CN113025860B - 一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及其制备方法 - Google Patents

一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及其制备方法，步骤一、打磨清洗高纯金属原料，按化学成分Cr‑22.93Fe‑53.68Nb(at.％)配料；步骤二、将金属原料按照熔点由低到高的顺序依次放入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，将炉体真空度抽至3×10‑3～6×10‑3Pa，冲入高纯氩气并将炉内气压控制在0.05Pa，电弧熔炼过程中合金锭翻转重熔5次得到共晶合金产物。所述的共晶合金，显微组织中枝晶内为全共晶Laves相/Nbss相，枝晶间为全共晶Laves相/μ相/Nbss相，共晶合金具有高强度、高硬度及高热稳定性，同时采用低成本的Fe替代Cr，材料成本低廉，制造工艺简单、快捷、高效；且本发明的共晶合金具备结晶温度间隔小、流动性好、成分偏析小等优点，适合制备成分与组织均匀的大尺寸高质量构件。

Description

一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及 其制备方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，涉及工具钢材料及其制备方法，具体涉及一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金材料及其制备方法。
背景技术
传统的切削刀具材料中，碳素工具钢具有高硬度等优点，但其热稳定性较差，只应用于切削速度较低的刀具的制造，高速工具钢因具有可加工性好、高强度、高硬度及高耐磨性等优点，被广泛应用于复杂刀具的制造，但粉末冶金高速钢仍具有工艺复杂、无法避免外来杂质、不易制备大尺寸与异形产品等不足，同时对烧结温度要求非常苛刻。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及其制备方法，成本低、制造工艺简单、快捷、高效，且由于共晶成分流动性好，适合制备成分与组织均匀的大尺寸高质量构件。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将打磨清洗干净的高纯金属，按化学成分Cr-22.93Fe-53.68Nb(at.％)进行称取；
步骤二：将原料按照熔点由低到高的顺序依次放入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，将炉体真空度抽至3×10-3～6×10-3Pa，随后冲入高纯氩气并将炉内气压控制在0.05Pa，反复抽真空并冲气多次，电弧熔炼过程在电磁搅拌下进行，将形成的合金铸锭翻转重熔5次得到共晶合金产物。
本发明还具有以下技术特征：
优选的，所述的原料为纯度为99.95％的铌块、纯度为99.95％的铬片和纯度为99.95％的铁片。
优选的，所述的电弧熔炼，反复抽真空并冲气共3次。
优选的，所述的电弧熔炼，合金铸锭翻转重熔5次，每次4～5min。
进一步的，熔炼前将预先放入电弧熔炼炉中的金属Ti进行熔化。
进一步的，熔炼过程中需加电磁搅拌。
本发明还保护一种采用上述技术方案的方法制备的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金，共晶合金化学成分为Cr-22.93Fe-53.68Nb(at.％)。
进一步的，所述的共晶合金显微组织中，枝晶内为全共晶Laves相/Nbss相，枝晶间为全共晶Laves相/μ相/Nbss相。
更进一步的，所述的共晶合金凝固组织中金属间化合物Laves相和μ相的体积分数高达65％。
所述的μ相平均长度为15μm，平均宽度为5μm。
所述的共晶合金的室温压缩强度为2.47GPa，室温维氏硬度为8.6GPa。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的共晶合金枝晶内为全共晶Laves相/Nbss相，枝晶间为全共晶Laves相/μ相/Nbss相，其凝固组织中金属间化合物Laves相和μ相的体积分数高达65％，保证材料了材料的高强度、高硬度及高热稳定性，在室温下压缩强度高达2.47GPa，维氏硬度高达8.6GPa，且在1200℃/50h热处理条件下组织及力学性能稳定；
本发明采用低成本的Fe替代Cr，相较二元Cr-53.68Nb(at.％)成分，合金化元素Fe的加入使得合金成分向共晶点移动，凝固组织为全共晶组织，同时材料成本低廉，利用电弧熔炼工艺制备材料，制造工艺简单、快捷、高效；
本发明的共晶合金流动性好，适合制备成分与组织均匀的大尺寸高质量构件。
附图说明
图1(a)凝固条件下的合金显微组织图。
图1(b)热处理条件下的合金显微组织图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的内容做进一步的解释说明。
一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将打磨清洗干净的高纯金属，按化学成分Cr-22.93Fe-53.68Nb(at.％)进行称取；
原料为纯度为99.95％的铌块、纯度为99.95％的铬片和纯度为99.95％的铁片；
将原料按照熔点由低到高的顺序依次放入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，即按照铁、铬、铌的顺序依次放入，同时在另一坩埚中放入用以去除炉内残余氧气的金属Ti，将炉内真空度抽3×10-3～6×10-3Pa，随后冲入高纯氩气并将炉内气压控制在0.05Pa，反复抽真空并冲气共3次；
进行熔炼时加电磁搅拌，确保合金成分的均匀，合金铸锭翻转重熔5次，每次4～5min。
本发明的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金，名义化学成分为Cr-22.93Fe-53.68Nb(at.％)，相较二元Cr-53.68Nb(at.％)成分，合金化元素Fe的加入使得合金成分向共晶点移动，凝固组织为全共晶组织，采用Fe替代Cr，显著降低了材料成本，同时通过电弧熔炼工艺即可制备材料，制造工艺简单快捷高效。
合金的室温压缩强度为2.47GPa，室温维氏硬度为8.6GPa。
由图1(a)可以看出枝晶内为全共晶Laves相/Nbss，枝晶间为全共晶Laves相/μ相/Nbss，组织中金属间化合物Laves相与μ相的体积分数高达65％，保证材料了材料的高强度、高硬度及高热稳定性。
由图1(b)可以看出在1200℃/50h热处理后，合金显微组织及性能未发生明显变化，合金具有良好的热稳定性。

Claims (7)

1.一种兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将打磨清洗干净的高纯金属原料按化学成分Cr-22.93Fe-53.68Nb(at.％)配取；
步骤二：将原料按照熔点由低到高的顺序依次放入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，将炉体真空度抽至3×10-3～6×10-3Pa，在炉体中充入高纯氩气并将炉体压力控制在0.05Pa，反复抽真空并充气共3次，电弧熔炼过程在电磁搅拌下进行，将形成的合金铸锭翻转重熔5次得到共晶合金产物；
所述的共晶合金的显微组织，枝晶内为全共晶Laves相/Nbss相，枝晶间为全共晶Laves相/μ相/Nbss相；共晶合金凝固显微组织中金属间化合物Laves相和μ相体积分数达到65％。
2.如权利要求1所述的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金的制备方法，其特征在于，所述的原料为纯度为99.95％的铌块、纯度为99.95％的铬片和纯度为99.95％的铁片。
3.如权利要求1所述的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金的制备方法，其特征在于，所述的电弧熔炼，合金铸锭翻转重熔5次，每次4～5min。
4.如权利要求3所述的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金的制备方法，其特征在于，在非自耗电弧熔炼炉的另一水冷坩埚中放入用以去除炉内残余氧气的金属Ti。
5.一种采用如权利要求1至4任一项所述的方法制备的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金，其特征在于，共晶合金的化学成分为Cr-22.93Fe-53.68Nb(at.％)。
6.如权利要求5所述的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金，其特征在于，所述的μ相平均长度为15μm，平均宽度为5μm。
7.如权利要求5所述的兼具高强度、高硬度及高热稳定性的Laves相共晶合金，其特征在于，所述的共晶合金的室温压缩强度为2.47GPa，室温维氏硬度为8.6GPa。
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