CN109604611B - 一种粉末冶金制备耐磨耐蚀高熵合金齿轮的成型方法 - Google Patents
一种粉末冶金制备耐磨耐蚀高熵合金齿轮的成型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种粉末冶金制备耐磨耐蚀高熵合金齿轮的成型方法，选择单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni‑Cr‑B‑Si‑C按一定比例进行球磨混合制备高熵合金粉末，采用温压制成毛坯，然后在齿轮成型模具中压制齿轮，经表面渗氮后，可以形成心部以固溶体为主的AlCoFeMnNi高熵合金，而表面为氮化物（AlN、CrN）增强的高熵合金层，具有较高的耐磨性和耐蚀性，该齿轮可用于磨损、腐蚀的场合。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，特别涉及采用粉末冶金制作高熵合金齿轮的方法。
背景技术
在工程机械、航空航天、汽车、地质勘探等工业中，大量零部件处在磨损、腐蚀等条件下，为提高其耐磨性、耐蚀性，通常采用表面改性或制备涂层的方法。尤其是在腐蚀介质环境下，齿轮在工作过程中应力较大，需要承受较大的磨损和腐蚀，为了提高齿轮工作的稳定性，齿轮材料应具备较高的硬度、耐磨性和耐蚀性。高熵合金由近等摩尔比五种以上的元素的组元组成，因其能够形成固溶体，避免了大量的不可控的脆性化合物，使其具有一些传统合金所无法比拟的优异机械性能，如高硬度、高韧性、高耐磨、耐腐蚀性、高强度等。目前高熵合金多采用冶炼的方法制作材料，制造零件需要再进一步机械加工，高熵合金的高性能导致加工难度大。因此传统方法制造高熵合金零部件成本较高。采用粉末冶金方法具有节省材料，效率高，制造的零件具有组织均匀、成分均匀的优点，在制备中小型齿轮或其他的复杂零件具有明显的优点。本发明的Ni-Cr-B-Si为常用的热喷涂或熔覆合金材料，其增强相为(Cr, Fe)7C3，耐磨性和工艺性等较好，高熵合金固溶有大量的Cr和Al，使得材料具有较好的耐蚀性。粉末冶金采用合金化的Ni-Cr-B-Si能够降低烧结温度和加快烧结过程中的扩散速度。
采用粉末冶金的方法制造齿轮或小型复杂零件，由于粉末冶金在烧结过程中温度较低，因此各种粉末之间有一定的扩散，对于5种主要组元实现合金化形成固溶体，能够形成避免粗大的脆性的化合物相，用于制造形状复杂的零部件，可以实现少切削或无切削，因此能够降低制造成本。
发明内容
本发明通过在Mn、Co、Fe、Al粉末基础上添加一定量的预合金粉Ni-Cr-B-Si-C，使合金达到5种主要组元进而能够形成高熵合金或固溶体，在烧结过程中Ni-Cr-B-Si-C形成的液相使粉末冶金烧结制品致密，在零件心部形成高韧性、高强度的高熵合金，然后通过渗氮，N与Al、Cr反应在零件表面形成氮化物，进而在表层形成氮化物增强的高熵合金，最终制成表面耐磨耐蚀、心部为碳化物增强AlCoFeMnNi的高熵合金的齿轮。
本发明采用粉末冶金的方法制造高熵合金齿轮，制作方法包括下述工艺步骤：
步骤一、将单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni-Cr-B-Si-C按一定比例进行球磨混合，实现合金化，制备高熵合金粉末。其中，单质金属粉Al、Mn、Co、Fe的纯度为99.5~100%，粒径为10~50μm；预合金粉Ni-Cr-B-Si-C中各种元素质量比组成为：C为0.6~1.2%，Cr为17~21%，B为2.5~4.5%，Si为3-4.5%，Ni为70~77%，其粒度为5~50μm；其中Al、Mn、Co、Fe、Ni-Cr-B-Si-C的质量百分比为：10~12：22~25：22~23：22~23：20~25。采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中磨球与高熵合金粉末的质量比为3~3.5∶1，密封后打开真空阀抽真空20~30分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 300~350 r/min，倒向频率 30~45 Hz，进行球磨混合时间为90~120分钟。
