CN104439152B - 一种用于压铸模具的高温合金材料及其方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于压铸模具的高温合金材料及其方法和应用，本发明在原有模具材料镍(Ni)‑铁(Fe)‑钴(Co)基础上，舍弃了重要的战略稀缺且价格较高的Co元素，添加了较为廉价的合金元素Mn,并对各合金元素含量进行了适当调整，设计提出了一种能在800～900℃大气下使用的新型高温模具材料，体系为铝(Al)‑铬(Cr)‑铁(Fe)‑锰(Mn)‑镍(Ni)‑钛(Ti)。该合金材料具有低密度、高强度、耐热、耐磨和耐腐蚀等综合性能，并且制备方法简易，不需固溶时效处理就可直接使用。该合金作为传统模具合金材料的替代品，可以有效的减轻重量、降低能耗，提高成型精度、使用寿命和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及航天高温金属材料应用，特别涉及一种用于压铸模具的高温合金材料及其方法和应用。
背景技术
在航空、航天及军工领域所使用的一些高熔点金属材料，如黑色金属、铜合金及不锈钢等，在其压铸成型温度通常在900℃左右，对其压铸模具材料综合性能要求很高：(1)足够的高温稳定性；(2)优秀的高温性能；(3)常温存放时耐蚀耐磨性；(4)较好的经济适用性。模具材料的综合性能及使用寿命直接决定了高温材料及其压铸成型技术的应用。
现有的使用温度在900℃左右的高温合金压铸模具材料通常以镍、钴和铁为基体，添加部分钛、铬和铝等元素进行性能调控。由于密度较大的镍、钴和铁作为基体占据绝大比例使这些合金材料具有较大的密度(一般在8.0g/cm3以上)，导致所制备的模具重量大、操作使用不便且能耗较大；而且镍和钴作为重要的战略元素，过多的使用会使得模具材料成本大幅提高，造成战略资源消耗。
目前，高温合金如黑色金属、铜合金及不锈钢等广泛应用于航天、航空和军工的各个领域，这些合金通常都在较高的温度进行热成型用以得到所需的形状和尺寸。由于在材料成型过程中可以实现少切削甚至无切削，压铸成型方法应用很广并且发展很快。
模具材料是高温材料压铸成型所需关键技术之一。由于压铸模具的工作环境十分苛刻，比如当合金进行浇注时，模具会受到金属液的反复冲刷，对模具造成较大的压力和磨损，并且金属液的存在会对模具形成一定的侵蚀，导致模具在存放过程中容易腐蚀而使其使用寿命大大降低。为了保证模具在服役过程中稳定并且具有较高的使用寿命，对模具材料的选择非常严格，除了在使用过程中必须保证具有良好的高温强度和抗氧化性之外，模具材料还必须具备良好的耐蚀耐磨性能。
目前国内外开发了大量的使用温度在900℃左右的高温合金模具材料，中国的K3、K465合金，俄罗斯的ИЩB—1、ИЩB—2合金以及欧美的IN100、Incone1713C合金等。这些现有的合金模具材料通常以镍、钴和铁为基体的合金，添加部分钛、铬和铝等元素进行性能调控，有些合金为了进一步提高其高温性能，甚至添加较多的钨(W)、钼(Mo)和铌(Nb)等元素。这些合金在使用前通常经过固溶处理、时效处理或固溶+时效热处理来使合金获得高强度和塑性等综合性能。如K465合金，为镍(Ni)基高温合金，所添加的合金元素的成分(质量分数)为0.14％的碳(C)，8.30％的铬(Cr)，9.45％的钴(Co)，1.78％的钼(Mo)，9.85％的钨(W)，5.56％的铝(Al)，2.38的钛(Ti)，0.90％的铌(Nb)，该合金的标准热处理制度为在1210℃下固溶4h，然后以空冷方式进行冷却。
这些现有的压铸模具材料在使用前通常需要采用传统繁琐的固溶时效热处理，不仅显著延长了生产周期、大幅增加材料和模具生产能耗并降低了生产效率。与此同时，压铸模具的寿命不仅仅取决于压铸过程中的损耗，模具还容易受到大气腐蚀与使用过程中的氧化损耗，因此需要开发一种具有具有低密度、高强度、耐热、耐磨和耐腐蚀等综合性能的合金压铸用模具材料，以满足日益增长的现实合金生产需要。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于压铸模具的高温合金材料及其方法和应用，在原有模具材料镍(Ni)-铁(Fe)-钴(Co)基础上，舍弃了重要的战略稀缺且价格较高的Co元素，添加了较为廉价的合金元素Mn,并对各合金元素含量进行了适当调整，设计提出了一种能在800～900℃大气下使用的新型高温模具材料，体系为铝(Al)-铬(Cr)-铁(Fe)-锰(Mn)-镍(Ni)-钛(Ti)。该合金材料具有低密度、高强度、耐热、耐磨和耐腐蚀等综合性能，并且制备方法简易，不需固溶时效处理就可直接使用。