CN115261544A - 一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多元合金材料及铸造材料领域，特别涉及一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：步骤一、采用了物理或化学方法制备指定多元合金纳米粉末；步骤二、所述表面处理为包覆处理，包括C、N物理包覆或其他化学包覆方法；步骤三、按一定质量百分比将高铬铸铁原料在中频感应电炉进行熔炼搅拌，熔炼金属料全部熔化后加入锰铁进行脱氧处理，得到所述精炼金属液；步骤四、关闭加热，同时将处理好的粉体加进金属液体中，在熔融状态下浇注成型得到所要的耐磨材料。本发明通过纳米多元合金的添加，改善高铬铸铁组织，提高力学性能，降低材料磨损失效速率。

Description

一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法
技术领域
本发明涉及多元合金材料及铸造材料领域，特别涉及一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法。
背景技术
高铬铸铁因为具有好的硬度、耐磨、耐蚀及优秀的综合性能而广泛的应用在矿山、发电、冶金、建筑等领域。尤其在矿山高压塔磨设备中作为耐磨衬板使用，需要长时间服役于研磨、破碎、高压等复杂环境。现有材料虽然也具有较高硬度，但服役寿命较短，服役期间伴有严重的磨损和开裂剥离现象，这是因为高铬铸铁材料塑韧性匹配和抗疲劳、抗冲击性能不良。这些失效造成频繁的部件更换，增加设备维护成本，甚至影响生产进度。因此，急需寻找升级高铬铸铁综合性能的方法，以解决材料易失效的短板。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：针对现有材料组织粗大不均、失效快的问题，通过纳米多元合金添加的方法，改善高铬铸铁组织，提高力学性能，降低材料磨损失效速率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用了物理或化学方法制备指定多元合金纳米粉末；
步骤二、所述表面处理为包覆处理，包括C、N物理包覆或其他化学包覆方法；其目的为：在合金能发挥性能同时，改善合金粉在金属溶液中的分散性与润滑性；
步骤三、按一定质量百分比将高铬铸铁原料在中频感应电炉进行熔炼搅拌，熔炼温度范围在1400-1580℃之间，升温速率在5℃min至25℃/min之间，保证原料充分熔化，熔炼气体压力在0.04-0.08MPa之间，以保证熔炼样品封闭于真空环境之中进行，避免过量氧化和其他气体污染。待金属料全部熔化后加入锰铁进行脱氧处理，得到所述精炼金属液；
步骤四、关闭加热，同时将处理好的粉体加进金属液体中，在熔融状态下浇注成型得到所要的含有多元金属相高铬铸铁耐磨材料。
进一步的，步骤一中所述的多元合金纳米粉末组成元素选自：Mo、Nb、W、Ta、Ti、Zr、Al、Si、Cu以及稀土元素Ho、Ce、La。
进一步的，步骤一所述的多元合金粉末为单一粉或混合粉。
进一步的，其特征在于，步骤一所述粉末物理方法采用粉末冶金法或采用电弧法，所述粉末化学方法采用氧化还原或溶胶凝胶法。
进一步的，步骤一所述合金为二元合金：Mo-Zr、Mo-Cu、Mo-W、Mo-Nb、Nb-W、Nb-Ti、Nb-Si、Ta-W、Ta-Nb、W-Cu、Ho-Al、Ti-Si。
进一步的，步骤一所述合金为所述元素范围的多元合金。
进一步的，其特征在于：步骤一所述粉体平均粒度为10-100纳米，粉体质量占所述原料高铬铸铁合金总重量的0.1-10%。
进一步的，步骤三所述高铬铸铁化学成分质量百分比为：C：2-3.8%，Cr：14-30%，Mo：0-3.0%，Ni：0-2.5%，Si：0-1.2%，Mn：0-2.0%，Cu：0-2.0%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
进一步的，步骤四中的浇注温度为1380-1500℃，浇注速度5-15L/min。
所述的粉末冶金法出自文献一：丁夏楠,蒋阳,杨奔,仲洪海,余大斌.掺杂PbTe基热电材料的粉末冶金法制备及其性能研究[J].粉末冶金工业,2012,22(4):35-40。
所述的电弧法出自文献二：段兴凯,江跃珍.Bi_2Te_3纳米粉末的直流电弧等离子体合成[J].材料科学与工程学报,2010(5):731-734。
所述的氧化还原出自文献三：刘艳真, 张景林, 黄浩. 氧化还原法制备纳米镍粉研究[J]. 应用化工,2005,34(4):3.。
所述的溶胶凝胶法出自文献四：姚敏琪,卫英慧,胡兰青,等. 溶胶-凝胶法制备纳米粉体[J]. 稀有金属材料与工程,2002,31(5):325-329。
所述的C、N物理包覆出自文献五：毛凌波,张仁元,柯秀芳,庞晋山.纳米铜粉与碳包覆铜纳米粉的分散性能比较[J].中国粉体技术,2010,16(4):50-54。
所述的溶胶凝胶法出自文献六：刘志平,黄慧民,邓淑华,欧得华,姬文晋.水热法一步合成核壳型TiO_2/Al_2O_3纳米粉体的热力学分析[J].硅酸盐通报,2007,26(1):75-79。
本发明与现有技术相比，所具有的有益效果。
纳米多元金属合金是一类先进的新材料，这些材料从微观尺度出发具有特殊的结构及一定的微观可塑性。正是由于这种微观结构的多样化，结合材料纳米尺度对工艺的敏感性，纳米多元合金具有多样的制造方法。这些纳米材料不仅具有合金的优秀性能，由于尺寸效应和大幅增加的比表面积，材料得以更好的与基体相结合甚至有复杂的反应，从而对高铬铸铁性能产生影响。加入纳米合金粉可以作为高铬铸铁基体和碳化物的形核核心，其尺度特点使其在液体凝固中更好的改变和控制基体与碳化物的晶粒尺寸和生长形态，甚至达到组织与结构的调节作用。相对单一元素添加，多元合金粉在改变组织结构、元素分布的同时，减少了铸件内孔隙、夹杂等缺陷，形成具有优良组织和致密度的优质高铬铸铁材料。
由于铸铁金属液通常达到1500℃的高温度，合金采用了难熔金属作为主要成分，保证其作为形核中心的有效性和稳定性。同时，难熔金属通常含有W、Mo、Ta等元素，合金密度大，保证了其在高铬铸铁中合适的分散度，对合金进行包覆处理后也可以改善合金分散性和润滑性，有利于铸造合金整体均匀化。
通过本方法获得的高铬铸铁平均硬度达到HRC 65-67，而无纳米添加剂的对比样品平均硬度为HRC63-65。同时本方法获得的高铬铸铁平均抗弯强度达到1100Mpa以上，相对无纳米添加剂的对比样品提高近20%。在相同磨损条件下，本发明高铬铸铁耐磨性提高20%以上，这可以大幅提高材料使用寿命。