步骤二、将步骤一球磨后的高熵合金粉末在压力为135~150 kN、保压时间为3~8min、温度为250~350℃的条件下采用压机进行温压，温压制成直径为5~200mm、高度为5~100mm的齿轮坯料。
步骤三、将步骤二中的齿轮坯料，在压机工作区域采用Ar气体保护的情况下感应加热到850℃~890℃，保温2~18分钟，再快速移入压力为300 kN ~400 kN的模具内压制，保压时间1~3 min，热压成型为高熵合金齿轮。
步骤四、将步骤三高熵合金齿轮进行渗氮，采用的保护气氛是分解氨气产生的氮气和氢气，气压为20 Pa ~50Pa，氨气分解率为20~40 %，加热温度约520~700℃，渗氮时间1~3小时。完成渗氮后，即可获得所需的耐磨耐蚀高熵合金齿轮。
本发明的有益效果：
（1）本发明的工艺方法采用添加Ni-Cr-B-Si-C的Al、Mn、Co、Fe粉末冶金，在烧结过程中形成碳化物增强的高熵合金，在表面进行渗氮能够充分利用其扩散速度慢而形成弥散分布的氮化物，使齿轮具有更高的韧性、强度和耐磨性。
（2）本发明采用的粉末中含有碳化物Cr7C3经球磨后得到细化，在后续的烧结过程中弥散分布于高熵合金，具有良好的韧性和强度。
具体实施方式
实施例1：
步骤一、将单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni-Cr-B-Si-C按一定比例进行球磨混合，实现合金化，制备高熵合金粉末；单质金属粉Al、Mn、Co、Fe纯度为99.5~100%，粉末粒径为10~50μm；预合金粉Ni-Cr-B-Si-C中各种元素质量比组成为：C为0.6~1.2%，Cr为17~21%，B为2.5~4.5%，Si为3-4.5%，Ni为70~77%，其粒度为5~50μm；其中Al、Mn、Co、Fe、Ni-Cr-B-Si-C的质量百分比为：10：22：22：22：20。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中磨球与高熵合金粉末的质量比为3∶1，密封后打开真空阀抽真空20分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为 300 r/min，倒向频率 30Hz，进行球磨混合时间为90分钟。
步骤二、将步骤一球磨后的高熵合金粉末，采用压机在压力为135 kN、保压时间为3 min、温度为250℃的条件下，温压制成直径为5mm、高度在5mm的齿轮坯料。
步骤三、将步骤二中的齿轮坯料，在压机工作区域采用Ar气保护的情况下感应加热到850℃，保温2分钟，再快速移入压力为300 kN的模具内压制，保压时间1 min，热压成型高熵合金齿轮；
步骤四、将步骤三高熵合金齿轮进行渗氮，采用的保护气氛是分解氨气产生的氮气和氢气，气压为20 Pa，氨气分解率为20%，加热温度约520℃，渗氮时间1小时。完成渗氮后，即可获得所需的耐磨耐蚀高熵合金齿轮。
经实验表明，采用粉末冶金制造Al CoFeMnNi基高熵合金，通过球磨细化了晶粒，并有部分实现合金化，同时，在球磨过程中Ni-Cr-B-Si-C中的Cr7C3得到细化，在烧结过程中只有少量液相的形成，其有利于使烧结制品致密化，最后在心部形成了韧性和强度优异的固溶体基体（面心立方晶体和少量体心立方结构），经过渗氮后在表面形成了弥散分布的AlN，提高了表面的硬度和耐蚀性。采用这种方法，避免了齿轮等形状复杂零件的切削加工，而且齿轮的性能良好。
实施例2：
