CN109852901B

CN109852901B - 一种高比重合金钢及其制备方法

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Publication number: CN109852901B
Application number: CN201910054709.2A
Authority: CN
Inventors: 徐流杰; 宋万里; 魏世忠; 单康宁; 周玉成; 潘昆明; 王方方; 毛丰; 陈冲; 李秀青; 张程; 熊美; 王晓东; 李继文; 张国赏
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109852901A

Abstract

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高比重合金钢及其制备方法。本发明的高比重合金钢由以下质量百分比的组分组成：钨40％～50％，镍2.89％～3.47％，碳0.17％～0.20％，硅0.89％～1.07％，锰0.38％～0.46％，钼0.26％～0.33％，铬0.55％～0.66％，钒0.05％～0.06％，余量为铁及不可避免的杂质。本发明的高比重合金钢由钢粉和钨粉混合后，经过球磨、真空干燥、热等静压和热处理得到。本发明的高比重合金钢生产成本低，密度为8.775～10.9404g/cm³，抗压强度为2106.42～2116.76MPa/mm²，并具有一定的塑性。

Description

一种高比重合金钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高比重合金钢及其制备方法。

背景技术

钢是碳含量质量百分比介于0.02％～2.11％之间的铁碳合金的统称，通常钢具有较高的强度。如我国自主研制的Si-Mn-Cr-Ni-Mo-V系并添加微量元素的多元合金超高强度钢DT300，具备超高强度和韧性.具有高达1800MPa的抗拉强度及100MPa·m^1/2以上的断裂韧性。此钢种适用于制造需要承受高应力状态的结构件，在航空、航天工业中被广泛应用。随着社会发展的需要，在某些场合DT300钢因比重小无法应用，例如鱼坠配重、***弹丸、钟表钟摆等。因此，如何制备高比重钢成为研究者的研究课题之一。

钨是具有体心立方结构的高熔点、高密度、高硬度的金属。以钨为基体，并添加有其他元素组成的合金为高比重合金。公告号为CN1118584C的中国发明专利中公开了一种高比重钨合金，该高比重钨合金含有93％重量比的钨，4.9％重量比的镍，2.1％重量比的铁。但是该高比重钨合金中钨的含量较高，增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、强度大的高比重合金钢。

本发明的目的还在于提供一种能够降低生产成本的高比重合金钢的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高比重合金钢，由以下质量百分比的组分组成：钨40％～50％，镍2.89％～3.47％，碳0.17％～0.20％，硅0.89％～1.07％，锰0.38％～0.46％，钼0.26％～0.33％，铬0.55％～0.66％，钒0.05％～0.06％，余量为铁及不可避免的杂质。

本发明的高比重合金钢生产成本低，密度高达10.9404g/cm³，其抗压强度为2106.42～2116.76MPa/mm²，并具有一定的塑性。

一种高比重合金钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钢粉、钨粉混合后球磨，得混合粉体；

(2)将步骤(1)得到的混合粉体在40～80℃真空干燥8～10h，真空度为1.5×10^-2～3×10^-2MPa，得前驱体；

(3)将步骤(2)得到的前驱体热等静压，即得。

合金钢中成分的均匀性、添加方式对合金的力学性能影响很大。本发明以固固掺杂方式，将钢粉和钨粉混合后球磨，得到成分均匀分布的混合粉体。这种固固掺杂工艺保证了混合粉体中各成分的均匀一致性。本发明的高比重合金钢的制备工艺简单，生产成本低。

为降低生产成本，采用过量的钢粉，步骤(1)所述钢粉与钨粉的质量比为1～1.5：1。

所述钢粉的颗粒粒径大小为200～500目。在此范围内的粉体流动性好，松装密度高。

步骤(1)所述钢粉为DT300钢粉，DT300钢具有较高的强度，采用DT300钢粉在保证合金钢的高比重的同时保证强度。

所述DT300钢粉由真空气雾法制得，所述真空气雾法的雾化压力为2.8～3.1MPa，金属熔体质量流量4.7～5.2kg/min。采用真空气雾化法制得到粉体呈球形或近球形，粉末细小均匀，无成分偏析。在此条件下，获得的粉体的粒径尺寸更均匀，符合需要。

步骤(3)所述热等静压的温度为1250～1380℃，压力为150～165MPa，保温时间为3～3.5h。热等静压的温度低则导致两相界面结合较弱；温度高则使晶粒长大过大，影响材料的性能。在上述热等静压的参数下能够获得密度较高、成分均匀的高比重合金钢。

步骤(3)所述热等静压后进行热处理，所述热处理为880～920℃油淬处理1h，然后260～300℃回火处理2h。经热处理后，在保证合金钢的高硬度的前提下，适当降低脆性，稳定组织，获得所需要的性能。

附图说明

图1为本发明的高比重合金钢的制备方法的实施例3制得的高比重合金钢的SEM图；

图2为本发明的高比重合金钢的制备方法的实施例3制得的高比重合金钢的XRD图。

具体实施方式

本发明的高比重合金钢的制备过程中所用钨粉为常规市售产品，其颗粒粒径大小为10000目。

本发明的高比重合金刚的制备过程中所用得DT300钢粉在采用真空气雾法制备时熔体过热度为300K。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

高比重合金钢的实施例1

本实施例的高比重合金钢，由以下质量百分比的组分组成：钨40％，镍3.47％，碳0.20％，硅1.07％，锰0.46％，钼0.33％，铬0.66％，钒0.06％，余量为铁和不可避免的杂质。

高比重合金钢的实施例2

本实施例的高比重合金钢，由以下质量百分比的组分组成：钨50％，镍2.89％，碳0.17％，硅0.89％，锰0.38％，钼0.26％，铬0.55％，钒0.05％，余量为铁和不可避免的杂质。

