CN115637379A - 一种高碳合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金冶炼技术领域，尤其是涉及一种高碳合金及其制备方法。本发明的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：(A)将自耗电极进行退火处理，得到退火后的自耗电极；(B)将所述退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和冷却处理后得到铸锭。通过本发明的高碳合金的制备方法制得的合金铸锭一次碳化物尺寸细小、热加工塑性好、强度高、成材率高，经锻造、轧制等工艺过程中不易开裂，高碳合金中碳化物尺寸小、分布均匀。

Description

一种高碳合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金冶炼技术领域，尤其是涉及一种高碳合金及其制备方法。
背景技术
模具钢、高速钢以及碳化物强化的其他合金材料，为了提高合金材料的性能，往往要添加碳化物形成元素，在合金中析出各类碳化物。碳化物的形貌、分布和尺寸与合金材料的性能密切相关，细小而均匀分布的碳化物可提高合金材料的强度、韧性和使用寿命等性能。
模具钢、高速钢以及碳化物强化的其他合金采用现有的制备方法，在制备过程中容易形成大尺寸的一次碳化物，导致热加工塑性差，合金材料中存在碳化物颗粒尺寸大，分布不均匀等问题，严重影响合金材料的使用寿命。因此，细化合金材料中的碳化物、改善碳化物的分布对提高合金材料的质量具有重要的作用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高碳合金的制备方法，可细化高碳合金中的碳化物尺寸，提高碳化物的分布均匀性，从而有利于提高高碳合金的强度和塑性。
本发明的第二目的在于提供一种高碳合金，该高碳合金中的碳化物的尺寸小，分布均匀，具有优异的拉伸塑性和冲击韧性。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)将自耗电极进行退火处理，得到退火后的自耗电极；
(B)将所述退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和冷却处理后得到铸锭。
进一步地，所述高碳合金包括Fe基合金和Co基合金中的任一种。
进一步地，所述高碳合金中，C的质量百分数为0.7％～2.5％。
进一步地，所述高碳合金，按质量百分数计，包括：C 0.7％～2.5％、Cr1％～35％和Mo 0.5％～10％。
优选地，所述高碳合金中，还包括W、Si、V、Mn、Co和Fe中的一种或多种。
进一步地，步骤(A)中，所述退火处理的温度为900～1150℃，所述退火处理的时间为1～5h。
优选地，所述退火处理包括：以1～5℃/min的速率升温至900～1150℃保温处理1～5h后，以1～3℃/min的速率降温至400℃以下，空冷。
进一步地，步骤(B)中，所述抽锭式电渣重熔处理的渣系，按质量百分数计，包括：CaF2 45％～57％、CaO 15％～19％、Al2O3 15％～19％和SiO25％～25％。
进一步地，步骤(B)中，所述冷却处理包括水冷。
优选地，所述冷却处理的水流量为2～20kg/min。
进一步地，所述高碳合金的制备方法，还包括：将所述铸锭依次进行均匀化处理、锻造、轧制和热处理后，得到所述高碳合金。
优选地，所述均匀化处理的温度为1200～1260℃，所述均匀化处理的时间为6～20h。
本发明还提供了一种高碳合金，采用如上所述的高碳合金的制备方法制得。
进一步地，所述高碳合金中，碳化物的尺寸≤15μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的高碳合金的制备方法，通过采用抽锭式电渣重熔工艺生产铸锭，并对铸锭进行二次冷却，大幅度降低了铸锭的偏析，减小一次碳化物尺寸，细化了碳化物的尺寸、提高了碳化物的分布均匀性；从而提高了铸锭的强度和热加工塑性，在后续的锻造及轧制等过程中不宜开裂，提高了成材率；铸锭冷却后，通过相匹配的均匀化处理、锻造、轧制和热处理等工艺，使制备的合金材料具有优异的性能。
本申请的高碳合金的制备方法可以适用于多种合金，可替代粉末冶金工艺，生产含碳量更高的变形高碳合金产品，且高碳合金中无大尺寸夹杂物、碳化物尺寸较小、分布均匀，具有优异的强度和塑性。
本申请的高碳合金的制备方法中，在抽锭式电渣重熔过程中通过采用特定组分的渣系，提高了铸锭表面质量提高，铸锭表面光滑、均匀致密，铸锭不用打磨可直接进行锻造或轧制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2制得的高碳合金的图片。
图2为本发明对比例2制得的高碳合金的图片。
图3为本发明实施例5的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌图。
图4为本发明对比例5的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌图。
图5为本发明实施例6的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌图。
图6为本发明对比例6的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌图。
图7为本发明实施例7的轧制后的棒材中碳化物的微观形貌图。
图8为本发明对比例7的轧制后的棒材中碳化物的微观形貌图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的高碳合金及其制备方法进行具体说明。
在本发明的一些实施方式中提供了一种高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)将自耗电极进行退火处理，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和冷却处理后得到铸锭。
本发明的高碳合金的制备方法，降低了高碳合金中碳化物的尺寸，使碳化物更细，均匀性更好，有利于提高高碳合金的强度和塑性。