步骤一、将单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni-Cr-B-Si-C按一定比例进行球磨混合，实现合金化，制备高熵合金粉末；单质金属粉Al、Mn、Co、Fe纯度为99.5~100%，粉末粒径为10~50μm；预合金粉Ni-Cr-B-Si-C中各种元素质量比组成为：C为0.6~1.2%，Cr为17~21%，B为2.5~4.5%，Si为3-4.5%，Ni为70~77%，其粒度为5~50μm；其中Al、Mn、Co、Fe、Ni-Cr-B-Si-C的质量百分比为： 12：25：23： 23： 25。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中磨球与高熵合金粉末的质量比为3.5∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为350 r/min，倒向频率45 Hz，进行球磨混合时间为120分钟。
步骤二、将步骤一球磨后的高熵合金粉末采用压机在压力为150 kN、保压时间为8min、温度为350℃的条件下，温压制成直径为200mm、高度为80mm的齿轮坯料。
步骤三、将步骤二中的齿轮坯料，在压机工作区域Ar气保护的情况下感应加热到890℃，保温18分钟，再快速移入压力为400 kN的模具内压制，保压时间3 min，热压成型为高熵合金齿轮；
步骤四、将步骤三高熵合金齿轮进行渗氮，采用的保护气氛是分解氨气产生的氮气和氢气，气压为50Pa，氨气分解率为40%，加热温度约700℃，渗氮时间3小时。完成渗氮后，即可获得所需的耐磨耐蚀高熵合金齿轮。
经实验表明，采用粉末冶金制造Al CoFeMnNi基高熵合金，在球磨过程中Ni-Cr-B-Si-C中的Cr7C3得到细化，在烧结过程中只有少量液相的形成，不会形成粗大的树枝晶，少量液相有利于使烧结制品致密化，最后在心部形成了韧性和强度优异的基体，经过渗氮后提高了表面的硬度和耐蚀性。采用这种方法，避免了齿轮等形状复杂零件的切削加工，而且齿轮的性能良好。
实施例3：
步骤一、将单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni-Cr-B-Si-C按一定比例进行球磨混合，实现合金化，制备高熵合金粉末；单质金属粉Al、Mn、Co、Fe纯度为99.5~100%，粉末粒径为10~50μm；预合金粉Ni-Cr-B-Si-C中各种元素质量比组成为：C为0.6~1.2%，Cr为17~21%，B为2.5~4.5%，Si为3-4.5%，Ni为70~77%，其粒度为5~50μm；其中Al、Mn、Co、Fe、Ni-Cr-B-Si-C的质量百分比为：11：23：23：23：24。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中磨球与高熵合金粉末的质量比为3.2∶1，密封后打开真空阀抽真空25分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为320 r/min，倒向频率 35 Hz，进行球磨混合时间为100分钟。
步骤二、将步骤一球磨后的高熵合金粉末采用压机在压力为140 kN、保压时间为8min、温度为370℃的条件下，温压制成直径为50mm、高度为20mm的齿轮坯料。
步骤三、将步骤二中的齿轮坯料，在压机工作区域Ar气体保护的情况下感应加热到870℃，保温15分钟，再快速移入压力为350 kN的模具内压制，保压时间2 min，热压成型高熵合金齿轮；
步骤四、将步骤三高熵合金齿轮进行渗氮，采用的保护气氛是分解氨气产生的氮气和氢气，气压为30Pa，氨气分解率为30 %，加热温度约600℃，渗氮时间2小时。完成渗氮后，即可获得所需的耐磨耐蚀高熵合金齿轮。
经实验表明，采用粉末冶金制造Al CoFeMnNi基高熵合金，在球磨过程中已经使得Ni-Cr-B-Si-C中的Cr7C3细化，在烧结过程中没有大量液相的凝固，不会形成粗大的树枝晶，因此在心部形成了韧性和强度优异的基体，经过渗氮后进一步提高了表面的硬度和耐蚀性。采用这种方法，避免了齿轮等形状复杂零件的切削加工，而且齿轮的性能良好。
实施例4：
