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權(quán)利要求
1.鈷鉻鎳合金,其特征在于:所述鈷鉻鎳合金材料的原料中,Co:50~62%;Cr:3~31%;Ni:3~31%;Mo:2%~12%;Fe:2%~12%;Si:2%~12%;C:0.05~0.2%,所有合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和為100%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷鉻鎳合金,其特征在于:所述鈷鉻鎳合金的制備方法包括以下步驟: S1:混料:將原始粉末按照比例稱取配制混合粉,將混合粉進行濕法球磨得到混合漿料; S2:烘干:所述步驟S1中的混合漿料在干燥箱內(nèi)干燥得混合料,混合料過篩網(wǎng); S3:壓制:得到的物料壓制成形得到壓坯; S4:真空熔煉:熔煉后采用亞快速凝固工藝方法進行鑄造得到鈷鉻鎳合金。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈷鉻鎳合金,其特征在于:所述步驟S4:亞快速凝固工藝的凝固冷卻速率為50~120K/s。 4.一種鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,其特征在于:對鈷鉻鎳合金鑄錠進行熱處理,具體包括以下步驟: 1)將鈷鉻鎳合金用瓷泥進行包裹后置于熱處理爐內(nèi),采用將溫度升溫后進行保溫處理; 2)出爐后帶有泥殼進行冷卻獲得熱處理強化鈷鉻鎳合金。 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,其特征在于:所述步驟1)中,采用的瓷泥為黃瓷泥或白瓷泥或其組合,瓷泥包裹層厚度為0.5~1.5mm。 6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,其特征在于:所述步驟1)中,保溫處理的溫度高于鈷鉻鎳合金的固溶處理溫度,保溫處理的時間高于鑄造枝晶的消失時間。 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,其特征在于:所述步驟1)中,保溫處理溫度1130~1200℃,保溫時間4-10h。 8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,其特征在于:所述步驟1)中,采用加熱速率為3~7℃/min將溫度升至1130~1200℃。 9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,其特征在于:所述步驟2)中,冷卻速度為300~500℃/min,冷卻到室溫。 10.權(quán)利要求4-9任意一項所述鈷鉻鎳合金的熱處理工藝得到的熱處理強化鈷鉻鎳合金,其特征在于: 熱處理強化鈷鉻鎳合金組織為α-fcc+ε-hcp兩相組織,晶粒為等軸晶; 熱處理強化鈷鉻鎳合金組織為顯微缺陷組織,α-fcc相晶粒內(nèi)的顯微缺陷為層錯,ε-hcp相內(nèi)的顯微缺陷為孿晶。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域,具體涉及一種鈷鉻鎳合金及其熱處理工藝、及得到的熱處理強化鈷鉻鎳合金。
背景技術(shù)
鈷鉻鎳合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能,耐磨性和生物相容性,可用于牙科、人工關(guān)節(jié)連接件等。另外,鈷鉻鎳合金同時具有很高的高溫強度、抗粘連性和耐各種形式腐蝕的性能,在化工、石油和天然氣設(shè)備、燃?xì)鉁u輪、航空及鋼鐵工業(yè)中有著廣泛的用途。
高鈷系列鈷鉻合金通常通過鑄造加工或者鑄造后進行熱鍛加工。而鑄造加工合金通常有粗大的柱狀晶及縮孔等缺陷,嚴(yán)重影響了合金的力學(xué)性能,尤其是塑性、疲勞強度較低。而鑄造鈷鉻鎳合金的這些缺陷被認(rèn)為是鈷鉻鎳合金作為植入器械發(fā)生偶然斷裂失效的主要原因。且我國目前尚不具備粉末高溫合金大尺寸棒材的擠壓開坯能力和惰性氣體(或真空)保護的大型等溫鍛造設(shè)備,關(guān)鍵裝備的缺乏已經(jīng)成為擠壓+等溫鍛造工藝路線粉末高溫合金研制和生產(chǎn)的瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種鈷鉻鎳合金及其熱處理工藝、及得到的熱處理強化鈷鉻鎳合金。
