CN113046566B - 一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料及其制备工艺 - Google Patents

一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料及其制备工艺，其化学成分为Cr‑10Si‑57.5Nb(at.％)，采用电弧熔炼与高温退火相结合的方法制备材料，材料显微组织为全共晶组织，枝晶内为全共晶Laves相/Nbss，枝晶间为全共晶Laves相/Nb5Si3/Nbss，材料的室温压缩强度为2.16GPa，室温维氏硬度为8.3GPa。

Description

一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料及 其制备工艺
技术领域
本发明属于机械加工技术及磨具材料领域，具体涉及一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料及其制备工艺。
背景技术
工具钢具有高硬度、良好的耐磨性及高强度等优良特性，广泛应用于机械加工技术及磨具材料领域。其中碳素工具钢存在淬透性低、淬火温度范围窄等缺点，高速工具钢存在组织均匀性较差等问题，难以满足日益苛刻的工程需求条件。粉末冶金工艺虽可显著提升工具钢的性能指标，但粉末冶金工艺存在制备工艺复杂、制备周期冗长、不易制备大尺寸及异形构件、杂质引入等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料及其制备工艺，所制备的共晶原位自生复合材料具备结晶温度间隔小、流动性好、成分偏析小等优点，有利于制备大尺寸、高质量的均匀异形构件，从而满足不同工程化需求。
为达到上述目的，本发明采用的制备方法为：
步骤一：将打磨清洗后的高纯金属原料按化学成分Cr-10Si-57.5Nb(at.％)配料；
步骤二：按熔点由低到高的顺序依次将金属原料放置于非自耗电弧熔炼炉的坩埚中，将炉体的真空度抽至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，反复抽真空与充气共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次后随炉冷却至室温取出；
步骤三：将铸锭密封至高纯石英管内进行高温退火处理，退火真空度为5×10-3Pa，退火条件为1200℃/50h，退火后进行淬火处理，淬火介质为常温水。
所述的电弧熔炼，合金铸锭翻转重熔5次，每次4～5min。
所述的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Ti金属。
按以上制备方法制备的Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料的化学成分为Cr-10Si-57.5Nb(at.％)。
所述的原位自生复合材料为全共晶组织，枝晶内为全共晶Laves相/Nbss，枝晶间为全共晶Laves相/Nb5Si3/Nbss。
所述的原位自生复合材料显微组织中金属间化合物Laves相和Nb5Si3相的体积分数高达67％。
所述的原位自生复合材料的室温压缩强度为2.16GPa，室温维氏硬度为8.3GPa。
本发明采用简单快捷高效的电弧熔炼与高温退火相结合的方法制备，制备工艺简单快捷高效，同时共晶原位自生复合材料具备结晶温度间隔小、流动性好、成分偏析小等优点，有利于制备大尺寸、高质量的均匀异形构件，从而满足不同工程化需求，此外采用成本低廉的Si替代成本高昂的Cr，材料成本有所降低。
附图说明
图1(a)为铸态下原位自生复合材料的显微组织图。
图1(b)为退火态原位自生复合材料的显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的制备方法为：
步骤一：将打磨清洗干净的高纯金属原料，按化学成分Cr-10Si-57.5Nb(at.％)配取；
步骤二：按熔点由低到高的顺序将金属原料放置于非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，同时在另一坩埚中放置少量金属Ti用以去除炉内残余氧气，将炉内真空度抽至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，反复抽真空并冲气共3次，电弧熔炼过程电弧熔炼过程在电磁搅拌下进行，合金铸锭翻转重熔5次以保证成分均匀，将铸锭在炉体中冷却至室温后取出。
步骤三：将铸锭密封至高纯石英管内进行高温退火处理，退火真空度为5×10-3Pa，退火条件为1200℃/50h，退火后进行淬火处理，淬火介质为常温水。
按以上制备方法制备的原位自生复合材料，名义化学成分为Cr-10Si-57.5Nb(at.％)，原位自生复合材料的室温压缩强度高达2.16GPa，室温维氏硬度高达8.3GPa。
由图1(a)可以看出，材料的化学成分相较二元Cr-57.5Nb(at.％)成分，合金化元素Si的加入使得合金成分向共晶点移动。
由图1(b)可以看出，材料的显微组织中枝晶内为全共晶Laves相/Nbss，枝晶间为全共晶Laves相/Nb5Si3/Nbss，组织中金属间化合物Laves相和Nb5Si3相的体积分数高达67％，保证材料了材料的高强度与高硬度。

Claims (5)

1.一种Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料的制备工艺，其特征在于：
步骤一：将打磨清洗后的高纯金属原料按化学成分Cr-10Si-57.5Nb(at.%)配料；
步骤二：按熔点由低到高的顺序依次将金属原料放置于非自耗电弧熔炼的水冷坩埚中，将炉体真空度抽至3×10-3~6×10-3 Pa，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次后随炉冷却至室温取出；
步骤三：将铸锭密封至高纯石英管内进行高温退火处理，退火真空度为5×10-3 Pa，退火条件为1200℃/50h，退火后进行淬火处理，淬火介质为常温水，得到原位自生复合材料；
所述的原位自生复合材料为全共晶组织，枝晶内为全共晶Laves相/Nbss，枝晶间为全共晶Laves相/Nb5Si3/Nbss；
所述的原位自生复合材料显微组织中金属间化合物Laves相和Nb5Si3相的体积分数高达67%。
2.根据权利要求1所述的Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料的制备工艺，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。
3.根据权利要求1所述的Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料的制备工艺，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Ti金属。
4.一种如权利要求1-3中任意一项所述制备工艺 制备的Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料，其特征在于：原位自生复合材料的化学成分为Cr-10Si-57.5Nb(at.%)。
5.根据权利要求4所述的Laves相与铌硅化合物协同强化的原位自生复合材料，其特征在于：所述的原位自生复合材料的室温压缩强度为2.16GPa，室温维氏硬度为8.3GPa。
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