CN102181803A - Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金及其制备方法 - Google Patents

Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金及其制备方法 Download PDF

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柳秉毅
张炎
陈超
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Abstract

本发明公开了Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金及其制备方法，属于合金领域。该耐磨合金的成分组成质量百分数为：C0.08～0.16；Mn13～15；Si5～6；Cr8～10；Ni4～6；Nb0.7～1.1；Ce0.03～0.06；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe。该耐磨合金的的制备方法，其步骤包括合金熔炼：塑性加工和热处理三个阶段。通过本发明得到的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金在油润滑条件下因碳化物沉淀析出、超弹性性质和诱发马氏体相变而具有很高的耐磨性，尤其在高载荷和高转速耐磨损性能更优，可广泛用于重载荷高速传动轴和齿轮等机械零件。

Description

Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Fe-Mn-Si基耐磨合金及其制备方法，更具体的说是一种添加强碳化物元素Nb和稀土元素Ce的Fe-Mn-Si-Cr-Ni耐磨合金及其制备方法。
背景技术
磨损是机械零件三种主要的失效方式之一，造成重大的国民经济损失。为此，人们对耐磨材料进行了大量研究，通过改变材料的化学成分和组织结构，探索新型耐磨材料。中国专利申请号200910203638.4《耐磨合金铸钢及其制造方法》，所提及的耐磨合金铸钢添加Ti钛等贵重金属，仅适宜在低温环境下使用，而不适宜在高载荷和高转速的条件下工作。
中国专利申请号200410090214.9《铁基自润滑耐磨合金》中通过加入过渡族金属元素的硫化合物，降低合金中硅的含量，不含锰元素，来实现合金减摩耐磨自润滑的特性，但导致合金冲击强度等力学性能大大降低。Ni-Ti形状记忆合金因超弹性而具有高的耐磨损性能，但价格昂贵，难以在工业和民用领域获得广泛的应用。
Fe-Mn-Si基形状记忆合金具有强度高（与钢相近）、耐腐蚀、易于加工和成本低（仅分别约为Ni-Ti及铜基形状记忆合金的1/20和1/2）等优点，已成功应用于管接头等紧固件。该合金不仅在油润滑条件下磨损性能因诱发产生马氏体相变而优于1Cr18Ni9Ti，而且耐滚动磨损性能及在多相流（水、气、泥沙）中抗空蚀、抗冲泥沙冲刷磨损和抗磨蚀性能因超弹性而优于不锈钢，在齿轮和水轮机叶片等工程机械零部件上具有良好的应用前景。
发明内容
1．本发明解决的技术问题
针对现有的Fe-Mn-Si基合金需经热机械训练才能获得形状记忆效应和超弹性，存在工艺复杂等问题，难以用于生产制造形状较为复杂的零件。本发明提供一种Fe-Mn-Si基耐磨合金及其制备方法，不仅可以有效的解决以上问题，而且制备得到的Fe-Mn-Si基合金耐磨性高。
2．技术方案
发明原理：基于Fe-Mn-Si系合金第二相粒子沉淀弥散析出可诱导形状记忆效应和超弹性，从第二相粒子沉淀析出及超弹性可减少材料磨损出发，利用添加强碳化物元素Nb和稀土元素Ce并调整C含量的合金化方法，通过固溶化处理和时效处理工使碳化物呈粒状沉淀析出，制备的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金因NbC弥散沉淀析出和超弹性而具有良好的耐磨性。
Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金主要成分组成（质量百分数）如下：C 0.08～0.16；Mn 13～15；Si 5～6；Cr 8～10；Ni 4～6 ；Nb 0.7～1.1；Ce 0.03～0.06；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe。
Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金的制备方法，其步骤为：
（1）合金熔炼：采用真空感应电炉，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并按成分设计要求分别添加铌铁和稀土，合金在熔炼后浇注毛坯，浇注温度为1570℃～1600℃；
（2）塑性加工：合金毛坯在1100℃～1200℃保温6～8小时进行均匀化处理，然后采用锻造或轧制等方法在900℃～1150℃温度范围内进行塑性成形加工；
（3）热处理：合金毛坯在塑性成形加工后加热到1050℃～1100℃保温4～6小时进行油冷固溶处理，然后在750℃～950℃保温3～6小时进行时效处理。
3．有益效果
本发明提供一种高耐磨性的合金及其制备方法，其工艺简单，制备得到的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金在油润滑条件下因碳化物沉淀析出、超弹性性质和诱发马氏体相变而具有很高的耐磨性，尤其在高载荷和高转速耐磨损性能更优，可广泛用于重载荷高速传动轴和齿轮等机械零件。
附图说明
图1为Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金的金相组织图。
具体实施方式
以下通过实例进一步说明本发明。
实施例1
（1）采用ZG-0.050真空感应电炉熔炼Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并分别添加铌铁和稀土,使合金成分组成（质量百分数）如下：C 0.11；Mn 14.1；Si 5.7；Cr 8.9；Ni 5.0；Nb 0.83；Ce 0.045；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe，合金在熔炼后浇注毛坯，毛坯采用金属模浇注，浇注温度为1590℃。
（2）合金毛坯在1100℃保温8小时进行均匀化处理后，采用锻造成板材，锻造温度控制在900℃～1150℃范围内进行塑性成形加工。
（3）合金在锻造成板材后采用线切割加工试样毛坯，并进行加热到1050℃保温5小时油冷固溶处理，试样毛坯在油冷固溶处理后进行850℃保温4小时时效处理。
实施例2
（1）采用ZG-0.050真空感应电炉熔炼Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并分别添加铌铁和稀土,使合金成分组成（质量百分数）如下：C 0.1；Mn 13.0；Si 5.0；Cr 8.0；Ni 5.0；Nb 0.7；Ce 0.045；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe，合金在熔炼后浇注毛坯，毛坯采用金属模浇注，浇注温度为1600℃。
