CN108754274A - 用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料及其制备方法，属于金属材料及其制备领域，多主元合金成分为AlxCeyCoCrFeMnzTi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，然后在保护气体环境下将球磨罐密封起来；球磨混料；将得到的混料保护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；且具有生产效率高，烧结温度低，加热均匀，节约能源等优点，同时所制备的多主元合金相对致密度高，组织细小均匀，耐磨性能和强度良好。

Description

用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料及其制备领域，具体涉及用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料及其制备方法。
背景技术
刀具的性能与品质是影响加工质量的决定性因素，理想的刀具通常应有较大的前角、切削刃锋利、高耐磨性等特点，但实际使用过程中容易受磨损、变形、断裂等因素的影响。因此，传统的刀具已不能满足日益发展的生产加工需求，需要开发一些更高效、高耐磨的新型刀具材料。
多主元合金突破传统合金以一种或两种元素作为主元的合金设计理念，采用合金元素数量不低于5种，每种合金元素摩尔比介于5%-35%之间，同时该类合金普遍具有较高的强度和硬度，且该类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，为合金材料性能设计打开了新的窗口。
通过多主元高熵合金设计理念，有可能突破传统材料性能极限。目前，多主元合金的研究仍多集中在AlCoCrCuFeNi的体系，或是在此基础之上进行元素替换，或者添加一些新的组元形成更多组元的多主元合金，且该类合金一般都包含钴、铁、镍三种元素，而对其它体系的刀具用多主元合金报道相对较少。因此，开发用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料不仅可以丰富刀具选材的种类，同时也有助于对多主元高熵合金理论的进一步完善。
发明内容
本发明提出了一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料及其制备方法，该合金块体材料采用放电等离子烧结的方法制备，利用体加热和表面活化实现材料的超快速致密化烧结，具有生产效率高，烧结温度低，加热均匀，节约能源等优点，同时所制备的多主元合金相对致密度高，组织细小均匀，耐磨性能和强度良好，可提高刀具的使用寿命。
实现本发明的技术方案是：一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料， 多主元合金块体按化学式AlxCeyCoCrFeMnzTi称取纯金属粉末和氧化铈，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。
所述纯金属粉末和氧化铈的纯度均大于99.5%。
所述的用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
（1）称取纯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；
（2）将步骤（1）密封的球磨罐置于球磨机上进行混合得到混料；
（3）将步骤（2）得到的混料在保护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；
（4）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。
所述保护气体为氩气或氮气。
所述步骤（2）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，能够有效抑制金属间化合物的形成；且具有生产效率高，烧结温度低，加热均匀，节约能源等优点，同时所制备的多主元合金相对致密度高，组织细小均匀，耐磨性能和强度良好。
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为本发明实施例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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式AlCe0.1CoCrFeMnTi分别称取0.400mol的铝粉、钴粉、铬粉、铁粉、锰粉和钛粉与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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式AlCe0.5CoCrFeMnTi分别称取0.400mol的铝粉、钴粉、铬粉、铁粉、锰粉和钛粉与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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式Al0.6Ce0.1CoCrFeMnTi分别称取0.240mol的铝粉、0.004mol的氧化铈与0.400mol的钴粉、铬粉、铁粉、锰粉和钛粉，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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式AlCe0.1CoCrFeMn0.6Ti分别称取0.400mol的铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和钛粉、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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式Al0.1Ce0.1CoCrFeMnTi分别称取0.040mol的铝粉、0.004mol的氧化铈与0.400mol的钴粉、铬粉、铁粉、锰粉和钛粉，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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式AlCe0.1CoCrFeMn0.1Ti分别称取0.400mol的铝粉、钴粉、铬粉、帖粉和钛粉、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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式Al0.1Ce0.3CoCrFeMn1.2Ti分别称取0.040mol的铝粉、0.120mol的氧化铈、0.400mol的钴粉、铬粉、铁粉和钛粉与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
一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，步骤如下：
按化学式Al1.2Ce0.3CoCrFeMn0.1Ti分别称取0.480mol的铝粉、0.120mol的氧化铈、0.400mol的钴粉、铬粉、铁粉和钛粉与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。
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 (5)

1.一种用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料，其特征在于：多主元合金块体按化学式AlxCeyCoCrFeMnzTi称取纯金属粉末和氧化铈，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.根据权利要求1所述的用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料，其特征在于：所述纯金属粉末和氧化铈的纯度均大于99.5%。
3.权利要求1所述的用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）称取纯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；
（2）将步骤（1）密封的球磨罐置于球磨机上进行混合得到混料；
（3）将步骤（2）得到的混料在保护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；
（4）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。
4.根据权利要求3所述的用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氩气或氮气。
5.根据权利要求3所述的用于刀具制造的高耐磨多主元合金块体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中球磨机的转速为30~100rpm，时间为0.5-6h。
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