CN103938033B - 一种机械装置用多元合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种机械装置用多元合金材料及其制备方法。一种机械装置用多元合金材料，其成分按照质量百分比为：Mg？20~25%，Cr？14~18%，Mo？1.5~2.0%，Al？0.7~1.5%，Zr？0.4~1.0%，Nb？0.1~5.0%，B＜0.01%，Y＜0.8%，余量为Ni。其制备方法是首先按照成分比例进行配料，将原料置于真空中频熔炼炉内熔化形成合金熔体，待熔体过热温度达到200～300℃后，向真空中频熔炼炉内通过导流管喷射惰性气体作为雾化气体，进行喷射成形，在沉积盘上得到机械装置用合金材料锭坯，其抗拉强度Rm为1826~1911MPa，屈服强度Rp0.2为1700~1790MPa。本发明的机械装置用合金与其他机械装置用合金相比稀土元素较少，所用原材料易于获得，成本低，性价比高，易于大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种机械装置用多元合金材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，生产过程中对机械产品的性能要求越来越高，产品在高参数(如高温、高压、高速等)和恶劣的工况条件下长期稳定运转，必然对其表面的强度、耐磨性、耐蚀性等提出更高的要求。各种机械设备、仪器仪表、冶金零部件中的金属零件，以及各种工模具，在使用过程中往往首先从表面发生破坏和失效，破坏的原因很大一部分是由于表面磨损而造成的。因此，只要对零部件表面进行强化就能满足性能的要求。表面强化技术主要有热喷涂、表面熔覆等工艺方法，表面熔覆技术使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体间可形成牢固的冶金结合，因此在一些要求表面不仅具有抗磨性能，而且还需要承受强载荷作用的条件下，具有绝对优势。常用熔覆材料有铁基、镍基、钴基材料等，由于采用镍基体时更能适于高温、氧化、腐蚀等工况条件下的性能要求，所以镍基熔覆材料得到广泛的应用。
高温合金材料最初主要应用于航空航天领域，由于其优良的耐高温、耐腐蚀等性能，逐渐被应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域，从而大大
拓展了高温合金材料的应用领域。随着高温合金材料的发展，其市场需求处于逐步扩大和增长状态。镍基高温合金在热挤压或热轧过程中会形成Cr2O3、Ni-Cr-O尖晶石、NiO等氧化物，其中Cr2O3起主要的保护作用，且在氧化性酸中不易发生反应；Ni-Cr-O尖晶石不溶于常用的各种酸，使得酸洗液难以接触基体金属。而含铝的镍基高温合金会形成以Al2O3为主的内氧化，沿晶界分布，镶嵌钉轧在基体中，使酸洗困难增加。
例如，历来，需要耐磨损性的发动机阀中，除了广泛使用Stellite（注册商标）所代表的Co-Cr-W-C系合金和Tribaloy（注册商标）所代表的Co-Mo-Si系合金等的Co基表面硬化合金以外，在一部分发动机阀中，Ni基表面硬化合金和Fe基表面硬化合金也得到应用或研究。其中的Co-Cr-W-C系合金，作为表面硬化合金虽然具备高的耐冲击性，但耐磨损性不充分，不能耐受长期的使用；Co-Mo-Si系合金，作为表面硬化合金虽然具备高的耐磨损性，但耐冲击性不充分，裂纹和伴随其发生的剥离成为问题；另外，Co-Cr-W-C系合金和Co-Mo-Si系合金由Co和Cr、W或Mo构成，不能将稀有金属的含量控制在低水平。另一方面，与Co-Cr-W-C系合金和Co-Mo-Si系合金具备同等的特性的、以Ni和Fe为主成分的表面硬化合金被开发/使用，但在使用环境严苛化的发动机阀中，存在不能全部满足耐磨损性、耐冲击性、耐高温腐蚀性的问题。以赋予耐磨损性、耐冲击性和耐高温腐蚀性为目的的表面硬化合金，目前在各种工业领域被广泛使用。但是，由于近年来环境意识的提高，工业设备的使用环境增加了严格度。随之而来的是，除了表面硬化合金也要求更高性能的材料以外，还要求矿物资源的有效利用和与之相伴而将稀有金属的使用量抑制得低的廉价的合金。特别是在发动机阀所使用的镀敷合金中，具备耐冲击性、耐磨损性和耐高温腐蚀性，此外利用资源丰富的廉价的合金的开发成为课题。
因此，添加合金元素强化合金是提高合金强度的一种简单有效且经济实用的方法，目前在机械装置用合金开发过程中通过添加大量的合金元素来提高强度使用的最为普遍。在提高合金性能的各种合金元素中，多种稀土元素联合使用时强化效果最好。目前，机械装置用合金的开发一般含两种及两种以上稀土元素。另外，稀土元素在铸造合金中有净化、除气和排渣作用，能有效减少气体、氧化物和有害元素的影响。同时，部分稀土元素能够细化合金组织或扩散固溶于基体内部以强化合金的力学性能，还可以在金属中形成稀土化合物，这些化合物在合金基体的晶界处
