CN115233110A - 一种防腐耐磨抗冲击合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属加工技术领域，公开了一种防腐耐磨抗冲击合金及其制备方法。本发明研制的产品中，包括奥氏体相晶体和铁素体相晶体，在所述奥氏体相晶体表面和铁素体相晶体表面分散有不同原子半径的稀土金属元素。本发明技术方案通过多种不同元素和稀土元素之间的协同作用，尤其是利用不同原子半径的稀土元素，以有效调控奥氏体和铁素体在发生错位和滑移过程中的能力，以降低后续处理过程中的能耗，同时可以有效兼顾产品的耐腐蚀、耐磨及抗冲击性能等综合力学性能。

Description

一种防腐耐磨抗冲击合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，公开了一种防腐耐磨抗冲击合金及其制备方法。
背景技术
螺旋桨作为船舶的推进器，是船舶制造的关键部件。传统螺旋桨所使用的材料经历了铸铁、铸钢、铜合金等几个发展阶段。但随着航海和船舶工业的发展，特别是高速航行的需求和海洋环境的变化，铜合金或铜镍合金螺桨旋的不足开始不断显现，逐渐不能满足现代船舶对螺旋桨的要求。
采用不锈钢作为螺旋桨用合金材料是选择之一，早期的不锈钢主要以18%Cr钢与13%Cr钢为主。18%Cr钢是一种铁素体型不锈钢，不仅强度低，而且耐疲劳腐蚀的强度极低，不适合作为船用螺旋桨材料。13%Cr钢是一种马氏体型不锈钢钢种，在普通海水中的耐腐蚀性能较好，虽然其在0℃的海水中不易产生晶间腐蚀和点蚀等腐蚀，但在含有中性盐类的海水中极容易产生点蚀和晶间腐蚀，材料的耐腐蚀性能并不佳。
因此，如何在前人的基础上，对不锈钢材料进行进一步的改进，以提升其作为螺旋桨材料而言的强度等各方面的需求，尤其是耐磨和抗冲击性能的需求，以及满足海水等复杂工况下的腐蚀环境要求，对于本领域技术人员而言，是必须面临的技术难题之一。
发明内容
发明要解决的技术问题是：针对现有不锈钢材料作为螺旋桨材料使用时，难以兼顾其耐磨、抗冲击及防腐蚀性能的弊端，提供了一种防腐耐磨抗冲击合金及其制备方法。
本发明的目的是提供一种防腐耐磨抗冲击合金。
一种防腐耐磨抗冲击合金，包括奥氏体相晶体和铁素体相晶体，在所述奥氏体相晶体表面和铁素体相晶体表面分散有不同原子半径的稀土金属元素；
所述合金材料中，包括以下重量份数的元素：
0.01-0.03份碳，1.1-1.3份锰，25-27份铬，3-5份钼，0.3-0.4份氮，0.3-0.4份硅，7.1-7.2份镍，0.03-0.05份磷，0.03-0.05份硫，60-62份铁；
上述技术方案在合金中引入多种元素，其中，碳作为奥氏体相晶体形成元素，并控制碳和氮元素的配比，来调控奥氏体晶体大小，形成稳定的小晶体；同时，氮元素含量的控制还可以控制奥氏体相晶体和铁素体相晶体的分配系数，在添加的不同原子半径大小的稀土元素协同作用下，在奥氏体相晶体和铁素体相晶体表面分散不同原子半径大小的稀土元素；利用稀土元素的存在，作为晶体界面处的“润滑剂”，在后续热处理过程中，辅助晶体的转动与错位滑移，从而可以在较短时间内完成合金的强化，降低能耗；
所述稀土金属元素用量为所述铁质量的0.2-0.4%。
通过进一步控制加入的稀土元素的质量，可以调控该“润滑剂”的润滑能力，具体的，原子半径相对较小其在协助转动或错位滑移过程中，基于其更小的尺寸，其本身需要更大的运动范围才能获得同等的转动半径或滑移距离，而更大的尺寸则反之，如此，可以使得奥氏体相和铁素体相在发生错位和滑移时，在相同的能量下获得不同的转动和滑移能力，以此强化产品性能。
进一步的，所述稀土金属元素选自钪、钇、镧、铈、钆、镝中的至少两种。
进一步的，还包括第三相，所述第三相为片层状分散，所述第三相中，包括镍钴锰酸锂，所述镍钴锰酸锂为单晶颗粒形貌。
