CN103451558A - 一种纳米级碳化硅铸造铁合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米级碳化硅铸造铁合金材料及其制备方法和应用。本发明公开的纳米级碳化硅铸造铁合金材料由碳化硅和铁合金组成，所述碳化硅的粒径≤100μm。本发明还涉及该纳米级碳化硅铸造铁合金材料的制备方法和应用。本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料是一种具有高强度、高硬度、高耐磨性及强耐腐蚀性的新型铁合金材料。采用本发明的制备方法避免了传统的需要通过反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，从而极大地简化了生产工艺，节约了生产时间，提高了生产效率。特别是本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料能够满足用于制备深海石油开采设备对更高性能材料的要求。

Description

一种纳米级碳化硅铸造铁合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种合金材料，特别涉及一种纳米级碳化硅铸造铁合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代工业和经济发展，在各领域中，许多设备和产品越来越需要具有高强度、高硬度、高耐磨性和强耐腐蚀性的材料来制备，以适应新的工作环境和生产需求。

尤其是在石油开采领域，其石油开采由陆地到浅海大陆架，再由浅海大陆架到深海开发将是必然选择。在深海特殊的环境下，对石油开采设备的要求就会更高、更大、更强。作为石油开采设备最基础材料，就不得不需要具有更高的强度、硬度、耐磨性及耐腐蚀性。现有的处理方式就是通过添加传统的元素以及相应的热处理工艺来实现材料的一下改进，但是，不能完全满足相应深海石油开采设备对更高性能材料的要求。

因此，需要一种新的技术手段来获得具有更高的强度、硬度、耐磨性及耐腐蚀性的材料，特别是获得一种能够满足相应的深海石油开采设备对更高性能材料的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的难题，提供一种具有高强度、高硬度、高耐磨性及强耐腐蚀性的纳米级碳化硅铸造铁合金材料。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种纳米级碳化硅铸造铁合金材料，由碳化硅和铁合金组成，该碳化硅的粒径≤100μm。

在本发明的一优选实施例中，本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料由以下组分组成：占所述合金材料总体积1%-3%的碳化硅，占所述合金材料总体积97%-99%的铁合金，所述碳化硅的粒径≤100μm。

在本发明的另一优选实施例中，本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料由以下组分组成：占所述合金材料总体积1.5%-2.5%的碳化硅，占所述合金材料总体积97.5%-98.5%的铁合金，所述碳化硅的粒径≤10μm。

在本发明的又一优选实施例中，本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料由以下组分组成：占所述合金材料总体积2%的碳化硅，占所述合金材料总体积98%的铁合金，所述碳化硅的粒径≤10μm。

上述铁合金由以下重量配比的组分组成：0.5%-1.0%的锰、0.6%-1.1%的铬、0.3%-0.6%的钼、1.1%-1.5%的镍、1.0%-1.6%的铝、1.0%-1.8%的铜、0.05%-0.09%的钛、0.05%-0.09%的钒、0.05%-0.08%的钴、0.03%-0.05%的钨、余量为铁和不可避免的杂质。

本发明的另一目的是提供一种制备上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料的方法。

本发明提供的制备纳米级碳化硅铸造铁合金材料的方法，包括以下步骤：

1）按照配比称取碳化硅、电解铜、电解铝、锰、钨钼合金、镍钴合金、钒铁合金、钛铬合金待用；

2）将称取好的电解铜、钒铁合金、锰、钨钼合金置于工频熔炼炉内熔炼后，再依次向工频熔炼炉内加入称取好的镍钴合金、钛铬合金、电解铝，并加热保温以获得成分合格的合金液体；

3）将步骤1）中称取好的碳化硅置于步骤2）所获得的合金液体中，并搅拌使碳化硅和合金液体混合均匀；

4）将步骤3）中搅拌均匀的合金液体在1150℃-1200℃下铸造成工业上所需的形状。

上述将电解铜、钒铁合金、锰、钨钼合金置于工频熔炼炉内熔炼的熔炼温度为1330℃-1410℃，熔炼时间为2-2.5小时。

上述加热保温为加热至1300℃-1380℃，保温的保温时间为1.5-2小时。

本发明的另一目的是提供上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料在制备深海石油开采设备中的应用。

