高硬度錳鐵合金材料的製備方法與流程

2023-06-28 14:49:11

本發明涉及金屬合金材料的製造領域，更具體地說本發明涉及一種高硬度錳鐵合金材料的製備方法。
背景技術：
：fe基合金材料以其原料成本低廉、易於加工製造、便於常溫貯運、力學性能優異等特點，已在石油、機械、化工等行業得到廣泛應用，成為目前的研究熱點。但由於鐵的淬透性和韌性不足、硬度低、耐磨性差、摩擦係數大、導致鑄件心部抗磨能力差或發生早期斷裂使用壽命短。因此，急需一種高硬度和高衝擊韌性的fe基合金材料以滿足實際需求。技術實現要素：本發明的一個目的是解決至少上述問題，並提供至少後面將說明的優點。本發明還有一個目的是提供一種高硬度錳鐵合金材料的製備方法，其通過添加cr和稀土元素使得錳鐵合金的強度高、韌性好、耐磨性好，大大提高了銅合金的綜合性能。為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種高硬度錳鐵合金材料的製備方法，包括以下步驟：s1、往熔煉爐中加入重量份為80～90份的fe，加熱使其完全融化並在1600～1700℃下保溫；s2、向s1中融化的fe中加入重量份為5～10份的mn、重量份為10～15份的cr、重量份為0.5～1份的zr、重量份為0.1～0.5份的mo、重量份為0.1～0.5份的cd、重量份為0.1～0.5份的w、重量份為0.1～0.5份的v、重量份為0.5～1份的石墨、重量份為0.5～1份的金剛石、重量份為0.5～1份的wc、重量份為0.5～1份的cr2b，攪拌均勻，再加入重量份為0.05～0.1份的la2o3、重量份為0.05～0.1份的nd(oh)3、重量份為0.05～0.1份的eu2o3、重量份為0.05～0.1份的yb2o3、重量份為0.05～0.1份的prcl3、重量份為0.05～0.1份的prsi2、重量份為0.05～0.1份的ysi2、重量份為0.05～0.1份的tbn，混合均勻得到合金熔體；s3、對s2中合金熔體進行精煉，並在精煉過程中加入重量份為1～2份的精煉劑；其中，所述精煉劑包括以下重量分組分：高嶺土10～15份、白雲石1～3份、苦菱土2～5份、瑩石1～5份、粘土30～35份、麥飯石粉1～2份、冰晶石粉1.5～3份、海綿鈦0.1～0.5份、樹木灰6～8份、氧化鑭0.1～0.5份、氟鋯酸鈣0.1～0.5份、納米氧化鋁1～3份、碳酸鍶0.1～0.5份、氧化鈰0.1～0.5份、氮化鋁1～3份；s4、將s3中精煉後的合金熔體鑄造得到鑄件，並將鑄件以升溫速率為15～20℃/min將溫度升至650～750℃並保持1～2h，然後以升溫速率為5～10℃/min將溫度由750～850℃升至950～1050℃並保持2～4h，後以升然溫速率為2～5℃/min將溫度由950～1050℃升至1050～1150℃並保持1～2h，然後以降溫速率為8～10℃/min將溫度由1050～1150℃降溫至600～800℃，最後以降溫速率為10～15℃/min將溫度由600～800℃降溫至室溫；s5、將s4中冷卻後鑄件回火，回火溫度250～450℃，回火保溫時間5～7h，然後冷卻即得。優選的是，所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，所述精煉劑的製備包括以下步驟：步驟一、將重量份為10～15份的高嶺土、1～3份的白雲石、2～5份的苦菱土、1～5份的瑩石份、30～35份的粘土、1～2份的麥飯石粉、1.5～3份的冰晶石粉、6～8份的樹木灰、0.1～0.5份的海綿鈦混合均勻，加入至質量分數5～10％的碳酸鈉溶液中浸泡2～4h，過濾，得到第一濾渣，再將第一濾渣加入質量分數為10～15％的鹽酸溶液中，浸泡1～2h，過濾，得到第二濾渣，第二濾渣用清水洗淨，烘乾，得到第一粉末；步驟二、將重量份為0.1～0.5份的氧化鑭、0.1～0.5份的氟鋯酸鈣、1～3份的納米氧化鋁、0.1～0.5份的碳酸鍶、0.1～0.5份的氧化鈰、1～3份的氮化鋁，混合均勻，加入重量份為50～80份的無水乙醇，在常溫下攪拌1～2h後得到混合料漿；再向混合料漿加入重量份為0.05～0.1份的聚乙二醇，置於球磨機中球磨，將球磨後的料漿於60～80℃下乾燥10～15h，得到第二粉末；步驟三、將第一粉末、第二粉末混合均勻，於溫度為1600～1700℃、壓力為10～20mpa的燒結爐中燒結1～2h，自然冷卻至室溫，研磨即得精煉劑。