高强铁基合金的制备方法及高强铁基合金截齿

摘要

本发明提供一种内部组织具有一定数量的非晶相、有一定的塑性变形能力，断裂强度高的高强铁基合金的制备方法，其是将重量百分比为3.75%-3.76%的Cr、8.64%-8.67%的Mo、1.08%-1.09%的C、0%-3.7%的V、余量的Fe原料进行混合，放在惰性气体保护的电弧熔炼炉的坩埚内加热熔化后再持续熔炼至少5分钟，等合金随坩埚冷却至凝固后，将合金翻转，再反复熔炼3–5次，得到成分均匀的合金锭；然后取出打磨掉表面的氧化膜放置在感应熔炼炉的坩埚中熔炼，待合金熔炼完全后，将熔化好的合金熔液浇在模具中冷却即得。以制备截齿用模具代替上述高强铁基合金的制备方法中的模具，即可制得高强铁基合金截齿。

说明书

技术领域

本发明涉及高强铁基合金的制备方法，还涉及一种采煤用截齿。

背景技术

随着经济发展和社会进步，国家对煤炭需求不断增加的同时也加大了资源环境的保护力度，这就迫切的需要提高煤炭的开采效率。采煤机械中截齿的优劣直接影响煤炭资源的开采效率和企业的生产成本。随着采煤机械的功率不断增加，对截齿的质量要求也就越来越高。截齿在截割煤岩时，要承受巨大的压应力、剪切应力和冲击载荷，并会和煤层中的硬质材料摩擦和撞击，随着截割的进行，截齿的表面温度也会逐渐升高。这就要求截齿要有高强度、高硬度、耐磨耐腐蚀、高的弯曲强度以及在较高温度条件下工作能力等优异性能，以防止截齿使用过程中发生断裂、弯曲、变形以及磨损失效。尽管在国内科研人员的不懈努力下，国产制备截齿的材料的性能不断改善，但就目前而言，国产截齿材料的晶粒度还很难达到进口截齿的水平，在承受大功率冲击负荷和磨损性较强的采掘中普遍存在断裂现象。国产截齿的消耗率，综采一般为80~200把/每万吨，而进口截齿的综采损耗率为20把/每万吨。据《中国煤炭市场产量预测未来投资趋势展望报告》预计，2015年~2019年期间我国的煤炭产量将维持在约37亿吨/年。可见，作为机械化采煤的刀具，截齿的需要求量非常巨大。因此，为降低采煤机械中截齿的消耗，提高截齿的使用寿命，研究采煤机械截齿材料及其强韧化机理，开发新型高性能截齿材料，对于促进新材料的发展、提高开采煤炭资源的劳动生产效率，具有重要的科学意义和实践价值。

目前国内外常用的截齿用合金材料，其种类主要有42CrMo、35CrMnSi、40CrNiMo、30SiMn2Mo、40Cr2SiMnMoCuBTiRe等，其中42CrMo合金具有较高的强度、良好的淬透性、在高温时由较高的蠕变和持久强度等特点；840°C油淬及360~400°C回火热处理后具有较高的疲劳极限和抗多次冲击的能力，低温冲击韧性也比较好。但是在实际生产中热处理工艺难以把握，容易造成心部韧性较低、表面加工质量较差，引起截齿使用过程中的中柄部断裂。35CrMnSi合金材料淬火热处理后获得马氏体、贝氏体和残留奥氏体的复向组织，具有较高的强度(约1600兆帕)、硬度(约HRC42)和韧性(60J/cm²)，但是耐磨耐腐蚀性能不理想，截齿使用寿命较短。40CrNiMo合金具有高强度、韧性和良好的淬透性和抗过热的稳定性，但白点敏感度高，有回火脆性。30SiMn2Mo合金热处理后可获得较高的强度(约1650兆帕)、硬度(约HRC45)和韧性(约62J/cm²)，具有良好的强韧性和耐磨性，但是冲击韧性较低。40Cr2SiMnMoCuBTiRe合金热处理后的强度在1560兆帕以上、硬度HRC53~55，但是韧性较差，制备过程容易产生缺陷，极大的限制了在大功率采煤机械截齿上的应用。