在本发明的高比重合金钢的其他实施例中，各组分的质量百分比还可以在以下范围内进行调整：钨40％～50％，镍2.89％～3.47％，碳0.17％～0.20％，硅0.89％～1.07％，锰0.38％～0.46％，钼0.26％～0.33％，铬0.55％～0.66％，钒0.05％～0.06％，余量为铁及不可避免的杂质。

高比重合金钢的制备方法的实施例1

本实施例为高比重合金钢的实施例1的高比重合金钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)取钨粉40g、DT300钢粉60g，不锈钢球700g，无水乙醇15g放入球磨罐中，充入氩气，密封后装机球磨24h(正、反向交替间隔运行，交替运行时间设定为120min，交替运行间隔停机时间设定为20min，额定转速对应频率设定为19.00Hz)，得混合粉体；

(2)将步骤(1)得到的混合粉体在40℃真空干燥10h，真空度为1.5×10^-2MPa，然后过100目筛；

(3)将步骤(2)得到的混合粉体放到壁厚约5mm的45钢包套中，抽真空，再进行热等静压，烧结温度为1380℃，压力为165MPa，保温时间3.5h，即得烧结坯，然后将烧结坯在900℃温度下油淬处理1h，然后在300℃温度下回火处理2h，即得高比重合金钢。

高比重合金钢的制备方法的实施例2

本实施例为高比重合金钢的实施例2的高比重合金钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)取钨粉、DT300钢粉各50g，不锈钢球700g，无水乙醇18g放入球磨罐中，充入氩气，密封后装机球磨24h(正、反向交替间隔运行，交替运行时间设定为120min，交替运行间隔停机时间设定为20min，额定转速对应频率设定为19.00Hz)；

(2)将步骤(1)得到的混合粉体在60℃真空干燥8h，真空度为3×10^-2MPa，然后过100目筛；

(3)将步骤(2)得到的混合粉体放到壁厚约5mm的45钢包套中，抽真空，再进行热等静压，烧结温度为1250℃，压力为159MPa，保温时间3h，即得烧结坯，然后将烧结坯在900℃温度下油淬处理1h，然后在300℃温度下回火处理2h，即得高比重合金钢。

高比重合金钢的制备方法的实施例3

(3)将步骤2)得到的混合粉体放到壁厚约5mm的45钢包套中，抽真空，再进行热等静压，烧结温度为1380℃，压力为150MPa，保温时间3h，即得烧结坯，然后将烧结坯在900℃温度下油淬处理1h，然后在300℃温度下回火处理2h，即得高比重合金钢。

在本发明的高比重合金钢的制备方法的其他实施例，步骤(2)中在真空干燥时真空度设置为1.5×10^-2～3×10^-2MPa范围内的其他值，制得的高比重合金钢同样具有较好的性能。

试验例1

对高比重合金钢的制备方法的实施例1～3制得高比重合金钢进行性能测试。具体测试条件为：采用阿基米德排水法测定合金钢密度，采用HVT-1000显微硬度计测定合金钢的显微硬度，同时采用岛津AG-I250KN精密万能试验机测定合金钢的抗压强度。测试结果如表1所示。

表1

从表1可以看出，实施例3中高比重合金钢的性能最佳，密度为10.9404g/cm³，致密度达到99.31％，比DT300钢的致密度高出42％，抗压强度达到2116.76MPa/mm²，达到预期效果。

试验例2

对高比重合金钢的制备方法的实施例3制得的高比重合金钢进行SEM和XRD分析，测试结果分别如图1和图2所示。

由图1可以看出，两相(马氏体和Fe₇W₆)分布均匀，在相界处有黑色颗粒析出，经检验为SiO₂；从图2可以看出，该高比重合金钢主要由Fe和Fe₇W₆组成。

Claims

1.一种高比重合金钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：钨40％～50％，镍2.89％～3.47％，碳0.17％～0.20％，硅0.89％～1.07％，锰0.38％～0.46％，钼0.26％～0.33％，铬0.55％～0.66％，钒0.05％～0.06％，余量为铁及不可避免的杂质；

所述高比重合金钢由包括以下步骤的方法制得：将钢粉、钨粉混合后球磨得混合粉体；将混合粉体在40～80℃真空干燥8～10h，真空度为1.5×10^-2～3×10^-2MPa，得前驱体；将前驱体热等静压，即得。

2.一种高比重合金钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将钢粉、钨粉混合后球磨，得混合粉体；

(3)将步骤(2)得到的前驱体热等静压，即得；

该高比重合金由以下质量百分比的组分组成：钨40％～50％，镍2.89％～3.47％，碳0.17％～0.20％，硅0.89％～1.07％，锰0.38％～0.46％，钼0.26％～0.33％，铬0.55％～0.66％，钒0.05％～0.06％，余量为铁及不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的高比重合金钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钢粉与钨粉的质量比为1～1.5：1。

4.根据权利要求2所述的高比重合金钢的制备方法，其特征在于，所述钢粉的颗粒粒径大小为200～500目。

5.根据权利要求2～4任一项所述的高比重合金钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钢粉为DT300钢粉。

6.根据权利要求5所述的高比重合金钢的制备方法，其特征在于，所述DT300钢粉由真空气雾法制得，所述真空气雾法的雾化压力为2.8～3.1MPa，金属熔体质量流量4.7～5.2kg/min。

7.根据权利要求2所述的高比重合金钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热等静压的温度为1250～1380℃，压力为150～165MPa，保温时间为3～3.5h。

8.根据权利要求2所述的高比重合金钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述热等静压后进行热处理，所述热处理为880～920℃油淬处理1h，然后260～300℃回火处理2h。