上述技术方案进一步在体系中引入层状分散的第三相，具体的，是可以在稀土元素作用下，与合金基体具有良好相容能力的镍钴锰酸锂，其中，镍、钴、锰三者的元素比例可以选择常见的1：1：1、5：3：2、6：2：2、8：1：1，镍含量越高，保存和加工会相对困难，因此，优选镍含量较低的化合物，并且，相对较低的镍含量有利于降低奥氏体相晶体含量，避免产品的抗冲击性能下降；
而之所以选择单晶颗粒形貌的镍钴锰酸锂，主要是由于，该材料本身就是层状的化合物，其加入到体系中后，部分稀土元素可以在其界面处分散，并且在C和N等元素作用下，沿其层状化合物的排列方向，阻碍单一的奥氏体或铁素体相晶体的进一步长大，避免在加工过程中，受限于加工工艺的一致性和稳定性，导致产品中奥氏体或铁素体的分布不均或含量不可控。
本发明的另一目的是提供一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法。
一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，具体制备步骤包括：
落料：
将原料加入炉中，熔融后，还原，出钢，随后经脱碳、落料，得合金坯料；
热冲压成型：
将合金坯料于炉内加热保温，移出，冲压成型；
冷却淬火：
再经保压冷却淬火，即得产品。
进一步的，所述热冲压成型包括：
将合金坯料表面加工至表面粗糙度为5-15μm；
于温度为950-1000℃条件下，热冲压至表面粗糙度为0.05-0.08μm。
进一步的，所述将合金坯料表面加工至表面粗糙度为5-15μm选用喷丸加工、切削加工中的任意一种。
进一步的，所述将合金坯料表面加工至表面粗糙度为5-15μm选用喷丸加工。
进一步的，在所述热冲压成型完成后，进行辊压处理；所述辊压处理包括：于温度为850-900℃，压力为24-26kN条件下，辊压处理。
上述技术方案进一步控制了产品的加工工艺过程，具体的，在热冲压成型前，先将材料表面进行粗糙处理，如此，在热和压力瞬间向合金传递时，可以在粗糙的凸起和凹坑的不同部位出形成晶体错位或滑移所需的外力，强化产品的机械性能。
进一步的，所述保压冷却淬火包括：于保压压力为18-20kN条件下，以30-35℃/s速率冷却至70-80℃。
有益技术效果：
本发明技术方案通过多种不同元素和稀土元素之间的协同作用，尤其是利用不同原子半径的稀土元素，以有效调控奥氏体和铁素体在发生错位和滑移过程中的能力，以降低后续处理过程中的能耗，同时可以有效兼顾产品的耐腐蚀、耐磨及抗冲击性能等综合力学性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
按照以下重量份数的元素配比，将原料投入EAF电弧炉内：
0.01份碳，1.1份锰，25份铬，3份钼，0.3份氮，0.3份硅，7.1份镍，0.03份磷，0.03份硫，60份铁；以及铁质量的0.2%的稀土元素；
所述稀土金属元素选自钪和镧，两者的质量比为1：1；
加热熔融后，加入待熔清后，加入单晶颗粒形貌的镍钴锰酸锂，其用量为铁用量的1%，进行还原反应，随后扒清还原渣后，出钢，随后于AOD炉中经脱碳、去气、除杂等工艺精炼，落料，得合金坯料；
其中，镍钴锰酸锂中，镍、钴、锰三者的元素比例可以选择常见的1：1：1；
将所得合金坯料进行粗糙化处理，以控制其表面的粗糙度为5μm；
所述粗糙化处理选用喷丸加工方式实现；
再将粗糙化处理的合金坯料转移至中频感应加热炉中，加热至950℃，保温3h后，转移至热冲压设备，于温度为950℃条件下，热冲压至表面粗糙度为0.05μm，具体的，选择在冲压压力为30kN，改变冲压次数，以实现上述粗糙度的控制；
待热冲压完成后，沿材料表面，于温度为850℃，压力为24kN条件下，以0.3m/min速率进行辊压处理；
