本發(fā)明涉及汽車(chē)零部件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高性能合金鋼材料。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的逐漸提高，汽車(chē)成為人們出行的主要交通工具，汽車(chē)材料一般由鋼鐵材料制成，因其高的強(qiáng)度和良好的韌性在機(jī)械工程制造業(yè)中占據(jù)著重要地位。近年來(lái)，機(jī)械工程結(jié)構(gòu)日益向巨型化、高參量方向發(fā)展，對(duì)鋼鐵材料的性能提出了越來(lái)越高的要求，外加入顆粒強(qiáng)化鋼鐵材料具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)，但是往往在增加強(qiáng)度、硬度的前提下以降低塑韌性為代價(jià)。秦森在《外加顆粒強(qiáng)化鐵基材料的納米NbC/Fe(Fe3C)復(fù)合粉末制備技術(shù)及應(yīng)用》一文中選擇NbC作為強(qiáng)化相顆粒，在熔煉與鑄造過(guò)程中分別將其加到低碳鋼和高鉻鑄鐵溶液中，以達(dá)到鋼鐵組織細(xì)化和力學(xué)性能強(qiáng)化的目的。碳化鈮具有高熔點(diǎn)、高硬度、高彈性模量、高耐磨、熱力學(xué)穩(wěn)定等性能，所以這些特點(diǎn)成為鋼鐵材料中較為理想的強(qiáng)化相而被廣泛應(yīng)用。但是如何實(shí)現(xiàn)碳化鈮顆粒在金屬基體中均勻分布以及與基體界面的良好結(jié)合是首要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。作者提出了復(fù)合粉末增強(qiáng)碳化鈮顆粒在鋼液中分散性的方法，他提出在鈮-石墨球磨體系中加入鋁粉，實(shí)現(xiàn)Al原子在Nb晶格中的置換式固溶，對(duì)球磨形成的（Nb-Al）C固溶體加熱，得到Al摻雜的碳化鈮碳化物，將碳化鈮顆粒的真實(shí)密度降低到接近鋼鐵液的密度值。此外還提出了增強(qiáng)碳化鈮顆粒在鋼鐵液中分散性的問(wèn)題，將碳化鈮非均勻固溶體粉末中加入Fe粉經(jīng)過(guò)真空加熱實(shí)現(xiàn)碳化鈮顆粒在鐵粉基體中的原位生成，這樣增強(qiáng)了碳化鈮在鋼鐵液中的分散性。雖然作者分別提供了一種接近鋼鐵液密度值和一種在鋼鐵液中分散性好的兩種碳化鈮復(fù)合粉末，但是在煉鋼過(guò)程中分散性和密度值問(wèn)題不能同時(shí)得到解決，限制了鋼鐵行業(yè)大規(guī)模的發(fā)展，并且鋁粉容易發(fā)生氧化，在制備摻鋁碳化鈮時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定性不高，嚴(yán)重影響增強(qiáng)效果。
此外金屬基體組元決定材料的硬度、強(qiáng)度、耐熱等力學(xué)性能及物理性能，而潤(rùn)滑組元可以減小或者消除粘結(jié)和卡滯，減少表面磨損，平穩(wěn)摩擦過(guò)程，摩擦組元用于補(bǔ)償固體潤(rùn)滑組元的影響及在不損害摩擦表面的前提下增加滑動(dòng)阻力，用于調(diào)整摩擦因素，起著摩擦、抗磨和抗粘結(jié)的作用。合理選擇摩擦組元對(duì)提高摩擦材料及耐磨性能至關(guān)重要。本發(fā)明選擇具有高熔點(diǎn)、高硬度和鐵相容性好的碳化釩與其他材料一起制成減磨劑添加到鋼鐵基質(zhì)液中提高合金鋼的耐磨性能，使其在重載、低速和高溫振動(dòng)情況下，對(duì)材料與設(shè)備起到保護(hù)的作用，延長(zhǎng)使用壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種高性能合金鋼材料。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種高性能合金鋼材料，按照如下步驟制得：
