CN102051538B - 一种耐磨钛合金材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨钛合金材料及其制备方法，该材料以钛合金为基体，在基体中分布着由合金钢丝和铁丝形成的金属丝团，所用合金钢丝和铁丝直径均为1-2mm，材料中合金钢丝与铁丝的总体长度相当，金属丝团的直径为10-15cm，两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%。本发明耐磨钛合金材料具有较高的耐磨性能，且生产成本低，工艺简单。

Description

一种耐磨钛合金材料及制备方法

技术领域

    本发明属于金属材料领域，涉及一种耐磨钛合金材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 耐磨钛合金作为低成本耐磨材料一直受到普遍重视。

CN200610067458.4号申请涉及一种钛合金及其用。所述钛合金的组成为：Al＝3.5wt％～37wt％；V＝0.02wt％～3.5wt％；Ni＝0.05wt％～2wt％；Ti＝余量。其钛合金还可以包含0.05wt％～24wt％的Nb、0.1wt％～5wt％的Mn和少于0.5wt％的Fe。但其抗拉强度、线摩擦率和伸长率仍较低，该合金的耐磨性能有待改进。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种耐磨钛合金材料，该材料具有良好的性能。

本发明的另一目的是提供一种耐磨钛合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种耐磨钛合金材料，其特征在于：该材料以钛合金为基体，在基体中分布着由合金钢丝和铁丝形成的金属丝团，所用合金钢丝和铁丝直径均为1-2mm，材料中合金钢丝与铁丝的总体长度相当，金属丝团的直径为10-15cm，两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%；

钛合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为1-1.5%，Cu 为4％～6％，Zr 为0.02％～0.04％，Gd 为1％～3％，Si 为0.8％～1.5％，其余为Ti；

合金钢丝的化学成分的重量百分含量：C 为0.32%-0.45%；Cr 为4.75%-5.5%；Mo 为1.1%-1.75%；Si 为0.8%-1.2%,其余为Fe；

铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%,Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

所述基体中还分布有TiN颗粒。

一种耐磨钛合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

合金钢丝及渗氮铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成分重量百分含量：C 为0.32%-0.45%；Cr 为4.75%-5.5%；Mo 为1.1%-1.75%；Si 为0.8%-1.2%,其余为Fe的合金钢丝；以及直径为1-2mm、成分重量百分含量：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%,Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；合金钢丝与铁丝二者的总体长度相当，合金钢丝和铁丝两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%；按常规方法在铁丝表面进行渗氮处理制备渗氮铁丝；渗氮层的厚度为200-300微米；

按清洁球生产的常规方法将上述合金钢丝与渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由合金钢丝和铁丝共占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

钛合金基体的准备：按重量百分含量Al为1-1.5%， Cu 为4％～6％，Zr 为0.02％～0.04％，Gd 为1％～3％，Si 为0.8％～1.5％，其余为Ti进行配料；将钛合金基体在感应电炉中熔化制备钛合金液，熔化温度为1690-1720℃；

将上述钛合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态合金液将合金钢丝及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以钛合金为基体的其中分布有金属丝团的耐磨材料。

    本发明相比现有技术的有益效果如下：

（1）本发明耐磨钛合金材料中的合金钢丝及铁丝自身具有相当的强度和较高的耐磨。在浇注中高温液态钛将部分合金钢丝及铁丝熔融，合金钢丝及铁丝和铁丝渗氮层中的N、Cr、Fe进入液态钛中，与钛形成TiN、TiCr₂、TiFe₂等特殊化合物，弥散增强钛合金；未熔的合金钢丝及铁丝与钛合金冶金结合，对钛合金起到增强增韧的作用，同时具有耐磨增强作用，特别是TiN的作用最大。Cu 和Si在钛中形成Ti₃Si和CuTi₂ ，也对钛合金起到增强增韧和耐磨的作用。

（2）材料中的Zr和Gd与Ti不形成化合物，对钛合金的组织具有显著细化的作用，有助于材料增强增韧和耐磨的提高。

（3）本发明材料中P、S为杂质，控制在允许的范围。

（4）本发明合金材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。

（5）本发明的钛合金用作耐磨/摩擦材料，具有低比重、不吸湿、耐腐蚀、耐高粉尘环境和耐磨的特点，适用于对重量、耐磨性能、耐高温性能、耐腐蚀性能以及力矩质量有较高要求的场合，尤其适于在完全无润滑的干摩擦条件下使用。

本发明的合金性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的金属丝增强含钆耐磨钛合金材料的金相组织。

图1可以看到在钛合金与金属丝结合良好。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。各实施例中的直径为1-2mm金属丝为市购，渗氮处理自行处理。

实施例一：

钛合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为1%， Cu 为4％，Zr 为0.02％，Gd 为1％，Si 为0.8％，其余为Ti。

合金钢丝的化学成分的重量百分含量：C 为0.32%；Cr 为4.75%；Mo 为1.1%；Si 为0.8%,其余为Fe；该合金钢丝的直径为1mm。

铁丝的化学成分的重量百分含量：C为0.05%，Si为0.2%, Mn为0.25%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；该铁丝的直径为1mm。

材料中合金钢丝和铁丝二者的总体长度相当，两种金属丝占材料的体积百分比为10%。

取铁丝按常规方法在其表面进行渗氮处理制备渗氮铁丝：渗氮层的厚度为200微米。

按清洁球生产的常规方法将上述合金钢丝及渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团（两根丝同时成型，形成双丝金属丝团，成型可按洗碗用的清洁球或称钢丝球的方法），金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由合金钢丝和铁丝二者共占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

