CN110106420B - 一种Co基高温合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种Co基高温合金，包括以下质量百分比的成分：C：0.5‑1％，Cr：20‑25％，Ni：6‑8％，Nb：1‑2％，Ti：2‑4％，W：3‑5％，Zr：1‑2％，Ta：1‑2％，Hf：0.5‑1％，Co为余量。本发明提供的Co基高温合金，硬度值适中、加工性能优良，无需使用纳米级的WC颗粒作为原料，能够在保证工件性能的同时显著降低工件的生产成本。除此之外，本发明还提供该Co基高温合金的制备方法，包括配料、熔炼、搅拌、冷却、浇注成型的步骤。本发明采用铸造成型技术对该合金进行处理，通过浇铸成型即可使合金成型成为目标工件的基本形状，成型工艺简单，解决了现有技术中材料成型加工困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及生产加工技术领域，特别涉及一种Co基高温合金及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着产品的成熟以及应用面的扩大，超高压数控水切割机(水刀)的发展逐渐进入一个成长期。国内切割行业中的加砂水刀是一个磨料水射流***，可以切割大部分工程材料，例如塑料、玻璃、水泥、岩石、钢铁材料、有色金属、高温合金、石油深井套管、飞机结构材料、先进陶瓷及各类复合材料等。由于其切割与加工过程均不发热，所以属于真正的“冷加工”工艺。
砂管(又称为混砂管、喷砂管)是水刀中的关键部件，工作过程中，由于受到磨料、高压水、以及高压空气的同时射流冲刷，砂管的磨损速度极快，需要频繁进行更换。正是由于这个原因，使得砂管成为水刀设备中最主要的耗材，具有较大的市场需求量。
而现有水刀砂管的制备技术往往存在以下三大缺陷：
1、原材料需要使用纳米级的WC颗粒，价格昂贵。
2、材料制备工艺复杂，技术难度大，需要将WC颗粒经过球磨、压制或者挤出成型、高温高压烧结等一系列工序处理。
3、加工成型困难，需要经过精密的磨床与钻孔技术才能达到使用的工艺尺寸要求。
这些缺陷使得现有砂管的生产成本居高，限制了水刀在工业上的大面积应用。
因此，如何提供一种价格低廉，制备工艺简单，加工性能优良的合金材料成为本领域技术人员亟待解决的关键问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种Co基高温合金及其制备方法。该合金硬度值适中、加工性能优良，无需使用纳米级的WC颗粒作为原料，能够显著降低工件的生产成本。而且本发明采用铸造成型技术对该合金进行处理，通过浇铸成型即可使合金成型成为目标工件的基本形状，成型工艺简单，解决了现有技术中材料成型加工困难的问题。
本发明提供一种Co基高温合金，包括以下质量百分比的成分：
C：0.5-1％，Cr：20-25％，Ni：6-8％，Nb：1-2％，Ti：2-4％，W：3-5％， Zr：1-2％，Ta：1-2％，Hf：0.5-1％，Co为余量。
优选的，还包括Si、Mo、Mn、Fe中的一种或几种。
优选的，所述Si的质量分数为1-2％，和/或，所述Mo的质量分数为1-2％，和/或，所述Mn的质量分数为1-2％，和/或，所述Fe的质量分数为2-6％。
优选的，各成分的质量百分比具体为：
C：1％，Cr：23％，Si：1％，Mo：1.5％，Mn：1％，Fe：2％，Ni：7％， Nb：2％，Ti：3.5％，W：4％，Zr：2％，Ta：1.2％，Hf：0.8％，Co为余量。
本发明提供的Co基高温合金，通过对材料成分进行设计，在基体材料中添加能够产生高硬度硼化物的合金元素(例如Nb、Ti、W、Zr、Ta、Hf，这几种元素的硼化物的硬度可达2800HV以上)，使得后续对该合金进行渗硼处理时，能够获得硼化效果好、硼化层厚度适宜、硬度高的合金材料，有效提高工件的使用寿命。而且，本发明提供的Co基高温合金，合金硬度值适中、加工性能优良，无需使用纳米级的WC颗粒作为原料，能够在保证工件性能的同时显著降低工件的生产成本。
本发明还提供一种制备上述的Co基高温合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
配料，按所述质量百分比称取各组分；
熔炼：对称取好的所述各组分进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金冷却；
浇注成型：冷却完成后，将所述液态合金倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
优选的，所述搅拌过程的时间为50-70min。
优选的，使所述液态合金随炉冷却至1600-1700℃，再进行浇注成型。
优选的，还包括精密铸造的过程：用石蜡精密造型法制造壳型；将所述工件粗坯重熔后倒入所述壳型中浇注成为第一工件。
优选的，还包括加工成型的过程，即，对所述第一工件进行精密加工，得到第二工件。
除此之外，本发明还提供一种具有超高硬度表面涂层的合金，包括合金基体和位于所述合金基体表面的超高硬度涂层，所述超高硬度涂层由所述合金基体经过表面渗硼处理后形成，所述合金基体由上文所述的Co基高温合金加工而成，或，由上文所述的Co基高温合金的制备方法制备。
