CN102676882A - 一种耐磨、耐高温、耐腐蚀、高硬度合金材料 - Google Patents
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Abstract
一种耐磨、耐高温、耐腐蚀、高硬度合金，其合金成分的重量百分数为：C 1.3～1.8；Cr 19～23；W 13～17；B 2.5～3.5；Si 1～3；Fe≤5.0；Ni 5.0；其余为钴和由熔炼工艺造成的杂质。本发明涉及的钴基合金，可以确保有优良的耐磨耐蚀性能，并具有较低的成本。适用于矿山机械、冶金工业和国防军事等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金材料，具体为一种耐磨、耐高温、耐腐蚀、高硬度合金材料。该高硬度合金材料在1000℃的高使用温度下仍具有优良的机械性质和耐腐蚀性。
背景技术
钴基或者镍基高温合金是已知的现有技术，它们在高温条件下有良好的材料强度。与镍基高温合金相比较，钴基合金常常具有改进的耐热腐蚀性，以及更高的耐磨损性和抗氧化性。
目前生产的钴基合金，主要成分均为钴-铬-钨-碳型四元合金，尽管具有耐磨、耐腐蚀的较好性能，但在各种酸性、氧化性、电化腐蚀介质中使用性能较差。而且，这些钴基高温合金的机械性质还有待改进。在冶金工业、矿山机械、国防军事等领域中，需要有高耐磨性能，耐高温，且高抗腐蚀能力的高硬度合金。因此，急需一种新材料来满足上述需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型耐磨、耐高温、耐腐蚀、高硬度的合金材料，获得比现有技术的钴基高温合金更好的机械强度和使用性能。该合金材料在高达1300℃的高使用温度下，具有良好的机械强度、耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性。
本发明的技术解决方案为，一种钴合金，其合金成分的重量百分数为：
1.3≤C≤1.8；
19≤Cr≤23；
13≤W≤17；
2.5≤B≤3.5；
1≤Si≤3；
Fe≤5.0；
Ni＝5.0；
其余为钴和由熔炼工艺造成的不可避免的杂质。
优选的技术解决方案为，一种钴合金，其合金成分的重量百分数为：
1.4≤C≤1.6；
20≤Cr≤22；
14≤W≤15；
2.5≤B≤3.0；
1≤Si≤2；
Fe≤2；
Ni＝5.0；
其余为钴和由熔炼工艺造成的不可避免的杂质。
本发明的合金材料中，钴为基础合金元素，其自身熔化点为1495℃，其难熔性能有助于合金基质的内在机械强度和耐高温性能。成分设计中，对合金材料中各元素的作用及其含量范围的考虑如下：
合金元素镍可以部分取代钴，其自身熔化点为1455℃，且力学性能和冷、热压力加工性能好，耐腐蚀性优良。因此替代后不影响内在机械强度和耐高温性能，并能改善合金的加工性能和耐腐蚀性，同时降低了合金的材料成本。在本发明中，镍的质量百分数为5.0。
合金元素铬在本发明的合金材料中具有双重功能，一方面固溶在钴基质中的铬能保证合金在高温环境下具备良好的抗氧化性能以及耐腐蚀性能；同时，炼制过程中铬和合金中的碳形成碳化物，有助于改善合金的耐磨性。其质量百分数一般在19以上，但当所述合金材料中铬的质量百分数超过23时，合金的热加工性能恶化，其组织稳定性变弱，因此铬的质量百分数应当控制在19-23，优选的，其质量百分数应当在20-22之间。
合金元素钨是大直径原子的元素，它和铬一样，有助于强化基质，并通过与碳形成钨的碳化物，显著提高合金材料在高温环境下的瞬时力学性能以及持久强度。但如果钨的加入量过大，则对于合金材料的热加工性能有负面影响，同时还提高了材料的成本。本发明中钨的质量百分数控制在13-17之间，优选在14-15之间。
碳是合金中的重要元素，合金硬度大体上随碳含量的增加而提高，碳的加入能够起到强化基体并稳定组织的作用，碳与铬、钨等元素形成碳化物，改善了合金材料的热强性。碳还起着晶界增强剂的作用。但碳含量偏高时，会导致合金发生脆化，塑性下降，耐磨性降低，并且容易引起粗大碳化物，不利于合金材料的热加工性能。因此，本发明的合金材料中，加入了质量百分数为1.3-1.8，优选质量百分数为1.4-1.6的碳，在确保耐磨性的前提下，提供了足够的碳来形成铬或钨的碳化物，从而发挥强化作用。
在合金的炼制过程中，加入适量的硼能够强化晶界，提高合金的高温强度。但如果硼的添加量过高，将降低钴基合金的熔点，并会导致硼的析出。硼的析出具有脆化效应，会使合金材料的塑性下降，其热加工性能恶化，不利于材料使用中的加工、处理，例如：在焊接中容易引起裂纹等。在本发明的合金材料中，硼的添加量限制在质量百分数为2.5至3.5之间，优选为2.5-3.0之间。
硅的添加有利于提高合金的抗高温氧化性能，对冶炼过程中的脱氧起到了正面作用，同时合金中的硅还能够改善液态金属的流动性，因此在合金中加入少量的硅，能够有助于提高使用该合金材料进行铸造时得到的铸件质量。但硅的添加量过高时，夹杂物的增多对于合金材料的热加工性能不利，对其焊接性能有负面影响。因此，本发明中，硅的质量百分数控制在1至3之间，优选为1至2之间。