a、熔煉：將生鐵熔化成鋼水后升高爐內(nèi)溫度至1500-1560℃，再加入碳、硅、鋯、鉬和錳鐵，保溫20-45min后加入鈮、磷、硫、鋁和鎳，待完全熔化后加入改性碳化鈮，升高溫度至1630-1660℃，恒溫保持?jǐn)嚢?-10min得基質(zhì)合金液；
b、精煉：將基質(zhì)合金液轉(zhuǎn)移至精煉爐中進(jìn)行排渣處理，處理結(jié)束加入減磨劑繼續(xù)熔煉，減磨劑與鋼水的用量比為3-4公斤/噸，待其完全熔化后進(jìn)行二次排渣處理；
c、檢測(cè)：檢測(cè)合金液的組分含量，各元素按重量百分比為：碳：0.6-0.8%，硅：1.6-2.1%，錳：1.3-1.5%，鉬：0.03-0.05%，鋯0.2-0.3%，鎳：0.5-0.7%，鋁：0.003-0.05%，鈮：0.01-0.02%，硫≤0.015%，磷≤0.015%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；
d、澆注：將合金液溫度降低至1450-1550℃時(shí)澆筑在耐火鑄型中，冷卻至室溫即可。
所述一種高性能合金鋼材料，在a中，所述改性碳化鈮的制備方法是：將石墨粉、鈮粉按照原子質(zhì)量1:1裝入球磨罐中，抽真空后充入高純氬氣保護(hù)，在球料比40:1、轉(zhuǎn)速280r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6-6.5h，然后在550-600℃下真空加熱12-15min，保溫14-16min后自然冷卻備用，將鋁粉于異丙醇中超聲分散10min后轉(zhuǎn)移至帶有攪拌器的三口燒瓶中，置于70-75℃恒溫水浴中充分?jǐn)嚢?，加入鋁粉質(zhì)量2%的聚乙烯吡咯烷酮，調(diào)節(jié)PH值為3.9-4.0，然后將一定量的0.2mol/L三氯化鐵溶液緩慢滴加到燒瓶中，控制滴速為每滴3s，反應(yīng)結(jié)束后陳化2-3h，抽濾、蒸餾水洗滌2次，干燥后放入馬弗爐中于450℃煅燒2h冷卻，得到三氧化二鐵包覆鋁的復(fù)合粉體，再將該復(fù)合粉體加到上述碳化鈮粉末中繼續(xù)球磨6-7h，結(jié)束后在550-600℃下真空加熱1-2min后冷卻即可。
所述一種高性能合金鋼材料，在b中，所述的減磨劑是由下列原料制成：聚乙烯醇0.3-0.4、碳化硼0.6-1、碳化釩3.2-4、碳化鈦1.4-2、氧化鈣0.3-0.4；將聚乙烯醇用適量的去離子水?dāng)嚢枞芙?，將碳化硼、氧化鈣、碳化釩、碳化鈦在混料機(jī)中混合球磨4-5h，混合均勻后加到聚乙烯醇溶液中拌勻并烘干，然后在500-600MPa的壓力下冷壓成形，將壓坯置于加壓燒結(jié)爐中進(jìn)行加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為920-940℃，燒結(jié)壓力為2MPa，燒結(jié)3h后粉碎即可。