步骤一、将单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni-Cr-B-Si-C按一定比例进行球磨混合，实现合金化，制备高熵合金粉末；单质金属粉Al、Mn、Co、Fe纯度为99.5~100%，粉末粒径为10~50μm；预合金粉Ni-Cr-B-Si-C中各种元素质量比组成为：C为0.6~1.2%，Cr为17~21%，B为2.5~4.5%，Si为3-4.5%，Ni为70~77%，其粒度为5~50μm；其中Al、Mn、Co、Fe、Ni-Cr-B-Si-C的质量百分比为：11：23：22：23：25。球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中磨球与高熵合金粉末的质量比为3.3∶1，密封后打开真空阀抽真空30分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为300 r/min，倒向频率 40 Hz，进行球磨混合时间为110分钟。
步骤二、将步骤一球磨后的高熵合金粉末采用压机在压力为140 kN、保压时间为5min、温度为350℃的条件下，温压制成直径为100mm、高度为40mm的齿轮坯料。
步骤三、将步骤二中的齿轮坯料，在压机工作区域Ar气体保护的情况下感应加热到880℃，保温8分钟，再快速移入压力为370 kN的模具内压制，保压时间2 min，热压成型高熵合金齿轮；
步骤四、将步骤三高熵合金齿轮进行渗氮，采用的保护气氛是分解氨气产生的氮气和氢气，气压为30Pa，氨气分解率为30 %，加热温度约600℃，渗氮时间2小时。完成渗氮后，即可获得所需的耐磨耐蚀高熵合金齿轮。
经实验表明，采用粉末冶金制造AlCoFeMnNi基高熵合金，在球磨过程中使得Ni-Cr-B-Si-C中的Cr7C3细化，在烧结过程中没有大量液相的凝固，不会形成粗大的树枝晶，细化的Cr7C3弥散分布于制品，在心部形成了韧性和强度优异的基体，经过渗氮后进一步提高了表面的硬度和耐蚀性。采用这种方法，避免了齿轮等形状复杂零件的切削加工，而且齿轮的性能良好。
Claims (3)
1.一种粉末冶金制备耐磨耐蚀高熵合金齿轮的成型方法，其特征在于，所述的成型方法包括下述工艺步骤：
步骤一、将单质金属粉Al、Mn、Co、Fe和预合金粉Ni-Cr-B-Si-C按一定比例进行球磨混合，实现合金化，制备高熵合金粉末；其中Al、Mn、Co、Fe的纯度为99.5~100%，粉末粒径为10~50μm；预合金粉Ni-Cr-B-Si-C中各种元素质量比组成为：C为0.6~1.2%，Cr为17~21%，B为2.5~4.5%，Si为3-4.5%，Ni为70~77%，其粒度为5~50μm；其中Al、Mn、Co、Fe、Ni-Cr-B-Si-C的质量百分比为：10~12：22~25：22~23：22~23：20~25；
步骤二、将步骤一球磨后的高熵合金粉末在压机上温压制成齿轮坯料，具体工艺压力为135~150kN，保压时间为3~8min，温度为250~350°C；
步骤三、将步骤二中的齿轮坯料热压成型为齿轮，具体是在压机工作区域有Ar气体保护的情况下感应加热到850°C~890°C，保温2~18分钟，并快速移入模具内压制，压力为300kN~400kN，保压时间1min~3min，压制完成得到高熵合金齿轮；
步骤四、将步骤三高熵合金齿轮进行渗氮，其在加热炉中采用的保护气氛是分解氨气产生的氮气和氢气，气压为20Pa~50Pa，氨气分解率为20~40%，加热温度520~700°C，渗氮时间1~3小时，完成渗氮后，即可获得所需的耐磨耐蚀高熵合金齿轮。
2.如权利要求1所述的一种粉末冶金制备耐磨耐蚀高熵合金齿轮的成型方法，其特征在于：所述的球磨混合是采用钢制球磨罐进行球磨混合，其中磨球与高熵合金粉末的质量比为3~3.5∶1，密封后打开真空阀抽真空20~30分钟，然后将球磨罐放入行星式球磨机，转速为300~350r/min，倒向频率30~45Hz，进行球磨混合时间为90~120分钟。
3.如权利要求1所述的一种粉末冶金制备耐磨耐蚀高熵合金齿轮的成型方法，其特征在于：所述的齿轮坯料的直径为5~200mm，高度为5~100mm。
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