一种原位TiB2强化含Ni共晶高模量钢材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种原位TiB2强化含Ni共晶高模量钢材料及其制备方法 (In-situ TiB2Reinforced Ni-containing eutectic high-modulus steel material and preparation method thereof ) 是由 石增敏 邓李辰贵 谢镐 张大勇 李光宇 周起云 戴雷 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种原位TiB-(2)颗粒强化含Ni共晶高模量钢材料及其制备方法,属于粉末冶金与合金钢技术领域。本发明制备的高模量高硬度钢材料,其特征在于通过控制原始料中的Ni、Cr配比量,抑制块状先共晶TiB-(2)的析出,促进蠕虫状共晶TiB-(2)强化相析出,形成先共晶铁素体相(α-Fe)、少量先共晶TiB-(2)及铁素体与TiB-(2)的共晶相(α-Fe+TiB-(2))三相组织合金。本发明所制备的合金采用粉末冶金方法,利用亚快速铸造工艺方法制备,所得TiB-(2)强化相颗粒具有蠕虫状形貌,基体为bcc晶格铁素体相,避免了传统工艺方法中所形成的块状先共晶TiB-(2),从而降低粗大块状强化相及其尖角对组织的割裂作用,具有高强度和高模量的优点。(The invention relates to an in-situ TiB 2 A particle-reinforced Ni-containing eutectic high-modulus steel material and a preparation method thereof belong to the technical field of powder metallurgy and alloy steel. The high-modulus high-hardness steel material prepared by the invention is characterized in that the bulk pre-eutectic TiB is inhibited by controlling the proportion of Ni and Cr in the raw material 2 Promote the precipitation of vermicular eutectic TiB 2 The strengthening phase is separated out to form an eutectic ferrite phase (alpha-Fe) and a small amount of eutectic TiB 2 And ferrite and TiB 2 Eutectic phase (alpha-Fe + TiB) 2 ) Alloy of three-phase structure. The alloy prepared by the invention is prepared by a powder metallurgy method and a sub-rapid casting process methodGet TiB 2 The strengthening phase particles have worm-like appearance, and the matrix is bcc crystal lattice ferrite phase, thereby avoiding blocky pre-eutectic TiB formed in the traditional process method 2 Thereby reducing the cracking effect of the massive strengthening phase and the sharp angle thereof on the tissue and having the advantages of high strength and high modulus.)
技术领域
本发明涉及一种原位TiB2强化含Ni共晶高模量钢材料及其制备方法，属于粉末冶金与合金钢技术领域。
背景技术
在钢铁及金属基复合材料的研发过程中，一直都存在高强与高韧难以兼容的问题。为实现钢结构件的轻量化，必然要减小结构件的厚度。然而，高性能结构件如齿轮、底盘、曲轴、连杆、发动机活塞或刹车部件等，这些结构件的刚度对尺寸厚度十分敏感。为避免由几何失稳所导致的屈曲,需要进一步提高钢材的杨氏模量来提高结构件的刚度。常规的钢材强化如固溶强化、析出强化、晶界强化、复相强化、位错强化等方法，并不能有效提高材料整体的杨氏模量。因此，高模量钢的开发和研制成为轻量化高性能结构件的难点和瓶颈。钢比模量值的提升依靠陶瓷相体积分数的增加，但材料整体力学性能随之下降，无法满足高性能结构件的高强塑性能要求。
