一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬材料制備加工技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，包括以下步驟：步驟一：首先，將石墨粉，高純鐵粉，合金粉末稱量配料；步驟二：將混和粉末取出，用壓片機將粉末壓成柱形試樣，將柱形試樣疊放到石英管內(nèi)；步驟三：將石英管放到區(qū)域熔煉爐中，在真空狀態(tài)下對石英管進行加熱。步驟四：將凝固且冷卻后的試樣取出，打碎石英管，即得到所制備的耐磨鋼鐵材料。本方案采用定向凝固工藝制備出了碳化物定向生長的耐磨鋼鐵，具有較高的強度、抗拉強度、硬度和較強的取向性。同時，通過控制加熱線圈的下拉速度和功率的大小，可以控制再凝固的速率與熔化區(qū)的長度，制備碳化物取向程度和方式不同的耐磨鋼鐵材料。
【專利說明】
一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料制備加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化物定向生長的耐磨鋼 鐵的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高效耐磨材料應用于冶金、礦山、水泥、電力、機械和煤炭等工業(yè)領(lǐng)域中，消耗量巨 大，抗磨鋼鐵材料是目前耐磨材料中應用較為廣泛的一種材料?？鼓ヤ撹F材料中的碳化物 對其抗磨性有顯著影響。要求碳化物不僅具有高硬度，適當?shù)捻g性，而且其尺寸、形狀和分 布等因素也相當重要。碳化物的硬度和斷裂韌性受不同合金元素含量的影響，也受晶體學 取向關(guān)系的影響。碳化物的不同晶體取向和晶面的耐磨性是不同的。碳化物在耐磨鋼鐵中 不同的取向進而影響鋼鐵材料整體的耐磨性。因此提出一種能夠制備碳化物定向生長的耐 磨鋼鐵的方法，對于耐磨鋼鐵材料性能的進一步提高和新型耐磨鋼鐵材料的開發(fā)是非常重 要的。
[0003] 定向凝固技術(shù)已經(jīng)被廣泛的用于合金的定向制備中，專利公告號為CN103273043A 的發(fā)明專利公布了一種電磁約束定向凝固技術(shù)制備純鐵/柱狀晶高硅電工鋼復合板坯。其 采用電磁約束定向凝固技術(shù)，以板狀柱狀晶組織高硅電工鋼為基體，以等軸晶組織純鐵為 兩側(cè)面復合層，制備了一種純鐵/柱狀晶高硅電工鋼復合板坯，且柱狀晶高硅電工鋼側(cè)面與 純鐵之間達到了良好的冶金結(jié)合。
[0004] 專利公告號為CN103031414A的發(fā)明專利公布了一種定向凝固制備汝鐵硼磁性合 金的方法，其采用等溫熱處理工藝和晶化退火工藝對定向凝固試樣進行熱處理，進而探索 熱處理工藝與定向凝固釹鐵硼鑄錠微觀組織的對應關(guān)系，為制備高性能釹鐵硼鑄錠提供工 藝指導。一種定向凝固釹鐵硼磁性合金的制備方法，對釹鐵硼磁性合金的熱處理溫度為 1000~1100 °C，保溫9 · 5~10 · 5小時，在720~740 °C晶化退火。
[0005] 但是，對于合金材料的處理，不同的溫度、壓強和成分均會對制得的合金材料造成 非常大的影響。上述方案，雖采用了定向凝固技術(shù)，但并不適用于碳化物定向生長的耐磨鋼 鐵材料的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，以制備出性 能好的耐磨鋼鐵。
[0007] 為了達到上述目的，本發(fā)明的基礎(chǔ)方案提供一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制 備方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一:首先，將石墨粉，高純鐵粉，合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量配料： 1 % -6 %石墨粉，6 % -20 %合金粉末，其余為高純鐵粉;然后，將配好的料放到球磨罐中球磨 混料；
[0009] 步驟二:將步驟一得到的混和粉末取出，用壓片機將粉末壓成柱形試樣，將多根柱 形試樣疊放到一端閉口一端開口的石英管內(nèi)；所述石英管的純度至少為99.99 % ;
[0010] 步驟三:將步驟二中放有柱形試樣的石英管放到區(qū)域熔煉爐中，在真空狀態(tài)下，感 應線圈通電，由上而下對石英管進行加熱，在溫度為1400°C-1600°C下進行熔煉。
[0011] 步驟四：將凝固且冷卻后的試樣取出，打碎石英管，即得到所制備的耐磨鋼鐵材 料。
[0012] 本文所述的高純鐵粉是指純度達到99%的鐵粉。
[0013] 進一步，所述合金粉末為鉻、鉬、鎢、釩中的至少一種。
[0014] 進一步，步驟一中，將石墨粉，高純鐵粉，合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量 配料:5.0%石墨粉，15%鉻，77%高純鐵粉和3%鎢。
[0015] 進一步，步驟一中，將石墨粉、高純鐵粉、合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量 配料:4.5%石墨粉，76.5%高純鐵粉，10%鎢，4%鉬和5%鉻。
