CN114000026B - 一种珠光体型多主元耐磨合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种珠光体型多主元耐磨合金及制备方法，所述合金的元素组成是CoNiFeTi，合金具有纳米片层珠光体结构，珠光体的体积分数为80~100%，珠光体层片间距为10~20nm。通过遗传算法设计CoNiFeTi珠光体型多主元合金，并通过成分的调控，使其在特定的温度下发生共析反应，从而在多主元合金中获得纳米片层珠光体组织，并采用恰当的热处理工艺调控珠光体域、团以及层片间距等，使得其合金的硬度、强度及耐磨性能显著提高。本发明提出的方法简单，对设备要求不高，成本较低，易于工业化生产推广，所得珠光体型多主元合金可以作为新型轴承钢的替代产品。

Description

一种珠光体型多主元耐磨合金及制备方法
技术领域
本发明属于耐磨材料加工制备，具体涉及一种珠光体型多主元耐磨合金及其制备方法。
背景技术
磨损被列为材料三大失效方式之一，不仅造成巨大的能源浪费，同时造成设备、器件、材料的巨大损失。因此，耐磨材料是制造业重要消耗材料，广泛应用于机械、冶金、电力、建材、国防、船舶、铁道、煤炭、化工等领域，其中，轴承作为耐磨材料的重要应用领域，对其材质的耐磨性有着严苛要求。目前，主要的耐磨材料包括高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列，高、中、低碳耐磨合金钢系列，马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁等。珠光体钢以其高温硬度、高耐磨性在钢轨中得到广泛应用。珠光体耐磨钢虽然是良好的室温耐磨材料，但其高温硬度、强度及耐磨性性能不能同时达到较高的水平，且由于部分金属元素的添加还导致了耐腐蚀性和耐高温性能较弱。因此，亟需开发新一代高性能耐磨材料。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种同时具有高硬度、高强度以及高耐磨性的珠光体型多主元耐磨合金；本发明的第二目的在于提供一种调控多主元合金中珠光体组织的形成速度和体积的多主元耐磨合金的制备方法。
技术方案：本发明的一种珠光体型多主元耐磨合金，所述合金的元素组成是CoNiFeTi，合金中各元素的质量百分比范围为Fe：40～45wt.％，Co：22～25wt.％，Ni：22～25wt.％，Ti：5～16wt.％；合金具有纳米片层珠光体结构，珠光体的体积分数为80～100％，珠光体层片间距为10～20nm。
本发明还保护一种珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)合金设计：选定金属元素，基于遗传算法设计合金，根据热力学相图确定多主元合金中珠光体组织形成所需的合金中各元素的质量百分比；
(2)真空熔炼：将铁、钴、镍及钛的原料放入真空感应熔炼炉中，抽真空熔炼，引入磁搅拌，待合金全部熔化，倾倒于模型中随炉冷却成铸锭；
(3)均匀化处理：将铸锭置于马弗炉中抽真空热处理，使得合金中的元素均匀分布；
(4)控制冷轧：采用轧机进行分级轧制，获得板材；
(5)退火工艺：将轧制板材置于马弗炉中，控制时效处理时间确保合金发生共析转变，水冷，获得具有珠光体型多主元耐磨合金。
进一步的，所述步骤(1)中，合金中各元素的质量百分比范围为Fe：40～45wt.％，Co：22～25wt.％，Ni：22～25wt.％，Ti：5～16wt.％。
进一步的，所述步骤(5)中，轧制板材置于500～650℃的马弗炉中，控制时效处理时间为0.5～10h。
进一步的，所述步骤(2)中，熔炼电流为300～500A，引入磁搅拌再熔炼1～3次。
进一步的，所述步骤(3)中，均匀化处理是在1000～1200℃下保温12～24h。
进一步的，所述步骤(4)中，轧机的轧辊速度为200～400r/min。
进一步的，所述步骤(4)中，轧制量控制在50～90％之间。
进一步的，所述步骤(4)中，分级轧制具体是指：当轧制量低于50％时，按照1mm/道次；当轧制量介于50％～70％，按照0.5mm/道次进行轧制；当轧制量高于70％后，按照0.1mm/道次轧制。
进一步的，所述步骤(2)中，铁原料中Fe的原子百分比为39％～46％，钴原料中Co的原子百分比为21％～24％，镍原料中Ni的原子百分比为21％～24％，钛原料中Ti的原子百分比为6％～19％。