本发明的高碳合金的制备方法，通过采用抽锭式电渣重熔工艺生产铸锭，并在制备过程中对铸锭进行二次冷却，大幅度降低了铸锭偏析，减小一次碳化物尺寸，提高铸锭的热加工塑性，提高成材率。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金包括Fe基合金和Co基合金中的任一种。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金中，C的质量百分数为0.7％～2.5％；典型但非限制性的，C的质量百分数为0.7％、0.8％、0.9％、1.0％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2.0％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％或者2.5％等等。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金中，C的质量百分数为1.5％～2.5％。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金，按质量百分份数计，包括：C0.7％～2.5％、Cr 1％～35％和Mo 0.5％～10％。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金中，还包括W、Si、V、Mn、Co和Fe中的一种或多种。优选地，高碳合金中，W的质量百分数为1％～20％；高碳合金中，Si的质量百分数为0.2％～2％；高碳合金中，V的质量百分数为0.5％～5％；高碳合金中，Mn的质量百分数为0.5％～2％。
本发明的高碳合金的制备方法可适用于多种合金，尤其可以细化含碳量较高的合金中的碳化物，可替代粉末冶金工艺，生产含碳量更高的变形高碳合金产品。
在本发明的一些实施方式中，细化高碳合金中碳化物的方法，包括如下步骤：将自耗电极进行退火处理、抽锭式电渣重熔处理得到铸锭，然后对铸锭进行冷却处理。
在本发明的一些实施方式中，步骤(A)中，退火处理的温度为900℃～1150℃，退火处理的时间为1～5h；在本发明的一些实施方式中，步骤(A)中，典型但非限制性的，例如，退火处理的温度为900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃或者1150℃等等；退火处理的时间为1h、2h、3h、4h或者5h等等。
在本发明的一些实施方式中，步骤(A)中，退火处理包括：以1～5℃/min的速率升温至900～1150℃保温处理1～5h后，以1～3℃/min的速率降温至400℃以下，空冷。
在本发明的一些具体的实施方式中，步骤(A)中，退火处理的温度为1100℃～1150℃；此温度下，可更好的适用于含碳量在1.5wt％～2.5wt％范围内的高碳合金；或者，步骤(A)中，退火处理的温度为900℃～1050℃；此温度下，可更好的适用于Fe基合金；或者，步骤(A)中，退火处理的温度为1050℃～1150℃；此温度下，可更好的适用于Co基合金。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，抽锭式电渣重熔处理的渣系，按质量百分数计，包括：CaF2 45％～57％、CaO 15％～19％、Al2O3 15％～19％和SiO2 5％～25％。
在本发明的一些实施方式中，典型但非限制性的，例如，渣系中，SiO2的质量百分数为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或者25％等等。
本发明的渣系在使用前要进行烘烤，烘烤的温度＞650℃，烘烤的时间＞6h。
本发明的渣系中添加了SiO2，降低了熔点，提高了粘度，提高了铸锭表面质量，铸锭不用打磨可直接进行锻造或轧制。
在本发明的一些具体的实施方式中，步骤(B)中，渣系中，SiO2的质量百分数为10％～25％；可更好的适用于含碳量在1.5wt％～2.5wt％范围内的高碳合金；或者，渣系中，SiO2的质量百分数为10～25％；可更好的适用于Fe基合金；或者，渣系中，SiO2的质量百分数为5～15％；可更好的适用于Co基合金。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，抽锭式电渣重熔处理的熔炼电压为35～60V；抽锭式电渣重熔处理的熔炼电流为800～5000A；抽锭式电渣重熔处理的抽锭速度为4～15mm/min。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，抽锭式电渣重熔处理的结晶器直径为D，自耗电极的直径为d，D为120～300mm，d＝(0.5～0.8)D。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，抽锭式电渣重熔处理采用的结晶器高度H＝(1.2～1.8)D。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，抽锭式电渣重熔处理的渣系的厚度h＝(0.5～1.0)D。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，冷却处理包括水冷。
在本发明的一些实施方式中，步骤(B)中，冷却处理的水流量为2～20kg/min。
本发明的高碳合金的制备方法中，在结晶器下方安置喷水环，对抽出的铸锭进行二次冷却，二次冷却水流量为2～20kg/min。采用二次冷却后，铸锭的组织中的碳化物尺寸更弥散了。
本发明通过铸锭喷水冷却，提高铸锭凝固速度，凝固过程中析出的碳化物尺寸更细，分布均匀，锻造过程中不易萌生裂纹，锻造成材率提高，产品中碳化物为球形，性能更好，使用寿命更长。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金的制备方法，还包括：将铸锭依次进行均匀化处理、锻造、轧制和热处理后，得到高碳合金。
在本发明的一些实施方式中，均匀化退火的温度为1200～1260℃，均匀化退火的时间为6～20h；典型但非限制性的，例如，均匀化退火的温度为1200℃、1205℃、1210℃、1215℃、1220℃、1225℃、1230℃、1235℃、1240℃、1245℃、1250℃、1255℃或者1260℃等等；均匀化退火的时间为6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h或者20h等等。
在本发明的一些实施方式中，均匀化退火包括：升温至1200～1260℃保温处理6～20h后，降温至400℃以下，空冷。
