一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，包括基体，基体的表面具有多个凹陷的管状体，基体的表面和管状体的内表面均具有碳化铬增强层，基体为高铬合金钢；上述复合材料的制备方法为：对基体进行表面处理；然后进行激光打孔、酸洗、超声波清洗；将得到的清洗后的具有凹陷的管状体的基体在真空渗碳炉中进行渗碳，得到具有微米级碳化铬增强层的复合体；最后进行后处理得到具有碳化铬增强层的高铬合金钢。本发明解决了现有碳化铬增强钢铁基复合材料中碳化铬颗粒容易脱落、尺寸和分布方式不可控的问题，提高了复合材料的整体力学性能和耐热、耐磨性能，且制备方法简单，易于实施。

权利要求

1.一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，其特征在于，包括基体，所述基体的表面具有多个凹陷的管状体，所述基体的表面和所述管状体的内表面均具有碳化铬增强层，所述基体为高铬合金钢；

其中，所述管状体之间的间距为25μm～1000μm，所述管状体的管径为10μm～40μm，管状体的深度不大于20μm。

2.根据权利要求1所述的具有碳化铬增强层的高铬合金钢，其特征在于，所述碳化铬增强层的厚度为8μm～20μm，碳化铬增强层由碳化铬颗粒组成，碳化铬颗粒均匀分布在基体中，碳化铬颗粒的粒径为2μm～15μm，碳化铬颗粒的体积分数为60％～85％。

3.根据权利要求1所述的具有碳化铬增强层的高铬合金钢，其特征在于，所述基体组织为马氏体、奥氏体和铁素体中的任意一种或几种。

4.一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：对基体进行表面处理，得到表面处理过的基体；

步骤2：利用激光打孔机对所述步骤1得到的表面处理过的基体进行激光打孔，然后进行酸洗，之后用水冲洗至中性，最后进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的基体；

步骤3：将所述步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的基体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，并保温一定时间，得到具有微米级碳化铬增强层的复合体；

步骤4：将所述步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的复合体进行加热淬火与低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的高铬合金钢。

5.根据权利要求4所述的一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1的表面处理具体为将基体表面用丙酮清洗干净。

6.根据权利要求4所述的一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2中激光打孔在真空条件或惰性气体保护下进行。

7.根据权利要求4所述的一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2中酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，所述超声波清洗使用乙醇或丙酮。

8.根据权利要求4所述的一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9％～1.0％，真空度不大于1×104Pa，渗碳温度为850℃～900℃，基体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5％，保温时间为8min～25min。

9.根据权利要求4所述的一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤4中加热淬火的温度为780℃～820℃，低温回火的温度为300℃～420℃。

说明书

一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于钢铁基表面复合材料技术领域，具体涉及一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，本发明还涉及该复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 通常铬元素在钢铁中的比例超过10%时称为高铬合金钢，高铬合金钢普遍具有高硬度和高耐磨性，轴承用钢和研磨球用钢常使用高铬合金钢作为原材料。作为最重要的模具钢之一，高铬合金钢因其具有高硬度、高耐磨性和高耐热性等优点，在模具、刀具、冶金等行业领域应用广泛。但是，其强度随着尺寸的变大而下降明显，直接影响其使用寿命，限制了应用范围。碳化铬具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数以及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及与钢铁材料良好的润湿性等优点，以其为增强体制备的碳化铬增强钢铁基复合材料在航空、航天、冶金、矿山等行业应用广泛，成为材料研究和开发的热点。

[0003] 目前，碳化铬增强钢铁基复合材料的增强形式以颗粒增强为主，制备方法以液态铸渗法、粉末冶金法为主，这些方法具有成本低、可以实现大规模工业化生产和零件形状不受限制等优点。但是碳化铬增强钢铁基复合材料的制备过程中，仍然存在如下突出问题：