具体实施方式
实施例1：
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例二元合金纳米粉成分为：Mo-Cu、Mo-W、Mo-Nb、Ta-W、Ta-Nb、W-Cu、Ho-Al、Ti-Si中的一种或多种的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，混合粉的总质量占高铬铸铁质量的0.1-2%。
步骤二、采用真空熔炼炉，将高铬铸铁原料在感应炉中进行熔炼，多元合金纳米粉放在二次加料仓中备用。升温速度为10℃/min，升温开始时炉内气压为0.06MPa，在熔炼温度接近1500℃时金属原料完全熔化，保温8min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.0-3.3%，Cr：23-30%，Mo：0-3.0%，Ni：0-2.5%，Si：0-1.2%，Mn：0-2.0%，Cu：0-2.0%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将二次加料仓的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到5L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
实施例2。
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例三元合金纳米粉成分为：Mo-Zr-Ti、Mo-Nb-W、Mo-Zr-Nb、Nb-Ti-Al、Nb-Ti-Zr中的一种或多种的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，混合粉的总质量占高铬铸铁质量的1-3%。
步骤二、采用中频感应熔炼炉将高铬铸铁原料在感应电炉中进行熔炼。升温速度为5℃/min，升温开始时炉内气压为0.04MPa，在熔炼温度达到1520℃时金属原料完全熔化，保温5min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.5-3.2%，Cr：23-30%，Mo：0.6-2.0%，Ni：0.7-2.0%，Si：0.6-1.2%，Mn：0.8-1.8%，Cu：0.5-0.7%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将准备好的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到8L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
实施例3。
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例四元合金纳米粉成分为：Mo-Zr-Nb-W、Nb-Si-Mo-W中的一种或多种的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，控制混合粉的总质量占高铬铸铁质量的2-5%。
步骤二、采用中频感应熔炼炉将高铬铸铁原料在感应电炉中进行熔炼。升温速度为25℃/min，升温开始时炉内气压为0.08MPa，在熔炼温度接近1500℃时金属原料完全熔化，保温10min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.6-3.8%，Cr：14-26%，Mo：0.5-1.5%，Ni：0.1-1.0%，Si：0.4-0.8%，Mn：0.8-1.0%，Cu：0.1-0.5%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将准备好的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到10L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
实施例4。
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例采用实施例1中的一种或多种二元合金及实施例2中的一种或多种三元合金的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，控制混合粉的总质量占高铬铸铁质量的0.1-5%。
步骤二、采用中频感应熔炼炉将高铬铸铁原料在感应电炉中进行熔炼。升温速度为20℃/min，升温开始时炉内气压为0.05MPa，在熔炼温度达到1500℃时金属原料完全熔化，保温15min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.6-3.8%，Cr：14-26%，Mo：0.5-1.5%，Ni：0.1-1.0%，Si：0.4-0.8%，Mn：0.8-1.0%，Cu：0.1-0.5%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将准备好的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到11L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
实施例5。
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例采用实施例1中的一种或多种二元合金及实施例3中的一种或多种四元合金的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，控制混合粉的总质量占高铬铸铁质量的3-10%。
步骤二、采用中频感应熔炼炉将高铬铸铁原料在感应电炉中进行熔炼。升温速度为12℃/min，升温开始时炉内气压为0.07MPa，在熔炼温度接近1500℃时金属原料完全熔化，保温20min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.5-3.2%，Cr：23-30%，Mo：0.6-2.0%，Ni：0.7-2.0%，Si：0.6-1.2%，Mn：0.8-1.8%，Cu：0.5-0.7%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将准备好的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到15L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