在本发明的一些具体的实施方式中，均匀化处理的温度为1240～1260℃，均匀化处理的时间为12～20h。
在本发明的一些实施方式中，锻造的温度为1100～1220℃；优选地，Fe基合金锻造的温度为1100℃～1180℃，Co基合金的锻造温度为1150℃～1220℃。
在本发明的一些实施方式中，锻造的总变形量为80％～95％。
在本发明的一些实施方式中，锻造分2～4火次完成；优选地，锻造的每火次的变形量为15％～50％。
在本发明的一些实施方式中，锻造的方式为镦拔。
在本发明的一些实施方式中，轧制的温度为1050～1150℃。
本发明的一些实施方式中，轧制的每道次的变形量为10％～15％。
本发明的高碳合金的制备方法，通过采用上述的均匀化处理、锻造和轧制过程，锻造及轧制过程中合金不宜开裂，有利于提高成材率，降低成本；可使制得的高碳合金纯净度更高，无大尺寸夹杂物，有利于提高使用可靠性。
在本发明的一些实施方式中，热处理包括：在1050～1220℃保温处理0.5～6h。
在本发明的一些实施方式中，热处理包括：在1050～1220℃保温处理0.5～6h后冷却；优选地，冷却包括空冷、风冷或油冷；更优选地，冷却的速度为15～200℃/min。
在本发明的一些实施方式中，热处理包括淬火处理和回火处理；优选地，淬火处理包括：在1050～1210℃下保温处理0.5～6h后冷却；优选地，冷却包括油冷或盐浴冷却；更优选地，冷却速度为100～600℃/min；回火处理包括：在170℃～570℃下保温1～6h后空冷；优选地，回火的次数为1～3次。
在本发明的一些实施方式中还提供了一种高碳合金，采用上述高碳合金的制备方法制得。
在本发明的一些实施方式中，高碳合金中，碳化物的尺寸＜15μm。
在本发明的一些实施方式中，Co基合金的室温拉伸性能σb＞1200MPa，σ0.2＞700MPa，δ＞5％。
在本发明的一些实施方式中，Fe基合金中，碳化物的尺寸＜12μm，冲击功＞40J；Fe基合金为经热处理后的Fe基合金。
实施例1
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000091
长度为500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至900℃保温1h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000096
渣池深度100mm，电压35～45V，电流800～2000A，抽锭速度4～8mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 57％、CaO 19％、Al2O3 19％和SiO2 5％；喷水冷却处理的喷水量为2kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温6h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为90％±2％的锻造得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000092
的棒材；锻造包括：依次在1220℃进行第一火次的镦拔，在1200℃进行第二火次的镦拔，在1200℃进行第三火次的镦拔，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000093
的棒材在1200℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000094
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将尺寸为
Figure BDA0003840215440000095
的棒材加热至1200℃保温30min后，以200℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 1％、Cr 30％、Ni 1％、W 3％、Mo 1％，余量为Co和不可避免的杂质。
实施例2
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000101
长度为500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至1100℃保温3h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000103
渣池深度100mm，电压35～48V，电流800～2500A，抽锭速度4～10mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 54％、CaO 18％、Al2O3 18％和SiO2 10％；喷水冷却处理的喷水量为2～4kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温12h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为90％±2％的锻造得到尺寸为30mm×100mm×200mm的板材；锻造包括：依次在1220℃进行第一火次的镦拔，在1200℃进行第二火次的镦拔，在1200℃进行第三火次的镦拔，然后锻造为30mm×100mm×200mm的板材，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为30mm×100mm×200mm的板材在1200℃进行轧制得到厚度为5mm的板材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将厚度为5mm的板材加热至1200℃保温10min后，以200℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 1.7％、Cr 30％、Ni 3％、W 4.5％、Mo 2％，余量为Co和不可避免的杂质。
实施例3
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000102
长度为500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至1150℃保温5h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000112
