CN115786777A

CN115786777A - 一种钴碳中间合金及其制备方法

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Publication number: CN115786777A
Application number: CN202211487113.XA
Authority: CN
Inventors: 王晓蓉; 邓军; 于连旭; 孙岳来; 文超; 高玉峰
Original assignee: Metalink Special Alloys Corp
Current assignee: Metalink Special Alloys Corp
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2022-11-25
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2042-11-25
Also published as: CN115786777B

Abstract

本申请公开了一种钴碳中间合金制备及其评价方法。钴碳中间合金的主要技术要求为碳：≤4％，硅：≤0.1％，铁：≤0.1％，磷：≤0.05％，氧：≤0.2％，氮：≤0.05％，硫：≤0.05％，其余为钴。本发明制备的钴碳中间合金，包括合金成分设计环节、布料、合金化处理、浇铸、取样分析组织评价，多个工序的创新性设计，从而保证制备出碳含量均匀分布(C的偏析控制在配料成分±0.3％内)的块体材料，并通过分区取样成分分析以及组织分析确认所制备合金以碳化物和石墨片的形式均匀分布，以满足后续应用需求。

Description

一种钴碳中间合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种钴碳中间合金及其制备方法。

背景技术

钴基合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的合金。根据合金中成分不同，它们可以制成焊丝，粉末用于硬面堆焊，热喷涂、喷焊等工艺，也可以制成铸锻件和粉末冶金件。钴基合金中一般缺少共格的强化相，钴基高温合金中最主要的碳化物强化相，碳化物的含量、形态和分布对性能有着显著影响。例如，钴基堆焊合金含铬25-33％，含钨3-21％，含碳0.7-3.0％。随着含碳量的增加，其金相组织从亚共晶的奥氏体+M₇C₃型共晶变成过共晶的M7C3型初生碳化物+M₇C₃型共晶。含碳越多，初生M₇C₃越多，宏观硬度加大，抗磨料磨损性能提高，但耐冲击能力，焊接性，机加工性能都会下降。

钴基合金的性能与碳化物状态高度相关，而碳化物的状态与碳含量密切相关，因此提高材料中的碳含量目标值控制水平以及碳的均匀分布对合金的性能控制非常关键。碳是熔炼过程中重要的脱氧元素，碳通过和原料、耐火材料坩埚中的氧反应生CO₂气体，实现了氧含量的脱除，因此碳在合金中的收得率和原料的杂质含量、坩埚材料、补料方式等都有关。如果采用在熔炼过程中直接加入高纯石墨，得到估计耐磨合金碳化物分布不均匀，并且碳含量控制在偏析0.3％为相对困难。为了提高钴基合金中碳含量的控制水平，本发明开发了钴碳二元合金。通过中间合金实现碳的稀释，从而有效提高了碳均匀性。

发明内容

发明目的：针对目前的技术状态，在熔炼含碳合金时，目前通用的生产工艺是在熔炼过程中直接加入石墨，合金可能存在碳偏析的风险，对材料的性能造成一定的影响。本发明针对以上问题，新研制了钴碳中间合金及其制备方法。

技术方案：钴碳中间合金主要用于生产碳含量较高的钴基合金。制备工艺采用感应熔炼的工艺生产高碳含量合金时，准确控制碳含量难度较大，如果采用直接加入碳的方式，前期加入烧损不容易控制，后期加入碳分布的均匀性不好，如果采用钴碳中间合金的形式加入，可以很好精准控制高碳钴基合金的碳含量，并且能有效控制碳在合金中分布的均匀性。由图1可以看出碳含量低于4％时，熔点低于1650℃，超过1650℃，合金易于坩埚发生反应，因此碳含量设计值低于4％。

具体的，本发明所述的钴碳中间合金，其组成及含量为：碳：≤4％，硅：≤0.1％，铁：≤0.1％，磷：≤0.05％，氧：≤0.2％，氮：≤0.05％，硫：≤0.05％，其余为钴；其它杂质含量不超过总量的0.3％。优选的，其中碳：1-3％。

具体的，所述的碳钴合金中主元素偏析不大于0.3wt％。

具体的，所述的碳钴合金，其微观组织中无大块未熔石墨且无明显孔洞缺陷。所述的无大块未熔石墨是指其尺寸不大于50μm；所述的无明显孔洞缺陷是指缺陷尺寸不大于30μm。