待辊压处理结束后，将合金材料于保压压力为18kN条件下，以30℃/s速率冷却至70℃，以实现保压冷却淬火，再经脱模，冷却至室温，即得产品。
实施例2
按照以下重量份数的元素配比，将原料投入EAF电弧炉内：
0.02份碳，1.2份锰，25.5份铬，3.5份钼，0.35份氮，0.35份硅，7.15份镍，0.04份磷，0.04份硫，61份铁；以及铁质量的0.3%的稀土元素；
所述稀土金属元素选自钇和镝，钇和镝质量比为1：1.5；
加热熔融后，加入待熔清后，加入单晶颗粒形貌的镍钴锰酸锂，其用量为铁用量的2%，进行还原反应，随后扒清还原渣后，出钢，随后于AOD炉中经脱碳、去气、除杂等工艺精炼，落料，得合金坯料；
其中，镍钴锰酸锂中，镍、钴、锰三者的元素比例可以选择常见的5：3：2；
将所得合金坯料进行粗糙化处理，以控制其表面的粗糙度为12μm；
所述粗糙化处理选用切削加工方式实现；
再将粗糙化处理的合金坯料转移至中频感应加热炉中，加热至980℃，保温4h后，转移至热冲压设备，于温度为980℃条件下，热冲压至表面粗糙度为0.06μm，具体的，选择在冲压压力为32kN，改变冲压次数，以实现上述粗糙度的控制；
待热冲压完成后，沿材料表面，于温度为880℃，压力为25kN条件下，以0.4m/min速率进行辊压处理；
待辊压处理结束后，将合金材料于保压压力为19kN条件下，以32℃/s速率冷却至75℃，以实现保压冷却淬火，再经脱模，冷却至室温，即得产品。
实施例3
按照以下重量份数的元素配比，将原料投入EAF电弧炉内：
0.03份碳，1.3份锰，27份铬，5份钼，0.4份氮，0.4份硅，7.2份镍，0.05份磷，0.05份硫，62份铁；以及铁质量的0.4%的稀土元素；
所述稀土金属元素选自钪、钇、镧，三者的质量比为1：1：1；
加热熔融后，加入待熔清后，加入单晶颗粒形貌的镍钴锰酸锂，其用量为铁用量的3%，进行还原反应，随后扒清还原渣后，出钢，随后于AOD炉中经脱碳、去气、除杂等工艺精炼，落料，得合金坯料；
其中，镍钴锰酸锂中，镍、钴、锰三者的元素比例可以选择常见的6：2：2；
将所得合金坯料进行粗糙化处理，以控制其表面的粗糙度为15μm；
所述粗糙化处理选用喷丸加工方式实现；
再将粗糙化处理的合金坯料转移至中频感应加热炉中，加热至1000℃，保温5h后，转移至热冲压设备，于温度为1000℃条件下，热冲压至表面粗糙度为0.08μm，具体的，选择在冲压压力为35kN，改变冲压次数，以实现上述粗糙度的控制；
待热冲压完成后，沿材料表面，于温度为900℃，压力为26kN条件下，以0.5m/min速率进行辊压处理；
待辊压处理结束后，将合金材料于保压压力为20kN条件下，以35℃/s速率冷却至80℃，以实现保压冷却淬火，再经脱模，冷却至室温，即得产品。
实施例4
本实施例和实施例1相比，区别在于：未添加镍钴锰酸锂，其余条件保持不变。
实施例5
本实施例和实施例1相比，区别在于：在热冲压结束后，未采用辊压处理，其余条件保持不变。
实施例6
本实施例和实施例1相比，区别在于：稀土元素仅选用钪，其余条件保持不变。
实施例7
本实施例和实施例1相比，区别在于：选用等质量的D50为12μm的二次球镍钴锰酸锂取代单晶颗粒形貌的镍钴锰酸锂，其余条件保持不变。
对比例1
本对比例和实施例1相比，区别在于：未添加稀土元素，其余条件保持不变。
对比例2
本对比例和实施例1相比，区别在于：氮元素的重量份数为0.2份，其余条件保持不变。
对比例3
本对比例和实施例1相比，区别在于：碳元素的重量份数为0.005份，其余条件保持不变。
对实施例1-7及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：
抗冲击性能测试：