渣池深度100mm，电压35～50V，电流800～3000A，抽锭速度4～15mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 45％、CaO 15％、Al2O3 15％和SiO2 25％；喷水冷却处理的喷水量为2～5kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温12h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为90％±2％的锻造得到尺寸为30mm×100mm×200mm的板材；锻造包括：依次在1200℃进行第一火次的镦拔，在1200℃进行第二火次的镦拔，在1200℃进行第三火次的镦拔，然后锻造为30mm×100mm×200mm的板材，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为30mm×100mm×200mm的板材在1200℃进行轧制得到厚度为5mm的板材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将厚度为5mm的板材加热至1220℃保温10min后，以200℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 2.5％、Cr 30％、Ni 6％、W 8％、Mo 5％、Si 1％、Mn 1％，余量为Co和不可避免的杂质。
实施例4
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000111
长度为1500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至1150℃保温5h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000113
渣池深度200mm，电压35～45V，电流4500A～5500A，抽锭速度4～8mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 54％、CaO 18％、Al2O3 18％和SiO2 10％；喷水冷却处理的喷水量为10～20kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温20h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为90％±2％的锻造得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000121
的棒材；锻造包括：依次在1200℃进行第一火次的镦拔，在1200℃进行第二火次的镦拔，在1200℃进行第三火次的镦拔，在1200℃进行第四火次的拔长，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000122
的棒材在1200℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000123
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将尺寸为
Figure BDA0003840215440000124
的棒材加热至1200℃保温180min后，以150℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 1％、Cr 30％、Ni 1％、W 3％、Mo 1％，余量为Co和不可避免的杂质。
实施例5
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000125
长度为1500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至950℃保温5h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000126
渣池深度100mm，电压45～60V，电流4500A～6000A，抽锭速度8～12mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 54％、CaO 18％、Al2O3 18％和SiO2 15％；喷水冷却处理的喷水量为10～20kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温20h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为90％±2％的锻造得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000127
的棒材；锻造包括：依次在1200℃进行第一火次的镦拔，在1180℃进行第二火次的镦拔，在1180℃进行第三火次的镦拔，在1180℃进行第四火次的拔长，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000131
的棒材在1200℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000132
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；尺寸为
Figure BDA0003840215440000133
的棒材在1210℃下保温时间2h，油冷或盐浴冷却，然后在560℃下保温时间4h，空冷；得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 0.8％、Cr 4％、W 6％、Mo 5％、V 2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例6
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000134
