[发明专利]一种铁合金材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁合金材料，属于冶金材料领域。

背景技术

随着经济的发展，市场对钢铁材料的综合性能要求不断提高，特别是高新尖端技术的日新月异。如航空、航天、电子、海运等技术和机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多、越来越严的要求。而大多数铁合金制备理念都是以铁元素为主，添加不同合金元素而产生不同性能的合金，人类依此观念采用不同的制造加工工艺获得不同铁合金。但是，根据传统合金的发展经验可知，虽然可以通过添加特定的少量合金元素来改善铁合金的性能，但铁合金材料添加元素种类过多会导致很多化合物尤其是金属间化合物的出现，从而导致合金性能的恶化，如变脆。此外，也给材料的组织和成分分析带来很大的困难，因此铁合金材料添加的元素种类应该越少越好。正因为如此，我们所开发的合金系种类很有限，传统的铁合金材料的发展空间变得越来越小了。所以，打破传统合金的设计理念，开发出新型的铁合金材料对钢铁行业继续向前发展具有重要意义。

发明内容

从上述技术背景出发，本发明的目的是提供一种通过合理添加金属元素，冶炼出具有良好强度、韧性及力学性能的铁合金材料，该铁合金材料可应用到高强、高硬、高温、腐蚀性等生产环境中。

本发明的目的是通过如下措施来实现：

本发明的铁合金材料是以铁元素为主的合金材料，组成合金材料的金属元素为Fe、Co、Ni、Cu、Cr；合金材料各元素质量百分成分：Co 16.81～17.08，Ni 16.83～17.20，Cu 17.69～18.40，Cr 14.58～15.37，Fe 32.02～33.05，其余为杂质元素，各组成元素的质量百分比之和为100％。各组成合金材料元素Fe、Co、Ni、Cu、Cr的纯度均在99.9at％以上。合金材料中所添加的元素原子半径均与Fe原子半径差小于15％，可形成良好的固溶体。添加的元素Cr使合金材料具有较好的抗腐蚀能力，Co和Cu元素能促使合金形成面心立方相，使该合金材料具有良好的塑性和韧性。Ni能提高该合金材料的高温强度。此外，添加的各合金元素相互可形成良好的固溶体，具有固溶强化作用。

所述铁合金材料的制备工艺过程为：各元素材料准备→锯切→清洗和去除氧化皮→配比→清洗→电弧炉熔炼→取样→冷却→制备试样→热处理→组织和力学性能分析。其电弧炉熔炼电流范围在600A～720A，反复熔炼4～5次，每次熔炼4～6分。

电弧炉制备材料后进行高温退火热处理工艺：退火温度为600～1000℃，保温5小时，冷却方式为随炉冷却。600℃以下和保温时间低于5小时的热处理，合金材料的组织和性能基本没有变化。随退火温度的增加，屈服强度略有降低，塑性得到大幅度的提升。800℃退火热处理后材料强度和塑性综合性能最好。主要由于随温度的增加，消除合金内铸态应力和一些缺陷，屈服强度下降，塑性得到了改善。800℃时，热处理冷却过程中合金组织中析出具有FCC结构的新相，同时晶粒细化，合金强度和塑性并同时提高。

本发明的优点在于：本发明提供的铁合金材料，添加各的元素使合金材料具有良好强度、韧性及力学性能，从而具有很好的压缩强度和塑性，随热处理温度的升高，该材料压缩强度没有明显的降低，且塑性得到大幅度的提升，同时合金材料具有耐高温性。合金材料在800℃温度下退火保温5小时后，合金材料的强度和塑性综合性能最佳。本发明的铁合金材料的生产工艺简单、生产效率高、成本低、市场广泛，具有良好的市场价值。

具体实施方式

合金材料制备主要过程：各元素材料准备→锯切→清洗和去除氧化皮→配比→清洗→电弧炉熔炼→取样→冷却→制备试样→热处理→组织和力学性能分析。其电弧炉熔炼电流范围在600A～720A。热处理和力学性能实验的试样为φ5mm×10mm的圆柱体，所有的合金元素纯度均在99.9at％以上。按表1所列的成分进行配料。

表1各实例合金的成分(质量百分比/％)

制备后合金材料热处理工艺为：高温退火。退火温度为600～1000℃，保温5小时，冷却方式为随炉冷却。压缩试样为φ5mm×10mm的圆柱。表1中合金实例3热处理后XRD结构检验结果如表2所示，800℃退火保温5小时后的力学性能如表3所示。

表2不同退火温度后实例3金相XRD结构及各相峰值强度

注：表中FCC为合金材料中面心结构相，BCC为体心结构相。

表3各实例力学性能

从表2可以发现，虽然合金添加元素种类多，但材料相结构没有出相传统合金设计理念中的复杂相，该合金材料相结构由简单的FCC+BCC两相组成。并且随着热处理温度的升高，合金材料相结构中FCC相峰值逐渐增大。从表3可以看出，各实例具有良好强度、韧性及力学性能。该材料的高温下各项性能指标可以满足一些工况条件的要求。