（2）合金毛坯在1200℃保温8小时进行均匀化处理后，采用锻造成板材，锻造温度控制在900℃～1150℃范围内进行塑性成形加工。
（3）合金在锻造成板材后采用线切割加工试样毛坯，并进行加热到1100℃保温4小时油冷固溶处理，试样毛坯在油冷固溶处理后进行800℃保温5小时时效处理。
实施例3
（1）采用ZG-0.050真空感应电炉熔炼Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并分别添加铌铁和稀土,使合金成分组成（质量百分数）如下：C 0.16；Mn 15.0；Si 6.0；Cr 8.6；Ni 4.0；Nb 1.1；Ce 0.03；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe，合金在熔炼后浇注毛坯，毛坯采用金属模浇注，浇注温度为1600℃。
（2）合金毛坯在1200℃保温6小时进行均匀化处理后，采用轧制成板材，轧制温度控制在900℃～1150℃范围内进行塑性成形加工。
（3）合金在轧制成板材后采用线切割加工试样毛坯，并进行加热到1050℃保温6小时油冷固溶处理，试样毛坯在油冷固溶处理后进行750℃保温6小时时效处理。
实施例4
（1）采用ZG-0.050真空感应电炉熔炼Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并分别添加铌铁和稀土,使合金成分组成（质量百分数）如下：C 0.08；Mn 15.0；Si 5.0；Cr 10.0；Ni 6.0；Nb 0.9；Ce 0.06；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe，合金在熔炼后浇注毛坯，毛坯采用金属模浇注，浇注温度为1580℃。
（2）合金毛坯在1080℃保温8小时进行均匀化处理后，采用轧制成板材，轧制温度控制在900℃～1150℃范围内进行塑性成形加工。
（3）合金在轧制成板材后采用线切割加工试样毛坯，并进行加热到1050℃保温5小时油冷固溶处理，试样毛坯在油冷固溶处理后进行750℃保温6小时时效处理。
实施例5
（1）采用ZG-0.050真空感应电炉熔炼Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并分别添加铌铁和稀土,使合金成分组成（质量百分数）如下：C 0.08；Mn 14.5；Si 5.0；Cr 9.0；Ni 5.3；Nb 0.8；Ce 0.05；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe，合金在熔炼后浇注毛坯，毛坯采用金属模浇注，浇注温度为1600℃。
（2）合金毛坯在1050℃保温7小时进行均匀化处理后，采用轧制成板材，轧制温度控制在900℃～1150℃范围内进行塑性成形加工。
（3）合金在轧制成板材后采用线切割加工试样毛坯，并进行加热到1050℃保温6小时油冷固溶处理，试样毛坯在油冷固溶处理后进行800℃保温5.5小时时效处理。
实施例6
（1）采用ZG-0.050真空感应电炉熔炼Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并分别添加铌铁和稀土,使合金成分组成（质量百分数）如下：C 0.08；Mn 14.5；Si 5.0；Cr 9.0；Ni 5.3；Nb 0.8；Ce 0.05；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe，合金在熔炼后浇注毛坯，毛坯采用金属模浇注，浇注温度为1570℃。
（2）合金毛坯在1050℃保温8小时进行均匀化处理后，采用锻造成板材，锻造温度控制在900℃～1150℃范围内进行塑性成形加工。
（3）合金在锻造成板材后采用线切割加工试样毛坯，并进行加热到1100℃保温4小时油冷固溶处理，试样毛坯在油冷固溶处理后进行800℃保温5小时时效处理。
由上述实施例1-6可知，利用添加强碳化物元素Nb和稀土元素Ce并调整C含量的合金化方法，通过固溶化处理获得Cr、C和Nb元素过饱和的单相奥氏体组织，时效处理工使碳化物NbC弥散沉淀析出并均匀分布于奥氏体基体（见图1），所制备的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金，合金相变点温度As、Af 、Ms、Mf分别在105℃、157℃、－22℃和－46℃附近。
实施例1-6中所制备的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金强度与调质45钢相近，抗拉强度和屈服强度分别在620MPa～700MPa 和310MPa～390MPa范围内，延伸率在9%～15%之间，Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金的弹性性质大大优于调质45钢。利用硬度回弹法测定的卸载回弹深度h e作为合金表面弹性性质的表征参量，在HRD-150型洛氏硬度计上采用最大载荷1471 N和标准金刚石圆锥压头对Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金和调质45钢的卸载回弹深度h e分别进行了测量。Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金卸载回弹深度h e在45μm～49μm之间，而调质45钢的卸载回弹深度h e仅为39.6μm，两者相差最高近10μm。
MMW-1立式万能摩擦磨损试验机Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金和调质45钢在不同载荷和转速下进行磨损试验，用精度0.1mg的AL204电子天平称量试样质量，称量前用丙酮对试样进行超声波清洗。摩擦副选用GGr15，润滑油为20号机油，磨损试验前将润滑剂涂在试样表面。Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金和调质45钢在不同载荷和转速下试验60min磨损质量损失如表1所示。
表1 Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金和45钢在不同载荷和转速下试验60min磨损质量损失(mg)
Figure 2011101088567100002DEST_PATH_IMAGE001
由上表可见，Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金磨损质量损失均明显低于调质45钢，尤其两者磨损质量损失差异随着载荷和转速的增加而显著的增大。这表明Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb合金在油润滑条件下不仅耐磨性高于调质45钢，而且磨损受转速和载荷的影响小，在高载荷和高转速耐磨损性能更优，特别适用于制造重载荷高速传动轴和齿轮等机械零件。

