高硬度钴基合金及其制造方法技术

本发明专利技术属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种高硬度钴基合金及其制造方法。所述的高硬度钴基合金，化学成分按质量百分比为：C1.5～2.5％，Cr30～34％，W23～27％，Ni3～8％，V3～6％，余量为Co和不可避免的杂质，其显微组织由γ‑Co基体和颗粒状M12C和M23C6型碳化物组成，在γ‑Co基体上存在纳米孪晶，其制造方法为：按所述合金化学成分的元素粉末配料，在氩气保护下在高能球磨机中进行球磨得到混合非晶粉末，然后将非晶混合粉末放入石墨模具中在真空热压炉内进行热压烧结成型，得到高硬度钴基合金。本发明专利技术的钴基合金，强化相为颗粒状，硬度高，耐磨性好，韧性好；其制造方法，科学合理，工艺简单易行。

High Hardness Cobalt-based Alloy and Its Manufacturing Method

【技术实现步骤摘要】
高硬度钴基合金及其制造方法
本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及一种高硬度钴基合金及其制造方法。
技术介绍
钴基合金因其具有较高的强度、良好的耐腐蚀、耐磨损、耐高温氧化等特性，被广泛应用在航空航天工业、核工业、工业燃气轮机、石油工业、模具制造行业等高温、磨损、腐蚀领域。以司太立(Stellite)合金为代表的钴铬钨(钼)系合金，由固溶强化的奥氏体基体和碳化物强化相组成，即可制成焊丝或粉末，应用于硬面堆焊、热喷涂、喷焊等工艺，也可以制成铸锻件和粉末冶金件，被广泛应用在各种耐磨损环境中。另一著名钴基耐磨材料是美国杜邦公司于1970年代研制的TribaloyT800合金，其组织由钴基固溶体和高达50％(体积分数)以上的Laves相组成，具有优异的高温耐磨性能，广泛应用于航空发动机多种零件、特别是叶片的表面涂层强化，制备工艺主要包括热喷涂和堆焊、激光熔覆等。随着先进航空发动机转速的提高和长寿命的要求，对传动轴表面高温耐磨性的要求越来越高，传统司太立合金耐磨性低且高温稳定性差，T800合金脆性大，无法用做传动轴外表面耐磨材料。因此，必须研制一种适用于高温钎焊的新型钴基高耐磨合金，在保证足够硬度和耐磨性同时，具有良好的高温稳定性和钎焊工艺性能，以满足某发动机高转速长寿命超转活门对耐磨材料的迫切需求。目前国内块体钴基合金主要通过铸造或粉末冶金技术制备。采用铸造法，工艺简单，成本低，但碳化物的大小和分布很大程度上取决于铸造温度、冷却速度和热处理条件，必须严格控制，避免宏观和微观偏析、气孔和第二相夹杂。钴基合金也可以使用预合金粉末通过粉末冶金工艺制造。但是，预合金粉末的表面会发生化学元素偏析和氧化，这会导致原始颗粒边界的形成，从而降低最终粉末冶金产品的机械性能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种高硬度钴基合金，强化相为颗粒状，硬度高，耐磨性好，韧性好；本专利技术同时提供其制造方法，科学合理，工艺简单易行。本专利技术所述的高硬度钴基合金，化学成分按质量百分比为：C：1.5～2.5％；Cr：30～34％；W：23～27％；Ni：3～8％；V：3～6％；余量为Co和不可避免的杂质，其显微组织由γ-Co基体和颗粒状M12C和M23C6型碳化物组成，在γ-Co基体上存在纳米孪晶。优选地，所述的高硬度钴基合金，化学成分按质量百分比为：C：1.8～2.2％；Cr：31～33％；W：24～26％；Ni：4～6％；V：4～5％；余量为Co和不可避免的杂质，其显微组织由γ-Co基体和颗粒状M12C和M23C6型碳化物组成，在γ-Co基体上存在纳米孪晶。各化学成分的用量标准和作用如下：C：1.5～2.5％；碳在钴基合金中通过与合金元素Cr、W等形成碳化物，提高钴基合金的强度、硬度和耐磨性，过少的碳形成的碳化物含量较低，无法获得足够的强度和硬度，过量的碳会形成过量的碳化物，降低钴基合金的韧性，因此，将碳的含量控制在1.5～2.5％。Cr：30～34％；铬通过固溶强化提高钴基合金的强度，同时，铬的添加能提高钴基合金的抗氧化性和耐腐蚀性，但过量的铬会导致有害tcp相的形成，降低合金性能，故将铬的含量控制在30～34％。W：23～27％；钨通过固溶强化提高钴基合金的强度，并通过形成碳化物提高钴基合金的硬度和耐磨性，随钨含量的增加，钴基合金的强度、硬度和耐磨性会明显提高，但过量的钨会导致合金韧性的降低，故将铬的含量控制在23～27％。Ni：3～8％；镍是奥氏体稳定元素，在钴基合金中添加适量的镍可以阻止面心立方结构的γ-Co相向密排六方结构的ε-Co相转变，确保钴基合金在高温使用过程中的组织稳定性。V：3～6％；钒在钴基合金中形成细小弥散的碳化物，对基体起到沉淀强化作用，同时，阻止晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，提高钴基合金的强度和耐磨性，但过量，碳化物易粗化，明显降低韧性，因此含量为3～6％。