一種用于壓鑄模具的高溫合金材料及其方法和應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于壓鑄模具的高溫合金材料及其方法和應(yīng)用，本發(fā)明在原有模具材料鎳(Ni)-鐵(Fe)-鈷(Co)基礎(chǔ)上，舍棄了重要的戰(zhàn)略稀缺且價(jià)格較高的Co元素，添加了較為廉價(jià)的合金元素Mn,并對(duì)各合金元素含量進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，設(shè)計(jì)提出了一種能在800～900℃大氣下使用的新型高溫模具材料，體系為鋁(Al)-鉻(Cr)-鐵(Fe)-錳(Mn)-鎳(Ni)-鈦(Ti)。該合金材料具有低密度、高強(qiáng)度、耐熱、耐磨和耐腐蝕等綜合性能，并且制備方法簡(jiǎn)易，不需固溶時(shí)效處理就可直接使用。該合金作為傳統(tǒng)模具合金材料的替代品，可以有效的減輕重量、降低能耗，提高成型精度、使用壽命和生產(chǎn)效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于壓鑄模具的高溫合金材料及其方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天高溫金屬材料應(yīng)用，特別涉及一種用于壓鑄模具的高溫合金材料 及其方法和應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 在航空、航天及軍工領(lǐng)域所使用的一些高熔點(diǎn)金屬材料，如黑色金屬、銅合金及不 銹鋼等，在其壓鑄成型溫度通常在90(TC左右，對(duì)其壓鑄模具材料綜合性能要求很高：（1) 足夠的高溫穩(wěn)定性；（2)優(yōu)秀的高溫性能；（3)常溫存放時(shí)耐蝕耐磨性；(4)較好的經(jīng)濟(jì)適 用性。模具材料的綜合性能及使用壽命直接決定了高溫材料及其壓鑄成型技術(shù)的應(yīng)用。
[0003] 現(xiàn)有的使用溫度在900°C左右的高溫合金壓鑄模具材料通常以鎳、鈷和鐵為基體， 添加部分鈦、鉻和鋁等元素進(jìn)行性能調(diào)控。由于密度較大的鎳、鈷和鐵作為基體占據(jù)絕大比 例使這些合金材料具有較大的密度（一般在8.Og/cm3以上），導(dǎo)致所制備的模具重量大、操 作使用不便且能耗較大；而且鎳和鈷作為重要的戰(zhàn)略元素，過(guò)多的使用會(huì)使得模具材料成 本大幅提_，造成戰(zhàn)略資源消耗。
[0004] 目前，高溫合金如黑色金屬、銅合金及不銹鋼等廣泛應(yīng)用于航天、航空和軍工的各 個(gè)領(lǐng)域，這些合金通常都在較高的溫度進(jìn)行熱成型用以得到所需的形狀和尺寸。由于在材 料成型過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)少切削甚至無(wú)切削，壓鑄成型方法應(yīng)用很廣并且發(fā)展很快。
[0005] 模具材料是高溫材料壓鑄成型所需關(guān)鍵技術(shù)之一。由于壓鑄模具的工作環(huán)境十分 苛刻，比如當(dāng)合金進(jìn)行澆注時(shí)，模具會(huì)受到金屬液的反復(fù)沖刷，對(duì)模具造成較大的壓力和磨 損，并且金屬液的存在會(huì)對(duì)模具形成一定的侵蝕，導(dǎo)致模具在存放過(guò)程中容易腐蝕而使其 使用壽命大大降低。為了保證模具在服役過(guò)程中穩(wěn)定并且具有較高的使用壽命，對(duì)模具材 料的選擇非常嚴(yán)格，除了在使用過(guò)程中必須保證具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性之外，模 具材料還必須具備良好的耐蝕耐磨性能。
[0006] 目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了大量的使用溫度在900°C左右的高溫合金模具材料，中國(guó)的 K3、K465合金，俄羅斯的MIIB-l、MmB- 2合金以及歐美的IN100、Inconel713C合金等。 這些現(xiàn)有的合金模具材料通常以鎳、鈷和鐵為基體的合金，添加部分鈦、鉻和鋁等元素進(jìn)行 性能調(diào)控，有些合金為了進(jìn)一步提高其高溫性能，甚至添加較多的鎢（W)、鑰（Mo)和鈮（Nb) 等元素。這些合金在使用前通常經(jīng)過(guò)固溶處理、時(shí)效處理或固溶+時(shí)效熱處理來(lái)使合金獲 得高強(qiáng)度和塑性等綜合性能。如K465合金，為鎳（Ni)基高溫合金，所添加的合金元素的成 分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為〇? 14 %的碳（〇, 8. 30 %的鉻（Cr)，9. 45 %的鈷（Co)，1.78 %的鑰（Mo)， 9. 85 %的鎢（W)，5. 56 %的鋁（A1)，2. 38的鈦（Ti)，0? 90 %的鈮（Nb)，該合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理 制度為在1210°C下固溶4h，然后以空冷方式進(jìn)行冷卻。