本發(fā)明的方案:
一種鈷鉻鎳合金,所述鈷鉻鎳合金材料的原料中,Co:50~62%;Cr:3~31%;Ni:3~31%;Mo:2%~12%;Fe:2%~12%;Si:2%~12%;C:0.05~0.2%,所有合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和為100%。
優(yōu)選地,所述鈷鉻鎳合金的制備方法包括以下步驟:
S1:混料:將原始粉末按照比例稱取配制混合粉,將混合粉進行濕法球磨,得到混合漿料;
S2:烘干:所述步驟S1中的混合漿料在干燥箱內(nèi)干燥得混合料;
S3:壓制:得到的物料壓制成形得到壓坯;
S4:真空熔煉:在1600℃熔煉后采用亞快速凝固工藝方法進行鑄造得到鈷鉻鎳合金。
優(yōu)選地,所述步驟S1:將混合粉進行濕法球磨,利用行星式球磨工藝,采用?5~?10的鋼球作為研磨球、無水乙醇作為分散劑,球料比為(8~10):1,轉(zhuǎn)速(200~260)r/min,混料48~60h得到混合漿料;
所述步驟S2:干燥溫度為75-85℃,混合料過60~100目篩網(wǎng);
所述步驟S3:壓制壓力為400~600MPa。
優(yōu)選地,所述步驟S4:亞快速凝固工藝的凝固冷卻速率在50~120K/s。
所述的鑄造合金冷速小于50K/s, 所得鑄造合金組織會形成粗大樹枝晶,并存在明顯的疏松縮孔等鑄造缺陷;當(dāng)所述鑄造合金的冷卻速度在50K/s~120K/s的范圍內(nèi)時,鑄造合金具有適宜的流動性和鑄造充型能力,所得鑄造合金的組織為細(xì)小均勻的非平衡枝晶組織,二次枝晶間距在15~40μm之間;所述鑄造合金的冷卻速度在120K/s以上時,對于設(shè)備的冷卻條件要求苛刻,而且鑄錠的厚度要求限定約在1.5mm以下。
一種鈷鉻鎳合金的熱處理工藝,對鈷鉻鎳多元合金鑄錠進行熱處理,具體包括以下步驟:
1)將鈷鉻鎳合金用瓷泥進行包裹后置于熱處理爐內(nèi),采用將溫度升溫后進行保溫處理;
2)出爐后帶有泥殼進行冷卻獲得熱處理強化鈷鉻鎳合金。
優(yōu)選地,所述步驟1)中,采用的瓷泥為黃瓷泥或白瓷泥或其組合,瓷泥包裹層厚度為0.5~1.5mm。
優(yōu)選地,所述步驟1)中,保溫處理的溫度高于鈷鉻鎳合金的固溶處理溫度,保溫處理的時間高于鑄造枝晶的消失時間。
進一步優(yōu)選地,所述步驟1)中,保溫處理溫度1130~1200℃,保溫時間4-10h。
所述熱處理保溫溫度在500~1100℃之間,所得熱處理合金組織仍保留為鑄造合金的枝晶形貌;所述熱處理保溫溫度在1130℃~1200℃之間,所得熱處理合金的金相組織內(nèi)形成等軸晶,晶內(nèi)形成條紋缺陷,并且金相組織內(nèi)的條紋缺陷隨保溫處理時間的延長而增加。所述熱處理保溫溫度在1200℃以上,所得熱處理合金的組織內(nèi)會出現(xiàn)晶粒異常長大現(xiàn)象。
再進一步優(yōu)選地,所述步驟1)中,采用加熱速率為3~7℃/min將溫度升至1130~1200℃。
優(yōu)選地,所述步驟2)中,冷卻速度為300~500℃/min,冷卻到室溫(室溫范圍是20-30℃)。
所述鈷鉻鎳合金的熱處理工藝得到的熱處理強化鈷鉻鎳合金,熱處理強化鈷鉻鎳合金為α-fcc+ε-hcp兩相組織,晶粒為等軸晶;
熱處理強化鈷鉻鎳合金為顯微缺陷組織,α-fcc相晶粒內(nèi)的顯微缺陷為層錯,ε-hcp相內(nèi)的顯微缺陷為孿晶。
本發(fā)明有益效果:
1.本發(fā)明提供的粉末冶金-亞快速凝固及其熱處理工藝可在鈷鉻鎳合金組織內(nèi)形成顯微缺陷強化組織結(jié)構(gòu),有效實現(xiàn)鈷鉻鎳合金的高性能組合,尤其是實現(xiàn)了塑韌性的顯著增長。其中,α-fcc相中的主要顯微缺陷為層錯,ε-hcp相中的主要顯微缺陷為孿晶。
2. 本發(fā)明提供的制備及熱處理工藝方法簡單易操作,生產(chǎn)工藝對于設(shè)備的要求低,工藝方法簡單,且鑄造合金組織的微觀偏析時間短,有利于制備細(xì)小均勻的微觀組織合金材料。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例1的鑄造鈷鉻鎳合金的金相組織;