产生偏聚，进而增加了位错密度，增大了晶格畸变程度，从而达到强化的目的。大量稀土元素的加入虽然可以大大提高合金的强度，但随之而来的是合金材料价格比较高，高稀土合金大量应用受到限制。因此开发无稀土或含少量稀土元素的机械装置用合金具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种机械装置用多元合金材料及其制备方法，目的是在降低合金成分的稀土元素含量的同时不降低合金的力学性能，使得此类合金具有比传统商业合金优越的力学性能。
本发明的机械装置用多元合金材料，其成分按照质量百分比为：Mg20~25%，Cr14~18%，Mo1.5~2.0%，Al0.7~1.5%，Zr0.4~1.0%，Nb0.1~5.0%，B＜0.01%，Y＜0.8%，余量为Ni。
本发明机械装置用多元合金材料的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）按照质量百分比：Mg20~25%，Cr14~18%，Mo1.5~2.0%，Al0.7~1.5%，Zr0.4~1.0%，Nb0.1~5.0%，B＜0.01%，Y＜0.8%，余量为Ni进行配料，其中B以硼酸的形式加入，Y以氧化钇的形式加入；
（2）将上述原料置于真空中频熔炼炉内熔化形成合金熔体，待熔体过热温度达到200～300℃后，向真空中频熔炼炉内通过导流管喷射惰性气体作为雾化气体，控制喷射距离为300～400mm，沉积盘转速为10～40rpm，进行喷射成形，在沉积盘上得到机械装置用合金材料锭坯，其抗拉强度Rm为1826~1911MPa，屈服强度Rp0.2为1700~1790MPa。
所述真空中频熔炼炉内的真空度至少为1×10-2Pa。
所述的雾化气体压力为0.8～2.0MPa。
所述的合金材料锭坯形状为圆柱状或其它形状，重量为30～40Kg，合金相对密度＞96％。
所述的导流管直径为4~5mm。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
(1)本发明的机械装置用合金与其他机械装置用合金相比稀土元素较少，所用原材料易于获得，成本低，性价比高，易于大规模生产。
(2)本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，易于移植和操作，成本低，可明显改善合金耐磨耐腐蚀的问题，可解决合金由于不耐磨耐腐蚀性而限制其应用的
难题，也可扩大合金的应用领域。
(3)本发明提供的合金室温拉伸性能为：抗拉强度Rm为1826~1911MPa，屈服强度Rp0.2为1700~1790MPa。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
选择纯度大于99.95％的高温合金原材料，氧化钇和硼酸为分析纯。
根据国标GB/T228-2002的标准，对本实施例所得各种合金材料进行室温力学性能测试以及耐腐蚀测试。
实施例1
机械装置用多元合金材料，其成分按照质量百分比为：Mg20%，Cr16%，Mo1.5%，Al1.2%，Zr0.8%，Nb3.0%，B0.005%，Y0.6%，余量为Ni。
（1）按照质量百分比：Mg20%，Cr16%，Mo1.5%，Al1.2%，Zr0.8%，Nb3.0%，B0.005%，Y0.6%，余量为Ni进行配料，其中B以硼酸的形式加入，Y以氧化钇的形式加入；
（2）将上述原料置于真空中频熔炼炉内熔化形成合金熔体，待熔体过热温度达到280℃后，向真空中频熔炼炉内通过导流管喷射惰性气体作为雾化气体，控制喷射距离为300mm，沉积盘转速为30rpm，进行喷射成形，在沉积盘上得到机械装置用合金材料锭坯，其抗拉强度Rm为1876MPa，屈服强度Rp0.2为1765MPa。
所述真空中频熔炼炉内的真空度＞1×10-2Pa。
所述的雾化气体压力为1.8MPa。
所述的合金材料锭坯形状为圆柱状，重量为35Kg，合金相对密度＞96％。
所述的喷射成形真空中频熔炼炉内的真空度为1.5×10-2Pa。
导流管直径为Φ4mm。
实施例2
机械装置用多元合金材料，其成分按照质量百分比为：Mg25%，Cr18%，Mo2.0%，Al0.7%，Zr0.4%，Nb5.0%，B0.006%，Y0.1%，余量为Ni。
（1）按照质量百分比：Mg25%，Cr18%，Mo2.0%，Al0.7%，Zr0.4%，Nb5.0%，B0.006%，Y0.1%，余量为Ni进行配料，其中B以硼酸的形式加入，Y以氧化钇的形式加入；