实施例6。
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例采用实施例2中的一种或多种三元合金及实施例3中的一种或多种四元合金的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，控制混合粉的总质量占高铬铸铁质量的2-8%。
步骤二、采用中频感应熔炼炉将高铬铸铁原料在感应电炉中进行熔炼。升温速度为10℃/min，升温开始时炉内气压为0.06MPa，在熔炼温度达到1500℃时金属原料完全熔化，保温12min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.5-3.2%，Cr：23-30%，Mo：0.6-2.0%，Ni：0.7-2.0%，Si：0.6-1.2%，Mn：0.8-1.8%，Cu：0.5-0.7%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将准备好的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到12L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
实施例7。
本实施例是一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其步骤如下：
步骤一、本实施例采用实施例1中的一种或多种二元合金、实施例2中的一种或多种三元合金及实施例3中的一种或多种四元合金的机械混合，粉体粒径10-100nm不等，控制混合粉的总质量占高铬铸铁质量的1-5%。
步骤二、采用真空熔炼炉，将高铬铸铁原料在感应电炉中进行熔炼，多元合金纳米粉放在二次加料仓中备用。升温速度为10℃/min，升温开始时炉内气压为0.06MPa，在熔炼温度接近1500℃时金属原料完全熔化，保温22min后关闭加热。其中高铬铸铁配料范围采用C：2.0-3.3%，Cr：23-30%，Mo：0-3.0%，Ni：0-2.5%，Si：0-1.2%，Mn：0-2.0%，Cu：0-2.0%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
步骤三、将二次加料仓的合金纳米粉加入金属液体中。在温度1400℃左右进行浇注成型，浇注速度最快达到7L/min。最终降温冷却获得含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料。
本发明所述的实施例是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用了物理或化学方法制备指定多元合金纳米粉末；
步骤二、所述表面处理为包覆处理，包括C、N物理包覆或其他化学包覆方法；
步骤三、按一定质量百分比将高铬铸铁原料在中频感应电炉进行熔炼搅拌，熔炼温度范围在1400-1580℃之间，升温速率在5℃min至25℃/min之间，保证原料充分熔化，熔炼气体压力在0.04-0.08MPa之间，待金属料全部熔化后加入锰铁进行脱氧处理，得到所述精炼金属液；
步骤四、关闭加热，同时将处理好的粉体加进金属液体中，在熔融状态下浇注成型得到所要的含有多元金属相高铬铸铁耐磨材料。
2.根据权利要求1所述的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的多元合金纳米粉末组成元素选自：Mo、Nb、W、Ta、Ti、Zr、Al、Si、Cu以及稀土元素Ho、Ce、La。
3.根据权利要求1所述的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述的多元合金粉末为单一粉或混合粉。
4.根据权利要求1所述的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述粉末物理方法采用粉末冶金法或采用电弧法，所述粉末化学方法采用氧化还原或溶胶凝胶法。
5.根据权利要求1所述的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述合金为二元合金：Mo-Zr、Mo-Cu、Mo-W、Mo-Nb、Nb-W、Nb-Ti、Nb-Si、Ta-W、Ta-Nb、W-Cu、Ho-Al、Ti-Si。
6.根据权利要求1所述的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述合金为所述元素范围的多元合金。
7.根据权利要求1所示的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述粉体平均粒度为10-100纳米，粉体质量占所述原料高铬铸铁合金总重量的0.1-10%。
8.根据权利要求1所示的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述高铬铸铁化学成分质量百分比为：C：2-3.8%，Cr：14-30%，Mo：0-3.0%，Ni：0-2.5%，Si：0-1.2%，Mn：0-2.0%，Cu：0-2.0%，S：0-0.06%，P：0-0.1%，Fe：余量。
9.根据权利要求1所示的一种含有多元金属相的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，其特征在于：步骤四中的浇注温度为1380-1500℃，浇注速度5-15L/min。
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赵凤起等: "纳米金属粉在固体推进剂中的应用", 哈尔滨工程大学出版社, pages: 128 - 53 *

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CN115261544B (zh) 2024-02-23

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