CN104073726B - 一种用于齿轮的合金材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强合金的制备方法。所述合金的组分及其质量百分比为：1.0~1.5%的Cr，0.11~0.15%的Mo，5.0%~13.0%的Zn，7.0%~15.0%的Y，0.4~1.0%的Zr，0.1~5.0%的Nb，Fe为余量。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种高强合金及其制备方法。
背景技术
汽车变速齿轮的传统生产工序包括材料的热锻或冷锻；冷却(气冷或室温下冷却)；加工前的热处理(ISO退火或正火)；切削加工(车或铣)；渗碳热处理；后处理工艺(研磨，珩磨)。Cr合金，Cr-Mo合金和Ni-Cr-Mo合金钢广泛应用在汽车变速齿轮的生产中。因为大部分用做汽车变速齿轮的合金钢材料都在渗碳热处理后使用，所以最好选择适用于每个工序的合金钢材料，其成本低廉并且能够在热处理后保持良好物理性能。也就是说，优选的汽车变速齿轮的合金钢材料具有很好的可锻性，切削性，物理性能(比如，疲劳和冲击性能)，和易于接受的生产成本。例如，日本专利申请Hei9-201644号和Hei4-88148号公开了一种经济的Cr合金钢和Cr-Mo合金钢，但由于疲劳和冲击性能比较差，主要用于制造不承载高载荷的齿轮。
另一方面，尽管Ni-Cr-Mo合金钢有明显的缺陷，比如镍的使用带来的显著成本提高和加工困难，但是其疲劳和冲击性能非常出色。因此，Ni-Cr-Mo合金被广泛用来生产承担相对高载荷的齿轮(日本专利No.Hei9-296250和日本专利No.Sho63-235452)。因为镍的价格在北美和欧洲比在亚洲相对较低，北美和欧洲的发动机公司已经使用Ni-Cr-Mo合金钢来生产汽车齿轮和轴。在生产齿轮的渗碳钢中，钼或镍作为添加的合金元素来提高硬度，强度和韧性。然而，镍的价格高昂，并且当添加到钢中时由于不当地增加钢的韧性而导致产生许多问题。比如，镍的机械加工性比较差，损害轮齿表面的光洁度，减少加工工具的使用寿命并降低生产率。
因此，需要研发一种具有出色的硬度和切削性，经济可行，并能替代Ni-Cr-Mo合金钢的铬钼合金钢。
因此，这两大体系合金大量应用于承载结构件受到限制。而要想提高合金的强度可以通过添加颗粒或纤维增强相来提高合金强度，也可以通过强烈塑形变形或粉末冶金等复杂的制备方法来提高合金轻度。但上述两种方法均无法制备大尺寸合金结构件，因此其应用受到限制。添加合金元素强化合金是提高合金强度的一种简单有效且经济实用的方法，目前在高强合金开发过程中通过添加大量的合金元素来提高强度使用的最为普遍。在提高合金性能的各种合金元素中，多种稀土元素联合使用时强化效果最好。目前，高强合金的开发一般含两种及两种以上稀土元素。另外，稀土元素在铸造合金中有净化、除气和排渣作用，能有效减少气体、氧化物和有害元素的影响。同时，部分稀土元素能够细化合金组织或扩散固溶于基体内部以强化合金的力学性能，还可以在金属中形成稀土化合物,这些化合物在合金基体的晶界处产生偏聚，进而增加了位错密度，增大了晶格畸变程度，从而达到强化的目的。大量稀土元素的加入虽然可以大大提高合金的强度，但随之而来的是合金材料价格比较高，高稀土合金大量应用受到限制。因此开发无稀土或含少量稀土元素的高强合金具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高强合金及其制备方法，该工艺方法成本低且简便易行，获得的合金具有较高的强度，使得此类合金具有比传统商业合金优越的力学性能。
本发明提供的一种高强合金，各组份及其质量百分比为：1.0~1.5%的Cr，0.11~0.15%的Mo，5.0%~13.0%的Zn，7.0%~15.0%的Y，0.4~1.0%的Zr，0.1~5.0%的Nb，Fe为余量。
本发明提供的一种高强合金的制备方法，其主要包括以下几个步骤：
(1)将Fe、Cr、Mo、Zn、Y、Nb和Zr按权利要求1所述的成分配料，其中Fe、Cr、Mo和Zn以工业纯Fe、纯Cr、纯Mo和纯Zn的形式添加，Y、Nb和Zr分别以Fe-25(或50)wt.%Y、Zn-30wt.%Nb和Fe-30wt.%Zr中间合金的形式添加；
(2)将权利要求1中的(1)中原料分别置于烘箱中进行预热，预热温度为150~200℃，预热时间为2~3h；