该合金作为传统模具合金材料的替代品，可以有效的减轻重量、降低能耗，提高成型精度、使用寿命和生产效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种用于压铸模具的高温合金材料，其能在800～900℃大气下使用，体系为铝-铬-铁-锰-镍-钛，其密度为5.5～6.0g/cm3，屈服强度为1100～1500MPa，压缩率大于6％，硬度HV0.5为600～750，耐磨性为司太立特硬质合金等级；900℃高温屈服强度为350～550MPa，压缩率大于10％，室温与高温力学性能与传统镍基和钴基高温合金相当，可替代使用从而有效降低了模具成本。
进一步的，本发明所提出的高温合金材料，其合金成分按原子数百分含量计包括：
Al，16～20；Cr，16～20；Fe，16～20；Ni，16～20；Ti，16～20；Mn，余量。
进一步的，本发明所提出的高温合金材料为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0或Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9。
上述任一所述的用于压铸模具的高温合金材料的制备方法，其制备在非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，具体方法为：
原材料均采用纯度大于等于99.9％的纯铝、铬、铁、锰、镍和钛元素，按照所需组分进行配比；
熔炼过程中，为防止合金被氧化，非自耗真空电弧炉炉体抽真空至真空度低于5.0×10-3MPa后，充入纯度大于或等于99.9％的高纯度的氩气使炉体真空度至0MPa后，此时开始引弧熔炼，电流在10s内从0A慢慢调升至350A左右，最终熔炼电流保持在250～300A之间，熔炼约2min后翻转合金铸锭，再次熔炼，每个合金试样反复熔炼4次，用以保证合金熔炼均匀；
保持在熔炼时同等高纯度氩气保护状态下使上述熔炼获得的合金铸锭在熔炼炉冷却至室温，即得到所需制备的高温合金材料。
进一步的，所述制备原材料采用纯度大于等于99.9％的二元或多元铁基中间合金为原料。
进一步的，所述二元铁基中间合金为铝锰和铝铁合金；所述多元铁基合金为铁铬铝三元铁基合金。
所述高温合金材料在800～900℃大气环境下压铸模具方面的应用。
进一步的，所述高温合金材料用于800～900℃大气环境下不锈抗氧化精密热作模具。
进一步的，所述高温合金材料替代传统800～900℃镍基和钴基高温合金的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、在原有模具材料镍(Ni)-铁(Fe)-钴(Co)基础上，舍弃了价格高的稀缺战略元素Co，调整了镍和铁基体元素含量，通过添加铝、铬、锰和钛元素进行性能调控，使合金材料具有高硬度、高强度、耐蚀、耐磨和优异的高温抗氧化综合性能。合金材料在熔炼成锭的铸态冷却条件下使用，无需采取固溶时效工艺，制备容易，降低了能耗，提高了效率。
2、这类高温合金材料的密度在5.5～6.0g/cm3，室温屈服强度为1100～1500MPa，压缩率大于6％，硬度HV0.5为600～750；室温条件下，这类合金在0.5mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能可以媲美304不锈钢，摩擦磨损性能为司太立特硬质合金等级；900℃下合金屈服强度为350～550MPa，压缩率大于10％，在900℃氧化100h后增重量为1.1～1.8mg/cm2。
3、本发明的铝铬铁锰镍钛高温合金材料与现有的在900℃左右使用的高温合金模具材料相比，制备简易，性能相当，大大降低了成本、减小了能耗，同时提高了成型精度、模具寿命及生产效率。
附图说明
图1为本发明的铝铬铁锰镍钛高温合金材料放大500倍的显微组织Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0高温合金材料的金相显微组织照片。
图2为本发明的铝铬铁锰镍钛高温合金材料放大500倍的显微组织Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料的金相显微组织照片。
图3为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料在室温下0.5mol/L H2SO4溶液中的极化曲线图。
