CN112662930A

CN112662930A - 一种高熵模具钢材料及其制备方法

Info

Publication number: CN112662930A
Application number: CN202010705485.XA
Authority: CN
Inventors: 靳汝松; 程虎; 霍振国
Original assignee: Taizhou Huangyan Haichuan Mould Co ltd
Current assignee: Taizhou Huangyan Haichuan Mould Co ltd
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2021-04-16

Abstract

本发明公开了热作模具钢技术领域的一种高熵模具钢材料及其制备方法，该高熵模具钢材料的制备方法包括如下步骤：机械合金化制备高熵模具钢粉末：将Fe、Mn、Cr、Ni、Co、Cu、Mo、Si、V、Al和C等纯金属粉末按比例混合，粉末经研磨后放入不锈钢球磨罐中球磨，球磨介质采用不锈钢球，球磨方式为全方位球磨，球磨时，罐中通入高纯氩气，并加入一定量正庚烷作为过程控制剂，防止粉末过分冷焊和氧化，进而获得高熵模具钢粉末，本发明以Fe、Mn、Cr、Ni等作为主要合金元素，Co、Cu、Mo、Si、V、Al、C等作为微量元素加入，制备出高熵模具钢，提高热作模具材料的服役性能。

Description

一种高熵模具钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热作模具钢技术领域，具体为一种高熵模具钢材料及其制备方法。

背景技术

热作模具钢作为模具钢的重要组成部分，主要用于制造从加热到再结晶温度以上的固态金属或高温液态金属压制成型的模具。热作模具的工作条件非常恶劣，要求热作模具钢在服役过程中应同时具有良好的热强性能、韧性、高温耐磨性能以及抗热疲劳性能。传统热作模具钢的组织和性能调配已近乎达到了其极限水平。因此，设计开发新型热作模具钢材料具有重要意义。

高熵合金是近年来发展起来的一种新型金属材料，通常可呈现出传统合金无法比拟的优越性能，如高强韧性、高耐磨性以及优异的热稳定性等，在高温领域有着巨大的应用前景。可是，高熵合金成分中常包含一些高含量的贵重元素(如Co、Ni、Mo、V、Ti、Ta、Nb等)，导致合金生产成本较高，这在一定程度上阻碍了高熵合金的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高熵模具钢材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的普通热作模具钢的服役性能较差，而添加高含量贵重金属的高熵合金具有优良的服役性能，但是造价昂贵的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高熵模具钢材料，该高熵模具钢材料包括如下组成成分：

Fe：30-50at.%、Mn：10-30at.%、Cr：10-30at.%、Ni：10-30at.%、Co：0-10at.%、Cu：0-10at.%、Mo：0-10at.%、Si：0-10at.%、V：0-10at.%、Al：0-10at.%和C：0-10at.%。

一种高熵模具钢材料的制备方法，该高熵模具钢材料的制备方法包括如下步骤：

S1：机械合金化制备高熵模具钢粉末：将Fe、Mn、Cr、Ni、Co、Cu、Mo、Si、V、Al和C等纯金属粉末按比例混合，粉末经研磨后放入不锈钢球磨罐中球磨，球磨介质采用不锈钢球，球磨方式为全方位球磨，球磨时，罐中通入高纯氩气，并加入一定量正庚烷作为过程控制剂，防止粉末过分冷焊和氧化，然后，进行充分干燥和筛分处理，获得高熵模具钢粉末；

S2：高熵模具钢生坯压制成形：称取一定量高熵模具钢粉末，并加入少量特制粘接剂，在罐磨机上进行混合，将混合均匀后的粉末放入压制模具中，在压力机上进行压制成形；

S3：真空热压烧结制备块体高熵模具钢：将压制好的生坯放入石墨模具，并置于真空热压炉中进行烧结。

优选的，所述步骤S1中的研磨时间为10-15min。

优选的，所述步骤S1中的球磨时间为30-40h，球磨30-40h后再向球磨罐中加入酒精进行湿磨5-10h。

优选的，所述步骤S2中的生坯成形压强为300-500MPa，保压时间2-3min。

优选的，所述步骤S3中的烧结参数为：烧结温度950-1050℃，升温速率6-8℃/min，施加轴向压力20-30MPa，保压时间1-2h，随炉冷却，烧结时炉膛中真空度达到10

-10

MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以Fe、Mn、Cr、Ni等作为主要合金元素，Co、Cu、Mo、Si、V、Al、C等作为微量元素加入，制备出高熵模具钢，提高热作模具材料的服役性能。

附图说明

图1为本发明制备方法流程图；

图2为本发明合合金粉末球磨35h后的SEM形貌图；

图3为本发明合合金粉末球磨35h后的XRD图；

图4为本发明热压烧结块体高熵合金钢的XRD图；

图5为本发明C5合金钢和C0合金钢的室温工程压缩应力应变曲线图；

图6为本发明C5Cu5合金钢和C0合金钢的室温工程压缩应力应变曲线图；

图7为本发明合金钢的XRD图；

图8为本发明C10合金钢和C0合金钢的室温工程压缩应力应变曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。

本发明提供一种高熵模具钢材料及其制备方法，以Fe、Mn、Cr、Ni等作为主要合金元素，Co、Cu、Mo、Si、V、Al、C等作为微量元素加入，制备出高熵模具钢，提高热作模具材料的服役性能，

