CN104178702A - 一种高韧性耐磨合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性耐磨合金材料，各成分的质量百分比为：4.8～6.6%Mn，3.2～5.8%Si，1.2～6.9%C，0.5～0.8%Cr，Mo<0.56%，Ni<0.038%，其余为Fe。本发明还公开了一种高韧性耐磨合金材料的制备方法，步骤中的梯度升温的具体步骤为先将温度快速升高至300℃，然后控制加热速率为30～50℃/min，升温至400～500℃，最后控制加热速率为50～100℃/min，升温至500～680℃。本发明的制备方法不仅细化了合金的晶粒，同时细化了在常规凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布状态，然后在基体中析出了弥散的沉淀相，从而实现了细晶强化、第二相强化与沉淀强化的复合强化，极大地提高了合金的强度，解决了合金的强度较差的问题。
Description
技术领域：
本发明属于金属材料领域，涉及一种高韧性耐磨合金材料，还涉及该合金材料的制备方法。
背景技术：
金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代。均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
合金是近20 多年来得到迅速发展的一种新型工程材料。以其良好的机械性能、铸造性能和加工性能、低廉的成本、比重小、熔铸工艺简单、对成形工艺适应性广等优点在国内外得到广泛应用，成为一系列合金的优良代用品，拥有巨大的经济效益和社会效益。
目前，工业合金产品多通过铸造的方式获得。但常规凝固条件下得到的合金微观组织比较粗大，晶粒尺寸一般在数十微米到数百微米之间，甚至达到毫米级。析出相也比较粗大，因此常规铸造方法生产的镁合金室温和高温强度都不是很理想，难以满足高性能结构材料的需求。现有技术中，快速凝固技术是一种新型的金属材料制备技术，快速凝固技术可以增加结构的均匀性，减少合金成分的偏析和缺陷、扩展固溶度形成过饱和固溶体、细化晶粒和第二相，可获得微晶、纳米晶、准晶或非晶组织，研究旨在获得具有特殊物化性能和力学性能的新材料，提高合金的强度、耐腐蚀性能和耐高温性能。抗拉强度达到480MPa，屈服强度为450MPa，延伸率为19%，断裂韧性为22MPa ，具有较高的强度和韧性。但是快速凝固合金成型困难，成本高。
而且，传统的高强度合金存在摩擦系数偏高、耐磨性不够理想、使用温度低的缺点，对于许多受高冲击负荷的工况场合，目前通用的合金的塑韧性尚嫌不足，大大限制了合金的应用范围。
因此，如何提高其塑韧性能，成为发展合金和扩大应用的关键，是本领域技术人员急需解决难题。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种高韧性耐磨合金材料，极大地提高了合金的强度，解决了合金的强度较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高韧性耐磨合金材料，其创新点在于：各成分的质量百分比为：4.8～6.6% Mn，3.2～5.8% Si，1.2～6.9%C，0.5～0.8% Cr，Mo<0.56%，Ni<0.038%，其余为Fe。
进一步的，各成分的质量百分比为：5.3～5.9% Mn，4.6～5.2% Si，3.3～5.0%C，0.58～0.66% Cr，Mo<0.38%，Ni<0.027%，其余为Fe。
进一步的，各成分的质量百分比为：5.6% Mn，5.0% Si，4.3%C，0.63% Cr，0.28% Mo，0.022% Ni，其余为Fe。
进一步的，所述高韧性耐磨合金材料中还可以加入0.056%的Re。
本发明的另一个目的是提供一种高韧性耐磨合金材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）熔炼炉升温至300～400℃，加入纯铁锭，梯度升温至500～680℃ ；
（2）待纯铁锭全部熔化后加入锰和硅；
（3）待锰和硅熔化后，升温至600～620℃，加入碳、铬金属，待碳、铬熔化后；温度升温至630～650℃，加入钼和镍，待钼、镍熔化后形成合金液；
（4）将合金液调至700～720℃进行精炼；
（5）精炼后升温至750～780℃，保温15～20min后，降温至720～750℃时浇入模具中形成母合金；
（6）在氮气保护下，加热母合金，待其熔化，加热到660℃后，保温5min，将母合金熔体送入模型腔内，控制降温速率为150～360℃ /s，制备出凝固合金样品。
进一步的，所述步骤（1）中梯度升温的具体步骤为先将温度快速升高至300℃，然后控制加热速率为30～50℃/min，升温至400～500℃，最后控制加热速率为50～100℃/min ，升温至500～680℃。
进一步的，所述快速升高至300℃的时间控制为2～3min。
进一步的，所述步骤（4）中的精炼温度为710℃。
进一步的，所述步骤（3）中待锰和硅熔化后，还可以加入Re。
进一步的，所述步骤（6）中降温速率控制为230℃。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的这种高韧性耐磨合金材料通过梯度升温可以大大的细化弥散第二相，实现了细晶强化与第二相强化。
（2）本发明同时可以提高合金元素在铁基体中的固溶度，获得过饱和的α-Fe固溶体，Re的加入，使合金进一步强化。还可使晶粒大大细化，实现细晶强化。
（3）本发明在热处理时采用合适的降温速率和精炼温度，实现了沉淀强化，最后实现弥散强化、沉淀强化和细晶强化共同作用的多种复合强化的效应，达到了提高合金强度之目的。
（4）本发明的制备方法不仅细化了合金的晶粒，同时细化了在常规凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布状态，然后在基体中析出了弥散的沉淀相，从而实现了细晶强化、第二相强化与沉淀强化的复合强化，极大地提高了合金的强度，解决了合金的强度较差的问题。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。
实施例1