優選的是，所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，納米氧化鋁的粒徑為30～50nm，氧化鑭、氟鋯酸鈣、碳酸鍶、氧化鈰、氮化鋁的平均粒徑均為0.5～1μm。優選的是，所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟三中第一粉末、第二粉末混合均勻後置於燒結爐中，先以升溫速率為8～10℃/min將燒結爐溫度由室溫升穩至1000～1050℃，然後再以升溫速率為3～5℃/min將燒結爐溫度由1000～1050℃升溫至1600～1700℃。優選的是，所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，s5中冷卻方式為空冷、霧冷、風冷中的一種。優選的是，所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中球磨過程包括連續的三個階段，第一階段保持轉速為600～800rpm，球磨10～15h；第二階段保持轉速為400～600rpm，球磨8～10h；第三階段保持轉速為300～500rpm，球磨6～8h，完成球磨。優選的是，所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中攪拌速率為1000～1200r/min。本發明至少包括以下有益效果：1、本發明的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，通過加入mn、cr、mo、zr、w、v貴金屬，通過貴金屬的複合使用提高了鐵合金材料的高硬度和衝擊韌性；其中mn作為高溫強化相，具有提高再結晶溫度、抑制再結晶晶粒粗化的作用，能夠實現對合金的固溶強化、補充強化、提高耐熱性能；cr可以提高耐磨性，w和mo可提高淬透性和耐磨性，細化晶粒，抑制珠光體組織出現，提高抗回火穩定性。v、ti可細化晶粒，淨化晶界，改善碳化物的形態、大小、數量與分布，可提高材料綜合性能；而cr2b、金剛石、wc、石墨，不僅具有很高的硬度同時還兼具有良好的潤滑性可提高合金材料硬度同時還增加了合金材料的耐磨性。2、本發明的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，通過加入各種不同稀土元素，稀土元素在合金中的除氣、除渣、淨化作用、細化晶粒和變質作用、提高合金的力學性能以及耐蝕性作用，在獲得高硬度的同時提高衝擊韌性值。而且稀土元素與鐵之間在熔煉過程中可以形成合金，比如fe-la合金、fe-nd合金、fe-eu合金等，這些合金為高熔點金屬化合物，這些高熔點金屬化合物彌散分布於呈網狀或骨架狀的晶間和枝晶間，並與基體牢固結合，起到了強化和穩定晶界的作用。同時，稀土元素為表面活性元素，可集中分布在晶界面上，降低熔體粘度，增強流動性，降低相與相之間的拉力，因為使形成臨界尺寸晶核的功減少，結晶核數量增加，從而使晶粒細化。3、本發明的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，在熔煉過程中還加入精煉劑，精煉劑中含有氧化鑭、氧化鈰稀土元素可以增加合金鋼內的稀土元素含量，有利於提高鐵合金中的夾雜物去除率及合金的力學性能和耐腐蝕性能，添加冰晶石粉、海綿鈦對熔體內的氧化夾雜物有強烈的吸附作用，能有效地去除夾雜物並迅速下沉造渣，提高了除渣性能；精煉劑中氮化鋁和納米氧化鋁在燒結過程中，在一定壓力作用下發生兩相固溶生成氮氧化鋁相，由於納米氧化鋁相的存在很好的限制了氮氧化鋁晶粒的長大，並分散在晶界處，形成納米顆粒釘扎作用，這樣可以在整體上提高合金的力學性能。本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。具體實施方式下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。