本发明的制备原理是，通过遗传算法+热力学原理开发出CoNiFeTi珠光体型多主元合金，并通过成分的调控，使其在特定的温度下发生FCC→BCC+Ni3Ti型共析反应，由从面心立方结构转变成体心立方结构，从而在多主元合金中获得纳米片层珠光体组织，且Ni和Ti的结合，进一步加快了珠光体的形成，并采用恰当的热处理工艺调控珠光体域、团以及层片间距等，使得其合金的硬度、强度及耐磨性能显著提高。其中，各元素的质量百分比范围决定了是否可以在特定的温度下发生珠光体转变，通过热力学相图确定元素的质量百分比范围从而可以减少因为元素含量不均而导致的杂相形成，而各元素的含量是获得较高珠光体体积分数的关键。
本发明的制备工艺中，退火工艺对珠光体结构的生成产生了决定作用，其中，500～650℃是共析反应温度区间，而通过时效时间的控制，确保珠光体组织含量的同时，可防止层片粗化。
有益效果：与现有技术相比，本发明的具有如下显著优点：(1)本发明利用相图方法，通过合理的成分设计和匹配的热处理工艺，制备出珠光体型多主元合金，且其珠光体的体积分数高于80％，且珠光体层片间距小于20nm，多主元合金硬度高于600HV，磨损率小于3×10-5cm3/N·m；(2)本发明提出的方法简单，对设备要求不高，成本较低，易于工业化生产推广；(3)本发明获得的多主元合金具有较高的硬度和耐磨性能，可以作为新型轴承钢的替代产品。
附图说明
图1为实施例1中冷轧样品经时效处理的SEM图；
图2为实施例1中冷轧样品经时效处理的TEM图；
图3为实施例4中冷轧样品经时效处理的TEM图；
图4为实施例3中的冷轧样品经过550℃峰时效的SEM图；
图5为实施例1中合金的硬度及磨损率随珠光体体积分数增大而变化的趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
(1)合金设计：选定元素，设定输出条件，基于遗传算法实现合金的初步设计，根据热力学相图确定多主元合金中珠光体组织形成所需的合金中各元素的质量百分比范围为Fe：40wt.％，Co：22wt.％，Ni：22wt.％，Ti：16wt.％。
(2)真空熔炼：将原子百分比分别为45％的铁、21％的钴、22％的镍及12％的钛(纯度均大于99.99％)的粒状/块状原料放入真空感应熔炼炉中，抽真空至1×10-3Pa，熔炼电流：400A，引入磁搅拌再熔炼1～3次，待合金全部熔化，且流动性最佳状态，直接快速倾倒于模型中，最后随炉冷却成方形状锭；
(3)均匀化处理：将铸锭置于马弗炉中，抽真空，充氩气，在1100℃保温18小时，使得合金中的元素均匀分布；
(4)控制冷轧：采用10T的双辊轧机，轧辊速度：300r/min，按照0.1～1mm/道次进行分级轧制，当轧制量低于50％时，按照1mm/道次；当轧制量介于50％～70％，按照0.5mm/道次进行轧制；当轧制量高于70％后，按照0.1mm/道次轧制，轧制量控制在85％，最终获得3mm的板材。
(5)退火工艺：将轧制样品置于500℃的马弗炉中，控制时效处理时间：10h，水冷，获得珠光体型多主元耐磨合金，珠光体体积分数为80％。
参见图1，多主元合金表面已经有大量的珠光体组织形成，说明通过该方法可以制备得到珠光体的多主元合金。
参见图5，从图中可以看出随着珠光体体积分数的增加，特别是高于80％以上，合金的硬度明显升高，高于600HV，而磨损率也明显减小，磨损率小于3×10-5cm3/N·m。
实施例2
(1)合金设计：选定元素，设定输出条件，基于遗传算法实现合金的初步设计，根据热力学相图确定多主元合金中珠光体组织形成所需的合金中各元素的质量百分比范围为Fe：45wt.％，Co：25wt.％，Ni：25wt.％，Ti：5wt.％。
(2)真空熔炼：将原子百分比分别为40％的铁、24％的钴、22％的镍及14％的钛(纯度均大于99.99％)的粒状/块状原料放入真空感应熔炼炉中，抽真空至5×10-3Pa，熔炼电流：300A，引入磁搅拌再熔炼1～3次，待合金全部熔化，且流动性最佳状态，直接快速倾倒于模型中，最后随炉冷却成方形状锭；
(3)均匀化处理：将铸锭置于马弗炉中，抽真空，充氩气，在1000℃保温24小时，使得合金中的元素均匀分布；
(4)控制冷轧：采用10T的双辊轧机，轧辊速度：200r/min，按照0.1～1mm/道次进行分级轧制，当轧制量低于50％时，按照1mm/道次；当轧制量介于50％～70％，按照0.5mm/道次进行轧制；当轧制量高于70％后，按照0.1mm/道次轧制，轧制量控制在85％，最终获得3mm的板材。
(5)退火工艺：将轧制样品置于650℃的马弗炉中，控制时效处理时间：5h，水冷，获得珠光体型多主元耐磨合金，珠光体体积分数为90％。
实施例3
(1)合金设计：选定元素，设定输出条件，基于遗传算法实现合金的初步设计，根据热力学相图确定多主元合金中珠光体组织形成所需的合金中各元素的质量百分比范围为Fe：42wt.％，Co：24wt.％，Ni：24wt.％，Ti：10wt.％。
