CN110306099A - 一种低成本高熵合金及其制备方法 - Google Patents

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刘仁东
郭金宇
王旭
王科强
孙建伦
金晓龙
孟静竹
付薇
孙成钱
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    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Abstract

本发明公开一种低成本高熵合金，Fe：21‑23％，Mn：21‑23％,Cr：20‑22％，Al：10‑12％，Cu：25‑27％，其他杂质含量低于0.1％。合金密度小于6.5g/cm3；硬度HRC80以上；‑20℃的U形缺口冲击功大于20J。具有极高的耐磨性能。而且其制造工艺简单，成本适中，具有潜在的更广泛的应用领域，如汽车、航空航天等领域。

Description

一种低成本高熵合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及到一种低成本高熵合金及其制备方法。本发明的合金主要适用于生产各类耐磨铸件。
背景技术
进入廿一世纪以来，随着环保问题日益突出，高性能、长寿化已经成为，材料发展的主要趋势之一，在矿用耐磨材料领域更是如此。高熵合金以其独特的性能、适中的成本以及在其他领域中极具潜力而越来越为相关研发机构所重视而进行深入研究。目前高熵合金都含有一种或多种价格昂贵的Co、Ni、Mo、V等合金元素，致使高熵合金成本过高，经济上可行性不高。
申请号为201810282026.8的一种Fe-Co-Cr-Ni-C高熵合金及其制备工艺，含有较高的昂贵合金元素Co、Ni，与本发明的合金设计显著不同，且成本过高。公开号为CN104099509A的一种高熵合金及其制备方法，采用等摩尔比的Al、Cr、Fe、Ni、Cu、Mo，与本发明成分设计也有明显区别，且其Mo、Ni含量较高，产品成本过高，不具经济性。而且采用粉末冶金生产工艺，复杂程度较高。公开号为CN108300926A的一种轻质难熔高熵合金及其制备方法，采用等摩尔比的Ti、Al、Cr、Nb、V合金设计，与本发明的合金设计有本质区别，而且其成本高昂。申请号为CN201710506126.X的一种具有高强度高硬度Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金及制备方法，其合金为Al、Co、Cr、Fe、Ni与本发明设计不同，其贵金属Co、Ni含量较高。申请号为CN201610421916.3的低密度高熵合金材料的制备方法其合金设计为Al、Si、Ti、V、Cr、Cu、Ni，与本发明有着明显的差别，成本较高。
发明内容
针对耐磨材料寿命低、制造工艺复杂的问题，本发明提供了高熵合金设计及其制造方法，其硬度大于HRC80，冲击功(-20℃，U形缺口)大于20J，具有极高的耐磨性能。而且其制造工艺简单，成本适中，具有潜在的更广泛的应用领域，如汽车、航空航天等领域。
为了实现发明目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明是采用近等摩尔比多元合金设计，一种低成本高熵合金，其特征在于化学成分按质量百分比为：Fe：21-23％，Mn：21-23％,，Cr：20-22％，Al：10-12％，Cu：25-27％，其他杂质含量低于0.1％。
一种低成本高熵合金的制备方法，其特征在于包括熔炼、铸造和回火工序，具体工艺如下：
1)冶炼工艺：将上述成分的原料加入电炉真空冶炼，冶炼温度为1480℃-1520℃，合金充分熔化后保温14-16分钟，待温度降至1430℃-1470℃准备铸造；
2)铸造工艺：采用金属铸模，模内喷涂石墨并进行烘烤；铸件厚度不大于150mm；浇注温度1430℃-1470℃；当铸模表面温度降至100℃以下脱模；
3)热处理回火工艺：铸件随炉升温至330℃-370℃，等温3-7分钟。
所述原料选择纯度在99.99％金属单质或符合其摩尔比的合金。
本发明中钢板成分的主要作用为：
Fe、Mn、Cr、Al、Cu较为常见的金属元素，价格不高，而且金属元素的导热性能较好，在凝固时可以抑制选分结晶，利于形成单一结构的高熵合金。其中Cu可以显著提高合金的韧性，Al降低合金的密度。根据高熵合金的原理，各组元之间的原子比必须等于或接近1：1才能使合金体系的组态熵达到最大，因而各合金的含量须在设计范围内。
本发明的一种耐磨高熵合金有益效果为：
1、Fe、Mn、Cr、Al、Cu在铸造状态下及可获得单一结构的高熵合金，而且其成本相对较低；
2、该成分的高熵合金具有高硬度(HRC80以上)、高韧性(-20℃、U形缺口冲击功大于20J)。
3、与钢相比，该合金具有较低的密度，小于6.5g/cm3。
具体实施方式
下面结合具体实施例进行说明：
将按设计成分配比好的冶金料在电炉中熔炼，真空条件下，熔炼温度1480℃-1520℃。充分熔化后保温14-16分钟。采用金属铸模，模内喷涂石墨并进行烘烤；铸件厚度不大于150mm(实施例为直径150mm的圆棒)；浇注温度1430℃-1470℃；当铸模表面温度降至100℃以下脱模。铸件随炉升温至330℃-370℃，等温3-7分钟。
本发明的6个实施例的具体成分见表1，工艺、性能、密度见表2。
表1合金化学成分
表2本发明实施例的熔炼工艺、浇注工艺、性能及密度

Claims (4)

1.一种低成本高熵合金，其特征在于化学成分按质量百分比为：Fe：21-23％，Mn：21-23％,，Cr：20-22％，Al：10-12％，Cu：25-27％，其他杂质含量低于0.1％。
2.根据权利要求1所述的低成本高熵合金，其特征在于：合金密度小于6.5g/cm3；硬度HRC80以上；-20℃的U形缺口冲击功大于20J。
3.一种根据权利要求1或2所述的低成本高熵合金的制备方法，其特征在于包括熔炼、铸造和回火工序，具体工艺如下：
1)冶炼工艺：将上述成分的原料加入电炉真空冶炼，冶炼温度为1480℃-1520℃，合金充分熔化后保温14-16分钟，待温度降至1430℃-1470℃准备铸造；
2)铸造工艺：采用金属铸模，模内喷涂石墨并进行烘烤；铸件厚度不大于150mm；浇注温度1430℃-1470℃；当铸模表面温度降至100℃以下脱模；
3)热处理回火工艺：铸件随炉升温至330℃-370℃，等温3-7分钟。
4.根据权利要求3所述的一种低成本高熵合金的制备方法，其特征在于：所述原料选择纯度在99.99％金属单质或符合其摩尔比的合金。
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