[0007] 這些現(xiàn)有的壓鑄模具材料在使用前通常需要采用傳統(tǒng)繁瑣的固溶時(shí)效熱處理，不 僅顯著延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期、大幅增加材料和模具生產(chǎn)能耗并降低了生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，壓鑄 模具的壽命不僅僅取決于壓鑄過(guò)程中的損耗，模具還容易受到大氣腐蝕與使用過(guò)程中的氧 化損耗，因此需要開(kāi)發(fā)一種具有具有低密度、高強(qiáng)度、耐熱、耐磨和耐腐蝕等綜合性能的合 金壓鑄用模具材料，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)合金生產(chǎn)需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于壓鑄模具的高 溫合金材料及其方法和應(yīng)用，在原有模具材料鎳（Ni)_鐵（Fe)_鈷（Co)基礎(chǔ)上，舍棄了重 要的戰(zhàn)略稀缺且價(jià)格較高的Co元素，添加了較為廉價(jià)的合金元素Mn，并對(duì)各合金元素含量 進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，設(shè)計(jì)提出了一種能在800?900°C大氣下使用的新型高溫模具材料，體系 為鋁（A1)-鉻（Cr)_鐵（Fe)-錳（Mn)_鎳（Ni)-鈦（Ti)。該合金材料具有低密度、高強(qiáng)度、 耐熱、耐磨和耐腐蝕等綜合性能，并且制備方法簡(jiǎn)易，不需固溶時(shí)效處理就可直接使用。該 合金作為傳統(tǒng)模具合金材料的替代品，可以有效的減輕重量、降低能耗，提高成型精度、使 用壽命和生產(chǎn)效率。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0010] 一種用于壓鑄模具的高溫合金材料，其能在800?900°C大氣下使用，體系為 鋁-鉻-鐵-錳-鎳-鈦，其密度為5. 5?6.Og/cm3,屈服強(qiáng)度為1100?1500MPa，壓縮率 大于6%，硬度HVa5為600?750,耐磨性為司太立特硬質(zhì)合金等級(jí)；900°C高溫屈服強(qiáng)度為 350?550MPa，壓縮率大于10%，室溫與高溫力學(xué)性能與傳統(tǒng)鎳基和鈷基高溫合金相當(dāng)，可 替代使用從而有效降低了模具成本。
[0011] 進(jìn)一步的，本發(fā)明所提出的高溫合金材料，其合金成分按原子數(shù)百分含量計(jì)包 括：
[0012] A1，16 ?20 ;Cr，16 ?20 ;Fe，16 ?20 ;Ni，16 ?20 ;Ti，16 ?20 ;Mn，余量。
[0013] 進(jìn)一步的，本發(fā)明所提出的高溫合金材料為A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0或A118. 2 Crl8.2Fel8.2Nil8.2Til8.2Mn9。
[0014] 上述任一所述的用于壓鑄模具的高溫合金材料的制備方法，其制備在非自耗真空 電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，具體方法為：
[0015] 原材料均采用純度大于等于99. 9%的純鋁、鉻、鐵、錳、鎳和鈦元素，按照所需組分 進(jìn)行配比；
[0016] 熔煉過(guò)程中，為防止合金被氧化，非自耗真空電弧爐爐體抽真空至真空度低于 5. 0Xl(T3MPa后，充入純度大于或等于99. 9%的高純度的氬氣使?fàn)t體真空度至OMPa后，此 時(shí)開(kāi)始引弧熔煉，電流在l〇s內(nèi)從0A慢慢調(diào)升至350A左右，最終熔煉電流保持在250? 300A之間，熔煉約2min后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，再次熔煉，每個(gè)合金試樣反復(fù)熔煉4次，用以保證 合金熔煉均勻；
