一种用于采矿机械的高强度合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种用于采矿机械的高强度合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]合金材料的晶体结构属密排六方晶格，其塑性变形能力不及铝和钢，增加了合金材料塑性加工的难度和生产制备成本，为此近年的新型合金材料开发研究中，已经开始重视通过变形合金材料中合金相设计和采用新变形工艺等方式，在保证一定强度的同时更注重提高合金材料的塑性加工能力。
[0003]例如制造平衡锤、振动吸收屏与X、α、β、γ射线吸收屏，以及高穿透能力的砲弹，要求其材料必须具有相当大的密度。因此，生产这些东西要借助于所谓“重”合金类合金。该类合金主要含有钨，钨均质分散在通常由结合元素，例如镍和铁所形成的金属基体中。在大多数情况下，这类合金含有90-98%(重量比)的钨，比重为15.6-18。该类合金主要用粉末冶金法制造，即各组分均以粉末状态使用，并压制成适宜的形状，烧结并稳定化，以赋予其机械密实性，并可能经受加工和热处理，以使其具有适合其用途的机械性能:强度、延伸率和硬度等。
[0004]目前，商业上大量应用的钨系合金经变形并热处理后最高强度也不超过lOOOMPa，这样强度的合金材料还难以满足高性能结构材料的要求，因此，其大量应用于承载结构件受到限制。为提高合金材料的耐热性和强韧性，科研工作者开展了大量研究工作。
[0005]要想提高合金材料的强度可以通过添加颗粒或纤维增强相，也可以通过强烈塑形变形或粉末冶金等复杂的制备方法。但上述两种方法均无法制备大尺寸合金材料结构件，因此其应用受到限制。添加合金元素强化合金材料是提高合金材料强度的一种简单有效且经济实用的方法，目前在高强合金材料开发过程中通过添加大量的合金元素来提高强度使用的最为普遍。在提高合金材料性能的各种合金元素中，多种稀土元素联合使用时强化效果最好。目前，高强合金材料的开发一般含两种及两种以上稀土元素。另外，稀土元素在铸造合金材料中有净化、除气和排渣作用，能有效减少气体、氧化物和有害元素的影响。同时，部分稀土元素能够细化合金组织或扩散固溶于基体内部以强化合金材料的力学性能，还可以在金属中形成稀土化合物，这些化合物在合金材料基体的晶界处产生偏聚，进而增加了位错密度，增大了晶格畸变程度，从而达到强化的目的。但是大量稀土元素的加入虽然可以大大提高合金材料的强度，随之而来的是合金材料材料价格比较高，高稀土合金材料大量应用受到限制。因此开发无稀土或含少量稀土元素的高强合金材料具有重要的意义。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于采矿机械的高强度合金材料及其制备方法，目的是通过低成本且简便易行的技术手段，获得具有较高的强度的合金材料，使得此类合金材料具有比传统商业合金材料优越的力学性能。
[0007]本发明的用于采矿机械的高强合金材料，各组份及其质量百分比为:1.0-15.0%ff,
2.0-10.0%Ni，5.0%~13.0%Zn，7.0%~15.0%Y，0.4-1.0% 的 Zr，0.1-5.0%Nb，余量为 Fe，其室温抗拉强度为1050~1850MPa，屈服强度为1010~1810MPa，维氏硬度400~530，洛氏硬度30~49。
[0008]本发明的用于采矿机械的高强度合金材料的制备方法按照以下步骤进行:
(1)按照质量百分比为:1.0-15.0%ff, 2.0-10.0%Ni，5.0%~13.0%Zn，7.0%~15.0%Y，
0.4-1.0%的Zr，0.1-5.0%Nb，余量为Fe进行备料，其中Fe、W、Ni和Zn分别以铁锭、钨锭、Ni粉和锌锭，Y、Nb和Zr为中间合金，将铁锭、钨锭、锌锭和Y、Nb、Zr的中间合金放入烘箱中预热；
(2)将预热好的金属锭和中间合金投入真空中频感应炉中进行初次熔炼，熔炼过程中通入保护气体，熔炼温度为1560~1600°C，熔炼时间为lh，得到初次熔炼合金；
(3)将初次熔炼和金破碎，得到直径3厘米的碎块，向碎块中均匀混入粒度为-300目的镍粉，在真空中频感应炉中进行二次熔炼，熔炼温度为1570~1610°C，熔化时间为1.5 h，合金完全熔化后，于1700°C?1720°C浇入砂型，成型得到合金材料试块，其室温抗拉强度为1050~1850MPa，屈服强度为 1010~1810MPa，维氏硬度 400~530，洛氏硬度 30~49。