将钛合金基体在感应电炉中熔化制备钛合金液，熔化温度为1690-1720℃；

将上述钛合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态合金液将合金钢丝及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以钛合金为基体的其中分布有金属丝团的耐磨材料。

实施例二：

钛合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为1.5%， Cu 为6％，Zr 为0.04％，Gd 为3％，Si 为1.5％，其余为Ti。

合金钢丝的化学成分的重量百分含量：C 为0.45%；Cr 为5.5%；Mo 为 1.75%；Si 为1.2%,其余为Fe；该合金钢丝的直径为2mm。

铁丝的化学成分的重量百分含量：C为0.09%，Si为0.3%, Mn为0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；该铁丝的直径为2mm。

合金钢丝和铁丝二者的总体长度相当，两种金属丝占材料的体积百分比为35%。 取铁丝按照常规方法在其表面进行渗氮处理制备渗氮铁丝：渗氮层的厚度为300微米。按清洁球生产的常规方法制作合金钢丝和渗氮铁丝两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

实施例三：

钛合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为1.2%， Cu 为5％，Zr 为0.03％，Gd 为2％，Si 为1％，其余为Ti。

合金钢丝的化学成分的重量百分含量：C 为0.39%；Cr 为4.9%；Mo 为1.5%；Si 为0.9%,其余为Fe；该合金钢丝的直径为1.5mm。 

铁丝的化学成分的重量百分含量：C为0.07%，Si为0.25%, Mn为0.3%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；该铁丝的直径为1.5mm。

合金钢丝和铁丝二者的总体长度相当，两种金属丝占材料的体积百分比为20%。

取铁丝按照常规方法在其表面进行渗氮处理制备渗氮铁丝：渗氮层的厚度为250微米。按清洁球生产的常规方法制作两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例四：原料配比不在本发明范围内的实例

钛合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为0.5%， Cu 为3％，Zr 为0.01％，Gd 为0.43％，Si 为0.4％，其余为Ti。

合金钢丝的化学成分的重量百分含量：C 为0.3%；Cr 为4%；Mo 为1%；Si 为0.4%,其余为Fe；该合金钢丝的直径为0.5mm。

铁丝的化学成分的重量百分含量：C为0.04%，Si为0.1%, Mn为0.2%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；该铁丝的直径为0.5mm。

合金钢丝和铁丝二者的总体长度相当，两种金属丝占材料的体积百分比为5%。

铁丝不进行渗氮处理。按清洁球生产的常规方法制作两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例五：原料配比不在本发明范围内的实例

钛合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为2%， Cu 为7％，Zr 为0.05％，Gd 为4％，Si 为2％，其余为Ti。

合金钢丝的化学成分的重量百分含量：C 为0.5%；Cr 为6%；Mo 为1.9%；Si 为2%,其余为Fe；该合金钢丝的直径为3mm。

铁丝的化学成分的重量百分含量：C为0.1%，Si为0.4%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe，该铁丝的直径为3mm。

合金钢丝和铁丝二者的总体长度相当，两种金属丝占材料的体积百分比为40%。取铁丝按照常规方法进行渗氮处理制备渗氮铁丝：渗氮层的厚度为400微米。按清洁球生产的常规方法制作两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

表1 各产品的性能对比

从上表可以看出，本发明的钛合金基体中的Al、Cu、Zr 、Gd、Si 增高利于合金的力学性能提高；但有些元素如Cu、Al过多则形成的化合物过多，会削弱合金的韧性，因此降低了耐磨性。有些元素如Zr 、Gd过多，造成元素浪费。

合金钢丝中的Cr、Mo、Si、C增高利于钢丝本身的力学性能提高；过多则会削弱钢丝的强度和韧性。 

铁丝中的成分C、Si、 Mn增高利于合金的力学性能提高；过多则会削弱合金的耐磨。

合金钢丝和铁丝两种金属丝体积百分比的增加，利于材料耐磨的提高。但是过多，钛合金基体包不住合金钢丝及渗氮铁丝，基体出现裂纹，则降低了材料的耐磨，因此影响合金的抗蚀能力。如产品5。

同时金属丝直径太小，表面积太大，不利于镀层元素在钛水中的溶解。反之，金属丝直径太大，在钛合金基体中分布的密度减小，又不利于材料整体耐磨的提高。

Claims (1)

1.一种耐磨钛合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

合金钢丝及渗氮铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成分重量百分含量：C 为0.32%-0.45%；Cr 为4.75%-5.5%；Mo 为1.1%-1.75%；Si 为0.8%-1.2%,其余为Fe的合金钢丝；以及直径为1-2mm、成分重量百分含量：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%,Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；合金钢丝与铁丝二者的总体长度相当，控制合金钢丝和铁丝两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%；按常规方法在铁丝表面进行渗氮处理制备渗氮铁丝；渗氮层的厚度为200-300微米；

按清洁球生产的常规方法将上述合金钢丝与渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入干砂铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由合金钢丝和铁丝共占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满干砂铸型；布置完毕后，将干砂铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

钛合金基体的准备：按重量百分含量Al为1-1.5%， Cu 为4％～6％，Zr 为0.02％～0.04％，Gd 为1％～3％，Si 为0.8％～1.5％，其余为Ti进行配料；将钛合金基体在感应电炉中熔化制备钛合金液，熔化温度为1690-1720℃；

将上述钛合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态合金液将合金钢丝及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以钛合金为基体的其中分布有金属丝团的耐磨材料。

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