该高熵模具钢材料包括如下组成成分：

Fe：30-50at.%、Mn：10-30at.%、Cr：10-30at.%、Ni：10-30at.%、Co：0-10at.%、Cu：0-10at.%、Mo：0-10at.%、Si：0-10at.%、V：0-10at.%、Al：0-10at.%和C：0-10at.%；

请参阅图1，

该高熵模具钢材料的制备方法包括如下步骤：

S1：机械合金化制备高熵模具钢粉末：将Fe、Mn、Cr、Ni、Co、Cu、Mo、Si、V、Al和C等纯金属粉末按比例混合，粉末经研磨10-15min后放入不锈钢球磨罐中球磨，球磨介质采用不锈钢球，球磨方式为全方位球磨(即：球磨罐作行星运动时，同时绕着主轴低速转到，以保证合金化效果)，球磨时，罐中通入高纯氩气，并加入一定量正庚烷作为过程控制剂，防止粉末过分冷焊和氧化，球磨30-40h后，再向球磨罐中加入酒精进行湿磨5-10h(湿磨时的球磨方式为卧式球磨)，然后，进行充分干燥和筛分处理，获得高熵模具钢粉末；

S2：高熵模具钢生坯压制成形：称取一定量高熵模具钢粉末，并加入少量特制粘接剂，在罐磨机上进行混合，将混合均匀后的粉末放入压制模具中，在压力机上进行压制成形，生坯成形压强为300-500MPa，保压时间2-3min；

S3：真空热压烧结制备块体高熵模具钢：将压制好的生坯放入石墨模具，并置于真空热压炉中进行烧结，热压烧结参数为：烧结温度950-1050℃，升温速率6-8℃/min，施加轴向压力20-30MPa，保压时间1-2h，随炉冷却，烧结时炉膛中真空度达到10

-10

MPa。

实施例1

制备出了(Fe40Mn25Cr20Ni15)95C5高熵合金钢（简称C5），如图2所示为(Fe40Mn25Cr20Ni15)95C5粉末球磨35h后的SEM形貌，粉末颗粒类似球状，尺寸分布为10-30μm范围，图3的XRD图谱显示出，合金粉末的相结构由面心立方(FCC)结构相和体心立方(BCC)结构相组成，说明粉末经过球磨35h，达到了合金化效果。

如图4所示为烧结块体合金钢的XRD图谱，由于高混合熵的抑制作用，合金钢的基体相为简单的面心立方(FCC)结构固溶体相，另外，由于C与Cr、Fe等元素之间亲和力较强，合金钢中还生成了少量的碳化物相，基础合金中也生成了少量碳化物相，基础合金中少量的碳元素来自于不锈钢球磨介质和过程控制剂。

如图5所示为高熵合金钢的室温压缩应力应变曲线，其压缩力学性能数据如表1所示，基础合金的屈服强度、抗压强度和压缩应变分别为653.5MPa、1680.5MPa和36.1%，C元素的加入，明显提高了合金钢的屈服强度，C5合金钢的屈服强度比C0合金钢增加了392MPa，而压缩应变仅下降3.9%，呈现出较好的综合力学性能。

表1

Alloys	σ<sub>0.2</sub>/MPa	σ<sub>max</sub>/MPa	ε<sub>f</sub>/%
				C0	653.5	1680.5	36.1
C5	1045.5	1948.5	32.2

实施例2：

制备出了(Fe40Mn25Cr20Ni15)90C5Cu5高熵合金钢（简称C5Cu5）。同时添加少量的C和Cu元素，高熵合金钢的强度和塑性同时升高（图6），其屈服强度、抗压强度和压缩应变分别为860.2MPa、1973.7MPa和39.2%（表2），

表2

Alloys	<i>σ</i><sub><i>0.2</i></sub>/MPa	σ<sub>max</sub>/MPa	ε<sub>f</sub>/%
				C0	653.5	1680.5	36.1
C5Cu10	860.2	1973.7	39.2

实施例3：

制备出了(Fe40Mn25Cr20Ni15)90C10高熵合金钢（简称C10）。如图7所示为合金钢的XRD图谱，可见，合金钢相组成仍然为FCC基体相和少量的碳化物相。如图8所示为高熵合金钢的室温压缩应力应变曲线，其压缩力学性能数据如表3所示。当合金钢中碳含量较高时，强度升高显著，但压缩应变下降幅度过大。

表3

Alloys	<i>σ</i><sub><i>0.2</i></sub>/MPa	σ<sub>max</sub>/MPa	ε<sub>f</sub>/%
				C0	653.5	1680.5	36.1
C10	1352.3	1836.1	16.0

虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种高熵模具钢材料，其特征在于：该高熵模具钢材料包括如下组成成分：

2.一种权利要求1所述的高熵模具钢材料的制备方法，其特征在于：该高熵模具钢材料的制备方法包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种高熵模具钢材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的研磨时间为10-15min。

4.根据权利要求1所述的一种高熵模具钢材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的球磨时间为30-40h，球磨30-40h后再向球磨罐中加入酒精进行湿磨5-10h。

5.根据权利要求1所述的一种高熵模具钢材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的生坯成形压强为300-500MPa，保压时间2-3min。

6.根据权利要求1所述的一种高熵模具钢材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的烧结参数为：烧结温度950-1050℃，升温速率6-8℃/min，施加轴向压力20-30MPa，保压时间1-2h，随炉冷却，烧结时炉膛中真空度达到10

-10

MPa。