CN108165868A - 一种高耐磨高强度刀具用多主元合金及其制备方法 - Google Patents

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王志新
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Abstract

本发明提供了一种高耐磨高强度刀具用多主元合金及其制备方法，属于金属材料及其制备领域，多主元合金成分为AlxCeyCrCuMnzNi多主元合金，具体步骤为：按化学式称取合金原料置于球磨罐中，加入不锈钢球，然后在惰性气体环境下将球磨罐密封起来；球磨混料；将得到的混料惰性气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；烧结得多主元合金。本发明方法制备的多主元合金材料，能够有效抑制金属间化合物的形成；且加热均匀，升温速度快，烧结温度低，时间短，效率高，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料。

Description

一种高耐磨高强度刀具用多主元合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料及其制备领域，具体涉及一种高耐磨高强度刀具用多主元合金及其制备方法。
背景技术
刀具的耐磨性低是其失效的主要形式之一，这极大的影响了刀具的快速发展和使用需求，在影响企业经济效益的同时也限制了刀具的自身价值。在切削过程中，发生在刀具与工件组成的摩擦副界面上的摩擦是动态力学干涉现象，而摩擦系统的复杂性表现在动力性、非线性、随机性和混沌性等特征，以及摩擦学现象的尺度效应。开发新型材料的合金刀具迫在眉睫。传统合金大多数都是以一种金属为主体，通过添加少量或微量合金元素改变合金的相结构和显微结构，达到合金成分要求。这类合金能充分利用主体金属元素的特性（如塑性好，熔点高），但也受主体金属元素的限制。多主元合金跳出了单一元素为主的传统合金的设计思想，依靠近等摩尔比多种金属原子混合形成合金。通过适当的合金配方设计，可获得高硬度、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀、高电阻率等特性组合，其特性优于传统合金，有可能在通过合金化和加工后形成新型显微结构并具有优异性能，从而冲破传统金属材料性能极限，满足工业技术发展对材料的更高需求。目前，多主元合金的研究仍局限在含有FeCONi的体系中，对新型多主元合金体系的研究还有待进一步开发，从而开发出更多更好性能的多主元合金。研究新型的高耐磨高强度刀具用多主元合金，不仅有助于开发适用于复杂工况环境的多主元合金刀具，同时也有利于完善多主元合金理论体系，且能丰富材料性能数据库，为材料的应用提供更多潜在的应用空间，满足现代工业技术的快速发展需求，为工件的设计和选材提供更多备选方案和应用材料。因此，研究新型高耐磨高强度刀具用多主元合金具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种高耐磨高强度刀具用多主元合金及其制备方法，该合金采用放电等离子烧结的方法制备，制备过程中升温速度快，保温时间短，加热均匀，生产效率大大提高，同时所制备的多主元合金具备良好的耐磨性和强度，提高了刀具的使用寿命。
实现本发明的技术方案是：一种高耐磨高强度刀具用多主元合金，按照化学式AlxCeyCrCuMnzNi分别称取金属粉末和氧化铈，其中0.1≤x≤1.2、0.1≤y≤0.5、0.1≤z≤1.2；且0.01<x/(x+y+z+3) <0.28、0.01<y/(x+y+z+3)<0.10、0.01<z/(x+y+z+3)<0.28。
一种高耐磨高强度刀具用多主元合金的制备方法，步骤如下：
（1）按照化学式AlxCeyCrCuMnzNi分别称取金属粉末和氧化铈，将金属粉末和氧化铈置于球磨罐中，加入不锈钢球，然后在保护气体环境下将球磨罐密封起来，将密封的球磨罐置于球磨机上进行混合得到混料；其中0.1≤x≤1.2、0.1≤y≤0.5、0.1≤z≤1.2；且0.01<x/(x+y+z+3) <0.28、0.01<y/(x+y+z+3)<0.10、0.01<z/(x+y+z+3)<0.28，；
（2）将步骤（1）得到的混料在气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；
（3）在石墨模具上加载一个初定预压力5-10MPa，之后将炉腔抽真空到100Pa以下，升温到900-1500℃，保温0.5-2h，烧结得多主元合金。
所述步骤（1）金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%。
所述步骤（1）和步骤（2）中保护气体为氩气或氮气。
所述步骤（1）中球磨机为行星式球磨机。
所述步骤（1）中球磨机的转速为30~100rpm，时间为0.5-6h。
本发明的有益效果是：本发明方法制备的多主元合金材料成分与组织均匀，能够有效抑制金属间化合物的形成，且硬度与强度高，耐磨性能与综合机械性能好；该方法具有升温速度快、加热均匀、烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构、获得的材料致密度高、性能好等特点；且具有高的材料利用效率、生产效率、能源使用效率等，可以制备梯度功能材料；可保持原材料的自然状态，操作简单、产品稳定性和均匀性好、安全可靠，可工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制备的多主元合金的X射线衍射图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
按化学式AlCe0.1CrCuMnNi分别称取0.400mol的铝粉、铬粉、铜粉、锰粉和镍粉与0.040mol的氧化铈，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氮气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为100rpm，时间为0.5h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力10MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到900℃，保温2h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例2
按化学式AlCe0.5CrCuMnNi分别称取0.400mol的铝粉、铬粉、铜粉、锰粉和镍粉与0.200mol的氧化铈，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氮气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为30rpm，时间为6h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力9MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1100℃，保温1.5h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例3