Claims (6)

1.Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金，其成分组成质量百分数为：C 0.08～0.16；Mn 13～15；Si 5～6；Cr 8～10；Ni 4～6 ；Nb 0.7～1.1；Ce 0.03～0.06；S＜0.015，P＜0.015，余量为Fe。
2.Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金的制备方法，其步骤为：
（1）合金熔炼：采用真空感应电炉，炉料主要为工业纯铁、锰铁和铬铁，并按成分设计要求分别添加铌铁和稀土，合金在熔炼后浇注毛坯；
（2）塑性加工：合金毛坯并保温进行均匀化处理，然后采用锻造或轧制方法在900℃～1150℃温度范围内进行塑性成形加工；
（3）热处理：合金在塑性加工后加热并保温后进行油冷固溶处理，油冷固溶处理后保温进行时效处理。
3.根据权利要求2所述的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金的制备方法，其特征在于步骤（1）中合金在熔炼后浇注毛坯温度为1570℃～1600℃。
4.根据权利要求2所述的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金的制备方法，其特征在于步骤（2）中合金毛坯在1100℃～1200℃保温6～8小时进行均匀化处理。
5.根据权利要求2所述的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金的制备方法，其特征在于步骤（2）中塑性加工采用锻造或轧制方法，并在900℃～1150℃温度范围内进行。
6.根据权利要求2所述的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-Nb耐磨合金的制备方法，其特征在于步骤（3）合金在塑性加工后，加热到1050℃～1100℃保温4～6小时进行油冷固溶处理，然后在750℃～800℃保温5～6小时进行时效处理。
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