CN106086592A - 一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料制备加工技术领域，公开了一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，包括以下步骤：步骤一：首先，将石墨粉，高纯铁粉，合金粉末称量配料；步骤二：将混和粉末取出，用压片机将粉末压成柱形试样，将柱形试样叠放到石英管内；步骤三：将石英管放到区域熔炼炉中，在真空状态下对石英管进行加热。步骤四：将凝固且冷却后的试样取出，打碎石英管，即得到所制备的耐磨钢铁材料。本方案采用定向凝固工艺制备出了碳化物定向生长的耐磨钢铁，具有较高的强度、抗拉强度、硬度和较强的取向性。同时，通过控制加热线圈的下拉速度和功率的大小，可以控制再凝固的速率与熔化区的长度，制备碳化物取向程度和方式不同的耐磨钢铁材料。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备加工技术领域，尤其涉及一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法。
背景技术
高效耐磨材料应用于冶金、矿山、水泥、电力、机械和煤炭等工业领域中，消耗量巨大，抗磨钢铁材料是目前耐磨材料中应用较为广泛的一种材料。抗磨钢铁材料中的碳化物对其抗磨性有显著影响。要求碳化物不仅具有高硬度，适当的韧性，而且其尺寸、形状和分布等因素也相当重要。碳化物的硬度和断裂韧性受不同合金元素含量的影响，也受晶体学取向关系的影响。碳化物的不同晶体取向和晶面的耐磨性是不同的。碳化物在耐磨钢铁中不同的取向进而影响钢铁材料整体的耐磨性。因此提出一种能够制备碳化物定向生长的耐磨钢铁的方法，对于耐磨钢铁材料性能的进一步提高和新型耐磨钢铁材料的开发是非常重要的。
定向凝固技术已经被广泛的用于合金的定向制备中，专利公告号为CN103273043A的发明专利公布了一种电磁约束定向凝固技术制备纯铁/柱状晶高硅电工钢复合板坯。其采用电磁约束定向凝固技术，以板状柱状晶组织高硅电工钢为基体，以等轴晶组织纯铁为两侧面复合层，制备了一种纯铁/柱状晶高硅电工钢复合板坯，且柱状晶高硅电工钢侧面与纯铁之间达到了良好的冶金结合。
专利公告号为CN103031414A的发明专利公布了一种定向凝固制备汝铁硼磁性合金的方法，其采用等温热处理工艺和晶化退火工艺对定向凝固试样进行热处理，进而探索热处理工艺与定向凝固钕铁硼铸锭微观组织的对应关系，为制备高性能钕铁硼铸锭提供工艺指导。一种定向凝固钕铁硼磁性合金的制备方法，对钕铁硼磁性合金的热处理温度为1000～1100℃，保温9.5～10.5小时，在720～740℃晶化退火。
但是，对于合金材料的处理，不同的温度、压强和成分均会对制得的合金材料造成非常大的影响。上述方案，虽采用了定向凝固技术，但并不适用于碳化物定向生长的耐磨钢铁材料的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，以制备出性能好的耐磨钢铁。
为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，将石墨粉，高纯铁粉，合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：1％-6％石墨粉，6％-20％合金粉末，其余为高纯铁粉；然后，将配好的料放到球磨罐中球磨混料；
步骤二：将步骤一得到的混和粉末取出，用压片机将粉末压成柱形试样，将多根柱形试样叠放到一端闭口一端开口的石英管内；所述石英管的纯度至少为99.99％；
步骤三：将步骤二中放有柱形试样的石英管放到区域熔炼炉中，在真空状态下，感应线圈通电，由上而下对石英管进行加热，在温度为1400℃-1600℃下进行熔炼。
步骤四：将凝固且冷却后的试样取出，打碎石英管，即得到所制备的耐磨钢铁材料。
本文所述的高纯铁粉是指纯度达到99％的铁粉。
进一步，所述合金粉末为铬、钼、钨、钒中的至少一种。
进一步，步骤一中，将石墨粉，高纯铁粉，合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：5.0％石墨粉，15％铬，77％高纯铁粉和3％钨。
进一步，步骤一中，将石墨粉、高纯铁粉、合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：4.5％石墨粉，76.5％高纯铁粉，10％钨，4％钼和5％铬。
进一步，步骤一中，将石墨粉、高纯铁粉、合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：2.8％石墨粉，76.5％高纯铁粉，5％钨，6％钼，4％铬和2％钒。