按化学式Al0.6Ce0.01CrCuMnNi分别称取0.240mol的铝粉、0.004mol的氧化铈与0.400mol的铬粉、铜粉、锰粉和镍粉，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氩气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为40rpm，时间为4h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力8MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1200℃，保温1h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例4
按化学式AlCe0.01CrCuMn0.6Ni分别称取0.400mol的铝粉、铬粉、铜粉和镍粉、0.004mol的氧化铈与0.240mol的锰粉，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氩气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为50rpm，时间为2h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力6MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1300℃，保温1h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例5
按化学式Al0.1Ce0.01CrCuMnNi分别称取0.040mol的铝粉、0.004mol的氧化铈与0.400mol的铬粉、铜粉、锰粉和镍粉，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氩气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为60rpm，时间为1h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力5MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1500℃，保温0.5h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例6
按化学式AlCe0.01CrCuMn0.1Ni分别称取0.400mol的铝粉、铬粉、铜粉和镍粉、0.004mol的氧化铈与0.040mol的锰粉，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氩气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为100rpm，时间为0.5h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力6MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1300℃，保温1h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例7
按化学式Al0.1Ce0.3CrCuMn1.2Ni分别称取0.040mol的铝粉、0.120mol的氧化铈、0.400mol的铬粉、铜粉和镍粉与0.480mol的锰粉，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氩气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为50rpm，时间为2h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力9MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1100℃，保温1.5h，烧结完成即得所需的多主元合金。
实施例8
按化学式Al1.2Ce0.4CrCuMn0.1Ni分别称取0.480mol的铝粉、0.160mol的氧化铈、0.400mol的铬粉、铜粉和镍粉与0.040mol的锰粉，各种纯金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%；将称量好的上述原料置于球磨罐中，加入适量的不锈钢球，然后在氩气环境下将放有纯金属粉末的球磨罐密封起来；将上述密封好的球磨罐置于行星式球磨机上进行混料，混料转速为100rpm，时间为0.5h；将上述均匀混料后的粉末在氮气气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；在石墨模具上加载一个初定预压力6MPa，再将炉腔抽真空到100Pa以下，快速升温到1300℃，保温1h，烧结完成即得所需的多主元合金。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高耐磨高强度刀具用多主元合金，其特征在于：按照化学式AlxCeyCrCuMnzNi分别称取金属粉末和氧化铈，其中0.1≤x≤1.2、0.1≤y≤0.5、0.1≤z≤1.2；且0.01<x/(x+y+z+3) <0.28、0.01<y/(x+y+z+3)<0.10、0.01<z/(x+y+z+3)<0.28。
2.一种高耐磨高强度刀具用多主元合金的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）按照化学式AlxCeyCrCuMnzNi分别称取金属粉末和氧化铈，将金属粉末和氧化铈置于球磨罐中，加入不锈钢球，然后在保护气体环境下将球磨罐密封起来，将密封的球磨罐置于球磨机上进行混合得到混料；
（2）将步骤（1）得到的混料在气体保护下装入石墨模具，再将石墨模具装入放电等离子烧结炉内；
（3）在石墨模具上加载一个初定预压力5-10MPa，之后将炉腔抽真空到100Pa以下，升温到900-1500℃，保温0.5-2h，烧结得多主元合金。
3.如权利要求2所述的高耐磨高强度刀具用多主元合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）金属粉末与氧化铈的纯度均大于99.5%。
4.根据权利要求2所述的高耐磨高强度刀具用多主元合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）和步骤（2）中保护气体为氩气或氮气。
5.根据权利要求2所述的高耐磨高强度刀具用多主元合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中球磨机为行星式球磨机。
6.根据权利要求2所述的高耐磨高强度刀具用多主元合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中球磨机的转速为30~100rpm，时间为0.5-6h。
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