图4为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料圆柱试样在900℃下的压缩试验结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
实施例1，一种用于压铸模具的高温合金材料，组分为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0。
其制备方法为：在非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，具体方法为：
原材料均采用纯度大于等于99.9％的纯铝、铬、铁、锰、镍和钛元素，按照所需组分进行配比；熔炼过程中，为防止合金被氧化，非自耗真空电弧炉炉体抽真空至真空度低于5.0×10-3MPa后，充入纯度大于或等于99.9％的高纯度的氩气使炉体真空度至0MPa后，此时开始引弧熔炼，电流在10s内从0A慢慢调升至350A左右，最终熔炼电流保持在250～300A之间，熔炼约2min后翻转合金铸锭，再次熔炼，每个合金试样反复熔炼4次，用以保证合金熔炼均匀。
保持在熔炼时同等高纯度氩气保护状态下使上述熔炼获得的合金铸锭在熔炼炉冷却至室温，即得到所需制备的高温合金材料。
实施例2、一种用于压铸模具的高温合金材料，组分为Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9。
在非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，具体方法为：
原材料均采用纯度大于等于99.9％的纯铝、铬、铁、锰、镍和钛元素，和纯度大于等于99.9％的铝锰和铝铁合金及铁铬铝三元铁基合金中间合金，按照所需组分进行配比；
熔炼过程中，为防止合金被氧化，非自耗真空电弧炉炉体抽真空至真空度低于5.0×10-3MPa后，充入纯度大于或等于99.9％的高纯度的氩气使炉体真空度至0MPa后，此时开始引弧熔炼，电流在10s内从0A慢慢调升至350A左右，最终熔炼电流保持在250～300A之间，熔炼约2min后翻转合金铸锭，再次熔炼，每个合金试样反复熔炼4次，用以保证合金熔炼均匀。
保持在熔炼时同等高纯度氩气保护状态下使上述熔炼获得的合金铸锭在熔炼炉冷却至室温，即得到所需制备的高温合金材料。
实施例3、一种用于压铸模具的高温合金材料，组分为Al16Cr16Fe16Ni16Ti16Mn20。
在非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，具体方法为：
原材料均采用纯度大于等于99.9％的纯铝、铬、铁、锰、镍和钛元素，按照所需组分进行配比；
熔炼过程中，为防止合金被氧化，非自耗真空电弧炉炉体抽真空至真空度低于5.0×10-3MPa后，充入纯度大于或等于99.9％的高纯度的氩气使炉体真空度至0MPa后，此时开始引弧熔炼，电流在10s内从0A慢慢调升至350A左右，最终熔炼电流保持在250～300A之间，熔炼约2min后翻转合金铸锭，再次熔炼，每个合金试样反复熔炼4次，用以保证合金熔炼均匀。
保持在熔炼时同等高纯度氩气保护状态下使上述熔炼获得的合金铸锭在熔炼炉冷却至室温，即得到所需制备的高温合金材料。
实施例4、一种用于压铸模具的高温合金材料，组分为Al19Cr19Fe19Ni19Ti19Mn5。
在非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，具体方法为：
原材料均采用纯度大于等于99.9％的纯铝、铬、铁、锰、镍和钛元素，和纯度大于等于99.9％的铝锰和铝铁合金及铁铬铝三元铁基合金中间合金，按照所需组分进行配比；
熔炼过程中，为防止合金被氧化，非自耗真空电弧炉炉体抽真空至真空度低于5.0×10-3MPa后，充入纯度大于或等于99.9％的高纯度的氩气使炉体真空度至0MPa后，此时开始引弧熔炼，电流在10s内从0A慢慢调升至350A左右，最终熔炼电流保持在250～300A之间，熔炼约2min后翻转合金铸锭，再次熔炼，每个合金试样反复熔炼4次，用以保证合金熔炼均匀。
保持在熔炼时同等高纯度氩气保护状态下使上述熔炼获得的合金铸锭在熔炼炉冷却至室温，即得到所需制备的高温合金材料。
下面以实施例1、2为例对本发明合金结构及性能进行测试，
如图1和图2所示为本发明的铝铬铁锰镍钛高温合金材料放大500倍的显微组织Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料(分别对应实施例1和实施例2)的金相显微组织照片。