长度为1500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至950℃保温5h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000135
渣池深度120mm，电压35～55V，电流1500～2500A，抽锭速度4～12mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 45％、CaO 15％、Al2O3 15％和SiO2 25％；喷水冷却处理的喷水量为8～15kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温10h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为85％±2％的锻造得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000136
的棒材；锻造包括：依次在1200℃进行第一火次的镦拔，在1180℃进行第二火次的镦拔，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000137
的棒材在1150℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000138
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；尺寸为
Figure BDA0003840215440000139
的棒材在1160℃下保温时间1h，油冷或盐浴冷却，然后在570℃，保温时间4h，空冷；得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 1.27％、Cr 4.2％、W 6.4％、Mo 5％、V 3.1％、Co 8.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例7
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000141
长度为1500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至950℃保温5h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和喷水冷却处理后得到铸锭；其中，抽锭式电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000142
渣池深度140mm，电压35～55V，电流1500～3500A，抽锭速度4～12mm/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 48％、CaO 16％、Al2O3 16％和SiO2 20％；喷水冷却处理的喷水量为8～15kg/min；
(C)铸锭升温至1200℃保温10h，随炉冷却至400℃，出炉空冷后，进行总变形量为85％±2％的锻造得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000143
的棒材；锻造包括：依次在1200℃进行第一火次的镦拔，在1180℃进行第二火次的镦拔，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000144
的棒材在1150℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000145
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；尺寸为
Figure BDA0003840215440000146
的棒材在1080℃下保温时间1h，油冷或盐浴冷却，然后在170℃，保温时间4h，空冷；得到高碳合金。
本实施例中，高碳合金，由按质量百分比计的如下成分组成：
C 1.0％、Cr 18％、Mo 0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例1
本对比例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000151
长度为500mm的自耗电极；
(B)将自耗电极进行电渣重熔处得到铸锭；电渣重熔的工艺参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000152
渣池深度100mm，电压45～55V，电流1500～2500A，熔炼速度1kg/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 70％和Al2O3 30％。
(C)将铸锭锻造拔长至
Figure BDA0003840215440000153
的棒材，锻造温度为1220℃，变形量为75％±2％；锻造后空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000154
的棒材在1200℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000155
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将尺寸为
Figure BDA0003840215440000156
的棒材加热至1200℃保温30min后，以200℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例1相同。
对比例2
本实施例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000157
长度为500mm的母合金；
(B)采用真空感应炉将母合金重新熔化后浇铸进内腔尺寸为32mm×105mm×210mm的铸铁模具中，得到30mm×100mm×200mm的板材；
(C)将尺寸为30mm×100mm×200mm的板材在1200℃进行轧制得到厚度为5mm的板材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将厚度为5mm的板材加热至1200℃保温10min后，以200℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例2相同。