本专利技术所述的高硬度钴基合金的制造方法，包括以下步骤：(1)配料：将元素粉末按合金化学成分配料；(2)密封：在真空手套箱中，将元素粉末装入球磨罐中，加入淬火钢球，并加入无水乙醇作为过程控制剂，密封球磨罐，然后，通入高纯氩气作为保护气；(3)球磨：将球磨罐放入高能球磨机中球磨；(4)烧结：在真空手套箱中，将球磨罐内的混合粉末取出，放入石墨模具中，然后，将石墨模具放入真空热压炉内烧结，得钴基合金。放入真空热压炉内烧结工艺为：打开真空泵进行抽真空，待真空度降到10Pa以下，采用1～10℃/min的升温速率升温到900℃后，保温5～30min；以4～8℃/min的升温速率继续升温到1180～1220℃，在5～10min内加压至50～70MPa，保压15～25min后卸载，继续保温10～30min，随炉冷却到室温。其中：步骤(2)中，按8～12：1的球料比加入淬火钢球。步骤(2)中，钢球和粉末的总体积占球磨罐容积的20～40％。步骤(2)中，所述的无水乙醇的用量为元素粉末总质量的3～5％。步骤(3)中，将球磨罐放入高能球磨机中球磨8～12h。优选地，本专利技术所述的高硬度钴基合金的制造方法，具体包括以下步骤：(1)按所述化学成分的重量百分比准备好对应含量且纯度均大于99％的元素钴粉、铬粉、钨粉、镍粉、钒粉和碳粉；(2)在真空手套箱中，将元素钴粉、铬粉、钨粉、镍粉、钒粉和碳粉加入到球磨罐中，按10：1的球料比加入直径7mm的硬质淬火钢球，且钢球和粉末的总体积占球磨罐容积的20～40％；(3)向球磨罐中加入粉末总质量5％的无水乙醇作为过程控制剂，并向球磨罐中通入高纯氩气作为保护气；(4)将装填完成的球磨罐放入高能球磨机中球磨8～12h；(5)球磨结束后，在真空手套箱中将球磨完成的钴基合金粉末取出；(6)将步骤(5)得到的钴基合金粉末放入石墨模具中，并将石墨模具放入真空热压烧结炉内；(7)打开真空泵进行抽真空，待真空度降到10Pa以下，采用1～10℃/min的升温速率将温度升高到900℃后，保温5～30min，进一步降低粉体中的气体含量；(8)以4～8℃/min的升温速率，将温度升高到1180～1220℃，在5～10min中内将压力均匀加至50～70MPa，有利于粉体中的气体进一步排出，降低烧结后的气孔率，保压15～25min后卸载；(9)保压结束后，继续保温10～30min，保温结束，停止加热，随炉冷却至室温，取出烧结完成的钴基合金。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术将成分设计和粉末冶金相结合，通过原材料的选择、机械合金化过程的控制，热压工艺的合理选择，有效提高钴基合金的综合力学性能。加入较高含量的铬30～34％和钨23～27％，提高合金的硬度和耐磨性。(2)相比于预合金粉通过粉末冶金制备出的合金，本专利技术采用的机械合金化钴基合金粉末烧结后不存在原始粉末颗粒边界，提高合金韧性。(3)通过控制烧结工艺参数获得细小弥散分布的碳化物和细晶组织。(4)本专利技术的制造方法，科学合理，工艺简单易行。附图说明图1为本专利技术的钴基合金热压烧结后扫描电镜显微组织图；图2为本专利技术的钴基合金热压烧结后X-射线衍射谱。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明。实施例中用到的所有原料除特殊说明外，均为市购。实施例1所述的高硬度钴基合金，制造方法如下：(1)按质量分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高硬度钴基合金，其特征在于：化学成分按质量百分比为：C1.5～2.5％，Cr30～34％，W23～27％，Ni3～8％，V3～6％，余量为Co和不可避免的杂质，其显微组织由γ‑Co基体和颗粒状M12C和M23C6型碳化物组成，在γ‑Co基体上存在纳米孪晶。

【技术特征摘要】
1.一种高硬度钴基合金，其特征在于：化学成分按质量百分比为：C1.5～2.5％，Cr30～34％，W23～27％，Ni3～8％，V3～6％，余量为Co和不可避免的杂质，其显微组织由γ-Co基体和颗粒状M12C和M23C6型碳化物组成，在γ-Co基体上存在纳米孪晶。2.根据权利要求1所述的高硬度钴基合金，其特征在于：化学成分按质量百分比为：C1.8～2.2％，Cr31～33％，W24～26％，Ni4～6％，V4～5％，余量为Co和不可避免的杂质，其显微组织由γ-Co基体和颗粒状M12C和M23C6型碳化物组成，在γ-Co基体上存在纳米孪晶。3.一种权利要求1或2所述的高硬度钴基合金的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)配料：将元素粉末按合金化学成分配料；(2)密封：在真空手套箱中，将元素粉末装入球磨罐中，加入淬火钢球，并加入无水乙醇作为过程控制剂，密封球磨罐，然后，通入高纯氩气作为保护气；(3)球磨：将球磨罐放入高能球磨机中球磨；(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷凤仕，李念念，冯柳，周丽，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37