本发明的铝铬铁锰镍钛高温合金材料主要性能指标
Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料(分别对应实施例1和实施例2)室温力学性能指标为：
图3为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料在室温下0.5mol/L H2SO4溶液中的极化曲线图。
Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料(分别对应实施例1和实施例2)室温耐蚀耐磨性能指标为：
在室温条件下，这类合金在室温下0.5mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能媲美304不锈钢，空气环境下合金的摩擦磨损性能根据磨损系数评定为司太立特硬质合金等级。
图4为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9(分别对应实施例1和实施例2)高温合金材料圆柱试样在900℃下的压缩试验结果曲线图。
Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0和Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9高温合金材料(分别对应实施例1和实施例2)900℃时性能指标为：
这类合金在900℃下的高温屈服强度媲美常见的固溶强化镍基变形高温合金Inconel625；参照HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定方法》，实施例1和2两种合金均属于抗氧化级。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种用于压铸模具的高温合金材料，其特征在于，其能在800～900℃大气下使用，体系为铝-铬-铁-锰-镍-钛，其密度为5.5～6.0g/cm3，屈服强度为1100～1500MPa，压缩率大于6％，硬度HV0.5为600～750，耐磨性为司太立特硬质合金等级；900℃高温屈服强度为350～550MPa，压缩率大于10％；
高温合金材料的其合金成分按原子数百分含量计包括：Al，16～20；Cr，16～20；Fe，16～20；Ni，16～20；Ti，16～20；Mn，余量；
或者高温合金材料为Al20Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0、Al18.2Cr18.2Fe18.2Ni18.2Ti18.2Mn9或Al19Cr19Fe19Ni19Ti19Mn5。
2.根据权利要求1所述的用于压铸模具的高温合金材料的制备方法，其特征在于，其制备在非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，具体方法为：
原材料均采用纯度大于等于99.9％的纯铝、铬、铁、锰、镍和钛元素，按照所需组分进行配比；
熔炼过程中，为防止合金被氧化，非自耗真空电弧炉炉体抽真空至真空度低于5.0×10-3MPa后，充入纯度大于或等于99.9％的高纯度的氩气使炉体真空度至0MPa后，此时开始引弧熔炼，电流在10s内从0A慢慢调升至350A左右，最终熔炼电流保持在250～300A之间，熔炼约2min后翻转合金铸锭，再次熔炼，每个合金试样反复熔炼4次，用以保证合金熔炼均匀；
保持在熔炼时同等高纯度氩气保护状态下使上述熔炼获得的合金铸锭在熔炼炉冷却至室温，即得到所需制备的高温合金材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用纯度大于等于99.9％的二元或多元铁基中间合金为原料替换权利要求2所述的制备原材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二元铁基中间合金为铝锰和铝铁合金；所述多元铁基合金为铁铬铝三元铁基合金。
5.权利要求1所述高温合金材料在800～900℃大气环境下压铸模具方面的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，用于800～900℃大气环境下不锈抗氧化精密热作模具。
7.权利要求1所述高温合金材料替代传统800～900℃镍基和钴基高温合金的应用。
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