因此，开发新型高性能的采煤机械截齿材料，克服目前合金材料的不足，进一步提升截齿材料的综合性能、指导性能更加优异的新型截齿材料的大规模生产和应用，是材料科学发展和煤炭高效开采的迫切需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种内部组织具有一定数量的非晶相、有一定的塑性变形能力，断裂强度高的高强铁基合金的制备方法。

该发明所述的高强铁基合金的制备方法，它包括下述步骤：

a：将重量百分比为3.75%-3.76%的Cr、8.64%-8.67%的Mo、1.08%-1.09%的C、0%-3.7%的V、余量的Fe原料进行混合，放在惰性气体保护的电弧熔炼炉的坩埚内加热熔化后再持续熔炼至少5分钟，等合金随坩埚冷却至凝固后，将合金翻转，再反复熔炼3–5次，得到成分均匀的合金锭；

b：将合金锭从坩埚内取出打磨掉表面的氧化膜；

c：将去掉氧化膜后的合金锭放置在感应熔炼炉的坩埚中熔炼，待合金熔炼完全后，将熔化好的合金熔液浇在模具中冷却即得。

上述高强铁基合金的制备方法，各种原料的纯度不低于99%。

上述高强铁基合金的制备方法，对熔炼炉充入惰性气体之前，先对熔炼炉抽真空至（4-6）*10^-5Pa，然后再充入惰性气体，熔炼炉内惰性气体气压为500-700mbar。

上述高强铁基合金的制备方法，惰性气体为氩气。气压过低时电弧熔炼炉腔体内外形成很大的负压，会使外部空气更容易进入腔体，导致合金氧化；气压过高接近或者超过外部大气压，内部气压过大会使电弧熔炼炉在内部大气压的作用下降低真空系统的气密性，导致仪器气密性降低，样品氧化，气压过大还有可能损坏仪器设备。

上述高强铁基合金的制备方法，步骤a中的坩埚为铜坩埚；步骤c中的坩埚为三氧化二铝坩埚。步骤a使用的是电弧熔炼设备，该设备内坩埚一般均为铜坩埚，电弧熔炼时坩埚必须要导电，才可以产生电弧进而达到熔炼的目的；步骤c中的坩埚为三氧化二铝坩埚，因为步骤c采用的是感应熔炼，感应熔炼要求坩埚不能与感应线圈导电，所以使用三氧化铝坩埚，三氧化二铝耐高温，是感应熔炼坩埚的常用材料。

本发明的有益效果：采用本发明的制备方法，制得的铁基合金含有一定体积含量的非晶相。通过增加V减少Fe的含量，可以有效调控合金的相析出：当V替代Fe约4个原子百分比时，合金中产生大量的球形相V6C5。制得的铁基合金断裂强度可以达到3500兆帕以上，屈服强度不低于1000兆帕，具有一定的塑性变形能力。该制备方法操作流程简单、环境负荷小、原料可重复使用。

本发明同时提供了一种综合性能优秀，不易磨损和断裂，使用寿命长的高强铁基合金截齿。

该高强铁基合金截齿，采用上述的方法制得，所述模具为制备截齿用模具。

也就是说，以制备截齿用模具代替上述高强铁基合金的制备方法中的模具，即可制得高强铁基合金截齿。本方法制备的铁基非晶合金新型金属材料，由于不存在晶体材料的晶粒晶界等缺陷，强度可达4000兆帕以上，具有优异的耐磨耐腐蚀和抗疲劳能力，室温下有一定韧性，尤其适于作为截齿材料。

附图说明

图1高强铁基合金的XRD图谱；

图2高强铁基合金的DSC图谱；

图3高强铁基合金应力-应变曲线。

具体实施方式

实施例1：制备Fe₈₂Cr₄Mo₅V₄C₅(以Fe82-1#表示)合金、Fe₈₄Cr₄Mo₅V₂C₅(以Fe84-2#表示)合金、Fe₈₆Cr₄Mo₅C₅(以Fe86-3#表示)合金