高模量钢在航天和航空工业中的控制联动装置、汽车工业中的辅系材料、往复式发动机部件、各类机械设备部件中的应用具有巨大潜力。目前唯一有效增强钢材杨氏模量的方法是采用碳化物或硼化物陶瓷相强化钢基体。陶瓷增强相的引入方法可在铸造凝固过程中通过共晶反应原位生成，但原位生成方法过程中容易生成大量尖角形状和粗大的陶瓷颗粒，从而造成材料的极大脆性。目前国际上通常采用107K/s的冷却速度获得金属玻璃(非晶合金)然后再高温退火的方法可获得具有细小强化相的合金；但超快冷的冷速对设备能力要求苛刻，且只适合于薄壁或小尺寸构件的生产。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种原位TiB2强化含Ni共晶高模量钢材料及其制备方法。
本发明的方案：
一种原位TiB2颗粒强化含Ni共晶高模量钢材料，所述材料为先共晶铁素体相、先共晶TiB2强化相和共晶铁素体+TiB2强化相的共晶相三相组织合金，TiB2强化相具有蠕虫状形貌特征。
优选地，该高模量钢材料采用Fe-Ti-B-Ni-Cr原始粉末制成，各原料粉末配比按照质量百分比计为，Fe：65.00～81.00；Ti：8.00～17.50；B：3.00～6.50；Ni：8.00～12.00；Cr：0.00～4.00；所有合金元素的质量分数总和为100％。
优选地，Ti和B的质量分数按照合金中TiB2强化相体积占比8.0～20.0％进行定量控制，Ti和B摩尔含量满足1:(1.60～1.85)的比例。
制备所述共晶高模量钢材料的方法，该合金材料采用亚快速熔炼铸造工艺制备，铸造合金的冷却速度为50～120℃/s。
制备所述共晶高模量钢材料的方法，所述方法包括以下步骤：
1)将原始粉末按照比例称取，配制成混合粉，将混合粉再进行湿法球磨，得到混合浆料；
2)将步骤1)中得到的混合浆料过筛网制粒，在真空干燥箱内干燥得混合料；
3)将步骤2)中得到的混合料压制成形得到压坯；
4)将步骤3)中的压坯进行真空熔炼，获得液态合金；
5)步骤4)得到的液态合金冷却至室温得到共晶高模量合金材料。
优选地，步骤1)中采用无水乙醇作为分散剂，分散剂与混合粉比例(质量比)为：0.38～0.40；采用φ5～φ10的钢球作为研磨球，球料比为(7～10)：1，转速210～250r/min，混料时间24～36h。
优选地，步骤2)中的混合浆料过筛网制粒，选择60～80目筛网；干燥温度为75-85℃。
优选地，步骤3)中，压制的压力为300-500MPa。
优选地，步骤4)中，真空熔炼温度范围1500～1600℃，真空度为0.1Pa～1Pa，熔炼时间为1min～5min。
优选地，步骤5)中，真空熔炼的液态合金在水冷铜模具内浇注铸造成形，冷却速度控制在50～120℃/s的亚快速冷却速度范围。
本发明首先采用行星球磨法制备高能量和分散均匀的混合金属粉末，高能量的塑性金属混合粉具有较高的储能和熵值，从而避免了传统铸造合金在液相过程中的搅拌环节，简化制备工艺，降低液相时间并提高液态金属均匀性。Ni的加入可以抑制先共晶铁素体和先共晶TiB2的析出过程，同时提高基体的层错能可促进奥氏体的形成，从结果上看，由于Ni的加入，基体组织与TiB2的界面共格关系更高，由此改变TiB2强化相的形貌尺寸和分布，提高高模量钢的力学性能。且亚快速冷却工艺对设备冷却能力要求低、容易实现，且铸造晶晶粒细化。
通过亚快速冷却制备工艺过程和合金成分组成调控陶瓷增强相的形态、尺寸分布以及钢基体组织、制备高塑性的高模量钢。此制备方法较好的提高了高模量钢的熔炼性能和最终的力学性能。所得高模钢组织内共晶TiB2的含量升高，先共晶TiB2的含量降低，TiB2颗粒形貌为蠕虫状，从而极大降低了对基体组织的割裂作用。
本发明有益效果：
1.本发明依据合金元素对TiB2先共晶强化相析出过程的抑制及其对合金共晶转变规律作用，来避免大量尖角形状陶瓷颗粒的形成，促进蠕虫状TiB2强化相颗粒的析出，具有方法简单、控制精确的特点。
2.本发明采用亚快速铸造工艺，铸造合金的冷却速度在常规水冷铜模铸造工艺中可以轻松实现，避免了目前国际上采用超快冷冷却工艺对设备能力的苛刻要求。并且通过铸件的冷却速度变化将陶瓷颗粒强化相的尺寸控制在较小范围，铸造合金的厚度亦可达到10mm以上。
3采用粉末冶金方法，制备高能量和分散均匀的混合金属粉末，铸造组织细小；且该方法流程工艺短，生产效率高。
附图说明
图1为本发明实施例1的高模量钢的金相组织；
图2为本发明实施例1的高模量钢的SEM组织；
图3为本发明实施例1的高模量钢的XRD物相图；
图4为本发明实施例2的高模量钢的金相组织；
图5为本发明实施例3的高模量钢的金相组织；
图6为本发明对比例成分1的高模量钢的金相组织；
图7为本发明对比例成分2的高模量钢的金相组织；
图8为本发明对比例成分3的高模量钢的金相组织。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