对比例3
本对比例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000167
长度为500mm的母合金；
(B)采用真空感应炉将母合金重新熔化后浇铸进内腔尺寸为32mm×105mm×210mm的铸铁模具中，得到30mm×100mm×200mm的板材；
(C)将尺寸为30mm×100mm×200mm的板材在1200℃进行轧制得到厚度为5mm的板材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将厚度为5mm的板材加热至1220℃保温10min后，以200℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例3相同。
对比例4
本对比例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000161
长度为1500mm的自耗电极；
(B)将自耗电极进行电渣重熔得到铸锭；其中，电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000162
渣池深度200mm，电压50～60V，电流5000A～7000A，熔炼速度3～5kg/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 70％和Al2O3 30％；
(C)铸锭进行锻造拔长得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000163
的棒材；锻造温度为1200℃，然后以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000164
的棒材在1200℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000165
的棒材，轧制的每道次的变形量为10％～15％；将尺寸为
Figure BDA0003840215440000166
的棒材加热至1200℃保温180min后，以150℃/min的速率进行风冷后，得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例4相同。
对比例5
本对比例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA00038402154400001712
长度为1500mm的自耗电极；上述自耗电极以200℃/h的速度升温至950℃保温5h，然后以100℃/h的速度降温至400℃，空冷，得到退火后的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行电渣重熔得到铸锭；其中，电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000171
渣池深度200mm，电压45～60V，电流4500A～5000A，熔炼速度3～5kg/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 70％和Al2O3 30％；
(C)铸锭锻造拔长获得
Figure BDA0003840215440000172
的棒材；锻造温度为1200℃，锻后的棒材以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000173
的棒材在1200℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000174
的高碳合金，轧制的每道次的变形量为10％～15％；尺寸为
Figure BDA0003840215440000175
的棒材在1210℃下保温时间2h，油冷或盐浴冷却，然后在560℃下保温时间4h，空冷；得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例5相同。
对比例6
本对比例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000176
长度为1500mm的自耗电极；
(B)将退火后的自耗电极进行电渣重熔处理得到铸锭；其中，电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000177
渣池深度120mm，电压40～50V，电流3000～4000A，熔炼速度2～4kg/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 70％和Al2O3 30％；
(C)铸锭锻造拔长获得
Figure BDA0003840215440000178
的棒材锻造温度为1200℃，锻后棒材以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000179
的棒材在1150℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA00038402154400001710
的高碳合金，轧制的每道次的变形量为10％～15％；尺寸为
Figure BDA00038402154400001711
的棒材在1160℃下保温时间1h，油冷或盐浴冷却，然后在570℃下保温时间4h，空冷；得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例6相同。
对比例7
本对比例提供的高碳合金的制备方法，包括如下步骤：
(A)采用真空感应炉制备直径为
Figure BDA0003840215440000181
长度为1500mm的自耗电极；
(B)将自耗电极进行电渣重熔处理得到铸锭；其中，电渣重熔处理的参数为：结晶器尺寸为
Figure BDA0003840215440000182
渣池深度140mm，电压40～50V，电流2500～4000A，熔炼速度2～5kg/min；渣系由按质量百分比计的如下成分组成：CaF2 70％和Al2O3 30％；
(C)铸锭锻造拔长得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000186