[0004] 1）传统铸渗工艺只能对工件进行局部复合或表面复合；

[0005] 2）粉末冶金工艺中，大量使用粘接剂粘接或固定合金粉末，导致复合层内存在大量气孔、夹渣等缺陷；

[0006] 3）复合过程仅对外加硬质颗粒间的间隙进行铸渗或烧结，硬质颗粒与钢基体间为非冶金结合，结合力很弱，颗粒容易脱落；

[0007] 4）传统铸渗工艺和粉末冶金工艺只能实现弥散分布颗粒增强钢铁基复合材料的制备，不能获得其它更优的增强体分布方式，且对碳化铬颗粒尺寸和分布方式不可控。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，解决了现有碳化铬增强钢铁基复合材料中碳化铬颗粒容易脱落、尺寸和分布方式不可控的问题。

[0009] 本发明的另一目的是提供上述复合材料的制备方法。

[0010] 本发明所采用的技术方案是：一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，包括基体，所述基体的表面具有多个凹陷的管状体，所述基体的表面和所述管状体的内表面均具有碳化铬增强层，所述基体为高铬合金钢。

[0011] 进一步地，所述管状体之间的间距为25μm～1000μm，所述管状体的管径为10μm～40μm，管状体的深度不大于20 μm。

[0012] 进一步地，所述碳化铬增强层的厚度为8μm～20μm，碳化铬增强层由碳化铬颗粒组成，碳化铬颗粒均匀分布在基体中，碳化铬颗粒的粒径为2μm～15μm，碳化铬颗粒的体积分数为60%～85%。

[0013] 进一步地，所述基体组织为马氏体、奥氏体和铁素体中的任意一种或几种。

[0014] 一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，具体包括以下步骤：

[0015] 步骤1：对基体进行表面处理，得到表面处理过的基体；

[0016] 步骤2：利用激光打孔机对所述步骤1得到的表面处理过的基体进行激光打孔，然后进行酸洗，之后用水冲洗至中性，最后进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的基体；

[0017] 步骤3：将所述步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的基体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，并保温一定时间，得到具有微米级碳化铬增强层的复合体；

[0018] 步骤4：将所述步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的复合体进行加热淬火与低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的高铬合金钢。

[0019] 进一步地，所述步骤1的表面处理具体为将基体表面用丙酮清洗干净。

[0020] 进一步地，所述步骤2中激光打孔在真空条件或惰性气体保护下进行。

[0021] 进一步地，所述步骤2中酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，所述超声波清洗使用乙醇或丙酮。

[0022] 进一步地，所述步骤3中真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%～1.0%，真空度不大于14 
×10 Pa，渗碳温度为850℃～900℃，基体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温时间为8 min～25min。

[0023] 进一步地，所述步骤4中加热淬火的温度为780℃～820℃，低温回火的温度为300℃～420℃。

[0024] 本发明的有益效果是：本发明一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，铬原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化铬，并利用预先打好的孔的位置限制碳化铬的扩散，碳化铬颗粒与基体间为冶金结合，结合牢固，颗粒不易脱落，可通过控制渗碳工艺参数和激光打孔参数控制碳化铬增强相的颗粒体积分数、分布和形态，解决了现有碳化铬增强钢铁基复合材料中碳化铬颗粒容易脱落、尺寸和分布方式不可控的问题，提高了复合材料的整体力学性能和耐热、耐磨性能，且制备方法简单，易于实施。

附图说明

[0025] 图1是本发明具有碳化铬增强层的高铬合金钢制备工艺流程图；

[0026] 图2是本发明具有碳化铬增强层的高铬合金钢微米级管状碳化铬的结构示意图。

[0027] 图中，1. 基体，2. 碳化铬增强层，3. 碳化铬颗粒，4. 管状体。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0029] 本发明的一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，包括基体1，基体1的表面具有多个凹陷的管状体4，管状体4之间的间距为25μm～1000μm，管状体4的管径为10μm～40μm，管状体4的深度不大于20 μm，基体1的表面和管状体4的内表面均具有厚度为8μm～20μm的碳化铬增强层2，碳化铬增强层2由碳化铬颗粒3组成，碳化铬颗粒3均匀分布在基体1中，碳化铬颗粒3的粒径为2μm～15μm，碳化铬颗粒3的体积分数为60%～85%，基体1为高铬合金钢，高铬合金钢包括xCr12、xCr12MoV等碳的质量分数小于0.5%（即x＜5）、铬含量大于10%的高铬合金钢，基体1组织为马氏体、奥氏体和铁素体中的任意一种或几种。