圖2為本發(fā)明實施例1的鑄造鈷鉻鎳合金的XRD圖譜;
圖3 為本發(fā)明實施例1的熱處理鈷鉻鎳合金的金相組織;
圖4為本發(fā)明實施例1的熱處理鈷鉻鎳合金的EBSD分析結(jié)果;
其中圖(a)為IPF圖,圖(b)為相組成圖,藍(lán)色相 ε- hcp相,紅色為 α- fcc相
圖5為本發(fā)明實施例1的熱處理鈷鉻鎳合金的TEM組織;
其中圖(a)層錯組織,鑲嵌圖為白色框內(nèi)的層錯結(jié)構(gòu)的高分辨圖;圖(b)為孿晶組織,鑲嵌圖為白色框內(nèi)的孿晶結(jié)構(gòu)的高分辨圖。
圖6為本發(fā)明實施例1的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線;
圖中A表示為鑄造鈷鉻鎳合金,B表示熱處理鈷鉻鎳合金
圖7為本發(fā)明實施例2的鑄造鈷鉻鎳合金的金相組織;
圖8為本發(fā)明實施例2的熱處理鈷鉻鎳合金的金相組織。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例來進一步說明本發(fā)明,但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。
實施例1
一種鈷鉻鎳合金,首先是鈷鉻鎳鑄造合金的制備,采用粉末冶金方法和亞快速凝固工藝方法:按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Co,62%;Cr,20%;Ni,10.9%;Mo,6%;Fe,1%;C,0.1%的比例配置混合料,經(jīng)混料、烘干、壓制和亞快速凝固工藝方法進行真空熔煉,得到鈷鉻鎳鑄造合金。
混料:將混合粉進行濕法球磨,利用行星式球磨工藝,采用?8的鋼球作為研磨球、無水乙醇作為分散劑,球料比為9:1,轉(zhuǎn)速250r/min,混料55h得到混合漿料;
烘干:混合漿料在干燥箱內(nèi)干燥得混合料,干燥溫度為80℃,混合料過90目篩網(wǎng)。
壓制:得到的物料壓制成形得到壓坯,壓制壓力為500MPa。
真空熔煉:在1600℃熔煉后采用亞快速凝固工藝進行鑄造得到鈷鉻鎳合金,凝固冷卻速率在120K/s。
圖1為所得鈷鉻鎳多元鑄造合金的金相組織,可以看出合金組織為鑄造合金特征,為鑄造枝晶特征。圖2所示為所得合金的XRD物相圖譜,可以確定合金為雙相 α- fcc+ ε- hcpCo基合金。由SEM及能譜進一步確定,高Ni相為 α- fcc相,高Cr相為 ε- hcp相。即枝晶主干為軟相 α- fcc組織,枝晶界上為脆硬的 ε- hcp相 。
將上述鈷鉻鎳鑄造合金采用瓷泥進行包裹,包裹層的平均厚度為1.0mm。包裹后將合金置于熱處理爐內(nèi),采用加熱速率為7℃/min的升溫速度將溫度升至1150℃之間,保溫4h, 然后出爐將帶有泥殼的鑄造合金置于NaCl水中進行快速冷卻,冷卻速度為450℃/min,冷卻到室溫獲得熱處理強化鈷鉻鎳合金。圖3所示為得到的熱處理鈷鉻鎳合金的金相組織。由圖3所示熱處理后的組織為等軸晶,晶內(nèi)出現(xiàn)明顯的條紋缺陷,條紋缺陷止于晶界。對這些條紋缺陷進行EBSD分析,圖4給出了EBSD分析的IPF圖(圖4(a))及其相對應(yīng)的相分布圖(圖4(b)),圖4示結(jié)果表明熱處理鈷鉻鎳合金為 α- fcc+ε- hcp相兩相組織,圖4(b) 中, α- fcc相用紅色表示, ε- hcp相用藍(lán)色表示。由圖4(a)、(b)可以知道,在藍(lán)色 ε- hcp相內(nèi)出現(xiàn)取向不同的條紋,即孿晶。圖5給出了兩相條紋缺陷組織的TEM分析,其中圖5(a)顯示的為層錯缺陷及其高分辨、取向差,圖5(b)顯示了孿晶缺陷及其高分辨和孿晶的取向差。結(jié)合圖4、圖5可以判斷,層錯主要出現(xiàn)在 α- fcc相內(nèi),孿晶則主要出現(xiàn)在 ε- hcp相內(nèi)。