所述一種高性能合金鋼材料，所述鋁與三氧化二鐵質(zhì)量比為1:0.7-0.75，加入的三氧化二鐵鋁復(fù)合粉體與碳化鈮的重量比為1:41-43。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明利用三氯化鐵水解制備出三氧化二鐵包覆鋁粉，有效的防止了鋁粉發(fā)生氧化，并且改善了鋁粉的分散性問(wèn)題，再利用機(jī)械合金化將改性鋁粉摻到碳化鈮顆粒中，制備出接近鋼液密度值，且在鋼液中分散性、潤(rùn)濕性好的碳化鈮顆粒，提高了鋼材的強(qiáng)度、硬度、耐磨損、抗沖擊、耐腐蝕等性能，還采用碳化釩和其他材料經(jīng)過(guò)加壓燒結(jié)破碎后添加到鋼鐵液中，提高了與鋼鐵的接觸面積、潤(rùn)濕性、分散性和反應(yīng)性，使鋼材具有優(yōu)良的耐磨性、耐高溫性和耐電蝕性等；本發(fā)明的合金鋼力學(xué)性能好，有較高的強(qiáng)度、耐低溫、耐磨的特點(diǎn)，性能表現(xiàn)優(yōu)異，用于汽車(chē)零部件具有較好的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
一種高性能合金鋼材料，按照如下步驟制得：
a、熔煉：將生鐵熔化成鋼水后升高爐內(nèi)溫度至1500℃，再加入碳、硅、鋯、鉬和錳鐵，保溫20min后加入鈮、磷、硫、鋁和鎳，待完全熔化后加入改性碳化鈮，升高溫度至1630℃，恒溫保持?jǐn)嚢?min得基質(zhì)合金液；
b、精煉：將基質(zhì)合金液轉(zhuǎn)移至精煉爐中進(jìn)行排渣處理，處理結(jié)束加入減磨劑繼續(xù)熔煉，減磨劑與鋼水的用量比為3公斤/噸，待其完全熔化后進(jìn)行二次排渣處理；
c、檢測(cè)：檢測(cè)合金液的組分含量，各元素按重量百分比為：碳：0.6%，硅：1.6%，錳：1.3%，鉬：0.03%，鋯0.2%，鎳：0.5%，鋁：0.003%，鈮：0.01%，硫≤0.015%，磷≤0.015%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；
d、澆注：將合金液溫度降低至1450℃時(shí)澆筑在耐火鑄型中，冷卻至室溫即可。
所述一種高性能合金鋼材料，在a中，所述改性碳化鈮的制備方法是：將石墨粉、鈮粉按照原子質(zhì)量1:1裝入球磨罐中，抽真空后充入高純氬氣保護(hù)，在球料比40:1、轉(zhuǎn)速280r/min的轉(zhuǎn)速下球磨6h，然后在550℃下真空加熱12min，保溫14min后自然冷卻備用，將鋁粉于異丙醇中超聲分散10min后轉(zhuǎn)移至帶有攪拌器的三口燒瓶中，置于70℃恒溫水浴中充分?jǐn)嚢?，加入鋁粉質(zhì)量2%的聚乙烯吡咯烷酮，調(diào)節(jié)PH值為3.9，然后將一定量的0.2mol/L三氯化鐵溶液緩慢滴加到燒瓶中，控制滴速為每滴3s，反應(yīng)結(jié)束后陳化2h，抽濾、蒸餾水洗滌2次，干燥后放入馬弗爐中于450℃煅燒2h冷卻，得到三氧化二鐵包覆鋁的復(fù)合粉體，再將該復(fù)合粉體加到上述碳化鈮粉末中繼續(xù)球磨6h，結(jié)束后在550℃下真空加熱1min后冷卻即可。
所述一種高性能合金鋼材料，在b中，所述的減磨劑是由下列原料制成：聚乙烯醇0.3、碳化硼0.6、碳化釩3.2、碳化鈦1.4、氧化鈣0.3；將聚乙烯醇用適量的去離子水?dāng)嚢枞芙?，將碳化硼、氧化鈣、碳化釩、碳化鈦在混料機(jī)中混合球磨4h，混合均勻后加到聚乙烯醇溶液中拌勻并烘干，然后在500MPa的壓力下冷壓成形，將壓坯置于加壓燒結(jié)爐中進(jìn)行加壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為920℃，燒結(jié)壓力為2MPa，燒結(jié)3h后粉碎即可。
所述一種高性能合金鋼材料，所述鋁與三氧化二鐵質(zhì)量比為1:0.7，加入的三氧化二鐵鋁復(fù)合粉體與碳化鈮的重量比為1:41。
對(duì)實(shí)施例制備的鋼材進(jìn)行性能測(cè)試：
屈服強(qiáng)度≥553MPa；延伸率≥13.9%；抗拉強(qiáng)度≥592MPa；沖擊強(qiáng)度≥45J；斷裂韌性≥35.9MPa?m1/2；磨損量（40N載荷下）≤0.07g。