[0030] 上述具有碳化铬增强层的高铬合金钢的制备方法，具体包括以下步骤：

[0031] 步骤1：将基体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的基体；

[0032] 步骤2：利用激光打孔机在真空条件或惰性气体保护下对步骤1得到的表面处理过的基体进行激光打孔，然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇或丙酮进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的基体；

[0033] 步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的基体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%～1.0%，真空度不大于1×104 Pa，渗碳温度为850℃～900℃，基体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温8 min～25min，得到具有微米级碳化铬增强层的复合体；

[0034] 步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的复合体在780℃～820℃的温度下进行加热淬火，并在300℃～420℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有碳化铬增强层的高铬合金钢。

[0035] 本发明将激光打孔、渗碳和热处理工艺相结合，在高铬合金钢表面得到微米级碳化铬增强层，且该增强层内具有具有凹陷的管状体；凹陷的管状体是由高体积分数的碳化铬颗粒与少量基体组成的。

[0036] 渗碳温度选择850℃～900℃是因为，在850℃以上渗碳，一方面，碳在基体中的扩散系数会迅速升高，扩散速度过快，扩散深度增加，不利于碳化铬增强层中碳化铬体积分数的提高；另一方面，渗碳温度高于900℃，会使生成的碳化铬颗粒急速长大，导致力学性能下降。渗碳温度低于850℃，降低扩散动力，基体表面碳浓度低。

[0037] 真空渗碳炉中保温时间选择8min～25min是因为：保温时间高于25min，碳化铬会集中向基体中扩散，不利于保持碳化铬增强层中碳化铬的高体积分数；保温时间低于8min，渗碳层中的碳不能完全反应完，影响增强层的增强效果。

[0038] 真空渗碳炉中碳质量浓度选择0.9%～1.0%是因为：碳质量浓度高于1.0%，碳在基体中的扩散速度加快，扩散深度增加，不利于碳化铬增强层中碳化铬体积分数的提高；碳质量浓度低于0.9%，基体表面碳浓度过低。

[0039] 本发明的有益效果是：

[0040] 1）在真空环境中利用激光打孔技术在高铬合金钢表面实现微米级盲孔的制备，并可对其间距、深度、直径等进行调整；

[0041] 2）高铬合金钢与外源碳在加热、保温过程中，使铬原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化铬，并利用预先打好的孔的位置限制碳化铬的扩散，实现微米级管状碳化铬增强高铬合金钢复合材料的制备；

[0042] 3）管状碳化铬增强体可以有效增加耐热合金钢的表面复合厚度；

[0043] 4）管状碳化铬内径为10～40μm，微观硬度可达到980～1650 HV，复合材料冲击韧性aK可达到24～32 J/cm2，大幅度提高了复合材料的整体力学性能和耐热、耐磨性能；

[0044] 5）管状碳化铬中的碳化铬颗粒与基体间为冶金结合，结合牢固，颗粒不易脱落。同时，可通过控制渗碳工艺参数和激光打孔参数控制碳化铬增强相的颗粒体积分数、分布和形态。基体的种类、合金化程度、形态分布等也可根据工况要求调节，达到增强相与基体相间的性能最佳匹配；

[0045] 6）制备方法简单、易行，操作方便，便于实施。

[0046] 实施例1

[0047] 微米级管状碳化铬增强2Cr12基复合材料的制备

[0048] 步骤1：冶炼2Cr12合金钢，特别控制碳含量为0.2%，将2Cr12合金钢表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的2Cr12合金钢基体；

[0049] 步骤2：利用激光打孔机在真空条件下对步骤1得到的表面处理过的2Cr12合金钢基体进行激光打孔，孔径为30μm，孔深为20μm，孔间距为1000μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的2Cr12合金钢基体；