一種高硬度錳鐵合金材料的製備方法，包括以下步驟：s1、往熔煉爐中加入重量份為80份的fe，加熱使其完全融化並在1600℃下保溫；s2、向s1中融化的fe中加入重量份為5份的mn、重量份為10份的cr、重量份為0.5份的zr、重量份為0.1份的mo、重量份為0.1份的cd、重量份為0.1份的w、重量份為0.1份的v、重量份為0.5份的石墨、重量份為0.5份的金剛石、重量份為0.5份的wc、重量份為0.5份的cr2b，攪拌均勻，再加入重量份為0.05份的la2o3、重量份為0.05份的nd(oh)3、重量份為0.05份的eu2o3、重量份為0.05份的yb2o3、重量份為0.05份的prcl3、重量份為0.05份的prsi2、重量份為0.05份的ysi2、重量份為0.05份的tbn，混合均勻得到合金熔體；s3、對s2中合金熔體進行精煉，並在精煉過程中加入重量份為1份的精煉劑；其中，所述精煉劑包括以下重量分組分：高嶺土10份、白雲石1份、苦菱土2份、瑩石1份、粘土30份、麥飯石粉1份、冰晶石粉1.5份、海綿鈦0.1份、樹木灰6份、氧化鑭0.1份、氟鋯酸鈣0.1份、納米氧化鋁1份、碳酸鍶0.1份、氧化鈰0.1份、氮化鋁1份；s4、將s3中精煉後的合金熔體鑄造得到鑄件，並將鑄件以升溫速率為15℃/min將溫度升至650℃並保持1h，然後以升溫速率為5℃/min將溫度由750℃升至950℃並保持2h，後以升然溫速率為2℃/min將溫度由950℃升至1050℃並保持1h，然後以降溫速率為8℃/min將溫度由1050℃降溫至600℃，最後以降溫速率為10℃/min將溫度由600℃降溫至室溫；s5、將s4中冷卻後鑄件回火，回火溫度250℃，回火保溫時間5h，然後冷卻即得。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，所述精煉劑的製備包括以下步驟：步驟一、將重量份為10份的高嶺土、重量份為1份的白雲石、重量份為2份的苦菱土、重量份為1份的瑩石份、重量份為30份的粘土、重量份為1份的麥飯石粉、重量份為1.5份的冰晶石粉、重量份為6份的樹木灰、重量份為0.1份的海綿鈦混合均勻，加入至質量分數5％的碳酸鈉溶液中浸泡2h，過濾，得到第一濾渣，再將第一濾渣加入質量分數為10％的鹽酸溶液中，浸泡1h，過濾，得到第二濾渣，第二濾渣用清水洗淨，烘乾，得到第一粉末；步驟二、將重量份為0.1份的氧化鑭、重量份為0.1份的氟鋯酸鈣、重量份為1份的納米氧化鋁、重量份為0.1份的碳酸鍶、重量份為0.1份的氧化鈰、重量份為1份的氮化鋁，混合均勻，加入重量份為50份的無水乙醇，在常溫下攪拌1h後得到混合料漿；再向混合料漿加入重量份為0.05份的聚乙二醇，置於球磨機中球磨，將球磨後的料漿於60℃下乾燥10h，得到第二粉末；步驟三、將第一粉末、第二粉末混合均勻，於溫度為1600℃、壓力為10mpa的燒結爐中燒結1h，自然冷卻至室溫，研磨即得精煉劑。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，納米氧化鋁的粒徑為30nm，氧化鑭、氟鋯酸鈣、碳酸鍶、氧化鈰、氮化鋁的平均粒徑均為0.5μm。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟三中第一粉末、第二粉末混合均勻後置於燒結爐中，先以升溫速率為8℃/min將燒結爐溫度由室溫升穩至1000℃，然後再以升溫速率為3℃/min將燒結爐溫度由1000℃升溫至1600℃。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，s5中冷卻方式為空冷。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中球磨過程包括連續的三個階段，第一階段保持轉速為600rpm，球磨10h；第二階段保持轉速為400rpm，球磨8h；第三階段保持轉速為300rpm，球磨6h，完成球磨。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中攪拌速率為1000r/min。一種高硬度錳鐵合金材料的製備方法，包括以下步驟：s1、往熔煉爐中加入重量份為85份的fe，加熱使其完全融化並在1650℃下保溫；s2、向s1中融化的fe中加入重量份為8份的mn、重量份為12份的cr、重量份為0.8份的zr、重量份為0.3份的mo、重量份為0.3份的cd、重量份為0.3份的w、重量份為0.3份的v、重量份為0.8份的石墨、重量份為0.8份的金剛石、重量份為0.8份的wc、重量份為0.8份的cr2b，攪拌均勻，再加入重量份為0.08份的la2o3、重量份為0.08份的nd(oh)3、重量份為0.08份的eu2o3、重量份為0.08份的yb2o3、重量份