上述应用是在1150℃-1200℃下，将所述合金材料铸造成深海石油机械设备需要的形状，对铸造完成的铸件进行低温退火处理，其退火的温度为250℃-300℃，退火的时间为1-1.5小时。

本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料将纳米级碳化硅这一种高强度的材料通过本发明的技术手段添加入常用的铁合金材料中，从而通过纳米材料来实现一种高强度、高硬度、高耐磨性及强耐腐蚀性的新型铁合金材料。由于采用了本发明的新的技术手段，避免了传统铁合金材料的生产中，为了使合金材料获得一定的强度，需要通过反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，从而极大地简化了生产工艺，并且节约了生产时间，提高了生产效率。不仅如此，本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料还具有比传统生产工艺制备的材料更高的强度、高硬度、高耐磨性及强耐腐蚀性，而且能够满足用于制备深海石油开采设备对更高性能材料的要求。因此，本发明的合金材料可以应用到所有需要高性能材料的工业设备生产领域，尤其用于深海石油开采设备的制造。

附图说明

图1是本发明的制备纳米级碳化硅铸造铁合金材料的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例中的纳米级碳化硅铸造铁合金材料，由以下组分组成：占合金材料总体积1%的碳化硅、占合金材料总体积99%的铁合金，该碳化硅的粒径为100μm。

其中，铁合金由以下重量配比的组分组成：0.5%的锰、0.6%的铬、0.3%的钼、1.1%的镍、1.0%铝、1.0%的铜、0.05%的钛、0.05%的钒、0.05%的钴、0.03%的钨、余量为铁和不可避免的杂质。

上述铁合金可以采用已知的方法制备得到，如按照国标的标准制备得到。上述纳米级碳化硅也可以采用已知的方法制备得到。

在本实施例中上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料由以下步骤制得（如图1所示）：

步骤一：原料选配，采用已知的方法选取纳米级碳化硅（粒径≤100μm）的粉体待用；根据上述各组分的重量配比，按照重量计算并称取精选的电解铜、电解铝、锰、钨钼合金、镍钴合金、钒铁合金、钛铬合金待用。

步骤二：将上述步骤一中称取好的电解铜、钒铁合金、锰、钨钼合金置于工频熔炼炉中进行熔炼，其熔炼温度为1330℃-1410℃，熔炼时间为2-2.5小时；然后依次加入镍钴合金、钛铬合金、电解铝，并加热升温至1300℃-1380℃后进行保温，保温时间为1.5-2小时，以获得成分合格的合金液体。

步骤三：取样检验，对进行保温完成后的上述步骤二中获得的合金液体进行取样，并用光谱仪比对标样进行成分化验，以确定铁合金的成分含量在符合标准的范围之内。该标准可以是国标。

步骤四：将步骤一中选配并称取好的纳米级碳化硅（粒径≤100μm）粉体放置于上述步骤三中化验合格的合金液体中，并用石墨棒进行搅拌，使纳米级碳化硅（粒径≤100μm）粉体与合金液体混合均匀。

步骤五：在1150℃-1200℃的温度下，将上述步骤四中搅拌混合均匀的合金液体铸造成深海石油机械设备需要的形状；对完成的铸件进行低温退火处理，退火温度为：250℃-300℃，时间为1-1.5小时。退火完成后，将铸件放置于空气中进行自然冷却。

步骤六：将自然冷却后的铸件进行铣车加工，去除铸造留下的表面凸凹等缺陷之后进行包装。

实施例2

在本实施例中，纳米级碳化硅铸造铁合金材料由以下组分组成：占合金材料总体积3%的碳化硅、占合金材料总体积97%的铁合金，该碳化硅的粒径为100μm。

其中，铁合金由以下重量配比的组分组成：1.0%的锰、1.1%的铬、0.6%的钼、1.5%的镍、1.6%铝、1.8%的铜、0.09%的钛、0.09%的钒、0.08%的钴、0.05%的钨、余量为铁和不可避免的杂质。

上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料成品通过与实施例1相同的方法得到，以及仍通过与实施例1相同的方法可使用上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料制备深海石油机械设备。