[0017] 保持在熔煉時(shí)同等高純度氬氣保護(hù)狀態(tài)下使上述熔煉獲得的合金鑄錠在熔煉爐 冷卻至室溫，即得到所需制備的高溫合金材料。
[0018] 進(jìn)一步的，所述制備原材料采用純度大于等于99. 9%的二元或多元鐵基中間合金 為原料。
[0019] 進(jìn)一步的，所述二元鐵基中間合金為鋁錳和鋁鐵合金；所述多元鐵基合金為鐵鉻 錯(cuò)三元鐵基合金。
[0020] 所述高溫合金材料在800?900°C大氣環(huán)境下壓鑄模具方面的應(yīng)用。
[0021] 進(jìn)一步的，所述高溫合金材料用于800?900°C大氣環(huán)境下不銹抗氧化精密熱作 模具。
[0022] 進(jìn)一步的，所述高溫合金材料替代傳統(tǒng)800?900°C鎳基和鈷基高溫合金的應(yīng)用。
[0023] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0024] 1、在原有模具材料鎳（Ni)-鐵（Fe)-鈷（Co)基礎(chǔ)上，舍棄了價(jià)格高的稀缺戰(zhàn)略元 素Co,調(diào)整了鎳和鐵基體元素含量，通過(guò)添加鋁、鉻、錳和鈦元素進(jìn)行性能調(diào)控，使合金材料 具有高硬度、高強(qiáng)度、耐蝕、耐磨和優(yōu)異的高溫抗氧化綜合性能。合金材料在熔煉成錠的鑄 態(tài)冷卻條件下使用，無(wú)需采取固溶時(shí)效工藝，制備容易，降低了能耗，提高了效率。
[0025] 2、這類(lèi)高溫合金材料的密度在5. 5?6.Og/cm3,室溫屈服強(qiáng)度為1100?1500MPa， 壓縮率大于6%，硬度HVa5為600?750 ;室溫條件下，這類(lèi)合金在0. 5mol/LH2S04溶液中 的耐腐蝕性能可以媲美304不銹鋼，摩擦磨損性能為司太立特硬質(zhì)合金等級(jí)；900°C下合金 屈服強(qiáng)度為350?550MPa，壓縮率大于10%，在900°C氧化100h后增重量為1. 1?1. 8mg/ cm2。
[0026] 3、本發(fā)明的鋁鉻鐵錳鎳鈦高溫合金材料與現(xiàn)有的在900°C左右使用的高溫合金模 具材料相比，制備簡(jiǎn)易，性能相當(dāng)，大大降低了成本、減小了能耗，同時(shí)提高了成型精度、模 具壽命及生產(chǎn)效率。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明的鋁鉻鐵錳鎳鈦高溫合金材料放大500倍的顯微組織 A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0高溫合金材料的金相顯微組織照片。
[0028] 圖2為本發(fā)明的鋁鉻鐵錳鎳鈦高溫合金材料放大500倍的顯微組織A118. 2Cr18. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9高溫合金材料的金相顯微組織照片。
[0029] 圖 3 為A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0 和A118. 2Crl8. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9 高溫 合金材料在室溫下〇. 5mol/LH2S04溶液中的極化曲線圖。
[0030] 圖 4 為A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0 和A118. 2Crl8. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9 高溫 合金材料圓柱試樣在900°C下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0032] 實(shí)施例1，一種用于壓鑄模具的高溫合金材料，組分為A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0。
[0033] 其制備方法為：在非自耗真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，具體方法為：
[0034] 原材料均采用純度大于等于99. 9%的純鋁、鉻、鐵、錳、鎳和鈦元素，按照所需組 分進(jìn)行配比；熔煉過(guò)程中，為防止合金被氧化，非自耗真空電弧爐爐體抽真空至真空度低于 5. 0Xl(T3MPa后，充入純度大于或等于99. 9%的高純度的氬氣使?fàn)t體真空度至OMPa后，此 時(shí)開(kāi)始引弧熔煉，電流在l〇s內(nèi)從0A慢慢調(diào)升至350A左右，最終熔煉電流保持在250? 300A之間，熔煉約2min后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，再次熔煉，每個(gè)合金試樣反復(fù)熔煉4次，用以保證 合金熔煉均勻。