為0.08份的prcl3、重量份為0.08份的prsi2、重量份為0.08份的ysi2、重量份為0.08份的tbn，混合均勻得到合金熔體；s3、對s2中合金熔體進行精煉，並在精煉過程中加入重量份為1.5份的精煉劑；其中，所述精煉劑包括以下重量分組分：高嶺土12份、白雲石2份、苦菱土3份、瑩石3份、粘土32份、麥飯石粉1.5份、冰晶石粉2份、海綿鈦0.3份、樹木灰7、氧化鑭0.3份、氟鋯酸鈣0.3份、納米氧化鋁2份、碳酸鍶0.3份、氧化鈰0.3份、氮化鋁2份；s4、將s3中精煉後的合金熔體鑄造得到鑄件，並將鑄件以升溫速率為18℃/min將溫度升至700℃並保持1.5h，然後以升溫速率為8℃/min將溫度由800℃升至1000℃並保持3h，後以升然溫速率為3℃/min將溫度由1000℃升至1100℃並保持1.5h，然後以降溫速率為9℃/min將溫度由1100℃降溫至700℃，最後以降溫速率為12℃/min將溫度由700℃降溫至室溫；s5、將s4中冷卻後鑄件回火，回火溫度350℃，回火保溫時間6h，然後冷卻即得。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，所述精煉劑的製備包括以下步驟：步驟一、將重量份為12份的高嶺土、重量份為2份的白雲石、重量份為3份的苦菱土、重量份為3份的瑩石份、重量份為32份的粘土、重量份為1.5份的麥飯石粉、重量份為2份的冰晶石粉、重量份為7份的樹木灰、重量份為0.3份的海綿鈦混合均勻，加入至質量分數8％的碳酸鈉溶液中浸泡2h，過濾，得到第一濾渣，再將第一濾渣加入質量分數為12％的鹽酸溶液中，浸泡1.5h，過濾，得到第二濾渣，第二濾渣用清水洗淨，烘乾，得到第一粉末；步驟二、將重量份為0.3份的氧化鑭、重量份為0.3份的氟鋯酸鈣、重量份為2份的納米氧化鋁、重量份為0.3份的碳酸鍶、重量份為0.3份的氧化鈰、重量份為2份的氮化鋁，混合均勻，加入重量份為70份的無水乙醇，在常溫下攪拌1.5h後得到混合料漿；再向混合料漿加入重量份為0.08份的聚乙二醇，置於球磨機中球磨，將球磨後的料漿於70℃下乾燥12h，得到第二粉末；步驟三、將第一粉末、第二粉末混合均勻，於溫度為1650℃、壓力為15mpa的燒結爐中燒結1.5h，自然冷卻至室溫，研磨即得精煉劑。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，納米氧化鋁的粒徑為40nm，氧化鑭、氟鋯酸鈣、碳酸鍶、氧化鈰、氮化鋁的平均粒徑均為0.8μm。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟三中第一粉末、第二粉末混合均勻後置於燒結爐中，先以升溫速率為9℃/min將燒結爐溫度由室溫升穩至1020℃，然後再以升溫速率為4℃/min將燒結爐溫度由1020℃升溫至1650℃。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，s5中冷卻方式為霧冷。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中球磨過程包括連續的三個階段，第一階段保持轉速為700rpm，球磨12h；第二階段保持轉速為500rpm，球磨9h；第三階段保持轉速為400rpm，球磨7h，完成球磨。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中攪拌速率為1100r/min。一種高硬度錳鐵合金材料的製備方法，包括以下步驟：s1、往熔煉爐中加入重量份為90份的fe，加熱使其完全融化並在1700℃下保溫；s2、向s1中融化的fe中加入重量份為10份的mn、重量份為15份的cr、重量份為1份的zr、重量份為0.5份的mo、重量份為0.5份的cd、重量份為0.5份的w、重量份為0.5份的v、重量份為1份的石墨、重量份為1份的金剛石、重量份為1份的wc、重量份為1份的cr2b，攪拌均勻，再加入重量份為0.1份的la2o3、重量份為0.1份的nd(oh)3、重量份為0.1份的eu2o3、重量份為0.1份的yb2o3、重量份為0.1份的prcl3、重量份為0.1份的prsi2、重量份為0.1份的ysi2、重量份為0.1份的tbn，混合均勻得到合金熔體；s3、對s2中合金熔體進行精煉，並在精煉過程中加入重量份為2份的精煉劑；其中，所述精