在鈷鉻鎳鑄造合金和熱處理強化鈷鉻鎳合金塊上切取拉伸試樣,拉伸試樣的標(biāo)距尺寸為10mm,截面尺寸為2mm×2mm,采用自制的鋼制夾具,在室溫下進行等軸拉伸試驗。應(yīng)變速率為0.01mm/min。圖6給出了鈷鉻鎳鑄造合金和熱處理強化鈷鉻鎳合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖中A為鈷鉻鎳鑄造合金,B為熱處理強化鈷鉻鎳合金。由圖6可見,鈷鉻鎳鑄造合金的抗拉強度為615.1MPa,延伸率為29.4%;熱處理強化鈷鉻鎳合金的抗拉強度為763.2MPa,延伸率40.7%。相較于鈷鉻鎳鑄造合金,熱處理強化鈷鉻鎳合金的延伸率出現(xiàn)明顯的增長,提高了11.3%(相對值38.4%),強度增加了148.1MPa(相對值24.1%)。
實施例2
一種鈷鉻鎳合金,按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Co,62%;Cr,27%;Ni,3.9%;Mo,6%;Fe,1%;C,0.1%的比例配置混合料?;炝?、壓制和亞快速凝固工藝同實施例1,制備得到鈷鉻鎳鑄造合金。將鈷鉻鎳鑄造合金錠采用瓷泥進行包裹,包裹層的平均厚度為0.6 mm。包裹后將合金置于熱處理爐內(nèi),采用加熱速率為3℃/min的升溫速度將溫度升至1130℃之間,保溫4h,然后出爐將帶有泥殼的鑄造合金置于NaCl水中進行快速冷卻,冷卻速度為500℃/min,冷卻到室溫獲得熱處理強化鈷鉻鎳合金。圖7和圖8分別給出了鈷鉻鎳鑄造合金和熱處理強化鈷鉻鎳合金的金相組織。由圖7可見,鈷鉻鎳鑄造合金為鑄造枝晶特征,為雙相α-fcc + ε-hcp Co基合金。圖8可見,熱處理強化鈷鉻鎳合金的組織為等軸晶,晶內(nèi)出現(xiàn)明顯的條紋缺陷,條紋缺陷止于晶界。經(jīng)進一步分析可知,熱處理強化鈷鉻鎳合金仍然為α-fcc+ε-hcp相兩相組織,但ε-hcp相具有較高的體積分?jǐn)?shù),且在ε-hcp相晶粒內(nèi)形成孿晶組織。在鈷鉻鎳鑄造合金和熱處理強化鈷鉻鎳合金塊上切取拉伸試樣,在室溫下進行等軸拉伸試驗,結(jié)果表明,鈷鉻鎳鑄造合金經(jīng)熱處理后,抗拉強度從606.5MPa提升至753.6MPa,延伸率由17.0%提升至20.9%,強度和延伸率分別提高146.9MPa和3.9%(相對值分別為24.2%和22.9%)??梢?,熱處理工藝能有效提高合金的綜合力學(xué)性能。
實施例3
一種鈷鉻鎳合金及其熱處理工藝,按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Co,52%;Cr,8.9%;Ni,32%;Mo,6%;Fe,1%;C,0.1%的比例配置混合料?;炝?、壓制和亞快速凝固工藝同實施例1,制備得到鈷鉻鎳鑄造合金。將鈷鉻鎳鑄造合金錠采用瓷泥進行包裹,包裹層的平均厚度為1.3 mm。包裹后將合金置于熱處理爐內(nèi),采用加熱速率為5℃/min的升溫速度將溫度升至1200℃之間,保溫8h, 然后出爐將帶有泥殼的鑄造合金置于鹽浴溶液中進行快速冷卻,冷卻速度為300℃/min,冷卻到室溫獲得熱處理強化鈷鉻鎳合金。分別對鈷鉻鎳鑄造合金和熱處理強化鈷鉻鎳合金的組織和力學(xué)性能進行測試分析,發(fā)現(xiàn),α-fcc + ε-hcp 兩相鑄造Co基合金在熱處理后鑄造枝晶結(jié)構(gòu)消失,演變?yōu)闊崽幚淼膬上嗟容S晶粒結(jié)構(gòu),在組織晶粒內(nèi)仍然出現(xiàn)條紋缺陷結(jié)構(gòu)。由于實施例3的合金成分中Ni含量較高,兩相中α-fcc相的體積分?jǐn)?shù)相對較高,且熱處理工藝在α-fcc相中形成了層錯顯微缺陷。鈷鉻鎳鑄造合金和熱處理強化鈷鉻鎳合金的抗拉強度分別為從640.1MPa提升至790.5MPa,延伸率由33.1%提升至45.5%,強度和延伸率分別提高150.4MPa和12.1%(相對值分別為23.5%和36.7%)。
上述的實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案,而不應(yīng)視為對于本發(fā)明的限制,本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案,包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進,也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
鈷鉻鎳合金及其熱處理工藝、及得到的熱處理強化鈷鉻鎳合金.pdf