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CN111926250A - 一种高碳高强度耐磨合金及其制备方法 - Google Patents

一种高碳高强度耐磨合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高碳高强度耐磨合金及其制备方法，高碳高强度耐磨合金包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04‑0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。本高碳高强度耐磨合金韧性好、强度大、塑性好、耐磨损性能良好，为潜在的第三代汽车先进高强钢，应用前景广泛；无大量的昂贵元素Ni、Co等，采用价格较低的Si、Mn等元素，制作成本低；可采用粉末注射成型工艺大批量生产，进一步降低制造成本。

Description

一种高碳高强度耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，尤其涉及一种高碳高强度耐磨合金及其制备方法。
背景技术
近年来，随着汽车轻量化与轻金属材料的快速发展，先进高强度钢(AHSS)发展也十分迅速，使钢铁材料具有优异的强度与塑性匹配。以铁素体为基体的第一代先进高强度钢(塑性高、强度低)与以奥氏体为基体的第二代先进高强度钢TWIP钢、LIP钢(强度高、塑性差)已不能满足汽车工业日益发展的要求。因此，亟待一种高碳高强度耐磨合金来为汽车工业的进一步发展保驾护航。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高碳高强度耐磨合金及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高碳高强度耐磨合金，包括下列重量百分比的元素：
C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04-0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：一种高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
制粉：采用气雾化或水雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末，所述合金粉末包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04-0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；
密炼：将合金粉末与黏结剂放入已预热的密炼机中进行密炼并搅拌均匀，得到待注射成型的喂料；
注射：将待注射成型的喂料在注射机中注射成型，得到生坯；
脱脂：将生坯在脱脂炉中进行脱脂，除去生胚中所含有的黏结剂；
烧结：将脱脂后的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，得到烧结体；
热处理：对烧结体进行热处理。
本发明的有益效果在于：本高碳高强度耐磨合金韧性好、强度大、塑性好、耐磨损性能良好，为潜在的第三代汽车先进高强钢，应用前景广泛；无大量的昂贵元素Ni、Co等，采用价格较低的Si、Mn等元素，制作成本低；可采用粉末注射成型工艺大批量生产，进一步降低制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例一的高碳高强度耐磨合金的电镜照片。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
一种高碳高强度耐磨合金，包括下列重量百分比的元素：
C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04-0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。
C元素含量高，能保证低的马氏体转变温度(Ms点)，从而使贝氏体组织能在较低的温度下等温生成，以获得纳米尺度的铁素体板条。细化的铁素体板条能提供给钢高的强度。其次，由于转变时贝氏体铁素体中的大量位错可捕获碳原子，从而使铁素体中的碳含量高于平衡态碳含量达数十倍，因此，这些碳可以钉扎位错，起到强化的作用。另外，碳是保证奥氏体在室温下稳定存在的必要条件。
贝氏体中铁素体片的厚度取决于贝氏体转变温度，温度越低，铁素体片越薄。而超级贝氏体的转变温度则受基体中碳含量高低的控制，碳含量越高，转变温度越低。而在组织细化方面，一方面高的碳含量增加了奥氏体的强度，从而提高了界面移动阻抗力；另一方面低的转变温度增加了贝氏体铁素体的形核率，所以高碳是取得耐磨合金高强度高塑性的基础。
Si元素能抑制贝氏体相变过程中碳化物的析出，同时有效阻止渗碳体长大，从而获得细小的渗碳体；
Mn元素、Cr元素能够提高组织淬透性；
Mo元素可提高回火稳定性；
Co元素和Al元素可增加奥氏体向贝氏体转变的自由能，缩短热处理时间，Al元素还可以提高工件在恶劣服役条件下的服役寿命，其原因是有效降低氢脆敏感性以及提高应力腐蚀抗力；