煉劑包括以下重量分組分：高嶺土15份、白雲石3份、苦菱土5份、瑩石5份、粘土35份、麥飯石粉2份、冰晶石粉3份、海綿鈦0.5份、樹木灰8份、氧化鑭0.5份、氟鋯酸鈣0.5份、納米氧化鋁3份、碳酸鍶0.5份、氧化鈰0.5份、氮化鋁3份；s4、將s3中精煉後的合金熔體鑄造得到鑄件，並將鑄件以升溫速率為20℃/min將溫度升至750℃並保持2h，然後以升溫速率為10℃/min將溫度由850℃升至1050℃並保持4h，後以升然溫速率為5℃/min將溫度由1050℃升至1150℃並保持2h，然後以降溫速率為10℃/min將溫度由1150℃降溫至800℃，最後以降溫速率為15℃/min將溫度由800℃降溫至室溫；s5、將s4中冷卻後鑄件回火，回火溫度450℃，回火保溫時間7h，然後冷卻即得。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，所述精煉劑的製備包括以下步驟：步驟一、將重量份為15份的高嶺土、重量份為3份的白雲石、重量份為5份的苦菱土、重量份為5份的瑩石份、重量份為35份的粘土、重量份為2份的麥飯石粉、重量份為3份的冰晶石粉、重量份為8份的樹木灰、重量份為0.5份的海綿鈦混合均勻，加入至質量分數10％的碳酸鈉溶液中浸泡4h，過濾，得到第一濾渣，再將第一濾渣加入質量分數為15％的鹽酸溶液中，浸泡2h，過濾，得到第二濾渣，第二濾渣用清水洗淨，烘乾，得到第一粉末；步驟二、將重量份為0.5份的氧化鑭、重量份為0.5份的氟鋯酸鈣、重量份為3份的納米氧化鋁、重量份為0.5份的碳酸鍶、重量份為0.5份的氧化鈰、重量份為3份的氮化鋁，混合均勻，加入重量份為80份的無水乙醇，在常溫下攪拌2h後得到混合料漿；再向混合料漿加入重量份為0.1份的聚乙二醇，置於球磨機中球磨，將球磨後的料漿於80℃下乾燥15h，得到第二粉末；步驟三、將第一粉末、第二粉末混合均勻，於溫度為1700℃、壓力為20mpa的燒結爐中燒結2h，自然冷卻至室溫，研磨即得精煉劑。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，納米氧化鋁的粒徑為50nm，氧化鑭、氟鋯酸鈣、碳酸鍶、氧化鈰、氮化鋁的平均粒徑均為1μm。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟三中第一粉末、第二粉末混合均勻後置於燒結爐中，先以升溫速率為10℃/min將燒結爐溫度由室溫升穩至1050℃，然後再以升溫速率為5℃/min將燒結爐溫度由1050℃升溫至1700℃。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，s5中冷卻方式為風冷。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中球磨過程包括連續的三個階段，第一階段保持轉速為800rpm，球磨15h；第二階段保持轉速為600rpm，球磨10h；第三階段保持轉速為500rpm，球磨8h，完成球磨。所述的高硬度錳鐵合金材料的製備方法，步驟二中攪拌速率為1200r/min。同實施例1，不同之處在於，原料中不加入nd(oh)3、eu2o3、yb2o3、prcl3、prsi2、ysi2、tbn其餘條件不變。同實施例1，不同之處在於，熔煉過程中不加入本發明的精煉劑，使用常規精煉劑，其餘不變。同實施例1，不同之處在於，原料中不加入cr2b、金剛石、wc、石墨、cr其餘條件不變。按照實施例1～3、對比例1～3的製備方法得到的錳鐵合金，並測試其抗拉強度、屈服強度、硬度、和衝擊韌性，測試結果如表1所示。表1-錳鐵合金力學性能抗拉強度(mpa)屈服強度(mpa)衝擊韌性ak(j/cm2)硬度(hb)實施例152345841138實施例253147446143實施例353848351151對比例139540823102對比例242643832123對比例344244329118從表1中可以看出經過實施例1～3的製備方法得到的錳鐵合金材料其抗拉強度、屈服強度、硬度、和衝擊韌性均大於對比例1～3的合金材料，力學性能優於對比例1～3的銅合金材料，由此可知本發明添加的精煉劑和金屬元素、稀土元素可大大增加了錳鐵合金的性能。儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的實施例。當前第1頁12