(3)将熔化炉升温至1000~1100℃，将已预热的纯Fe和Fe-Y中间合金放入熔化炉中进行熔化，熔化过程中需通入保护气体和覆盖剂，待上述原料全部熔化后，采用搅拌器对合金液搅拌5~10min使其均匀混合，然后清除合金液表面的熔渣；
(4)将上述合金液中加入金属Mo，中间合金完全熔化后进行搅拌，将合金液进一步升温至1100~1200℃后分批次加入Fe-Zr和Zn-Nb中间合金，并进行充分搅拌；将合金液温度降至720~740℃加入纯Cr和纯Zn，待纯Cr和纯Zn完全熔化后；采用Ar气和溶剂对合金液进行精炼处理，熔体经搅拌和扒渣后在700~720℃保温静置30~60min进行铸造；
(5)将铸造的锭坯放入带有循环风的电阻式加热炉中进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在350~400℃保温5~8h后升温至500~530℃保温10~15h；
(6)将均匀化后的锭坯进行表面车削，将锭坯直径和长度加工到与挤压机挤压筒内径和长度相匹配；将加工好的锭坯放入加热炉中加热到340~420℃，保温5~10h；
(7)将加热好的锭坯放入事先预热的挤压筒中进行挤压，挤压速度为1.0~5.0m/min，挤压筒预热温度为320~400℃，挤压比为10~50:1，得到挤压棒材；
(8)将获得的挤压棒材进行双级时效处理，其工艺制度为：在120~160℃保温3~8h后升温至180~220℃保温30~80h，空冷，制得高强度合金材料。
所述铸造采用低频电磁油滑连续铸造方法。
所述的保护气体为SF6+CO2+Ar混合气体，SF6:CO2:Ar体积比为0.5:40:50。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的高强合金与其他高强合金相比稀土元素较少，所用原材料易于获得，成本低，性价比高，易于大规模生产。
(2)本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，易于移植和操作，成本低，可明显改善合金强度低的问题，可解决合金由于强度低而限制其应用的难题，也可扩大合金的应用领域。
(3)本发明提供的合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为1910~2050MPa，屈服强度Rp0.2为1750~1880MPa。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
本实施例中Fe、Cr、Mo和Zn分别以钢锭(99.95%)、铬锭(99.99%)、钼锭(99.99%)和锌锭(99.95%)加入，Y、Nb和Zr均采用中间合金的形式加入，各中间合金组成质量分数分别为：Fe-25(或50)%Y、Zn-30%Nb和Fe-30%Zr。
本实施例中在合金铸造过程中所用的保护气体为SF6+CO2+Ar混合气体，SF6:CO2:Ar体积比为0.5:40:50。
根据国标GB/T228-2002的标准，对本实施例所得各种合金材料进行室温力学性能测试。
实施例1：
合金的成分(质量百分比)为：Cr含量为1.0%，Mo含量为0.12%，Zn含量为7.0%，Y含量为15.0%，Zr含量为0.8%，Nb含量为1.2%，Fe为余量。本实施例中在合金熔炼过程中所用的覆盖剂各组份及其重量份为4克硫磺，225克硅藻土，200克硼酸，硅溶胶71克，覆盖剂占合金熔体总重量的1.0%；精炼剂各组份及其质量百分比为750克CaCl2、1350克KCl、150克CaF2、750克BaCl2的混合物，精炼剂占合金熔体总重量的6.0%。
按上述成分称出总量50Kg相应的金属锭和中间合金，并将称量好的金属锭和中间合金放入温度为200℃烘箱中进行3h的预热；
先将预热好的钢锭和Fe-25(或50)%Y中间合金放入预热温度为1000℃的熔化炉中进行熔化，熔化过程中需通入保护气体和覆盖剂，待上述原料熔化后，采用搅拌器对合金液搅拌10min，清除合金液表面的熔渣并在其表面上撒覆盖剂加以保护；
向熔炼炉中的熔体中加入金属Mo，中间合金完全熔化后进行搅拌，将合金液进一步升温至1200℃后分批次加入Fe-Zr和Zn-Nb中间合金，并进行充分搅拌；将合金液温度降至720℃加入纯Cr和纯Zn，待纯Cr和纯Zn完全熔化后，采用Ar气和溶剂对合金液进行精炼处理，熔体经搅拌和扒渣后在700℃保温静置50min进行低频电磁油滑连续铸造，在铸造过程中用保护气体加以保护，得到直径为200mm的锭坯；