具体的，所述钴碳中间合金的组织为枝晶组织，包括基体、碳化物共晶和板条状石墨。其分布状态如图2、图3所示。图2为钴碳中间合金微观金相组织图(100倍)，图3为钴碳中间合金微观金相组织图(200倍)。

本发明还提供了所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：配料，布料，熔化，精炼，浇铸；所述的布料，是将金属钴布置在坩埚底部和周围，高纯石墨布置于金属钴中心处，上面再覆盖好金属钴，保证高纯石墨被金属钴包围；所述的石墨在金属钴的包围中呈柱状分布。如图4所示。

具体的，所述的熔化、精练，初始加功率时的真空度控制在5Pa以下。

具体的，精炼温度控制在1500℃-1650℃，精炼时间为3-20分钟，促进钴和碳的均匀化。

具体的，所述的浇铸，浇铸温度在1350℃-1500℃，浇铸后的炉冷时间控制在0.5-4小时。

具体的，所述的浇铸，是将熔化的合金浇铸于模具内。

具体的，合金浇铸料的横截面积控制在100cm²以内，以保证材料均匀性，浇铸模具可以是钢制模具，也可以是耐火材料模具。

更具体的，本发明的一个典型方案，包括如下步骤：

1)作为优选，按照钴含量96.5-98％，碳1％-3％称取一定量的金属钴，高纯石墨备用。

2)将金属钴及石墨按照图1的布料方式布料，底部，周围放金属钴，把高纯石墨放在，坩埚中部，上面再覆盖好金属钴。合炉抽真空到5Pa以下，开始送功率化料，持续大功率加热到料全部熔化，熔炼功率控制在60kW到70kW精炼10-20min，精炼温度控制在1550-1600℃。

3)浇铸过程，控制温度在1350-1450℃，进行浇铸，浇铸真空度≤5Pa。

4)合金浇铸在长方体模具中，如附图2所示，合金块厚度控制在5cm以内，并在炉内冷却1-4小时。

有益效果：控制合金碳含量在优选成分1％-3％，熔点在感应熔炼可以达到的温度范围，本发明通过采用特殊的布料方法，在熔炼过程中，随着钴熔化，在底部行程熔池，熔池慢慢上升过程中，柱状分布的石墨逐步熔解在钴熔体中，行程钴碳合金熔体，采取此布料方式，使得碳逐步熔化在钴基体中，避免了碳漂浮在熔体表面造成偏析。

本专利采用特定熔炼工艺和特殊的浇铸模具，制备出的钴碳中间合金成本均匀，各部位取样偏析小。该合金应用在高碳钴基合金中可以很好的控制钴基合金中碳的偏析，对下端产品性能的稳定性起到关键作用。经过试验认证，直接添加金属钴和高纯石墨制备的高碳钴基耐磨合金成分碳化物分布不均匀，而使用本发明研制的钴碳中间合金制备的高碳钴基耐磨合金碳化物均匀分布，材料性能大大提升。因此本发明在后端产品应用效果明显，具有非常重要的意义。

附图说明

图1为钴碳中间合金相图

图2为合金微观组织金相图(100倍)

图3为合金微观组织金相图(200倍)

图4为布料方式示意图

图5为实施例1生产的钴碳中间合金微观组织金相图

图6为实施例2生产的钴碳中间合金微观组织金相图

图7为实施例3生产的钴碳中间合金微观组织金相图

具体实施方式

下面是实施例对本发明方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1(对比例，采用常规布料方式)

按照钴含量97％，碳含量3％进行配料。将金属钴以及三分之二的高纯石墨放入坩埚，金属钴在最下面，上面是高纯石墨。盖上炉盖，启动抽真空系统，当真空度达到5Pa时，开始送功率，坩埚内的物料全部熔化，可以看到高纯石墨漂浮在熔体上，大功率熔化到石墨基本化清后从料斗中加入剩余的高纯石墨，继续熔化，在1580℃精炼20分钟。最后控制在1450℃进行浇铸，浇铸真空为4Pa。浇铸后炉冷2小时。出炉后，对合金对角线取样进行分析。产品的检测结果如下表所示：

元素％	Co	C	Si	Fe	P	S	O	N
									1号(心)	97.67	1.91	0.024％	0.057	0.0032	0.0019	0.0058	0.0061
2号(中)	96.72	2.86	0.023％	0.066	0.0032	0.0019	0.0054	0.0082
									3号(角)	97.43	2.44	0.021％	0.054	0.0032	0.0019	0.0056	0.0063