进一步，步骤一中球料比为10:1到15:1之间，研磨时间不少于两小时。
进一步，步骤二中压片机压力为1.2GPa-1.8GPa。
进一步，步骤二中高纯石英管内径为10mm，壁厚为3mm。
进一步，步骤三中区域熔炼炉的真空度为7-9Pa。
进一步，步骤三中感应线圈的加热功率在10-15kw，感应线圈下拉速度在50-100mm/min。
本发明的有益效果是：
1、采用真空状态下进行，有效的保证熔炼过程中合金粉末和石墨粉不被氧化，确保最后所得到的钢铁样品元素含量准确。
2、石英管的纯度保证99.99％以上是为了保证1500℃时石英管不被融化，避免石英管的纯度而影响到耐磨钢铁。
3、压片机的压力设置为1.2GPa-1.8GPa是为了保证原料粉末压成足够致密的柱形试样，在区域熔炼炉中抽真空时，粉末不会被抽出；同时保证熔炼后的样品足够致密，没有气孔。
4、采用定向凝固工艺制备出了碳化物定向生长的耐磨钢铁材料，具有较高的强度、抗拉强度、硬度和较强的取向性；
5、通过控制加热线圈的下拉速度和功率的大小，可以控制再凝固的速率与熔化区的长度，制备碳化物取向程度和方式不同的耐磨钢铁材料。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是本发明实施例1制备的耐磨钢铁材料纵向的金相显微组织图片。
图3是本发明实施例1制备的耐磨钢铁材料横向的金相显微组织图片。
图4是本发明实施例2制备的耐磨钢铁材料纵向的金相显微组织图片。
图5是本发明实施例2制备的耐磨钢铁材料横向的金相显微组织图片。
图6是本发明实施例3制备的耐磨钢铁材料纵向和横向的金相显微组织图片。
图7是本发明实施例3制备的耐磨钢铁材料纵向和横向的金相显微组织图片。
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：
说明书附图中的附图标记包括：试样棒1、石英管2、线圈3、未熔区4、熔化区5、再凝固区6。
其中，石墨粉，高纯铁粉，钨，钼，铬，钒均采用其化学符号表示，即分别为：C，Fe，W，Mo，Cr，V。根据石墨粉，高纯铁粉，合金粉末的不同含量(见表1)而制得实施例1-7七组不同的耐磨钢铁。如图1所示，具体工序如下：
步骤一：首先，将石墨粉，高纯铁粉，合金粉末按照表1的质量百分比进行称量配料，然后，将配好的料放到球磨罐中球磨混料，其中，磨球和料的比例为10:1；
步骤二：将步骤一得到的混和粉末取出，用压片机以1.5GPa的压力将粉末压成柱形试样，将多根柱形试样叠放到一端闭口一端开口的石英管内；其中，石英管的纯度为99.99％；
步骤三：将步骤二中放有柱形试样的石英管放到区域熔炼炉中，在真空度为8Pa的状态下，将感应线圈通电以10kw的功率通电，并以50mm/min的速度由上而下以对石英管进行加热，温度控制在1500℃，误差不超过±100℃。
步骤四：将凝固且冷却后的试样取出，打碎石英管，即得到所制备的耐磨钢铁材料。
| C | Fe | W | Mo | Cr | V | |
| 实施例1 | 5％ | 77％ | 3％ | 0％ | 15％ | 0％ |
| 实施例2 | 4.50％ | 78.50％ | 2％ | 3％ | 12％ | 0％ |
| 实施例3 | 3.5％ | 78.50％ | 4％ | 2％ | 10％ | 2％ |
| 实施例4 | 4％ | 78％ | 18％ | 0％ | 0％ | 0％ |
| 实施例5 | 4％ | 78％ | 0％ | 18％ | 0％ | 0％ |
| 实施例6 | 4％ | 78％ | 0％ | 0％ | 18％ | 0％ |
| 实施例7 | 4％ | 86％ | 0％ | 0％ | 0％ | 10％ |
| 实施例8 | 7％ | 79％ | 3％ | 0％ | 15％ | 0％ |
| 实施例9 | 5％ | 95％ | 0％ | 0％ | 0％ | 0％ |
| 实施例10 | 5％ | 72％ | 3％ | 0％ | 20％ | 0％ |
表1
由于图片过多，仅以实施例1-3的金相显微组织图为例。如图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，尽管图片略有差异，主要因为成分不同而造成的，但从其纵、横两个方面的图来看，耐磨钢铁均表现出良好的取向性。
表2
如表2所示，实施例1-7均表现出较好的抗拉强度、硬度和断裂韧性。且横向和纵向表现出不同的抗拉强度、硬度和断裂韧性。实施例8中，由于C的含量过高，虽然硬度有略微提升，但是抗拉强度和断裂韧性均大幅度降低。实施例9中，由于不含合金，各项参数均最低，性能最差。实施例10中，则是由于合金的含量过高，形成碳化物过为粗大，抗拉强度、硬度和断裂韧性均有较大幅度的下降。