[0016] 進一步，步驟一中，將石墨粉、高純鐵粉、合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量 配料:2.8%石墨粉，76.5%高純鐵粉，5%鎢，6%鉬，4%鉻和2%釩。
[0017] 進一步，步驟一中球料比為10:1到15:1之間，研磨時間不少于兩小時。
[0018] 進一步，步驟二中壓片機壓力為1 · 2GPa_l · 8GPa。
[0019] 進一步，步驟二中高純石英管內(nèi)徑為10mm，壁厚為3mm。
[0020] 進一步，步驟三中區(qū)域熔煉爐的真空度為7-9Pa。
[0021] 進一步，步驟三中感應線圈的加熱功率在10_15kw，感應線圈下拉速度在50-100mm/mi η 〇
[0022] 本發(fā)明的有益效果是：
[0023] 1、采用真空狀態(tài)下進行，有效的保證熔煉過程中合金粉末和石墨粉不被氧化，確 保最后所得到的鋼鐵樣品元素含量準確。
[0024] 2、石英管的純度保證99.99%以上是為了保證1500°C時石英管不被融化，避免石 英管的純度而影響到耐磨鋼鐵。
[0025] 3、壓片機的壓力設(shè)置為1.2GPa_l.SGPa是為了保證原料粉末壓成足夠致密的柱形 試樣，在區(qū)域熔煉爐中抽真空時，粉末不會被抽出；同時保證熔煉后的樣品足夠致密，沒有 氣孔。
[0026] 4、采用定向凝固工藝制備出了碳化物定向生長的耐磨鋼鐵材料，具有較高的強 度、抗拉強度、硬度和較強的取向性；
[0027] 5、通過控制加熱線圈的下拉速度和功率的大小，可以控制再凝固的速率與熔化區(qū) 的長度，制備碳化物取向程度和方式不同的耐磨鋼鐵材料。
【附圖說明】
[0028I圖1是本發(fā)明的示意圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明實施例1制備的耐磨鋼鐵材料縱向的金相顯微組織圖片。
[0030] 圖3是本發(fā)明實施例1制備的耐磨鋼鐵材料橫向的金相顯微組織圖片。
[0031] 圖4是本發(fā)明實施例2制備的耐磨鋼鐵材料縱向的金相顯微組織圖片。
[0032] 圖5是本發(fā)明實施例2制備的耐磨鋼鐵材料橫向的金相顯微組織圖片。
[0033]圖6是本發(fā)明實施例3制備的耐磨鋼鐵材料縱向和橫向的金相顯微組織圖片。
[0034] 圖7是本發(fā)明實施例3制備的耐磨鋼鐵材料縱向和橫向的金相顯微組織圖片。
【具體實施方式】
[0035] 下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明：
[0036] 說明書附圖中的附圖標記包括:試樣棒1、石英管2、線圈3、未熔區(qū)4、熔化區(qū)5、再凝 固區(qū)6。
[0037] 其中，石墨粉，高純鐵粉，鎢，鉬，鉻，釩均采用其化學符號表示，即分別為:C，F(xiàn)e，W， 1〇，&，￥。根據(jù)石墨粉，高純鐵粉，合金粉末的不同含量(見表1)而制得實施例1-7七組不同 的耐磨鋼鐵。如圖1所示，具體工序如下：
[0038] 步驟一：首先，將石墨粉，高純鐵粉，合金粉末按照表1的質(zhì)量百分比進行稱量配 料，然后，將配好的料放到球磨罐中球磨混料，其中，磨球和料的比例為10:1;
[0039]步驟二:將步驟一得到的混和粉末取出，用壓片機以1.5GPa的壓力將粉末壓成柱 形試樣，將多根柱形試樣疊放到一端閉口一端開口的石英管內(nèi)；其中，石英管的純度為 99.99% ；
[0040]步驟三:將步驟二中放有柱形試樣的石英管放到區(qū)域熔煉爐中，在真空度為SPa的 狀態(tài)下，將感應線圈通電以IOkw的功率通電，并以50mm/min的速度由上而下以對石英管進 行加熱，溫度控制在1500°C，誤差不超過± 100°C。
[0041]步驟四：將凝固且冷卻后的試樣取出，打碎石英管，即得到所制備的耐磨鋼鐵材 料。
[0043] 表 1
[0044] 由于圖片過多，僅以實施例1-3的金相顯微組織圖為例。如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6 和圖7所示，盡管圖片略有差異，主要因為成分不同而造成的，但從其縱、橫兩個方面的圖來 看，耐磨鋼鐵均表現(xiàn)出良好的取向性。
[0047] 表 2
[0048] 如表2所示，實施例1-7均表現(xiàn)出較好的抗拉強度、硬度和斷裂韌性。且橫向和縱向 表現(xiàn)出不同的抗拉強度、硬度和斷裂韌性。實施例8中，由于C的含量過高，雖然硬度有略微 提升，但是抗拉強度和斷裂韌性均大幅度降低。實施例9中，由于不含合金，各項參數(shù)均最 低，性能最差。實施例10中，則是由于合金的含量過高，形成碳化物過為粗大，抗拉強度、硬 度和斷裂韌性均有較大幅度的下降。
[0049] 為了測試不同的加熱功率和線圈下拉速度對耐磨鋼鐵的性能參數(shù)的影響，將實施 例1-7中的配比進行測試，均得出相同結(jié)論?，F(xiàn)僅以實施例1的數(shù)據(jù)(見表3)具體說明：
[0051] 表 3
[0052] 如表3所示，相同加熱功率下，線圈的下拉速度越快，抗拉強度和硬度均逐步升高， 而斷裂韌性呈下降趨勢，其中，在50mm/min和70mm/min的下拉速度下綜合性能最好。