从以上成分可以看出，合金主成分存在较大的偏析，碳含量分布不均匀。微观组织金相照片如图5所示。

从图中可以看出碳分布较为均匀，可以看出有50微米左右的大颗粒碳化物。

实施例2

按照钴含量97％，碳含量3％进行配料。将金属钴以及高纯高纯石墨按照图4形式布料，保证金属钴全部包裹高纯石墨。盖上炉盖，启动抽真空系统，当真空度达到5Pa时，开始送功率，当观察的金属钴熔化行程熔池时，加大功率到70kW，此时观察到高纯石墨快速熔化在钴熔体中，没有长时间漂浮在熔体上方。熔炼功率控制在70kW精炼15min，精炼温度控制在1590℃。浇铸过程，控制温度在1390℃，进行浇铸，浇铸真空度≤5Pa。

合金浇铸在钢制模具中，合金截面积控制在80-90cm²，并在炉内冷却3小时。

从以上成分可以看出，合金成分均匀性好，主成分偏析小于0.3％。微观组织金相照片如图6所示。

从图中可以看出碳分布较为均匀，无50微米以上大颗粒碳化物。

检验合格后将合金剪切成最大维度小于10cm的块备用。

实施例3

按照钴含量97.5％，碳含量2.5％进行配料。将金属钴以及高纯高纯石墨按照附图一形式布料，保证金属钴全部包裹高纯石墨。盖上炉盖，启动抽真空系统，当真空度达到5Pa时，开始送功率，当观察的金属钴熔化行程熔池时，加大功率到70kW，此时观察到高纯石墨快速熔化在钴熔体中，没有长时间漂浮在熔体上方。熔炼功率控制在65kW精炼15min，精炼温度1600℃。浇铸过程，控制温度在1400℃，进行浇铸，浇铸真空度≤5Pa。合金浇铸在钢制模具中，合金截面积控制在70-80cm²，并在炉内冷却2小时。

出炉，对合金对角线取样进行分析。产品的检测结果如下表所示：

元素％	Co	C	Si	Fe	P	S	O	N
									1号(心)	97.43	2.33	0.019％	0.067	0.0027	0.0015	0.0048	0.0071
2号(中)	97.38	2.45	0.025％	0.053	0.0032	0.0017	0.0054	0.0052
									3号(角)	97.30	2.42	0.026％	0.078	0.0024	0.0020	0.0039	0.0066

从以上成分可以看出，合金成分均匀性好，成分偏析小于0.3％。

从图7中可以看出碳分布较为均匀，无50微米以上大颗粒碳化物。检验合格后将合金剪切成最大维度小于5cm的块备用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请。

Claims

1.一种钴碳中间合金，其特征在于，其组成及含量为：碳：≤4％，硅：≤0.1％，铁：≤0.1％，磷：≤0.05％，氧：≤0.2％，氮：≤0.05％，硫：≤0.05％，其余为钴；其它杂质含量不超过总量的0.3％。

2.根据权利要求1所述的钴碳中间合金，其特征在于，合金中主元素偏析不大于0.3wt％。

3.根据权利要求1所述的钴碳中间合金，其特征在于，所述的碳钴合金，其微观组织中无大块未熔石墨且不存在明显孔洞缺陷。

4.根据权利要求1所述的钴碳中间合金，其特征在于，钴碳中间合金的组织为枝晶组织，包括基体、碳化物共晶和板条状石墨。

5.权利要求1所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：配料，布料，熔化，精炼，浇铸；所述的布料，是将金属钴布置在坩埚底部和周围，高纯石墨布置于金属钴中心处，上面再覆盖好金属钴，保证高纯石墨被金属钴包围；所述的石墨在金属钴的包围中呈柱状分布。

6.根据权利要求3所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，所述的熔化、精练，初始加功率时的真空度控制在5Pa以下。

7.根据权利要求3所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，精炼温度控制在1500℃-1650℃，精炼时间为3-20分钟，促进钴和碳的均匀化。

8.根据权利要求3所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，所述的浇铸，浇铸温度在1350℃-1500℃，浇铸后的炉冷时间控制在0.5-4小时。

9.根据权利要求3所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，所述的浇铸，是将熔化的合金浇铸于模具内。

10.根据权利要求3所述的钴碳中间合金的制备方法，其特征在于，合金浇铸料的横截面积控制在100cm²以内，以保证材料均匀性，浇铸模具可以是钢制模具，也可以是耐火材料模具。