将制备的锭坯放入带有循环风的电阻式加热炉中进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在380℃保温6h后升温至530℃保温15h；
将均匀化后的锭坯进行表面车削，将车加好的锭坯放入加热炉中加热到400℃保温10h放入反向挤压机中进行挤压，挤压筒温度为380℃，挤压比为50:1,挤压速度为1.5m/min。对挤压获得的棒材进行双级时效处理，其工艺制度为：在160℃保温3h后升温至220℃保温30h，空冷。对上述制备的棒材按照国家标准加工成标准拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min。
本实施例所获得合金经X衍射实验测得所得合金属于六方晶系，晶胞参数为a=322.87pm，b=320.65pm，c=515.81pm，α=90°，β=90°，γ=120°。
本实施例所获得合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为2050MPa，屈服强度Rp0.2为1860MPa。
实施例2：
合金的成分(质量百分比)为：Cr含量为1.0%，Mo含量为0.11%，Zn含量为13.0%，Y含量为7.0%，Zr含量为1.0%，Nb含量为2.0%，Fe为余量。本实施例中在合金熔炼过程中所用的覆盖剂各组份及其重量份为7.5克硫磺，450克硅藻土，225克硼酸，磷酸铝67.5克，覆盖剂占合金熔体总重量的1.5%；精炼剂各组份及其质量百分比为750克CaCl2、1000克KCl、125克CaF2、625克BaCl2的混合物，精炼剂占合金熔体总重量的5.0%。
按上述成分称出总量50Kg相应的金属锭和中间合金，并将称量好的金属锭和中间合金放入温度为180℃烘箱中进行2.5h的预热；
先将预热好的钢锭和Fe-25(或50)%Y中间合金放入预热温度为1100℃的熔化炉中进行熔化，熔化过程中需通入保护气体和覆盖剂，待上述原料熔化后，采用搅拌器对合金液搅拌8min，清除合金液表面的熔渣并在其表面上撒覆盖剂加以保护；
向熔炼炉中的熔体中加入金属Mo，中间合金完全熔化后进行搅拌，将合金液进一步升温至1200℃后分批次加入Fe-Zr和Zn-Nb中间合金，并进行充分搅拌；将合金液温度降至730℃加入纯Cr和纯Zn，待纯Cr和纯Zn完全熔化后，采用Ar气和溶剂对合金液进行精炼处理，熔体经搅拌和扒渣后在710℃保温静置60min进行低频电磁油滑半连续铸造，在铸造过程中用保护气体加以保护，得到直径为165mm的锭坯；
将制备的锭坯放入带有循环风的电阻式加热炉中进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在400℃保温5h后升温至520℃保温15h；
将均匀化后的锭坯进行表面车削，将车加好的锭坯放入加热炉中加热到420℃保温8h放入反向挤压机中进行挤压，挤压筒温度为400℃，挤压比为20:1,挤压速度为5m/min。对挤压获得的棒材进行双级时效处理，其工艺制度为：在120℃保温8h后升温至200℃保温80h，空冷。对上述制备的棒材按照国家标准加工成标准拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min。
本实施例所获得合金经X衍射实验测得所得合金属于六方晶系，晶胞参数为a=336.26pm，b=336.23pm，c=495.61pm，α=90°，β=90°，γ=120°。
本实施例所获得合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为2035MPa，屈服强度Rp0.2为1880MPa。
实施例3：
合金的成分(质量百分比)为：Cr含量为1.4%，Mo含量为0.14%，Zn含量为7.0%，Y含量为11.0%，Zr含量为0.4%，Nb含量为0.3%，Fe为余量。本实施例中在合金熔炼过程中所用的覆盖剂各组份及其重量份为14克硫磺，840克硅藻土，420克硼酸，硅溶胶126克，覆盖剂占合金熔体总重量的2.0%；精炼剂各组份及其质量百分比为1400克CaCl2、2520克KCl、280克CaF2、1400克BaCl2的混合物，精炼剂占合金熔体总重量的8.0%。
按上述成分称出总量70Kg相应的金属锭和中间合金，并将称量好的金属锭和中间合金放入温度为150℃烘箱中进行3h的预热；
先将预热好的钢锭和Fe-25(或50)%Y中间合金放入预热温度为1080℃的熔化炉中进行熔化，熔化过程中需通入保护气体和覆盖剂，待上述原料熔化后，采用搅拌器对合金液搅拌8min，清除合金液表面的熔渣并在其表面上撒覆盖剂加以保护；