V元素可细化钢的晶粒，提高钢的强度和韧度；
N元素与Al元素形成AlN诱发异质形核可以有效缩短贝氏体相变的孕育期，缩短比例达到50％，整体转变时间缩短30％；
N元素与V元素形成VN，VN是与铁素体具有高共格度的第二相，可以有效地提高针状铁素体的形核速率，缩短转变时间；
S元素和P元素在合金粉末中无法避免，低于0.002％的含量有助于减少对产品性能的影响。
一种高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
制粉：采用气雾化或水雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末，所述合金粉末包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04-0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；
密炼：将合金粉末与黏结剂放入已预热的密炼机中进行密炼并搅拌均匀，得到待注射成型的喂料；
注射：将待注射成型的喂料在注射机中注射成型，得到生坯；
脱脂：将生坯在脱脂炉中进行脱脂，除去生胚中所含有的黏结剂；
烧结：将脱脂后的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，得到烧结体；
热处理：对烧结体进行热处理。
本发明的有益效果在于：本高碳高强度耐磨合金韧性好、强度大、塑性好、耐磨损性能良好，为潜在的第三代汽车先进高强钢，应用前景广泛；无大量的昂贵元素Ni、Co等，采用价格较低的Si、Mn等元素，制作成本低；可采用粉末注射成型工艺大批量生产，进一步降低制造成本。
进一步的，所述黏结剂为塑基黏结剂，在脱脂步骤时，采用酸脱法脱脂。
进一步的，所述黏结剂为蜡基黏结剂，在脱脂步骤时，采用溶脱法脱脂。
进一步的，热处理步骤具体为：先将烧结后的烧结体加热到1000℃保温30min；然后冷却到270℃进行等温处理，等温处理时间约12h，等温处理后用水进行冷却至室温。
实施例一
本发明的实施例一为：一种高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
制粉：采用水雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末，所述合金粉末包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04％，Cu：0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；
密炼：将合金粉末与塑基黏结剂放入已预热的密炼机中进行密炼并搅拌均匀，得到待注射成型的喂料；
注射：将待注射成型的喂料在注射机中注射成型，得到生坯；
脱脂：采用酸脱法将生坯在脱脂炉中进行脱脂，除去生胚中所含有的黏结剂；
烧结：将脱脂后的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，得到烧结体；
热处理：对烧结体进行热处理，本实施例中，热处理步骤具体为：先将烧结体加热到1000℃保温30min；然后冷却到270℃进行等温处理，等温处理时间约12h，等温处理后用水进行冷却至室温。
容易理解的，在其他实施例中，密炼过程可采用蜡基黏结剂与合金粉末混合搅拌，此时，在脱脂过程中，采用溶脱法脱脂。
在其他实施例中，也可以选择采用气雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末。
本高碳高强度耐磨合金属于纳米贝氏体钢，请结合图1(图1为本高碳高强度耐磨合金的电镜照片)，其组织包括20～50nm细条状贝氏体铁素体及其间分布的大量薄膜状残留奥氏体(图中颜色稍明亮一些的条状物为贝氏体铁素体，颜色稍暗淡一些的条状物为薄膜状残余奥氏体)。纳米贝氏体钢由于转变温度低，贝氏体板条尺寸可以细化到纳米级，这种组织的屈服强度可达1.5GPa，抗拉强度达1.77～2.2GPa，断后伸长率达15～30％，这种优异的力学性能归因于细小的无碳化物贝氏体、铁素体中高密度位错以及残留奥氏体的共同作用。
性能测试
参照GB/T228.1-2010将热处理后的标准拉伸件在GNT50万能试验机上进行试验测试其抗拉强度、屈服强度及延伸率。
本实施例制得的高碳高强度耐磨合金的测试结果如下：
抗拉强度Rm＝2150MPa；
屈服强度R0.2＝1500Mpa；
延伸率δ＝17％。
实施例二
本发明的实施例二为：一种高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
制粉：采用气雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末，所述合金粉末包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.07％，Cu：0.03％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；
