一种提高高熵合金耐磨性能的方法

摘要

本发明涉及一种提高高熵合金耐磨性能的方法，将高纯金属试样放在真空电弧熔炼炉内在氩气保护下熔炼：反复熔炼得到成分均匀的母合金锭；将母合金锭通过铜模吸铸法得到所需要的试样；将试样反复熔炼吸铸得到的重熔态高熵合金。本发明制备的经过重熔处理后高熵合金的硬度和耐磨性能得到明显提高，满足农业机械关键耐磨件的性能要求，可在高端农业机械上得到广泛应用，另外也可应用于其它对耐磨性能要求高的领域。

权利要求

1.重熔处理在提高高熵合金CoCrFeNiTi硬度和耐磨性能中的用途，

所述重熔处理，步骤如下：

试验材料选用纯度为99.99%的Co、Cr、Fe、Ni、Ti五种纯金属，按照1:1:1:1:1等原子比计算出质量百分比，配制合金的总质量为 30g，根据质量百分比确定每种金属的质量并进行称重、配料，再将金属原材料放在高真空电弧熔炼炉的水冷却铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至 2×10-3Pa，然后充入氩气使气压到0.06-

0.08MPa，冷却，然后将其翻转，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少4次，得到成分均匀的CoCrFeNiTi母合金；再利用高真空电弧炉将CoCrFeNiTi母合金吸铸成铸态高熵合金；将铸态高熵合金除去表面的氧化层，再放到超声波清洗机用无水乙醇震荡、清洗，除去表面的杂质和颗粒；将处理好的铸态高熵合金放到高真空电弧炉的水冷铜坩埚内，反复熔炼4次，通过铜模吸铸出硬度和耐磨性能提高的重熔态高熵合金；

所述重熔态高熵合金的硬度为911.96HV；所述重熔态高熵合金的平均摩擦系数为

0.13。

说明书

一种提高高熵合金耐磨性能的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高高熵合金耐磨性能的方法。

背景技术

[0002] 高熵合金是由至少五种及五种以上金属元素按照等原子比或接近等原子比的方法混合而成，形成组织单相或两相的固溶体合金。高熵合金是近几年研究开发出来的一种新型材料，具有优异的力学性能和广泛的应用前景，受到越来越多的重视。高熵合金具有高耐磨性、高耐腐蚀性、优异的热稳定性、高强度、高硬度和抗高温氧化性等优异特性。这些优良的性能满足了农业机械关键的性能要求，可在高端农业机械上得到广泛应用。

[0003] 目前对于高熵合金的研究主要集中在成分和热处理对高熵合金的组织结构和性能的影响上，对于利用热历史改善高熵合金性能的研究很少，尤其是重熔处理对高熵合金耐磨性的影响。

发明内容

[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种提高高熵合金耐磨性能的方法，能显著提高高熵合金耐磨性能。

[0005] 一种提高高熵合金耐磨性能的方法，步骤如下：

[0006] 1、将高纯金属试样放在真空电弧熔炼炉内在氩气保护下熔炼：首先抽真空至2×10-3Pa，然后充入氩气至气压为0.06-0.08MPa，打开电流，熔化金属试样，熔炼完金属试样后，再持续进行电磁搅拌熔炼10秒钟，冷却，用搅拌棒将其翻转，按照上述条件进行第二次熔炼；

[0007] 2、按照步骤1)反复熔炼至少四次，得到成分均匀的母合金锭；

[0008] 3、将母合金锭通过铜模吸铸法得到所需要的试样；

[0009] 4、将步骤3)获得的试样表面进行打磨，除去表面的氧化膜，放到无水乙醇中超声波清洗机震荡5分钟，除去表面多余残渣；然后重新放到真空电弧炉坩埚内熔炼：重复步骤1)-3)反复熔炼四次，吸铸出的试样即为重熔态高熵合金。

[0010] 本发明的创新点为：

[0011] 本发明利用电弧炉采用吸铸法对高熵合金进行重熔处理，提高了高熵合金的硬度以及耐磨性。利用高真空电弧炉熔炼母合金、制备铸态和重熔态高熵合金，相对于在空气中吹铸的方法大大降低了氧化程度，熔炼次数多，合金成分的融合更加均匀。

[0012] 利用本发明制备的经过重熔处理后高熵合金的硬度和耐磨性能得到明显提高，满足农业机械关键耐磨件的性能要求，可在高端农业机械上得到广泛应用，例如，收割机、剪毛机、旋耕机等的刀片、采棉机的摘锭、犁侧板、饲料压粒机压模、饲料粉碎机锤片、犁铧和旋耕机弯刀等。另外也可应用于其它对耐磨性能要求高的领域。

附图说明

[0013] 图1为铸态和重熔态高熵合金的XRD衍射图谱；

[0014] 由图1可以看出：XRD曲线上只有三个尖锐峰出现，表明铸态和重熔态合金都没有复杂相出现，均为简单的FCC+BCC固溶体。

[0015] 图2为铸态和重熔态高熵合金的金相图；

[0016] 由图2看出：铸态和重熔态高熵合金均表现为树枝晶结构分布，重熔处理后合金的枝晶组织更加致密，枝晶分布均匀，呈等轴状的树枝晶。

[0017] 图3为铸态和重熔态高熵合金的硬度图；

[0018] 由图3可以看出：重熔态高熵合金的硬度比铸态时高，说明重熔处理提高了高熵合金的硬度。

[0019] 图4为铸态和重熔态高熵合金在磨损试验机20N试验力下的摩擦系数图；

[0020] 图4看出：铸态高熵合金的平均摩擦系数约为0.24，摩擦系数波动比较大；重熔态高熵合金的平均摩擦系数为0.13，波动比较小，说明重熔处理降低了高熵合金的摩擦系数，提高了耐磨性能。