为了测试不同的加热功率和线圈下拉速度对耐磨钢铁的性能参数的影响，将实施例1-7中的配比进行测试，均得出相同结论。现仅以实施例1的数据(见表3)具体说明：
表3
如表3所示，相同加热功率下，线圈的下拉速度越快，抗拉强度和硬度均逐步升高，而断裂韧性呈下降趋势，其中，在50mm/min和70mm/min的下拉速度下综合性能最好。
在相同的下拉速度下，加热功率越大，抗拉强度则越低，其他性能变化不大，但当加热功率大于17kw时，则各项性能均呈下降趋势，综合性能不好。
为了测试不同的球料比对耐磨钢铁的性能参数的影响，将实施例1-7中的配比进行测试，均得出相同结论。现仅以实施例1的数据(见表4)具体说明：
表4
如表4可知，当球料比在10:1-15:1时，抗拉强度、硬度均表现出比较强的性能，而当球料比为8:1和17:1时，抗拉强度、硬度均有一定程度的下降。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及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，在不脱离本发明结构的前提下，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 (10)
1.一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：首先，将石墨粉，高纯铁粉，合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：1%-6%石墨粉，6%-20%合金粉末，其余为高纯铁粉；然后，将配好的料放到球磨罐中球磨混料；
步骤二：将步骤一得到的混和粉末取出，用压片机将粉末压成柱形试样，将多根柱形试样叠放到一端闭口一端开口的石英管内；所述石英管的纯度至少为99.99%；
步骤三：将步骤二中放有柱形试样的石英管放到区域熔炼炉中，在真空状态下，感应线圈通电，由上而下对石英管进行加热，在温度为1400℃-1600℃下进行熔炼；
步骤四：将凝固且冷却后的试样取出，打碎石英管，即得到所制备的耐磨钢铁材料。
2.如权利要求1所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，所述合金粉末为铬、钼、钨、钒中的至少一种。
3.如权利要求2所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤一中，将石墨粉，高纯铁粉，合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：5.0 % 石墨粉，15 % 铬，77 % 高纯铁粉和3 % 钨。
4.如权利要求2所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤一中，将石墨粉、高纯铁粉、合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料： 4.5 %石墨粉，76.5 %高纯铁粉，10 % 钨，4 %钼和5 % 铬。
5.如权利要求2所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤一中，将石墨粉、高纯铁粉、合金粉末按照以下质量百分比进行称量配料：2.8 %石墨粉，76.5 %高纯铁粉，5 %钨，6 % 钼，4 %铬和2 % 钒。
6.如权利要求1所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤一中球料比为10:1-15:1之间，研磨时间不少于两小时。
7.如权利要求1所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤二中压片机压力为1.2GPa-1.8 GPa。
8.如权利要求1所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤二中高纯石英管内径为10 mm，壁厚为3 mm。
9.如权利要求1所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤三中区域熔炼炉的真空度为7-9Pa。
10.如权利要求1所述的一种碳化物定向生长的耐磨钢铁的制备方法，其特征在于，步骤三中感应线圈的加热功率在10-15 kw，感应线圈下拉速度在50-100 mm/min。
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