按照《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（GB/T229-2007）制作测试样品，按照标准加工成标准的夏比V型缺口，样品尺寸为60mm×10mm×10mm；
分别记录测试样品的冲击功，将冲击功除以缺口处横截面积，得到冲击韧度1，单位为J/cm2；具体测试结果见表1；
按照上述同样的方式重新制样后，将各样品浸泡于质量分数为10%的硫酸溶液中，并加入硫酸溶液质量3%的氯化钠，1%的氯化钙，随后于温度为25℃条件下，持续浸泡7d后，将样品取出，采用上述同样的方法测试得到其冲击韧度2；
耐磨性能测试：
将上述各实施例和对比例产品在100℃条件下，与标准200目碳化硅砂轮进行对磨，测试其磨耗比；
其中，磨耗比为砂轮失重/产品失重，具体测试结果见表1；
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由表1测试结果可知，本发明所得产品不仅具有优异的力学性能，并且兼顾良好的耐腐蚀性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种防腐耐磨抗冲击合金，其特征在于，包括奥氏体相晶体和铁素体相晶体，在所述奥氏体相晶体表面和铁素体相晶体表面分散有不同原子半径的稀土金属元素；
所述合金材料中，包括以下重量份数的元素：
0.01-0.03份碳，1.1-1.3份锰，25-27份铬，3-5份钼，0.3-0.4份氮，0.3-0.4份硅，7.1-7.2份镍，0.03-0.05份磷，0.03-0.05份硫，60-62份铁；
所述稀土金属元素用量为所述铁质量的0.2-0.4%。
2.根据权利要求1所述的一种防腐耐磨抗冲击合金，其特征在于，所述稀土金属元素选自钪、钇、镧、铈、钆、镝中的至少两种。
3.根据权利要求1所述的一种防腐耐磨抗冲击合金，其特征在于，还包括第三相，所述第三相为片层状分散，所述第三相中，包括镍钴锰酸锂，所述镍钴锰酸锂为单晶颗粒形貌。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：
落料：
将原料加入炉中，熔融后，还原，出钢，随后经脱碳、落料，得合金坯料；
热冲压成型：
将合金坯料于炉内加热保温，移出，冲压成型；
冷却淬火：
再经保压冷却淬火，即得产品。
5.根据权利要求4所述的一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，其特征在于，所述热冲压成型包括：
将合金坯料表面加工至表面粗糙度为5-15μm；
于温度为950-1000℃条件下，热冲压至表面粗糙度为0.05-0.08μm。
6.根据权利要求5所述的一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，其特征在于，所述将合金坯料表面加工至表面粗糙度为5-15μm选用喷丸加工、切削加工中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，其特征在于，所述将合金坯料表面加工至表面粗糙度为5-15μm选用喷丸加工。
8.根据权利要求4所述的一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，其特征在于，在所述热冲压成型完成后，进行辊压处理；所述辊压处理包括：于温度为850-900℃，压力为24-26kN条件下，辊压处理。
9.根据权利要求4所述的一种防腐耐磨抗冲击合金的制备方法，其特征在于，所述保压冷却淬火包括：于保压压力为18-20kN条件下，以30-35℃/s速率冷却至70-80℃。
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