[0053] 在相同的下拉速度下，加熱功率越大，抗拉強度則越低，其他性能變化不大，但當 加熱功率大于17kw時，則各項性能均呈下降趨勢，綜合性能不好。
[0054] 為了測試不同的球料比對耐磨鋼鐵的性能參數(shù)的影響，將實施例1-7中的配比進 行測試，均得出相同結(jié)論?，F(xiàn)僅以實施例1的數(shù)據(jù)(見表4)具體說明：
[0056] 表4
[0057] 如表4可知，當球料比在10:1-15:1時，抗拉強度、硬度均表現(xiàn)出比較強的性能，而 當球料比為8:1和17:1時，抗拉強度、硬度均有一定程度的下降。
[0058] 以上所述的僅是本發(fā)明的實施例，方案中公知的具體結(jié)構(gòu)及特性等常識在此未作 過多描述。應當指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以 作出若干變形和改進，這些也應該視為本發(fā)明的保護范圍，這些都不會影響本發(fā)明實施的 效果和專利的實用性。本申請要求的保護范圍應當以其權(quán)利要求的內(nèi)容為準，說明書中的 【具體實施方式】等記載可以用于解釋權(quán)利要求的內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1. 一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:首先，將石墨粉，高純鐵粉，合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量配料：1%-6%石墨粉，6%-20%合金粉末，其余為高純鐵粉;然后，將配好的料放到球磨罐中球磨混料； 步驟二:將步驟一得到的混和粉末取出，用壓片機將粉末壓成柱形試樣，將多根柱形試 樣疊放到一端閉口一端開口的石英管內(nèi)；所述石英管的純度至少為99.99%; 步驟三:將步驟二中放有柱形試樣的石英管放到區(qū)域熔煉爐中，在真空狀態(tài)下，感應線 圈通電，由上而下對石英管進行加熱，在溫度為1400°C-1600°C下進行熔煉； 步驟四：將凝固且冷卻后的試樣取出，打碎石英管，即得到所制備的耐磨鋼鐵材料。2. 如權(quán)利要求1所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，所述 合金粉末為鉻、鉬、鎢、釩中的至少一種。3. 如權(quán)利要求2所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 一中，將石墨粉，高純鐵粉，合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量配料：5.0 %石墨粉， 15 %鉻，77 %高純鐵粉和3 %鎢。4. 如權(quán)利要求2所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 一中，將石墨粉、高純鐵粉、合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量配料：4.5 %石墨粉， 76.5 %高純鐵粉，10 %鎢，4 %鉬和5 %鉻。5. 如權(quán)利要求2所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 一中，將石墨粉、高純鐵粉、合金粉末按照以下質(zhì)量百分比進行稱量配料：2.8 %石墨粉， 76.5 %高純鐵粉，5 %媽，6 %鉬，4 %絡(luò)和2 %釩。6. 如權(quán)利要求1所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 一中球料比為10:1-15:1之間，研磨時間不少于兩小時。7. 如權(quán)利要求1所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 二中壓片機壓力為1.2GPa-1.8 GPa。8. 如權(quán)利要求1所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 二中高純石英管內(nèi)徑為10 _，壁厚為3 mm。9. 如權(quán)利要求1所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步驟 三中區(qū)域熔煉爐的真空度為7-9Pa。10. 如權(quán)利要求1所述的一種碳化物定向生長的耐磨鋼鐵的制備方法，其特征在于，步 驟三中感應線圈的加熱功率在10-15 kw，感應線圈下拉速度在50-100 mm/min。
【文檔編號】C22C38/22GK106086592SQ201610579600
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月21日 公開號201610579600.7, CN 106086592 A, CN 106086592A, CN 201610579600, CN-A-106086592, CN106086592 A, CN106086592A, CN201610579600, CN201610579600.7
【發(fā)明人】馮晶, 種曉宇, 蔣業(yè)華, 周榮
【申請人】昆明理工大學