（2）将上述原料置于真空中频熔炼炉内熔化形成合金熔体，待熔体过热温度达到300℃后，向真空中频熔炼炉内通过导流管喷射惰性气体作为雾化气体，控制喷射距离为400mm，沉积盘转速为40rpm，进行喷射成形，在沉积盘上得到机械装置用合金材料锭坯，其抗拉强度Rm为1911MPa，屈服强度Rp0.2为1790MPa。
所述真空中频熔炼炉内的真空度＞1×10-2Pa。
所述的雾化气体压力为2.0MPa。
所述的合金材料锭坯形状为圆柱状，重量为40Kg，合金相对密度＞96％。
所述的喷射成形真空中频熔炼炉内的真空度为1.6×10-2Pa。
导流管直径为Φ5mm。
实施例3
机械装置用多元合金材料，其成分按照质量百分比为：Mg22%，Cr14%，Mo1.8%，Al1.5%，Zr1.0%，Nb5.00.1%，B0.006%，Y0.1%，余量为Ni。
（1）按照质量百分比：Mg22%，Cr14%，Mo1.8%，Al1.5%，Zr1.0%，Nb5.00.1%，B0.006%，Y0.1%，余量为Ni进行配料，其中B以硼酸的形式加入，Y以氧化钇的形式加入；
（2）将上述原料置于真空中频熔炼炉内熔化形成合金熔体，待熔体过热温度达到200℃后，向真空中频熔炼炉内通过导流管喷射惰性气体作为雾化气体，控制喷射距离为400mm，沉积盘转速为35rpm，进行喷射成形，在沉积盘上得到机械装置用合金材料锭坯，其抗拉强度Rm为1826MPa，屈服强度Rp0.2为1700MPa。
所述真空中频熔炼炉内的真空度＞1×10-2Pa。
所述的雾化气体压力为2.0MPa。
所述的合金材料锭坯形状为圆柱状，重量为40Kg，合金相对密度＞96％。
所述的喷射成形真空中频熔炼炉内的真空度为1.6×10-2Pa。
导流管直径为Φ4.5mm。
表1本发明实施例所得合金的力学性能(按照GB/T228-2002标准)以及腐蚀率
| No. | 抗拉强度Rm(Mpa) | 屈服强度Rp0.2(Mpa) | 70℃,50%硫酸溶液中的腐蚀率(mg/cm2h) |
| 实施例1 | 1876 | 1765 | 0.02 |
| 实施例2 | 1911 | 1790 | 0.01 |
| 实施例3 | 1826 | 1700 | 0.01 |
Claims (6)
1.一种机械装置用多元合金材料，其特征在于材料成分按照质量百分比为：Mg20~25%，Cr14~18%，Mo1.5~2.0%，Al0.7~1.5%，Zr0.4~1.0%，Nb0.1~5.0%，B＜0.01%，Y＜0.8%，余量为Ni。
2.一种机械装置用多元合金材料的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）按照质量百分比：Mg20~25%，Cr14~18%，Mo1.5~2.0%，Al0.7~1.5%，Zr0.4~1.0%，Nb0.1~5.0%，B＜0.01%，Y＜0.8%，余量为Ni进行配料，其中B以硼酸的形式加入，Y以氧化钇的形式加入；
（2）将上述原料置于真空中频熔炼炉内熔化形成合金熔体，待熔体过热温度达到200～300℃后，向真空中频熔炼炉内通过导流管喷射惰性气体作为雾化气体，控制喷射距离为300～400mm，沉积盘转速为10～40rpm，进行喷射成形，在沉积盘上得到机械装置用合金材料锭坯，其抗拉强度Rm为1826~1911MPa，屈服强度Rp0.2为1700~1790MPa。
3.根据权利要求2所述的一种机械装置用多元合金材料的制备方法，其特征在于所述真空中频熔炼炉内的真空度至少为1×10-2Pa。
4.根据权利要求2所述的一种机械装置用多元合金材料的制备方法，其特征在于所述的雾化气体压力为0.8～2.0MPa。
5.根据权利要求2所述的一种机械装置用多元合金材料的制备方法，其特征在于所述的合金材料锭坯形状为圆柱状或其它形状，重量为30～40Kg，合金相对密度＞96％。
6.根据权利要求2所述的一种机械装置用多元合金材料的制备方法，其特征在于所述的导流管直径为4~5mm。
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| CN102443721A (zh) * | 2010-10-13 | 2012-05-09 | 中国科学院金属研究所 | 一种组织稳定性好、易加工的镍钴基高温合金 |
| CN103740983A (zh) * | 2013-12-19 | 2014-04-23 | 重庆材料研究院有限公司 | 高强韧耐腐蚀时效强化型镍基合金及直接时效热处理方法 |
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