渗硼亦称为“硼化”，是一种化学热处理工艺技术。是指将金属工件放在一定温度的含硼介质中加热或电解，使加热或电解过程中产生的活性硼原子渗入到工件表面，以提高工件表面的硬度和耐磨性，同时改善工件的耐热性及耐蚀性。
渗硼技术一般用于提高钢铁材料基体的表面硬度和耐磨性能，在Co基、 Ni基以及硬质合金等材料中的应用较少。即使将其应用于上述基体材料，往往也存在着硼化效果差、硼化层过薄、硬度低，工件寿命无明显提高的缺点。
但是，本发明通过对Co基高温合金的材料成分进行设计，在基体材料中添加能够产生高硬度硼化物的合金元素(例如Nb、Ti、W、Zr、Ta、Hf，这几种元素的硼化物的硬度可达2800HV以上)，使得对该合金进行渗硼处理时，能够在合金表面形成超硬的硼化涂层，有效提高工件的使用寿命。
优选的，所述渗硼处理的方式为固体渗硼，温度为900-1100℃，保温时间为4-10h。
优选的，所述超高硬度涂层的的厚度为50-160μm。
本发明提供的制备Co基高温合金的方法具有以下优势：
1、制造工艺简单，生产效率较高。通过高温合金的铸造成型技术，浇铸成型成目标工件的基本形状，与现有技术相比，大幅度缩短了材料的制备流程，降低了制备成本，适用于工业化生产；
2、通过该方法制备的Co基高温合金的硬度值适中，材料加工切削性能优良，无需经过精密的磨床与钻孔技术就能够满足目标工件(例如水刀砂管) 对形状特点及精度的要求。
除此之外，本发明还提供一种水刀砂管，所述水刀砂管由上文所述的Co 基高温合金加工而成，或，由上文所述的Co基高温合金的制备方法制备，或，由上文所述的具有超高硬度表面涂层的合金加工而成。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制备的水刀砂管的横截面结构图；
图2为实施例1制备的水刀砂管表面涂层的梯度硬度图；
图3为实施例2制备的水刀砂管的横截面结构图；
图4为实施例3制备的水刀砂管的横截面结构图；
图5为实施例3制备的水刀砂管的使用寿命图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合具体实施例对本申请进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：0.5％，Cr：22％，Si：1.2％，Mo：1.5％，Mn：1％，Fe：3％，Ni： 6％，Nb：2％，Ti：3％，W：5％，Zr：2％，Ta：1.5％，Hf：0.5％，Co为余量；
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼50min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1650℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
加工成型：对棒材进行精密加工，达到使用所需的成品尺寸
渗硼处理：通过固体渗硼技术，在1000℃、保温时间为6h的工艺参数下，将经过精密加工的水刀砂管放置在硼铁合金粉中，对其进行表面渗硼处理，在零件表面形成高硬度的金属硼化物涂层，大大提高了Co基合金的硬度，且该涂层与Co基合金为冶金结合，结合强度好。
制造完成后，采用金相显微镜(莱卡)对水刀砂管的横截面进行分析，检测到砂管表面的涂层厚度约为57.2μm，且样品腐蚀后其显微组织高温合金的骨架结构明显，详细结果如图1所示；另外，本实施例还通过显微维氏硬度计对涂层的梯度硬度进行检测，详细结果如图2所示，经过计算可知，由本实施例制备的水刀砂管的表面平均硬度约为2450HV。
由此可知，通过本实施例提供的制备方法能够在Co基高温合金的表面形成超硬涂层，得到硼化效果好、硼化层厚度适宜、硬度高的合金材料，有效提高工件的使用寿命。
实施例2
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：1％，Cr：25％，Si：1.2％，Mo：1.5％，Mn：1％，Fe：3％，Ni：8％， Nb：2％，Ti：4％，W：5％，Zr：2％，Ta：1.5％，Hf：1％，Co为余量；
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼70min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1700℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
加工成型：对棒材进行精密加工，达到使用所需的成品尺寸
渗硼处理：通过固体渗硼技术，在1010℃、保温时间为8h的工艺参数下，将经过精密加工的水刀砂管放置在硼粉中，对其进行表面渗硼处理，在零件表面形成高硬度的金属硼化物涂层，大大提高了Co基合金的硬度，且该涂层与Co基合金为冶金结合，结合强度好。制造完成后，通过线切割水刀砂管的横截面，采用金相显微镜(莱卡)对水刀砂管的横截面进行分析，检测到砂管表面的涂层厚度约为100.9μm，且样品腐蚀后其显微组织高温合金的骨架结构明显，详细结果如图3所示；另外，本实施例还通过显微维氏硬度计对涂层的硬度进行检测，详细结果如表1所示，通过测试可知的表面平均硬度约为2600HV。
