.2％，含锰量为0.2％～0.9％，含铬量为4％～7.8％，含钼量为0.8％～4.0％，含钒量为6.5％～12％，含硫量为0.1％～0.5％，含氮量为0.04％～0.10％，其余主要成分为铁元素。而第二合金20可采用碳钢或者低合金钢，含碳量大于等于0.15％。实际生产中，上述质量分数并非严格的精确数，可以在能够被接收的范围内波动。

可选的，如图1所示，本发明申请提供的易机加工的合金棒材的一种外观形态可以是圆柱形棒材。也即，在第一个方面实施例的某些具体实现方式中，易机加工的合金棒材为圆柱形；易机加工的合金棒材的直径为30～400mm，棒芯的直径为20mm～300mm，棒芯的直径小于易机加工的合金棒材的直径。采用上述尺寸规格，采用本申请提供的制备方法所制备出的易机加工的合金棒材更能符合设定要求，也即同时具备良好的耐磨性和机械加工性。

可选的，在本发明申请第一个方面实施例的某些具体实现方式中，第二合金20为45#钢；第一合金10中，C％为2.5，Si％为0.8，Mn％为0.5，Cr％为5.25，Mo％为4.0，V％为9.75，S％为0.2，N％为0.05。

上述成分中，C固溶于铁基体，提高材料的基体强度，同时形成碳化物提高耐磨性能。N部分固溶于基体同时部分参与第二相形成。Mo固溶于基体，提高基体淬透性。Cr主要固溶于基体，提高淬透性。V主要用于形成MC型碳化物，提高耐磨性能。Si为一种脱氧剂和基体强化元素。S形成颗粒状硫化物，提升机加工性能。

本发明申请第二个方面的实施例提供了一种易机加工的合金棒材的制备方法，制备如本发明申请第一个方面实施例中描述的易机加工的合金棒材，如图2所示，包括如下步骤：

S100：在热等静压包套内放入粉末状的第一合金10，以及棒状的第二合金棒芯，第二合金棒芯设置在热等静压包套的中心位置，第一合金10填充在第二合金棒芯与热等静压包套内壁之间。热等静压包套可以采用金属或陶瓷制作，例如低碳钢、Ni、Mo或玻璃等。

S200：对热等静压包套进行抽真空脱气处理至预设真空度，同时对热等静压包套加热至180℃～220℃并保温预设时间。

S300：将封端后的热等静压包套进行热等静压处理，热等静压处理的温度为1050℃～1250℃，压力为120MPa～200MPa，保压时间为1～3小时。

S400：将热等静压包套随炉冷却后，得到易机加工的合金棒材。对经过前述步骤处理得到的热等静压包套进行热等静压处理，待热等静压包套内合金粉末完全致密固结并与中心棒材紧密结合后随炉冷却，车削去掉外表面热等静压包套层，制得易加工的易机加工的合金棒材。另外可对得到的易机加工的合金棒材进行进一步锻造或轧制，得到需要的规格尺寸。

可选的，在第二个方面的某些实现方式中，热等静压包套为一端开口的圆柱形热等静压包套，热等静压包套的直径为30～400mm。可取一端具有开口的圆柱形热等静压包套，热等静压包套直径为30～400mm，热等静压包套中心位置固定有第二合金棒芯，第二合金棒芯的直径为20mm-300mm，将粉末状态的第一合金10装填于沿中心的第二合金棒芯与热等静压包套之间的环形空隙中，将第一合金10振实，通常振实作业的时长为40～60分钟。

可选的，结合第二个方面的实施例和上述的实现方式，在第二个方面实施例的另一些实现方式中，将封端后的热等静压包套进行热等静压处理的步骤中，封端为焊接封端。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。

可选的，结合第二个方面的实施例和上述的实现方式，在第二个方面实施例的又一些实现方式中，预设真空度为0.01Pa，对热等静压包套加热至180℃～220℃并保温预设时间的步骤包括：

对热等静压包套加热至200℃，待真空度达到预设真空度，保温保压处理2小时。

可选的，在第二个方面的一些具体实施方式中，将封端后的热等静压包套进行热等静压处理的步骤，包括：将热等静压包套进行热等静压处理，热等静压温度为1160℃，在170MPa的压力下保持2小时。

本发明申请的实施例中提供的技术方案带来如下有益技术效果：

本发明申请提供的易机加工的合金棒材采用粉末冶金工艺制备，通过粉末第一合金制备易机加工的合金棒材外围，避免合金元素偏析，经过热等静压工艺致密化后，能够保持合金元素无偏析状态和微观组织的均匀分布，从而使得易机加工的合金棒材具有高的耐磨性能和良好的机加工性能。

以下是具体实施例：

实施例：

采用两种类型合金复合，分别为a类型金属和b类型金属。a类型的合金为粉末态，其可选合金成分如表1所示：

表1 a合金的成分组合

b类型金属的形态为棒材，可选45#钢。热等静压包套可以采用低碳钢制作。

一种易机加工的合金棒材的制备步骤如下：

首先，选择上述表1中序号1的成分组合的合金粉末作为a合金，选择成分为45#钢的棒材作为b合金。

其次，取一端开口的圆柱形热等静压包套，热等静压包套直径为80mm，热等静压包套中心位置固定有b合金棒材，中心位置处的b合金棒材直径为40mm，将a合金粉末装填于沿b合金棒材与热等静压包套之间的环形空隙中，对a合金粉末进行振实操作50分钟；

再次，粉末装填完成后对热等静压包套抽真空脱气处理，抽真空过程中，将热等静压包套加热保温在200℃。待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的开口端部进行封焊处理。

又次，将封焊处理后的热等静压包套进行热等静压处理，热等静压温度选为1160℃，在170MPa的压力下保持时间2h后，热等静压包套内的a合金粉末完全致密固结并与中心位置的b合金棒材紧密结合，随炉冷却。

最后，可将得到的易机加工的合金棒材的粗料进行车削加工，去掉易机加工的合金棒材外表面的热等静压包套层，制得易加工易机加工的合金棒材。

可对上述热等静压复合合金棒材进行进一步锻造或轧制，得到需要的规格尺寸。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。