一种原位TiB2颗粒强化含Ni共晶高模量钢材料，首先是混合料的制备：采用Fe粉、Ti粉、B粉、Ni粉和Cr粉等原始料，配制材料成分质量份数为Fe：70.20，Ti：11.50，B：4.50，Ni：10.00，Cr：3.80的混合料。采用φ5和φ10的钢球作为研磨球，φ5和φ10的钢球个数比为3：1，球料比采用8：1；采用无水乙醇作为球磨介质，无水乙醇的用量为醇料比采用0.38：1的比例；在行星式球磨机上混料，转速220r/min，20min正反转，时间24h。混合浆料80℃炉内干燥得混合料。混合料过60～80目筛网制粒，然后在模压机上采用400MPa压力压制成试样坯。
样坯在真空度为0.2Pa的真空炉内1600℃熔炼1min，然后浇注于水冷铜模内进行铸造，冷却速度为64℃/s。图1为所得高模量钢的金相组织，可以看出合金组织为典型的铸造枝晶合金形貌，有少量蠕虫状析出物(金色)，未见明显的粗大块状物的析出。结合SEM扫描组织(图2所示)及能谱分析进一步明确，该合金组织由先共晶基体相(灰色区域相)、少量先共晶蠕虫状TiB2强化相和共晶相(α-Fe+TiB2相,浅灰色和黑色区域形成的网状相)组成。共晶相中的TiB2强化相(黑色)亦呈现为蠕虫状形貌。图3所示为所得合金的XRD物相图谱，进一步明确合金相组成为α-Fe和TiB2两相。由此可以断定先共晶基体及共晶铁基体相均为bcc晶格的α-Fe铁素体相。经二值分割法图像分析，TiB2相体积分数为16.66％。蠕虫状TiB2强化相颗粒的平均宽度为0.92um。组织硬度为462HV，密度为7.45g/cm3。
实施例2
一种原位TiB2颗粒强化含Ni共晶高模量钢材料，按照质量百分数Fe：73.04，Ti：10.10，B：3.86，Ni：11.50，Cr：1.50配置混合料。混合料的制备、压制成型过程以及熔炼过程同实施例1。熔炼后的金属液浇注于水冷铜模内进行铸造，冷却速度为84℃/s。图4为所得铸造合金的金相组织，为典型的铸造枝晶特征，但铸造枝晶主干的尺寸相比于实施例1有所减小。金相组织中仍然可见少量金色蠕虫状TiB2强化相颗粒。采用SEM扫描组织及能谱分析进一步明确，该合金组织由先共晶相(灰色区域相)和共晶相(浅灰色和黑色区域形成的网状相)组成，先共晶基体及共晶铁基相均为bcc晶格的α-Fe铁素体相。经图像分析，TiB2相体积分数为13.43％。蠕虫状TiB2颗粒的平均宽度为0.77um。组织硬度为472HV，密度为7.56g/cm3。
实施例3
一种原位TiB2颗粒强化含Ni共晶高模量钢材料，按照质量百分数Fe：72.80，Ti：12.50，B：4.7，Ni：10.00，配置混合料。混合料的制备、压制成型过程以及熔炼过程同实施例1。熔炼温度为1550℃，时间为2min，熔炼后的金属液浇注于水冷铜模内进行铸造，冷却速度为54℃/s。图5为所得铸造合金的金相组织为典型的铸造枝晶特征，枝晶主干的尺寸较为粗大，组织中可见少量金色蠕虫状TiB2强化相。经图像分析，TiB2相体积分数为18.71％。蠕虫状TiB2颗粒的宽度在0.73um的范围。组织硬度为465HV，密度为7.02g/cm3。
对比例
原位TiB2颗粒强化不含Ni共晶高模量钢材料的组织演变规律
配置三组成分，其中成分1，按照质量百分数Fe：86.04，Ti：10.10，B：3.86配制混合料；成分2，按照质量百分数Fe：84.45，Ti：11.30，B：4.25配制混合料；成分3，按照质量百分数Fe：88.61，Ti：8.24，B：3.15配制混合料。成分1和成分2混合料的制备、压坯压制过程，以及熔炼过程、熔炼后的浇注铸造冷却过程分别同实施例1、实施例3相同。成分3混合料的制备、压坯压制过程以及熔炼过程同实施例1，熔炼后的浇注铸造冷却速度为120℃/s。
图6、图7、图8分别给出了成分1、成分2和成分3的金相组织，其中图6为腐蚀后的金相组织，图7、图8为未腐蚀样品的金相组织。图6可以看出，不含Ni的成分1合金组织为铸造枝晶合金形貌，可以确定合金组织为先共晶相(白色区域相)、共晶相(深色区域相)和块状的析出物。由图7和图8可以断定，成分2和成分3的合金组织组成与成分1相同。经XRD分析为α-Fe和TiB2两相组织。图7和图8清晰的显示了先共晶析出相TiB2的形貌和分布特征，可以看出，无Ni共晶高模量钢的先共晶TiB2强化相均呈现为块状形貌，且随冷却速度的增大(84℃/s增至120℃/s),先共晶TiB2强化相颗粒尺寸反而随之增大。与含Ni高模量钢相比，无Ni高模量钢中的强化相，尤其是形成的先共晶强化相，颗粒粗大、带明显的尖角。经图像分析，获得3成分所形成的合金组织组成特征，总结归纳列于表1。
表1对比例高模量钢组织组成与性能
由表1可知，采用本发明亚快速铸造工艺方法制备高模钢材料，通过调控Ni、Cr含量，可以调控组织内的强化相TiB2的颗粒形貌，使其从粗大的块状分布转变为蠕虫状，由此来极大降低强化相对组织的割裂作用。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
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