[0035] 保持在熔煉時(shí)同等高純度氬氣保護(hù)狀態(tài)下使上述熔煉獲得的合金鑄錠在熔煉爐 冷卻至室溫，即得到所需制備的高溫合金材料。
[0036] 實(shí)施例2、一種用于壓鑄模具的高溫合金材料，組分為A118. 2Crl8. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9〇
[0037] 在非自耗真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，具體方法為：
[0038] 原材料均采用純度大于等于99. 9%的純鋁、鉻、鐵、錳、鎳和鈦元素，和純度大于等 于99. 9%的鋁錳和鋁鐵合金及鐵鉻鋁三元鐵基合金中間合金，按照所需組分進(jìn)行配比；
[0039] 熔煉過(guò)程中，為防止合金被氧化，非自耗真空電弧爐爐體抽真空至真空度低于 5. 0Xl(T3MPa后，充入純度大于或等于99. 9%的高純度的氬氣使?fàn)t體真空度至OMPa后，此 時(shí)開(kāi)始引弧熔煉，電流在l〇s內(nèi)從0A慢慢調(diào)升至350A左右，最終熔煉電流保持在250? 300A之間，熔煉約2min后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，再次熔煉，每個(gè)合金試樣反復(fù)熔煉4次，用以保證 合金熔煉均勻。
[0040] 保持在熔煉時(shí)同等高純度氬氣保護(hù)狀態(tài)下使上述熔煉獲得的合金鑄錠在熔煉爐 冷卻至室溫，即得到所需制備的高溫合金材料。
[0041] 實(shí)施例3、一種用于壓鑄模具的高溫合金材料，組分為 A116Crl6Fel6Nil6Til6Mn20。
[0042] 在非自耗真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，具體方法為：
[0043] 原材料均采用純度大于等于99. 9%的純鋁、鉻、鐵、錳、鎳和鈦元素，按照所需組分 進(jìn)行配比；
[0044] 熔煉過(guò)程中，為防止合金被氧化，非自耗真空電弧爐爐體抽真空至真空度低于 5. 0Xl(T3MPa后，充入純度大于或等于99. 9%的高純度的氬氣使?fàn)t體真空度至OMPa后，此 時(shí)開(kāi)始引弧熔煉，電流在l〇s內(nèi)從0A慢慢調(diào)升至350A左右，最終熔煉電流保持在250? 300A之間，熔煉約2min后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，再次熔煉，每個(gè)合金試樣反復(fù)熔煉4次，用以保證 合金熔煉均勻。
[0045] 保持在熔煉時(shí)同等高純度氬氣保護(hù)狀態(tài)下使上述熔煉獲得的合金鑄錠在熔煉爐 冷卻至室溫，即得到所需制備的高溫合金材料。
[0046] 實(shí)施例4、一種用于壓鑄模具的高溫合金材料，組分為A119Cr19Fel9Ni19Ti19Mn5。
[0047] 在非自耗真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，具體方法為：
[0048] 原材料均采用純度大于等于99. 9%的純鋁、鉻、鐵、錳、鎳和鈦元素，和純度大于等 于99. 9%的鋁錳和鋁鐵合金及鐵鉻鋁三元鐵基合金中間合金，按照所需組分進(jìn)行配比；
[0049] 熔煉過(guò)程中，為防止合金被氧化，非自耗真空電弧爐爐體抽真空至真空度低于 5. 0Xl(T3MPa后，充入純度大于或等于99. 9%的高純度的氬氣使?fàn)t體真空度至OMPa后，此 時(shí)開(kāi)始引弧熔煉，電流在l〇s內(nèi)從0A慢慢調(diào)升至350A左右，最終熔煉電流保持在250? 300A之間，熔煉約2min后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，再次熔煉，每個(gè)合金試樣反復(fù)熔煉4次，用以保證 合金熔煉均勻。
[0050] 保持在熔煉時(shí)同等高純度氬氣保護(hù)狀態(tài)下使上述熔煉獲得的合金鑄錠在熔煉爐 冷卻至室溫，即得到所需制備的高溫合金材料。
[0051] 下面以實(shí)施例1、2為例對(duì)本發(fā)明合金結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行測(cè)試，