表1.实例2中涂层表面显微硬度
由此可知，通过本实施例提供的制备方法能够获得硼化效果好、硼化层厚度适宜、硬度高的合金材料，有效提高工件的使用寿命。
实施例2相对于实施例1，增加了高硬度硼化物形成的合金元素含量，使得高硬度硼化物的相组分增加，提升了渗层的表面硬度；另增加了硼化的温度及时间，使得高温下原子的热扩散能与扩散时间增加，从而增加了涂层的厚度以及表面硬度
实施例3
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：1％，Cr：23％，Si：1％，Mo：1.5％，Mn：1％，Fe：2％，Ni：7％， Nb：2％，Ti：3.5％，W：4％，Zr：2％，Ta：1.2％，Hf：0.8％，Co为余量；
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼70min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1700℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
加工成型：对棒材进行精密加工，达到使用所需的成品尺寸
渗硼处理：通过固体渗硼技术，在1100℃、保温时间为10h的工艺参数下，将经过精密加工的水刀砂管放置在硼粉中，对其进行表面渗硼处理，在零件表面形成高硬度的金属硼化物涂层，大大提高了Co基合金的硬度，且该涂层与Co基合金为冶金结合，结合强度好。
制造完成后，通过线切割水刀砂管的横截面，采用金相显微镜(莱卡) 对水刀砂管的横截面进行分析，检测到砂管表面的涂层厚度约为161.6μm，且样品腐蚀后其显微组织高温合金的骨架结构明显，详细结果如图4所示；另外，本实施例还通过显微维氏硬度计对涂层的硬度进行检测，详细结果如表2 所示，通过测试可知的表面平均硬度约为2543HV。
表2.实例3中涂层表面显微硬度
由此可知，通过本实施例提供的制备方法能够获得硼化效果好、硼化层厚度适宜、硬度高的合金材料，有效提高工件的使用寿命。
另外，通过摩擦系数测定仪对现有技术制备的水刀砂管与本实施例制备的水刀砂管的表面摩擦系数进行测定，发现由本实施例制备的水刀砂管的表面涂层具有摩擦系数低的特点，其摩擦系数约为0.1，具体结果见表3。需要说明的是，水刀砂管表面的摩擦系数越低，使用时冲刷介质(石榴石或刚玉砂)与表面硬化层的摩擦力就会降低，从而减少了冲刷介质对砂管造成的磨损，增长水刀砂管的使用寿命。
表3.现有技术制备的砂管(WC)与实施例3制备的砂管的摩擦系数对比
除此之外，通过水刀切割机(四轴龙门水刀切割机CUX-SQ6030)对砂管的使用寿命进行测试对比(测试参数：磨损介质，80目石榴石；砂子流速，400-450g/min；砂管长度，76.2mm；内孔直径原始尺寸，1.02mm)。分别测试了3组不同压力下，本实施例制备的水刀砂管的使用寿命以及通过现有技术制备的水刀砂管的使用寿命；测试结果如图5所示。由图可知，本发明实施例制备的水刀砂管相较于现有技术制备的水刀砂管而言，使用寿命有了明显提升。
实施例4
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：1％，Cr：23％，Si：1％，Mo：1.5％，Mn：1％，Fe：2％，Ni：7％， Nb：2％，Ti：3.5％，W：4％，Zr：2％，Ta：1.2％，Hf：0.8％，Co为余量。
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼60min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1700℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯；
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
实施例5
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：0.5％，Cr：20％，Si：1％，Mo：1％，Mn：1％，Fe：2％，Ni：6％， Nb：1％，Ti：2％，W：3％，Zr：1％，Ta：1％，Hf：0.5％，Co为余量；
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼70min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1600℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
实施例6
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：1％，Cr：25％，Si：2％，Mo：2％，Mn：2％，Fe：6％，Ni：8％， Nb：2％，Ti：4％，W：5％，Zr：2％，Ta：2％，Hf：1％，Co为余量；
