CN105950952B - 一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法 - Google Patents

一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利申请公开了一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法具体步骤如下：步骤1，首先将纯度为99.99%以上的硼粉、高纯铁粉、钛粉和锆粉按照质量百分比进行称量配料，将粉末放到球磨罐中用行星式球磨机混料；步骤2，将步骤1得到的混和粉末取出，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，同时细化析出相和基体组织，采用水冷铜模浇铸样品；步骤3，将步骤2浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1050‑1150℃下进行退火，然后淬火至室温。本发明专利申请的工艺相对简单，可靠，所制造出的高模量钢性价比高，耐磨性好。

Description

一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法
技术领域
本发明属于钢铁基复合材料领域，涉及一种新型高模量高硬度钢铁材料，特别是涉及一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法。
背景技术
现代航空工业、汽车工业的发展对结构材料性能提出了更高的要求，要求材料不仅具有高强度，还要有低的密度，同时需要高的杨氏模量来提高刚度。过去汽车结构材料的轻量化主要通过超高强度钢实现，但是，重量的降低也导致了刚度的下降，在某些应用领域已经达到极限。钢铁材料的发展需要进一步提高刚度并降低密度。铁基复合材料也被认为是一种高模量钢，具有较低的成本和较高的可再生利用率。TiB2由于高的杨氏模量(565GPa)和较低的密度(4.5g cm-3)，已被作为增强相广泛的应用于铁基复合材料中。ZrB2同样具有高的杨氏模量(526GPa)和相对于其他类型增强相(WC，MoC)更低的密度(6.08gcm-3)，具有更好的高温稳定性、耐腐蚀能力、抗氧化能力、耐磨损，具有良好的中子控制能力，可用于核工业，是一种更优秀的高模量钢中的增强相。
目前对陶瓷颗粒增强钢铁的制备方法主要是用外加增强相的方法，中国发明专利CN101967534A公布了一种外加纳米陶瓷颗粒强韧化钢铁材料的方法，采用预分散的方法制成纳米添加剂颗粒，随钢流加入或者直接加到钢包底部。原位生成的陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料，陶瓷颗粒表面洁净，形状规整，与基体界面结合强度高等优点。
中国发明专利CN103302267A公布了一种原位合成TiB2+TiC双相颗粒增强钢铁基表面耐磨超硬钢的制备方法及超硬钢，采用消失模铸造工艺与SHS合成技术相结合，制备颗粒增强表面耐磨超硬钢铸件。但工艺较为复杂，制备的是TiB2+TiC局部增强钢铁复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法。
为达到上述目的，本发明的基础方案如下：
一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，首先将纯度为99.99％以上的硼粉、高纯铁粉、钛粉和锆粉按照质量百分比进行称量配料，将粉末放到球磨罐中用球磨混料均匀；
步骤2，将步骤1得到的混和粉末取出，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，并采用水冷铜模浇铸样品；
步骤3，将步骤2浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1050-1150℃下进行退火，然后淬火至室温。
本方案的优点是：
1、本发明利用锆元素、钛元素和硼元素之间更强的结合力，能够抑制铁硼相的生成，采用本发明的方法制备的硼化钛和硼化锆颗粒增强钢铁材料的平均模量能达到300GPa以上，硬度超过65HRC；
2、制备出了原位生成硼化钛和硼化锆颗粒增强的高模量高硬度钢，硼化物陶瓷颗粒与钢铁界面结合良好，颗粒增强相组织致密，颗粒增强相体积百分数高；
3、本方法工艺相对简单，可靠，所制造出的高模量钢性价比高，耐磨性好，因硼化锆具有良好的中子控制能力，所以本发明制备的高模量高硬度钢就具备了一定的中子控制能力，可用于核工业。
优化方案1，对基础方案的进一步优化，所述步骤1中Ti/B摩尔比大于1/2，Zr/B摩尔比也要大于1/2。发明人通过实验发现，各原料的配比满足上述条件时，制备得到的钢铁材料平均模量和硬度较高。
优化方案2，对优化方案1的进一步优化，所述步骤1中Ti/B摩尔比为3/4，Zr/B摩尔比为3/4。发明人通过实验发现，各原料的配比满足上述条件时，制备得到的钢铁材料平均模量和硬度最佳。
优化方案,3，对基础方案的进一步优化，所述步骤1中球料比为10:1到15:1之间，球磨时间不少于2小时。发明人通过实验发现，步骤1中球料比和球磨时间按上述设定时，能有效提高钢铁材料平均模量和硬度。
优化方案4，对优化方案3的进一步优化，所述步骤1中球料比为12:1之间，球磨时间为5小时。发明人通过实验发现，在其他条件相同的情况下，步骤1中球料比和球磨时间按上述值时，制备的钢铁材料平均模量和硬度最佳。
优化方案,5，对基础方案、优化方案1-4任一项的进一步优化，所述步骤2中水冷铜模浇铸的冷却速率在5K s-1到10K s-1之间。发明人通过实验发现，在其他条件相同的情况下，步骤2中水冷铜模浇铸的冷却速率在上述范围内时，制备的钢铁材料平均模量和硬度更佳。
优化方案6，对优化方案5的进一步优化，所述步骤3中退火的时间在12-24小时范围内。退火的时间控制在上述范围内时，能使制备的钢铁材料晶粒细化，并消除组织缺陷，同时还能使钢铁材料的硬度保持在较高状态，总体性能较好。