(2)真空熔炼：将原子百分比分别为43％的铁、22％的钴、22％的镍及13％的钛(纯度均大于99.99％)的粒状/块状原料放入真空感应熔炼炉中，抽真空至1×10-4Pa，熔炼电流：500A，引入磁搅拌再熔炼1～3次，待合金全部熔化，且流动性最佳状态，直接快速倾倒于模型中，最后随炉冷却成方形状锭；
(3)均匀化处理：将铸锭置于马弗炉中，抽真空，充氩气，在1200℃保温12小时，使得合金中的元素均匀分布；
(4)控制冷轧：采用10T的双辊轧机，轧辊速度：400r/min，按照0.1～1mm/道次进行分级轧制，当轧制量低于50％时，按照1mm/道次；当轧制量介于50％～70％，按照0.5mm/道次进行轧制；当轧制量高于70％后，按照0.1mm/道次轧制，轧制量控制在85％，最终获得3mm的板材。
(5)退火工艺：将轧制样品置于550℃的马弗炉中，控制时效处理时间：1h，水冷，获得珠光体型多主元耐磨合金，珠光体体积分数为98％。
参见图4，是合金经过峰时效的SEM图，从图中可以看出明显的磨损形貌(沟犁)，说明在550℃的处理温度下具有高度弥散的GP区和η’相，此时合金的强度最高。
实施例4
具体制备工艺同实施例1，不同之处在于，步骤(5)中控制时效处理时间不同，具体处理时间为50h。
参见图2和图3，图2为实施例1轧制量为85％的冷轧样品，经过500℃时效10h后TEM图，从图中可以看出珠光体层片间距约为10～20nm；而图3是实施例4中轧制量为85％的冷轧样品，经过500℃时效50h后TEM图，从图中可以看出珠光体层片间距约为45～50nm。由此可知，随着处理时间的增加，珠光体层片间距也逐渐增加，层片逐渐粗化，因此通过时效时间的控制，可以确保珠光体组织含量的同时使得珠光体层片间距小于20nm，提高整体合金的性能。

Claims (9)

1.一种珠光体型多主元耐磨合金，其特征在于：所述合金的元素组成是CoNiFeTi，合金中各元素的质量百分比范围为Fe：40~45wt.%，Co：22~25 wt.%， Ni：22~25 wt.%，Ti：5~16wt.%；合金具有纳米片层珠光体结构，珠光体的体积分数为80~100%，珠光体层片间距为10~20nm。
2.一种权利要求1所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）合金设计：选定金属元素，基于遗传算法设计合金，根据热力学相图确定多主元合金中珠光体组织形成所需的合金中各元素的质量百分比；
（2）真空熔炼：将铁、钴、镍及钛的原料放入真空感应熔炼炉中，抽真空熔炼，引入磁搅拌，待合金全部熔化，倾倒于模型中随炉冷却成铸锭；
（3）均匀化处理：将铸锭置于马弗炉中抽真空热处理，使得合金中的元素均匀分布；
（4）控制冷轧：采用轧机进行分级轧制，获得板材；
（5）退火工艺：将轧制板材置于马弗炉中，控制时效处理时间确保合金发生共析转变，水冷，获得具有珠光体型多主元耐磨合金。
3.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，轧制板材置于500~650℃的马弗炉中，控制时效处理时间为0.5~10 h。
4.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，熔炼电流为300~500A，引入磁搅拌再熔炼1~3次。
5.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，均匀化处理是在1000~1200℃下保温12~24h。
6.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，轧机的轧辊速度为200~400r/min。
7.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，轧制量控制在50~90%之间。
8.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，分级轧制具体是指：当轧制量低于50%时，按照1mm/道次；当轧制量介于50%~70%，按照0.5mm/道次进行轧制；当轧制量高于70%后，按照0.1mm/道次轧制。
9.根据权利要求2所述的珠光体型多主元耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，铁原料中Fe的原子百分比为39%~46%，钴原料中Co的原子百分比为21%~24%，镍原料中Ni的原子百分比为21%~24%，钛原料中Ti的原子百分比为6%~19%。
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