将原子百分比转换成重量百分比，按比例称量好纯度为99%以上的纯金属Fe、Cr、Mo、V和C的原料，备用。

将按上述成分配比的混和料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，首先抽真空至5*10^-5Pa，然后充入氩气至气压为600mbar，熔化后再持续熔炼5分钟。等合金随铜坩埚冷却至凝固后，迅速将其翻转，反复熔炼3–5次，得到成分均匀的合金锭。将合金锭定取出打磨掉表面的氧化膜，然后放置在三氧化二铝坩埚中再次熔炼，待合金熔炼完全后，将熔化好的合金熔液浇在预先放置好的铜模中。待合金完全冷却后，取出得到高强铁基合金。

用X射线衍射仪(XRD，BrukerD8Advance)表征该块体金属玻璃的结构，如图1所示。用差示扫描量热仪(DSC，NETZSCH404C)获得该样品的热力学参数，如图2所示。利用电子万能试验机测试该材料的力学性能，如图3所示。

图1所示为高强铁基合金的X射线衍射图谱(XRD)。可见由上述方法制得的Fe₈₂Cr₄Mo₅V₄C₅(Fe82-1#)合金主要由FeMo相、α-Fe相以及球形相V6C5相组成；Fe₈₄Cr₄Mo₅V₂C₅(Fe84-2#)合金主要由FeMo相、α-Fe相、Cr3C2相以及少量球形相V6C5组成；而Fe₈₆Cr₄Mo₅C₅(Fe86-3#)合金主要由FeMo相、α-Fe相以及单质C组成。除此之外，三种合金中都含有一定体积含量的非晶相，其中Fe86-3#合金中非晶相含量最明显。通过比较我们还可以发现通过调整V替代Fe的含量，可以有效调控合金的相析出：当V替代Fe约4个原子百分比时，合金Fe82-1#中产生大量的球形相V6C5。

图2所示为高强铁基合金的差示扫描量热仪(DSC)数据，由图可得三种合金在约1050K附近都有一个小的放热峰；Fe86-3#合金在1120K附近还有一个明显的放热峰，该峰随着V含量的增加逐渐减小，在Fe82-1#合金中该放热峰几乎消失。上述现象表明，在三种合金中均含有一定数量的非晶相，其中Fe86-3#合金中的非晶相含量最明显。DSC曲线数据与XRD数据完全吻合。

图3所示为三种高强铁基合金应力-应变曲线。可见Fe82-1#合金的压缩断裂强度可以达到3500兆帕以上，弹性应变率接近2%，具有较大的塑性变形；Fe84-2#合金的屈服强度较Fe82-1#合金略小，但断裂强度可达4500兆帕左右，弹性应变率与Fe82-1#合金接近，也具有一定的塑性变形能力和加工硬化特性；Fe86-3#合金的屈服强度最低，约在1000兆帕左右，但是断裂强度接近5000兆帕，弹性应变较小，具有很大的塑性变形能力和明显的加工硬化行为。

实施例2：制备Fe₈₄Cr₄Mo₅V₂C₅截齿

将重量百分比为3.75%的Cr、8.66%的Mo、1.08%的C、1.84%的V、84.67%的Fe等5种原料进行混合，放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内。首先对电弧熔炼炉抽真空至5*10^-5Pa，然后充入氩气至气压为600mbar。然后对混合原料加热，熔化后再持续熔炼5分钟。等合金随铜坩埚冷却至凝固后，迅速将其翻转，反复熔炼3–5次，得到成分均匀的合金锭。将合金锭定取出打磨掉表面的氧化膜，然后放置在三氧化二铝坩埚中再次熔炼，待合金熔炼完全后，将熔化好的合金熔液浇在预先放置好的制备截齿用铜模中。待合金完全冷却后，从铜模中取出得到Fe₈₄Cr₄Mo₅V₂C₅截齿。

本方法制备的高强铁基合金，强度高，可达4000兆帕以上，成本较低(主要成分为铁)，可大块成型，性能可以调控(可以通过调整V替代Fe的含量，调控合金的断裂强度和弹性应变率的大小)，以更好的满足在不同领域的应用需要。制备方法操作流程简单、环境负荷小、原料可重复使用，很好地符合钢铁工业可持续发展的战略要求。