的棒材，锻造温度1200℃，锻造变形量为85％±2％；锻后棒材以200℃/h的速度炉冷至400℃以下，空冷；尺寸为
Figure BDA0003840215440000183
的棒材在1150℃进行轧制得到尺寸为
Figure BDA0003840215440000184
的高碳合金，轧制的每道次的变形量为10％～15％；尺寸为
Figure BDA0003840215440000185
的棒材在1080℃下保温时间1h，油冷或盐浴冷却，然后在170℃下保温时间4h，空冷；得到高碳合金。
本对比例的高碳合金的成分与实施例7相同。
试验例1
本发明的实施例2的高碳合金的图片如图1所示；对比例2的高碳合金的图片如图2所示。
从图1和图2可以看出，采用本发明的高碳合金的制备方法制得的Co基高碳合金热加工塑性较好，边缘不会出现裂纹，而采用常规工艺(即对比例2的方法)生产的同成分合金在热轧过程中边缘出现大量裂纹，降低成材率。
图3为本发明的实施例5的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌，图4为本发明的对比例5的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌。
从图3和图4可以看出，本发明实施例5的冷却处理后的铸锭中碳化物为颗粒状，尺寸＜15μm，铸锭载经锻造轧制后碳化物分布也会较为均匀弥散，而对比例5为常规工艺生产的高碳合金，冷却处理后的铸锭中碳化物形貌呈大尺寸鱼骨状，铸锭再经锻造轧制后碳化物会破碎，容易出现大尺寸带尖角的碳化物，影响材料的使用性能。
图5为本发明实施例6的轧制后的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌图，图6为本发明对比例6的冷却处理后的铸锭中碳化物的微观形貌图。
从图5和图6可以看出，本发明实施例6的冷却处理后的铸锭中碳化物为颗粒状，尺寸＜15μm，铸锭再经锻造轧制后碳化物分布也会较为均匀弥散，而对比例6为常规工艺生产的高碳合金，冷却处理后的铸锭中碳化物呈大尺寸板条状，铸锭载经锻造轧制后碳化物会破碎，容易出现大尺寸带尖角的碳化物，影响材料的使用性能。
图7为本发明实施例7的轧制后的棒材中碳化物的微观形貌图，图8为本发明对比例7的轧制后的棒材中碳化物的微观形貌图。
从图7和图8可以看出，图中白色颗粒为碳化物，本发明实施例7的棒材碳化物尺寸较小，分布较为均匀，而对比例7的碳化物尺寸较大。
试验例2
对实施例1～4和对比例1～4制得的Co基高碳合金的晶粒度、碳化物尺寸和室温拉伸性能进行测试，其结果如表1所示。其中，室温拉伸性能(σb、σ0.2和δ)的测试标准为GB/T4338-2006。
表1
晶粒度 碳化物尺寸(μm) σ<sub>b</sub>(MPa) σ<sub>0.2</sub>(MPa) δ
实施例1 ASTM9级 ≤8μm 1021 642 14
实施例2 ASTM10级 ≤11μm 1248 752 10
实施例3 ASTM10级 ≤15μm 1276 782 6
实施例4 ASTM9级 ≤12μm 976 601 12
对比例1 ASTM9级 ≤15μm 996 616 10
对比例2 ASTM10级 ≤20μm 1217 708 4
对比例3 ASTM9级 ≤19μm 924 597 8
对比例4 ASTM10级 ≤20μm 912 589 8
对实施例5～7和对比例5～7制得的Fe基高碳合金热处理态(淬火+回火后)的碳化物尺寸和室温光滑冲击性能进行测试，其结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003840215440000201
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高碳合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)将自耗电极进行退火处理，得到退火后的自耗电极；
(B)将所述退火后的自耗电极进行抽锭式电渣重熔处理和冷却处理后得到铸锭。
2.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，所述高碳合金包括Fe基合金和Co基合金中的任一种。
3.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，所述高碳合金中，C的质量百分数为0.7％～2.5％。
4.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，所述高碳合金，按质量百分数计，包括：C 0.7％～2.5％、Cr 1％～35％和Mo 0.5％～10％；
优选地，所述高碳合金中，还包括W、Si、V、Mn、Co和Fe中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，步骤(A)中，所述退火处理的温度为900～1150℃，所述退火处理的时间为1～5h；
优选地，所述退火处理包括：以1～5℃/min的速率升温至900～1150℃保温处理1～5h后，以1～3℃/min的速率降温至400℃以下，空冷。
6.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，步骤(B)中，所述抽锭式电渣重熔处理的渣系，按质量百分数计，包括：CaF245％～57％、CaO 15％～19％、Al2O3 15％～19％和SiO2 5％～25％。
7.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，步骤(B)中，所述冷却处理包括水冷；
优选地，所述冷却处理的水流量为2～20kg/min。
8.根据权利要求1所述的高碳合金的制备方法，其特征在于，还包括：将所述铸锭依次进行均匀化处理、锻造、轧制和热处理后，得到所述高碳合金；
优选地，所述均匀化处理的温度为1200～1260℃，所述均匀化处理的时间为6～20h。
9.一种高碳合金，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的高碳合金的制备方法制得。
10.根据权利要求9所述的高碳合金，其特征在于，所述高碳合金中，碳化物的尺寸≤15μm。
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