优化方案7，对优化方案6的进一步优化，所述步骤3中退火的时间为16小时。发明人通过实验发现，在其他条件相同的情况下，步骤3中退火的时间选用上述值时，制备的钢铁材料平均模量和硬度最佳
附图说明
图1是本发明一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法各实施例制备流程图；
图2是本发明一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法实施例1制备的钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的微观组织图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
下面以实施例1为例详细描述钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其他实施例和对比例在表1中体现，未示出的部分与实施例1相同，且具体各实施例的制备流程基本如附图1所示：
实施例1
一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、首先将纯度为99.99％以上的硼粉、钛粉、锆粉和高纯铁粉按照质量百分比B3.52％，Ti 7.60％，Zr 5.80％，进行称量配料，将粉末放到球磨罐中用行星式球磨机混料，球料比为10:1，球磨时间为3小时；
步骤2、将步骤1得到的混和粉末取出，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，同时细化析出相和基体组织，采用水冷铜模浇铸样品，冷却速率为5K s-1。
该步骤完全在氩气氛围下处理，在熔炼炉熔炼的过程中，能使析出相和基体组织细化得更均匀，同时还能防止各种原料在熔炼过程中被氧化，保证最后制备得到的钢铁材料力学性能更好。
步骤3、将步骤2浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1100℃的条件下退火24小时，然后淬火至室温。即获得原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢铁材料，微观组织如图1所示。
本发明中，制备过程中产生的钛硼化物、锆硼化物的组织之间具有协同力的作用，所以能钢铁材料同时具备使高模量高硬度的性能。
表1
对实施例1-10分别取样3组，并分别检测实施例1-10中制备得到的钢铁材料的宏观硬度、杨氏模量，并求取平均值，检测得到各实施例的宏观硬度、杨氏模量结果如表2所示：
表2
力学性能 宏观硬度/HRC 杨氏模量/GPa
实施例1 66.1 312.4
实施例2 66.4 320.8
实施例3 65.8 316.7
实施例4 65.8 318.6
实施例5 66.1 318.2
实施例6 66.4 320.8
实施例7 65.9 320.1
实施例8 65.2 317.9
实施例9 66.2 317.1
实施例10 66.0 318.8
通过对比实施例1-10的钢铁材料力学性能，可以得到以下结论：
1、对比实施例1-3，实施例2制备的钢铁材料的宏观硬度和杨氏模量均最优，是较佳的实施例；
2、对比实施例2和实施例4、5，实施例2中的钢铁材料力学性能更好，区别在于，实施例4和5中，所用的球料比与实施例2不同，从而可以看出球料比采用12:1时，制备的钢铁材料力学性能最佳。
3、对比实施例2和实施例6、7，实施例2中的钢铁材料力学性能更好，区别在于，实施例6和7中，采用水冷铜模浇铸样品时，冷却速率与实施例2不同，从而可以看出冷却速率采用8K s-1时，制备的钢铁材料力学性能最佳。
4、对比实施例2和实施例9、10，实施例2中的钢铁材料力学性能更好，区别在于，实施例6和7中，在1100℃的条件下退火时间与实施例2不同，从而可以看出退火时间采用16小时时，制备的钢铁材料力学性能最佳。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，首先将纯度为99.99％以上的硼粉、高纯铁粉、钛粉和锆粉按照质量百分比进行称量配料，将粉末放到球磨罐中用球磨混料均匀；
步骤2，将步骤1得到的混和粉末取出，放到真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，在氩气保护气氛下进行熔炼，同时连续的通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，并采用水冷铜模浇铸样品；
步骤3，将步骤2浇铸得到的样品在氩气氛围下，在1050-1150℃下进行退火，然后淬火至室温；
所述步骤1中Ti/B摩尔比大于1/2，Zr/B摩尔比也大于1/2；所述步骤2中水冷铜模浇铸的冷却速率在5K s-1到10K s-1之间。
2.根据权利要求1所述的一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1中球料比为10:1到15:1之间，球磨时间不少于2小时。
3.根据权利要求1所述的一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1中球料比为12:1，球磨时间为5小时。
4.根据权利要求1所述的一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中退火的时间控制在12-24小时范围内。
5.根据权利要求4所述的一种原位生成钛锆硼化物强化高模量高硬度钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中退火的时间为16小时。
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