[0050] 步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的2Cr12合金钢基体置于真空渗4 
碳炉中在900℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%，真空度不大于1×10Pa，基体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温8 min，得到具有微米级碳化铬增强层的2Cr12合金钢复合体；

[0051] 步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的2Cr12合金钢复合体在780℃的温度下进行加热淬火，并在350℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有微米级碳化铬增强层的2Cr12合金钢复合材料。

[0052] 所得复合材料中，微米级管状碳化铬增强层的厚度为20μm左右，其组织包括粒径为6～15μm的颗粒状碳化铬和马氏体基体，碳化铬颗粒的体积分数为85%。管状碳化铬微观硬度为1650 HV，复合材料冲击韧性ak为24 J/cm2。

[0053] 实施例2

[0054] 微米级管状碳化铬增强5Cr12MoV基复合材料的制备

[0055] 步骤1：冶炼5Cr12MoV合金钢，特别控制碳含量为0.5%，将5Cr12MoV合金钢表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的5Cr12MoV合金钢基体；

[0056] 步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的5Cr12MoV合金钢基体进行激光打孔，孔径为20μm，孔深为18μm，孔间距为25μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的氢氟酸，之后用水冲洗至中性，最后使用丙酮进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的5Cr12MoV合金钢基体；

[0057] 步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的5Cr12MoV合金钢基体置于真空渗碳炉中在880℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为1.0%，真空度不大于1×104 Pa，基体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温15 min，得到具有微米级碳化铬增强层的5Cr12MoV合金钢复合体；

[0058] 步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的5Cr12MoV合金钢复合体在800℃的温度下进行加热淬火，并在300℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有微米级碳化铬增强层的5Cr12MoV合金钢复合材料。

[0059] 所得复合材料中，微米级管状碳化铬增强层的厚度为14μm左右，其组织包括粒径为5～12 μm的颗粒状碳化铬和马氏体基体，碳化铬颗粒的体积分数为78%。管状碳化铬微观硬度为1360 HV，复合材料冲击韧性ak可达到27 J/cm2。

[0060] 实施例3

[0061] 微米级管状碳化铬增强2Cr12MoV基复合材料的制备

[0062] 步骤1：冶炼2Cr12MoV合金钢，特别控制碳含量为0.2%，将2Cr12MoV合金钢表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的2Cr12MoV合金钢基体；

[0063] 步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的2Cr12MoV合金钢基体进行激光打孔，孔径为10μm，孔深为17μm，孔间距为350μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为200ml/L的硫酸，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的2Cr12MoV合金钢基体；

[0064] 步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的2Cr12MoV合金钢基体置于真空渗碳炉中在850℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.94%，真空度不大于1×104 Pa，基体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温25min，得到具有微米级碳化铬增强层的2Cr12MoV合金钢复合体；

[0065] 步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化铬增强层的2Cr12MoV合金钢复合体在820℃的温度下进行加热淬火，并在380℃的温度下进行低温回火后处理，得到具有微米级碳化铬增强层的2Cr12MoV合金钢复合材料。

[0066] 所得复合材料中，微米级管状碳化铬增强层的厚度为8μm，其组织包括粒径为2～10μm的颗粒状碳化铬和铁素体，碳化铬颗粒的体积分数为60%。管状碳化铬微观硬度为980 HV，复合材料冲击韧性ak可达到32 J/cm2。

[0067] 本发明一种具有碳化铬增强层的高铬合金钢，其组织特征为微米级管状碳化铬均匀垂直分布于高铬合金钢表面，内径为10～40μm，深度不大于20 μm，间距在25～1000μm范围内可调。管状碳化铬的组织包括均匀分布的粒径为2～15μm的微米级碳化铬颗粒，体积分数为60%～85%。管状碳化铬微观硬度可达到980～1650 HV；整体复合材料冲击韧性aK可达到24～32 J/cm2。通过在高铬合金钢表面制备微米级管状碳化铬增强体，可进一步提高高铬合金钢的耐磨性能和耐高温性能，所制备的具有微米级碳化铬增强层的高铬合金钢复合材料可应用于冶金工业中各类耐磨耐高温部件与产品的生产。