[0009]其中，所述的烘箱预热温度为150~200°C，时间为2~3h。
[0010]所述的真空中频感应炉的真空度为1.7 X 10 3Pa0
[0011]所述的通入保护气体的压力为3 X 10 3Pa0
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
(I)本发明的高强合金材料与其他高强合金材料相比，稀土元素含量少，所用原材料易于获得，成本低，性价比高，易于大规模生产。
[0013](2)本发明工艺简单，所用设备为常规通用设备，易于移植和操作，成本低，可明显改善合金强度低的问题，能够解决合金材料由于强度低而限制其应用的难题，也可扩大合金材料的应用领域。
[0014](3)本发明提供的合金组分及其方法制备的合金材料室温拉伸性能为:室温抗拉强度为1050~1850MPa，屈服强度为1010~1810MPa，维氏硬度400~530，洛氏硬度30~49。
【具体实施方式】
[0015]下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。所用原料以及试剂均为市售产品。
[0016]本实施例中Fe、W、Ni 和 Zn 分别以铁锭(99.95%)、钨锭(99.99%) ^ Ni 粉(99.99%)和锌锭(99.95%)加入，Y、Nb和Zr均采用中间合金的形式加入，各中间合金组成质量分数分别为:Fe-25 (或 50) %Y、Zn-30%Nb 和 Fe_30%Zr。
[0017]本实施例中在合金熔炼过程中所用的保护气体为SF6+C02+Ar混合气体，SF6:CO2:Ar 体积比为 0.5:40:50ο
[0018]根据国标GB228-2002的标准，对本实施例所得各种合金材料进行室温力学性能测试。
[0019]实施例1
本实施例的用于采矿机械的高强合金材料，各组份及其质量百分比为:10.0%W，5.0%Ni，5.0%Zn，7.0%Y，0.6% 的 Zr，0.l%Nb，余量为 Fe。
[0020]本实施例的用于采矿机械的高强合金材料的制备方法按照以下步骤进行:
(1)按照质量百分比为:10.00M, 5.0%Ni，5.0%Ζη，7.0%Υ，0.6% 的 Zr, 0.l%Nb，余量为 Fe进行备料，其中Fe、W、Ni和Zn分别以铁锭、钨锭、镍粉和锌锭，Y、Nb和Zr为中间合金，将铁锭、钨锭、锌锭和Y、Nb、Zr的中间合金放入温度为150°C烘箱中预热3h ;
(2)将预热好的金属锭和中间合金投入真空度为1.7X10 3Pa的真空中频感应炉中进行初次熔炼，熔炼过程中保护气体为3X 10 3Pa,熔炼温度为1560°C，熔炼时间为lh，得到初次熔炼合金；
(3)将初次熔炼和金破碎，得到直径3厘米的碎块，向碎块中均匀混入粒度为-300目的镍粉，在真空中频感应炉中进行二次熔炼，熔炼温度为1570°C，熔化时间为1.5 h，合金完全熔化后，于1700 V浇入砂型，成型得到合金材料试块。
[0021]本实施例所获得合金室温拉伸性能为:抗拉强度为1050MPa，屈服强度为lOlOMPa，维氏硬度400，洛氏硬度30。
[0022]实施例2
本实施例的用于采矿机械的高强合金材料，各组份及其质量百分比为:15.0%W，
3.0%Ni，5.0%Ζη，11.0%Y，0.6% 的 Zr，0.5%Nb，余量为 Fe。
[0023]本实施例的用于采矿机械的高强合金材料的制备方法按照以下步骤进行:
(1)按照质量百分比为:15.00M, 3.0%Ni，5.0%Ζη，11.0%Υ，0.6% 的 Zr, 0.5%Nb，余量为 Fe进行备料，其中Fe、W、Ni和Zn分别以铁锭、钨锭、镍粉和锌锭，Y、Nb和Zr为中间合金，将铁锭、钨锭、锌锭和Y、Nb、Zr的中间合金放入温度为200°C烘箱中预热2h ;
(2)将预热好的金属锭和中间合金投入真空度为1.7X10 3Pa的真空中频感应炉中进行初次熔炼，熔炼过程中保护气体为3X 10 3Pa,熔炼温度为1570°C，熔炼时间为lh，得到初次熔炼合金；
(3)将初次熔炼和金破碎，得到直径3厘米的碎块，向碎块中均匀混入粒度为-300目的镍粉，在真空中频感应炉中进行二次熔炼，熔炼温度为1580°C，熔化时间为1.5 h，合金完