[0052] 如圖1和圖2所示為本發(fā)明的鋁鉻鐵錳鎳鈦高溫合金材料放大500倍的顯微組織 A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0 和A118. 2Crl8. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9 高溫合金材料（分別 對(duì)應(yīng)實(shí)施例1和實(shí)施例2)的金相顯微組織照片。
[0053] 本發(fā)明的鋁鉻鐵錳鎳鈦高溫合金材料主要性能指標(biāo)
[0054] A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0 和A118. 2Crl8. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9 高溫合金材 料（分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1和實(shí)施例2)室溫力學(xué)性能指標(biāo)為：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于壓鑄模具的高溫合金材料，其特征在于，其能在800?900°C大氣下使用， 體系為鋁-鉻-鐵-錳-鎳-鈦，其密度為5. 5?6. Og/cm3,屈服強(qiáng)度為1100?1500MPa， 壓縮率大于6%，硬度HVa5為600?750,耐磨性為司太立特硬質(zhì)合金等級(jí)；900°C高溫屈服 強(qiáng)度為350?550MPa，壓縮率大于10%，室溫與高溫力學(xué)性能與傳統(tǒng)鎳基和鈷基高溫合金 相當(dāng)，替代使用能有效降低模具成本。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金材料，其特征在于，本發(fā)明所提出的高溫合金材料， 其合金成分按原子數(shù)百分含量計(jì)包括： A1，16 ?20 ;Cr，16 ?20 ;Fe，16 ?20 ;Ni，16 ?20 ;Ti，16 ?20 ;Mn，余量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金材料，其特征在于，本發(fā)明所提出的高溫合金材料 為 A120Cr20Fe20Ni20Ti20Mn0 或A118. 2Crl8. 2Fel8. 2Nil8. 2Til8. 2Mn9。
4. 上述任一權(quán)利要求所述的用于壓鑄模具的高溫合金材料的制備方法，其特征在于， 其制備在非自耗真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，具體方法為： 原材料均采用純度大于等于99. 9%的純鋁、鉻、鐵、錳、鎳和鈦元素，按照所需組分進(jìn)行 配比； 熔煉過(guò)程中，為防止合金被氧化，非自耗真空電弧爐爐體抽真空至真空度低于 5. 0 X l(T3MPa后，充入純度大于或等于99. 9%的高純度的氬氣使?fàn)t體真空度至OMPa后，此 時(shí)開(kāi)始引弧熔煉，電流在l〇s內(nèi)從0A慢慢調(diào)升至350A左右，最終熔煉電流保持在250? 300A之間，熔煉約2min后翻轉(zhuǎn)合金鑄錠，再次熔煉，每個(gè)合金試樣反復(fù)熔煉4次，用以保證 合金熔煉均勻； 保持在熔煉時(shí)同等高純度氬氣保護(hù)狀態(tài)下使上述熔煉獲得的合金鑄錠在熔煉爐冷卻 至室溫，即得到所需制備的高溫合金材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述制備原材料采用純度大于等于 99. 9%的二元或多元鐵基中間合金為原料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述二元鐵基中間合金為鋁錳和鋁鐵合 金；所述多元鐵基合金為鐵鉻鋁三元鐵基合金。
7. 權(quán)利要求1-3所述高溫合金材料在800?900°C大氣環(huán)境下壓鑄模具方面的應(yīng)用。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，用于800?900°C大氣環(huán)境下不銹抗氧化 精密熱作模具。
9. 權(quán)利要求1-3所述高溫合金材料替代傳統(tǒng)800?90(TC鎳基和鈷基高溫合金的應(yīng) 用。
【文檔編號(hào)】B22D17/22GK104439152SQ201410653194
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】朱景川, 農(nóng)智升, 趙曉亮, 劉勇, 來(lái)忠紅, 周易 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)