一种高韧性耐磨合金材料中各成分的质量百分比为：4.8～6.6% Mn，3.2～5.8% Si，1.2～6.9%C，0.5～0.8% Cr，Mo<0.56%，Ni<0.038%，其余为Fe。
一种高韧性耐磨合金材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）熔炼炉升温至300～400℃，加入纯铁锭，梯度升温至500～680℃ ；
（2）待纯铁锭全部熔化后加入锰和硅；
（3）待锰和硅熔化后，升温至600～620℃，加入碳、铬金属，待碳、铬熔化后；温度升温至630～650℃，加入钼和镍，待钼、镍熔化后形成合金液；
（4）将合金液调至700～720℃进行精炼；
（5）精炼后升温至750～780℃，保温15～20min后，降温至720～750℃时浇入模具中形成母合金；
（6）在氮气保护下，加热母合金，待其熔化，加热到660℃后，保温5min，将母合金熔体送入模型腔内，控制降温速率为150～360℃ /s，制备出凝固合金样品。
其中，步骤（1）中梯度升温的具体步骤为先将温度快速升高至300℃，然后控制加热速率为30～50℃/min，升温至400～500℃，最后控制加热速率为50～100℃/min ，升温至500～680℃。
本实施例的这种高韧性耐磨合金材料通过梯度升温可以大大的细化弥散第二相，实现了细晶强化与第二相强化。本实施例的制备方法不仅细化了合金的晶粒，同时细化了在常规凝固中所存在的粗大的共晶相，改善了粗大共晶相的分布状态，然后在基体中析出了弥散的沉淀相，从而实现了细晶强化、第二相强化与沉淀强化的复合强化，极大地提高了合金的强度，解决了合金的强度较差的问题。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，改变各成分的质量百分比为： 5.3～5.9% Mn，4.6～5.2% Si，3.3～5.0%C，0.58～0.66% Cr，Mo<0.38%， Ni<0.027%，其余为Fe。
特别的，在高韧性耐磨合金材料组分中还加入0.056%的Re。
本实施例选择了合适的组分配比之后，同时可以提高合金元素在铁基体中的固溶度，获得过饱和的α-Fe固溶体，Re的加入，使合金进一步强化。还可使晶粒大大细化，实现细晶强化。
实施例3
在实施例1或2的基础上，各成分的质量百分比为：5.6% Mn，5.0% Si，4.3%C，0.63% Cr，0.28% Mo，0.022% Ni，其余为Fe。
其中，控制快速升高至300℃的时间控制为2～3min，步骤（4）中的精炼温度为710℃，步骤（3）中待锰和硅熔化后，还可以加入Re，步骤（6）中降温速率控制为230℃。
本实施例在热处理时采用合适的降温速率和精炼温度，实现了沉淀强化，最后实现弥散强化、沉淀强化和细晶强化共同作用的多种复合强化的效应，达到了提高合金强度之目的。
以上实施例的具体工艺性能参数如下表所示：
。以往材料的冲击韧性为7.8～8.8（J/cm2），假设抗耐磨性为1，本发明的材料中，材料各项工艺性能参数均得到了提高，材料的抗磨损性能虽然提高的不多，但是应用于制造重型复杂的领域时，使得应用过程中开裂破坏的情况大大的减少，具有很大的应用前景。
Claims (10)
1.一种高韧性耐磨合金材料，其特征在于：各成分的质量百分比为：4.8～6.6% Mn，3.2～5.8% Si，1.2～6.9%C，0.5～0.8% Cr，Mo<0.56%，Ni<0.038%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的高韧性耐磨合金材料，其特征在于：各成分的质量百分比为：5.3～5.9% Mn，4.6～5.2% Si，3.3～5.0%C，0.58～0.66% Cr，Mo<0.38%， Ni<0.027%，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的高韧性耐磨合金材料，其特征在于：各成分的质量百分比为：5.6% Mn，5.0% Si，4.3%C，0.63% Cr，0.28% Mo，0.022% Ni，其余为Fe。
4.根据权利要求1所述的高韧性耐磨合金材料，其特征在于：所述高韧性耐磨合金材料中还可以加入0.056%的Re。
5.一种权利要求1所述的高韧性耐磨合金材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
（1）熔炼炉升温至300～400℃，加入纯铁锭，梯度升温至500～680℃ ；
（2）待纯铁锭全部熔化后加入锰和硅；
（3）待锰和硅熔化后，升温至600～620℃，加入碳、铬金属，待碳、铬熔化后；温度升温至630～650℃，加入钼和镍，待钼、镍熔化后形成合金液；
（4）将合金液调至700～720℃进行精炼；
（5）精炼后升温至750～780℃，保温15～20min后，降温至720～
750℃时浇入模具中形成母合金；
（6）在氮气保护下，加热母合金，待其熔化，加热到660℃后，保温5min，将母合金熔体送入模型腔内，控制降温速率为150～360℃ /s，制备出凝固合金样品。
6.根据权利要求5所述的高韧性耐磨合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中梯度升温的具体步骤为先将温度快速升高至300℃，然后控制加热速率为30～50℃/min，升温至400～500℃，最后控制加热速率为50～100℃/min ，升温至500～680℃。
7.根据权利要求6所述的高韧性耐磨合金材料的制备方法，其特征在于：所述快速升高至300℃的时间控制为2～3min。
8.根据权利要求5所述的高韧性耐磨合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的精炼温度为710℃。
9.根据权利要求5所述的高韧性耐磨合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中待锰和硅熔化后，还可以加入Re。
10.根据权利要求5所述的高韧性耐磨合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中降温速率控制为230℃。
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