具体实施方式

[0021] 实施例1：制备高熵合金试样

[0022] 试验材料选用纯度为99.99％的Co、Cr、Fe、Ni、Ti五种纯金属。按照1:1:1:1:1等原子比计算出质量百分比，配制合金的总质量为30g，根据质量百分比确定每种金属的质量(Co、Cr、Fe、Ni、Ti分别为6.47g、5.71g、6.13g、6.44g、5.25g)并进行称重、配料，再将金属原材料放在高真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼。首先抽真空至2×10-3Pa，然后充入氩气使气压到0.06-0.08MPa，冷却，然后将其翻转，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少4次，得到成分均匀的CoCrFeNiTi母合金；利用高真空电弧炉将CoCrFeNiTi母合金吸铸成铸态高熵合金；将铸态高熵合金除去表面的氧化层，再放到超声波清洗机用无水乙醇中震荡、清洗，除去表面的杂质和颗粒等，将处理好的铸态高熵合金放到高真空电弧炉的水冷铜坩埚内，反复熔炼4次，通过铜模吸铸出重熔态高熵合金。

[0023] 验证例：

[0024] 1、对铸态和重熔态高熵合金的组织结构进行分析

[0025] 利用X射线衍射分析仪(XRD，Empyrean)对铸态和重熔态合金的物相进行分析。扫描速度为4deg/min，步长为0.02°，Cu靶辐射，工作电压和电流分别为40kV和120mA。分析铸态和重熔态高熵合金的XRD图谱。

[0026] 图1为铸态和重熔态高熵合金XRD能谱比较图，从图中可以看出，XRD曲线只出现3个较尖锐的峰，经分析铸态和重熔态高熵合金均为简单的FCC+BCC固溶体。

[0027] 图2为铸态和重熔态高熵合金的金相图。从图中可以看出，铸态和重熔态高熵合金的金相图均为典型的树枝晶分布。重熔态高熵合金的枝晶和枝晶间分布较均匀，组织更加致密，晶界区域分布明显，晶粒得到细化。

[0028] 2、利用MH-5维氏硬度计测试铸态和重熔态高熵合金的硬度

[0029] 利用MH-5维氏硬度仪测量铸态和重熔态高熵合金的硬度值；设定MH-5维氏硬度仪载荷为9.8N，加载的时间15s。选取试样中心线上每间距为2mm不同位置的7个点进行测量并记录数据，去掉所得数据的最大值和最小值，最后计算剩余5个点的平均值，此值为合金的显微硬度值。

[0030] 从图3可以看出，重熔态高熵合金的硬度高于铸态高熵合金，说明重熔处理提高了合金的硬度。

[0031] 3、通过磨损试验机测试铸态和重熔态高熵合金的耐磨性

[0032] 通过MMS-2A磨损试验机对铸态和重熔态高熵合金在20N试验力下进行摩擦磨损试验，得到的数据用Orign画出摩擦系数图，根据摩擦系数对比分析铸态和重熔态高熵合金的耐磨性。

[0033] 图4为铸态高熵合金和重熔态高熵合金的摩擦系数，与铸态高熵合金相比(平均值0.24)，重熔态高熵合金的摩擦系数更稳定，摩擦系数更低(0.13)。两种试样在摩擦的初始阶段摩擦系数都比较小，因为摩擦初期试样的表面比较光滑，磨损量较少的减少量，摩擦的接触力也比较小；随着时间的增加，摩擦系数缓慢增加。随摩擦时间的增加，试样的表面会有少量的氧化膜产生，发生粘着磨损，使摩擦副和试样表面的接触减少，摩擦系数会有波动。铸态合金的摩擦系数波动较大，因为磨损时有磨粒产生，逐渐变成磨粒磨损，摩擦时磨损增加，从而使摩擦系数增加。重熔态高熵合金的摩擦系数较稳定，与合金的硬度变高有关系，磨损方式主要为摩擦磨损，随着时间的增加进入稳定的磨损阶段。

[0034] 5、用电子天平称量铸态高熵合金和重熔态高熵合金在摩擦磨损试验后的磨损量。

[0035] 称量的结果如表1所示，与铸态高熵合金相比，重熔态高熵合金的磨损量明显降低，磨损速率降低，结合摩擦系数的结果，可知重熔处理提高了高熵合金的耐磨性能。

[0036] 表1高熵合金质量磨损

[0037]

[0038] 表1为铸态高熵合金和重熔态高熵合金磨损量的比较。从表中可以看出：重熔处理后高熵合金的磨损量明显降低，磨损速率降低，表明重熔处理以后可以有效的改善高熵合金的耐磨性。

[0039] 本实施例中制备的高熵合金，选用的合金成分是CoCrFeNiTi。但是本发明针对的金属材料不仅仅局限于这几种成分，同时试样的尺寸也可以通过改变铜模具的尺寸来改变，可以根据试验和生产实际需要进行变化、调整；合金成分可以根据现有文献中已公开的高熵合金成分和比例确定，选取高纯度金属，按照原子比，确定所需每种金属试样的质量。本发明能满足生产和生活中不同领域对耐磨性材料的需求。