多数矿产品原料都含有铁，因此从成本考虑，本发明所提出的合金材料中可以有一定含量的铁。材料中含有的铁虽然对合金的硬度和强度影响不大，但会引起塑性下降，降低合金材料的高温强度，还有损于合金的抗氧化性能以及耐高温耐腐蚀性。为了确保材料的稳定性、强度、耐蚀性等各项性能，应当确保在最后得到的材料中，铁的质量百分数不超过5，优选不超过2，否则其使用性能会显著降低。
总体来看，当给定合金元素的质量百分数在给定范围时，根据本发明的高硬度钴基合金材料具有良好的机械强度，特别是在高达1300℃的高使用温度下，仍能显示出高硬度以及良好的机械强度和耐磨、耐腐蚀性。
本发明提出的合金材料可以采用真空感应炉冶炼，也可以采用其它常用方法进行冶炼。热加工具有较好的耐腐蚀耐磨性能，使用寿命长。同时，合金元素的使用控制了钴的用量，材料的成本得到降低。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详述。
在真空感应炉中进行合金的熔炼，所用的各实施例以及对比例的成分以及相关具体性能测试结果如下。其中，对比例1和2是已知的比较合金。
1.合金的化学成分如表1所示：
表1：合金的化学成分(重量百分数)
| 重量％ | 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 | 对比例2 |
| C | 1.3 | 1.8 | 1.6 | 1.6 |
| Cr | 19 | 23 | 30 | 28.9 |
| W | 13 | 17 | 7 | 5.9 |
| B | 2.5 | 3.5 | - | - |
| Si | 1 | 3 | 0.8 | 0.4 |
| Fe | 5 | 5 | - | - |
| Ni | 5 | 5 | 15 | - |
| Co | 余量 | 余量 | 36.7 | 余量 |
| Mo | - | - | 1.5 | - |
| Nb | - | - | 6.1 | - |
| Cu | - | - | 1.3 | - |
| Mn | - | - | - | 1 |
2.硬度
将表1中各合金制成片材后，进行2小时热处理并经炉冷后，用洛氏硬度计测试其硬度，测得的平均硬度值如表2所示。
表2：合金的硬度
| 热处理温度 | 平均硬度值(HRC) | |
| 实施例1 | 950-1000℃ | 65 |
| 实施例2 | 950-1000℃ | 60 |
| 对比例1 | 950-1000℃ | 36 |
| 对比例2 | 950-1000℃ | 41 |
3.耐蚀性。
采用浸蚀试验进行合金的耐蚀性能评估。使用的腐蚀介质为1％H2SO4+3％Na2SO4(均为质量百分浓度，溶液的pH为1.3)，试验温度为100℃，浸蚀时间为16小时，具体的腐蚀介质以及各合金材料的测试结果如表3所示。
表3：合金的耐蚀性
| 平均腐蚀率gm-2h-1 | |
| 实施例1 | -0.018 |
| 实施例2 | -0.017 |
| 对比例1 | -0.021 |
| 对比例2 | -0.032 |
4.高温抗氧化性
把样本暴露于高温的实验室大气中，1000小时后把样本从高温环境中拿出称重，可推算出锈皮形成的程度。通过测量高温处理后的重量变化(毫克/平方厘米)来获得相应的氧化测试结果。各样本测得的平均重量变化如表4所示。
表4：合金的高温抗阳性
重量变化(mg/cm2)
| 测试温度 | 800℃ | 1000℃ |
| 实施例1 | 0.118 | 0.326 |
| 实施例2 | 0.165 | 0.423 |
| 对比例1 | 0.347 | 0.830 |
| 对比例2 | 0.142 | 0.415 |
5.耐磨性能与高温循环疲劳性能
对上述合金的耐磨性能与高温循环疲劳性能的测试显示，本发明的合金材料与现有技术的合金相比，耐磨性能与高温循环疲劳性能相当。
综上对比结果显示，通过对合金材料中合金元素的组成以及其质量百分数的调整，本发明获得了一种耐磨、耐高温、耐腐蚀、高硬度合金，适用于矿山机械、冶金工业和国防军事等领域。
Claims (9)
1.一种钴合金，其特征在于，其合金成分的重量百分数为：
1.3≤C≤1.8；
19≤Cr≤23；
13≤W≤17；
2.5≤B≤3.5；
1≤Si≤3；
Fe≤5.0；
Ni＝5.0；
其余为钴和由熔炼工艺造成的不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的钴合金，其特征在于，其中铁的重量百分数≤2。
3.如权利要求1或2所述的钴合金，其特征在于，其中碳的重量百分数为1.4≤C≤1.6。
4.如权利要求1或2所述的钴合金，其特征在于，其中铬的重量百分数为20≤Cr≤22。
5.如权利要求1或2所述的钴合金，其特征在于，其中钨的重量百分数为14≤W≤15。
6.如权利要求1或2所述的钴合金，其特征在于，其中硼的重量百分数为2.5≤B≤3.0。
7.如权利要求1或2所述的钴合金，其特征在于，其中硅的重量百分数为1≤Si≤2。
8.如权利要求1或2所述的钴合金，其特征在于，所述合金使用真空感应炉熔炼得到。
9.如权利要求1至8中任一项所述的钴合金在矿山、冶金工业和国防军事领域的机械组件中的用途。
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