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼70min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1600℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
实施例7
配料，按以下质量百分比称取各组分：
C：1％，Cr：25％，Ni：8％，Nb：2％，Ti：4％，W：5％，Zr：2％，Ta： 2％，Hf：1％，Co为余量；
熔炼：将称取好的各组分置于坩埚中进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼70min，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金随炉冷却；
浇注成型：待液态合金温度达到1600℃时，将其倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
精密铸造：用石蜡精密造型法制造壳型；将工件粗坯在小型真空感应炉中重熔后倒入壳型中浇注成为第一工件(砂管外形棒材)。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种具有超高硬度表面涂层的合金，其特征在于，包括合金基体和位于所述合金基体表面的超高硬度涂层，所述超高硬度涂层由所述合金基体经过表面渗硼处理后形成；
所述合金基体包括以下质量百分比的成分：
C：0.5-1％，Cr：20-25％，Ni：6-8％，Nb：1-2％，Ti：2-4％，W：3-5％，Zr：1-2％，Ta：1-2％，Hf：0.5-1％，Co为余量。
2.根据权利要求1所述的具有超高硬度表面涂层的合金，其特征在于，所述合金基体还包括Si、Mo、Mn、Fe中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的具有超高硬度表面涂层的合金，其特征在于，所述Si的质量分数为1-2％，和/或，所述Mo的质量分数为1-2％，和/或，所述Mn的质量分数为1-2％，和/或，所述Fe的质量分数为2-6％。
4.根据权利要求3所述的具有超高硬度表面涂层的合金，其特征在于，所述合金基体包括以下质量百分比的成分：
C：1％，Cr：23％，Si：1％，Mo：1.5％，Mn：1％，Fe：2％，Ni：7％，Nb：2％，Ti：3.5％，W：4％，Zr：2％，Ta：1.2％，Hf：0.8％，Co为余量。
5.根据权利要求1至4任一项所述的具有超高硬度表面涂层的合金，其特征在于，所述渗硼处理的方式为固体渗硼，温度为900-1100℃，保温时间为4-10h。
6.根据权利要求1至4任一项所述的具有超高硬度表面涂层的合金，其特征在于，所述超高硬度涂层的厚度为50-160μm。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述的具有超高硬度表面涂层的合金的制备方法，其特征在于，所述合金基体的制备过程包括以下步骤：
配料，按所述质量百分比称取各组分；
熔炼：对称取好的所述各组分进行真空感应熔炼；
搅拌：待所述各组分完全熔化后，开启搅拌并继续熔炼，得到液态合金；
冷却：搅拌完成后，停止加热，使液态合金冷却；
浇注成型：冷却完成后，将所述液态合金倒入模具中浇注成型，得到工件粗坯。
8.根据权利要求7所述的具有超高硬度表面涂层的合金的制备方法，其特征在于，所述搅拌过程的时间为50-70min。
9.根据权利要求8所述的具有超高硬度表面涂层的合金的制备方法，其特征在于，使所述液态合金随炉冷却至1600-1700℃，再进行浇注成型。
10.根据权利要求9所述的具有超高硬度表面涂层的合金的制备方法，其特征在于，还包括精密铸造的过程：
用石蜡精密造型法制造壳型；
将所述工件粗坯重熔后倒入所述壳型中浇注成为第一工件。
11.根据权利要求10所述的具有超高硬度表面涂层的合金的制备方法，其特征在于，还包括加工成型的过程，即，对所述第一工件进行精密加工，得到第二工件。
12.一种水刀砂管，其特征在于，由权利要求1至6任一项所述的具有超高硬度表面涂层的合金加工而成，或，由权利要求7至11任一项所述的具有超高硬度表面涂层的合金的制备方法制备。
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Denomination of invention: A Co based high-temperature alloy and its preparation method and application Effective date of registration: 20231226 Granted publication date: 20210409 Pledgee: Changsha Bank city branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: SEED TECHNOLOGIES Corp.,Ltd. Registration number: Y2023980074149 |