实施例3

在本实施例中，纳米级碳化硅铸造铁合金材料由以下组分组成：占合金材料总体积2%的碳化硅、占合金材料总体积98%的铁合金，该碳化硅的粒径为10μm。

其中，铁合金由以下重量配比的组分组成：0.8%的锰、0.9%的铬、0.45%的钼、1.35%的镍、1.3%铝、1.4%的铜、0.075%的钛、0.075%的钒、0.07%的钴、0.04%的钨、余量为铁和不可避免的杂质。

上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料成品通过与实施例1相同的方法得到，以及仍通过与实施例1相同的方法可使用上述纳米级碳化硅铸造铁合金材料制备深海石油机械设备。

比较例1

添加传统元素镉﹑硅的铁合金材料，由以下组分组成：占合金材料总重量0.4%的镉，占合金材料总重量0.6%的硅，占合金材料总重量99%的铁合金。通过传统的热处理工艺，即反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，制备得到上述铁合金材料。

比较例2

添加传统元素镉﹑硅的铁合金材料，由以下组分组成：占合金材料总重量0.8%的镉，占合金材料总重量1%的硅，占合金材料总重量98.2%的铁合金。通过传统的热处理工艺，即反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，制备得到上述铁合金材料。

本发明的纳米级碳化硅铸造铁合金材料以及上述比较例1和2的传统铁合金材料的机械性能如表1所示。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种纳米级碳化硅铸造铁合金材料，其特征在于，由碳化硅和铁合金组成，所述碳化硅的粒径≤100μm。

2.根据权利要求1所述的纳米级碳化硅铸造铁合金材料，其特征在于，由以下组分组成：占所述合金材料总体积1%-3%的碳化硅，占所述合金材料总体积97%-99%的铁合金，所述碳化硅的粒径≤100μm。

3.根据权利要求1所述的纳米级碳化硅铸造铁合金材料，其特征在于，由以下组分组成：占所述合金材料总体积1.5%-2.5%的碳化硅，占所述合金材料总体积97.5%-98.5%的铁合金，所述碳化硅的粒径≤10μm。

4.根据权利要求1所述的纳米级碳化硅铸造铁合金材料，其特征在于，由以下组分组成：占所述合金材料总体积2%的碳化硅，占所述合金材料总体积98%的铁合金，所述碳化硅的粒径≤10μm。

5.根据权利要求1所述的纳米级碳化硅铸造铁合金材料，其特征在于，所述铁合金由以下重量配比的组分组成：0.5%-1.0%的锰、0.6%-1.1%的铬、0.3%-0.6%的钼、1.1%-1.5%的镍、1.0%-1.6%的铝、1.0%-1.8%的铜、0.05%-0.09%的钛、0.05%-0.09%的钒、0.05%-0.08%的钴、0.03%-0.05%的钨、余量为铁和不可避免的杂质。

6.一种制备权利要求1-5中任一项权利要求所述的纳米级碳化硅铸造铁合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按照配比称取碳化硅、电解铜、电解铝、锰、钨钼合金、镍钴合金、钒铁合金、钛铬合金待用；

2）将称取好的电解铜、钒铁合金、锰、钨钼合金置于工频熔炼炉内熔炼后，再依次向工频熔炼炉内加入称取好的镍钴合金、钛铬合金、电解铝，并加热保温以获得成分合格的合金液体；

3）将步骤1）中称取好的碳化硅置于步骤2）所获得的合金液体中，并搅拌使碳化硅和合金液体混合均匀；

4）将步骤3）中搅拌均匀的合金液体在1150℃-1200℃下铸造成工业上所需的形状。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述将电解铜、钒铁合金、锰、钨钼合金置于工频熔炼炉内熔炼的熔炼温度为1330℃-1410℃，熔炼时间为2-2.5小时。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述加热保温为加热至1300℃-1380℃，保温的保温时间为1.5-2小时。

9.权利要求1-5中任一项权利要求所述的纳米级碳化硅铸造铁合金材料在制备深海石油开采设备中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，在1150℃-1200℃下，将所述合金材料铸造成深海石油机械设备需要的形状，对铸造完成的铸件进行低温退火处理，所述退火的温度为250℃-300℃，所述退火的时间为1-1.5小时。

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