向熔炼炉中的熔体中加入金属Mo，中间合金完全熔化后进行搅拌，将合金液进一步升温至1200℃后分批次加入Fe-Zr和Zn-Nb中间合金，并进行充分搅拌；将合金液温度降至720℃加入纯Cr和纯Zn，待纯Cr和纯Zn完全熔化后，采用Ar气和溶剂对合金液进行精炼处理，熔体经搅拌和扒渣后在720℃保温静置30min进行低频电磁油滑半连续铸造，在铸造过程中用保护气体加以保护，得到直径为300mm的锭坯；
将制备的锭坯放入带有循环风的电阻式加热炉中进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在300℃保温8h后升温至500℃保温15h；
将均匀化后的锭坯进行表面车削，将车加好的锭坯放入加热炉中加热到420℃保温8h放入反向挤压机中进行挤压，挤压筒温度为400℃，挤压比为20:1,挤压速度为3m/min。对挤压获得的棒材进行双级时效处理，其工艺制度为：在120℃保温8h后升温至200℃保温80h，空冷。对上述制备的棒材按照国家标准加工成标准拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min。
本实施例所获得合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为1960MPa，屈服强度Rp0.2为1790MPa。
实施例4：
合金的成分(质量百分比)为：Cr含量为1.4%，Mo含量为0.13%，Zn含量为10.0%，Y含量为13.0%，Zr含量为0.5%，Nb含量为0.6%，Fe为余量。本实施例中在合金熔炼过程中所用的覆盖剂各组份及其重量份为45克硫磺，1650硅藻土，750克硼酸，硅溶胶255克，覆盖剂占合金熔体总重量的2.0%；精炼剂各组份及其质量百分比为2835克CaCl2、5250克KCl、315克CaF2、2100克BaCl2的混合物，精炼剂占合金熔体总重量的7.0%。
按上述成分称出总量150Kg相应的金属锭和中间合金，并将称量好的金属锭和中间合金放入温度为180℃烘箱中进行2h的预热；
先将预热好的钢锭和Fe-25(或50)%Y中间合金放入预热温度为1100℃的熔化炉中进行熔化，熔化过程中需通入保护气体和覆盖剂，待上述原料熔化后，采用搅拌器对合金液搅拌10min，清除合金液表面的熔渣并在其表面上撒覆盖剂加以保护；
向熔炼炉中的熔体中加入金属Mo，中间合金完全熔化后进行搅拌，将合金液进一步升温至1200℃后分批次加入Fe-Zr和Zn-Nb中间合金，并进行充分搅拌；将合金液温度降至740℃加入纯Cr和纯Zn，待纯Cr和纯Zn完全熔化后，采用Ar气和溶剂对合金液进行精炼处理，熔体经搅拌和扒渣后在700℃保温静置60min进行低频电磁油滑半连续铸造，在铸造过程中用保护气体加以保护，得到直径为400mm的锭坯；
将制备的锭坯放入带有循环风的电阻式加热炉中进行双级均匀化处理，均匀化处理制度为：在350℃保温6h后升温至520℃保温15h；
将均匀化后的锭坯进行表面车削，将车加好的锭坯放入加热炉中加热到420℃保温10h放入反向挤压机中进行挤压，挤压筒温度为400℃，挤压比为50:1,挤压速度为1m/min。对挤压获得的棒材进行双级时效处理，其工艺制度为：在160℃保温3h后升温至220℃保温50h，空冷。对上述制备的棒材按照国家标准加工成标准拉伸试样，在Instron8032拉伸机上进行室温拉伸，拉伸速度为2mm/min。
本实施例所获得合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为1980MPa，屈服强度Rp0.2为1830MPa。
Claims (1)
1.一种高强合金，其特征在于：合金成分为Cr质量含量为1.0%，Mo质量含量为0.12%，Zn质量含量为7.0%，Y质量含量为15.0%，Zr质量含量为0.8%，Nb含量为1.2%，Fe为余量；所获得合金经X衍射实验测得所得合金属于六方晶系，晶胞参数为a=322.87pm，b=320.65pm，c=515.81pm，α=90°，β=90°，γ=120°；所获得合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为2050MPa，屈服强度Rp0.2为1860MPa。
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