一種用于采礦機械的高強度合金材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料及冶金技術領域，具體涉及一種用于采礦機械的高強度合金材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]合金材料的晶體結構屬密排六方晶格，其塑性變形能力不及鋁和鋼，增加了合金材料塑性加工的難度和生產制備成本，為此近年的新型合金材料開發(fā)研究中，已經開始重視通過變形合金材料中合金相設計和采用新變形工藝等方式，在保證一定強度的同時更注重提高合金材料的塑性加工能力。
[0003]例如制造平衡錘、振動吸收屏與X、α、β、γ射線吸收屏，以及高穿透能力的砲彈，要求其材料必須具有相當大的密度。因此，生產這些東西要借助于所謂“重”合金類合金。該類合金主要含有鎢，鎢均質分散在通常由結合元素，例如鎳和鐵所形成的金屬基體中。在大多數情況下，這類合金含有90-98%(重量比)的鎢，比重為15.6-18。該類合金主要用粉末冶金法制造，即各組分均以粉末狀態(tài)使用，并壓制成適宜的形狀，燒結并穩(wěn)定化，以賦予其機械密實性，并可能經受加工和熱處理，以使其具有適合其用途的機械性能:強度、延伸率和硬度等。
[0004]目前，商業(yè)上大量應用的鎢系合金經變形并熱處理后最高強度也不超過lOOOMPa，這樣強度的合金材料還難以滿足高性能結構材料的要求，因此，其大量應用于承載結構件受到限制。為提高合金材料的耐熱性和強韌性，科研工作者開展了大量研究工作。
[0005]要想提高合金材料的強度可以通過添加顆?；蚶w維增強相，也可以通過強烈塑形變形或粉末冶金等復雜的制備方法。但上述兩種方法均無法制備大尺寸合金材料結構件，因此其應用受到限制。添加合金元素強化合金材料是提高合金材料強度的一種簡單有效且經濟實用的方法，目前在高強合金材料開發(fā)過程中通過添加大量的合金元素來提高強度使用的最為普遍。在提高合金材料性能的各種合金元素中，多種稀土元素聯(lián)合使用時強化效果最好。目前，高強合金材料的開發(fā)一般含兩種及兩種以上稀土元素。另外，稀土元素在鑄造合金材料中有凈化、除氣和排渣作用，能有效減少氣體、氧化物和有害元素的影響。同時，部分稀土元素能夠細化合金組織或擴散固溶于基體內部以強化合金材料的力學性能，還可以在金屬中形成稀土化合物，這些化合物在合金材料基體的晶界處產生偏聚，進而增加了位錯密度，增大了晶格畸變程度，從而達到強化的目的。但是大量稀土元素的加入雖然可以大大提高合金材料的強度，隨之而來的是合金材料材料價格比較高，高稀土合金材料大量應用受到限制。因此開發(fā)無稀土或含少量稀土元素的高強合金材料具有重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種用于采礦機械的高強度合金材料及其制備方法，目的是通過低成本且簡便易行的技術手段，獲得具有較高的強度的合金材料，使得此類合金材料具有比傳統(tǒng)商業(yè)合金材料優(yōu)越的力學性能。
[0007]本發(fā)明的用于采礦機械的高強合金材料，各組份及其質量百分比為:1.0-15.0%ff,
2.0-10.0%Ni，5.0%~13.0%Zn，7.0%~15.0%Y，0.4-1.0% 的 Zr，0.1-5.0%Nb，余量為 Fe，其室溫抗拉強度為1050~1850MPa，屈服強度為1010~1810MPa，維氏硬度400~530，洛氏硬度30~49。
[0008]本發(fā)明的用于采礦機械的高強度合金材料的制備方法按照以下步驟進行:
(1)按照質量百分比為:1.0-15.0%ff, 2.0-10.0%Ni，5.0%~13.0%Zn，7.0%~15.0%Y，
0.4-1.0%的Zr，0.1-5.0%Nb，余量為Fe進行備料，其中Fe、W、Ni和Zn分別以鐵錠、鎢錠、Ni粉和鋅錠，Y、Nb和Zr為中間合金，將鐵錠、鎢錠、鋅錠和Y、Nb、Zr的中間合金放入烘箱中預熱；
(2)將預熱好的金屬錠和中間合金投入真空中頻感應爐中進行初次熔煉，熔煉過程中通入保護氣體，熔煉溫度為1560~1600°C，熔煉時間為lh，得到初次熔煉合金；
(3)將初次熔煉和金破碎，得到直徑3厘米的碎塊，向碎塊中均勻混入粒度為-300目的鎳粉，在真空中頻感應爐中進行二次熔煉，熔煉溫度為1570~1610°C，熔化時間為1.5 h，合金完全熔化后，于1700°C?1720°C澆入砂型，成型得到合金材料試塊，其室溫抗拉強度為1050~1850MPa，屈服強度為 1010~1810MPa，維氏硬度 400~530，洛氏硬度 30~49。