密炼：将合金粉末与塑基黏结剂放入已预热的密炼机中进行密炼并搅拌均匀，得到待注射成型的喂料；
注射：将待注射成型的喂料在注射机中注射成型，得到生坯；
脱脂：采用酸脱法将生坯在脱脂炉中进行脱脂，除去生胚中所含有的黏结剂；
烧结：将脱脂后的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，得到烧结体；
热处理：对烧结体进行热处理，本实施例中，热处理步骤具体为：先将烧结体加热到1000℃保温30min；然后冷却到270℃进行等温处理，等温处理时间约12h，等温处理后用水进行冷却至室温。
容易理解的，在其他实施例中，密炼过程可采用蜡基黏结剂与合金粉末混合搅拌，此时，在脱脂过程中，采用溶脱法脱脂。
性能测试
参照GB/T228.1-2010将热处理后的标准拉伸件在GNT50万能试验机上进行试验测试其抗拉强度、屈服强度及延伸率。
本实施例制得的高碳高强度耐磨合金的测试结果如下：
抗拉强度Rm＝2200MPa；
屈服强度R0.2＝1470Mpa；
延伸率δ＝20％。
实施例三
本发明的实施例三为：一种高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
制粉：采用水雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末，所述合金粉末包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.1％，Cu：0.04％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；
密炼：将合金粉末与塑基黏结剂放入已预热的密炼机中进行密炼并搅拌均匀，得到待注射成型的喂料；
注射：将待注射成型的喂料在注射机中注射成型，得到生坯；
脱脂：采用酸脱法将生坯在脱脂炉中进行脱脂，除去生胚中所含有的黏结剂；
烧结：将脱脂后的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，得到烧结体；
热处理：对烧结体进行热处理，本实施例中，热处理步骤具体为：先将烧结体加热到1000℃保温30min；然后冷却到270℃进行等温处理，等温处理时间约12h，等温处理后用水进行冷却至室温。
容易理解的，在其他实施例中，密炼过程可采用蜡基黏结剂与合金粉末混合搅拌，此时，在脱脂过程中，采用溶脱法脱脂。
性能测试
参照GB/T228.1-2010将热处理后的标准拉伸件在GNT50万能试验机上进行试验测试其抗拉强度、屈服强度及延伸率。
本实施例制得的高碳高强度耐磨合金的测试结果如下：
抗拉强度Rm＝1800MPa；
屈服强度R0.2＝1400Mpa；
延伸率δ＝13％。
综上所述，本发明提供的高碳高强度耐磨合金及其制备方法，高碳高强度耐磨合金韧性好、强度大、塑性好、耐磨损性能良好，为潜在的第三代汽车先进高强钢，应用前景广泛；无大量的昂贵元素Ni、Co等，采用价格较低的Si、Mn等元素，制作成本低；可采用粉末注射成型工艺大批量生产，进一步降低制造成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种高碳高强度耐磨合金，其特征在于：包括下列重量百分比的元素：
C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04-0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
制粉：采用气雾化或水雾化法在真空熔炼炉中制备合金粉末，所述合金粉末包括下列重量百分比的元素：C：1.0％，Si：1.3％，Mn：0.3％，Cr：1.5％，Ni：0.2％，Mo：0.35％，V：0.1％，Co：1.7％，Al：1.0％，N：0.04-0.1％，Cu：≤0.05％，S：≤0.002％，P：≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质；
密炼：将合金粉末与黏结剂放入已预热的密炼机中进行密炼并搅拌均匀，得到待注射成型的喂料；
注射：将待注射成型的喂料在注射机中注射成型，得到生坯；
脱脂：将生坯在脱脂炉中进行脱脂，除去生胚中所含有的黏结剂；
烧结：将脱脂后的生坯放入真空烧结炉中进行烧结，得到烧结体；
热处理：对烧结体进行热处理。
3.根据权利要求2所述高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述黏结剂为塑基黏结剂，在脱脂步骤时，采用酸脱法脱脂。
4.根据权利要求2所述高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：所述黏结剂为蜡基黏结剂，在脱脂步骤时，采用溶脱法脱脂。
5.根据权利要求2所述高碳高强度耐磨合金的制备方法，其特征在于：热处理步骤具体为：先将烧结后的烧结体加热到1000℃保温30min；然后冷却到270℃进行等温处理，等温处理时间12h，等温处理后用水进行冷却至室温。
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