[0009]其中，所述的烘箱預熱溫度為150~200°C，時間為2~3h。
[0010]所述的真空中頻感應爐的真空度為1.7 X 10 3Pa0
[0011]所述的通入保護氣體的壓力為3 X 10 3Pa0
[0012]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
(I)本發(fā)明的高強合金材料與其他高強合金材料相比，稀土元素含量少，所用原材料易于獲得，成本低，性價比高，易于大規(guī)模生產。
[0013](2)本發(fā)明工藝簡單，所用設備為常規(guī)通用設備，易于移植和操作，成本低，可明顯改善合金強度低的問題，能夠解決合金材料由于強度低而限制其應用的難題，也可擴大合金材料的應用領域。
[0014](3)本發(fā)明提供的合金組分及其方法制備的合金材料室溫拉伸性能為:室溫抗拉強度為1050~1850MPa，屈服強度為1010~1810MPa，維氏硬度400~530，洛氏硬度30~49。
【具體實施方式】
[0015]下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。應該理解的是，本發(fā)明的實施例是用于說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的限制。根據本發(fā)明的實質對本發(fā)明進行的簡單改進都屬于本發(fā)明要求保護的范圍。所用原料以及試劑均為市售產品。
[0016]本實施例中Fe、W、Ni 和 Zn 分別以鐵錠(99.95%)、鎢錠(99.99%) ^ Ni 粉(99.99%)和鋅錠(99.95%)加入，Y、Nb和Zr均采用中間合金的形式加入，各中間合金組成質量分數分別為:Fe-25 (或 50) %Y、Zn-30%Nb 和 Fe_30%Zr。
[0017]本實施例中在合金熔煉過程中所用的保護氣體為SF6+C02+Ar混合氣體，SF6:CO2:Ar 體積比為 0.5:40:50ο
[0018]根據國標GB228-2002的標準，對本實施例所得各種合金材料進行室溫力學性能測試。
[0019]實施例1
本實施例的用于采礦機械的高強合金材料，各組份及其質量百分比為:10.0%W，5.0%Ni，5.0%Zn，7.0%Y，0.6% 的 Zr，0.l%Nb，余量為 Fe。
[0020]本實施例的用于采礦機械的高強合金材料的制備方法按照以下步驟進行:
(1)按照質量百分比為:10.00M, 5.0%Ni，5.0%Ζη，7.0%Υ，0.6% 的 Zr, 0.l%Nb，余量為 Fe進行備料，其中Fe、W、Ni和Zn分別以鐵錠、鎢錠、鎳粉和鋅錠，Y、Nb和Zr為中間合金，將鐵錠、鎢錠、鋅錠和Y、Nb、Zr的中間合金放入溫度為150°C烘箱中預熱3h ;
(2)將預熱好的金屬錠和中間合金投入真空度為1.7X10 3Pa的真空中頻感應爐中進行初次熔煉，熔煉過程中保護氣體為3X 10 3Pa,熔煉溫度為1560°C，熔煉時間為lh，得到初次熔煉合金；
(3)將初次熔煉和金破碎，得到直徑3厘米的碎塊，向碎塊中均勻混入粒度為-300目的鎳粉，在真空中頻感應爐中進行二次熔煉，熔煉溫度為1570°C，熔化時間為1.5 h，合金完全熔化后，于1700 V澆入砂型，成型得到合金材料試塊。
[0021]本實施例所獲得合金室溫拉伸性能為:抗拉強度為1050MPa，屈服強度為lOlOMPa，維氏硬度400，洛氏硬度30。
[0022]實施例2
本實施例的用于采礦機械的高強合金材料，各組份及其質量百分比為:15.0%W，
3.0%Ni，5.0%Ζη，11.0%Y，0.6% 的 Zr，0.5%Nb，余量為 Fe。
[0023]本實施例的用于采礦機械的高強合金材料的制備方法按照以下步驟進行:
(1)按照質量百分比為:15.00M, 3.0%Ni，5.0%Ζη，11.0%Υ，0.6% 的 Zr, 0.5%Nb，余量為 Fe進行備料，其中Fe、W、Ni和Zn分別以鐵錠、鎢錠、鎳粉和鋅錠，Y、Nb和Zr為中間合金，將鐵錠、鎢錠、鋅錠和Y、Nb、Zr的中間合金放入溫度為200°C烘箱中預熱2h ;
(2)將預熱好的金屬錠和中間合金投入真空度為1.7X10 3Pa的真空中頻感應爐中進行初次熔煉，熔煉過程中保護氣體為3X 10 3Pa,熔煉溫度為1570°C，熔煉時間為lh，得到初次熔煉合金；
(3)將初次熔煉和金破碎，得到直徑3厘米的碎塊，向碎塊中均勻混入粒度為-300目的鎳粉，在真空中頻感應爐中進行二次熔煉，熔煉溫度為1580°C，熔化時間為1.5 h，合金完