CN106544540B - 一种高强度、高硬度、耐磨贵金属合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种高强度、高硬度、耐磨贵金属合金及其制备方法，其合金成分按重量百分数计为：Ir：1.0％～40.0％，Rh：0％～15.0％，Ru：0％～15.0％，添加微量的La、Sm、Y、Ca、Zr一种或几种，含量：0％～0.5％，Pt为余量。本发明所述合金(加工态)抗拉强度Rm可达1900MPa，硬度Hv可达500MPa，延伸率A可达8％以上。本发明所述合金具有高熔点、高强韧性、耐磨、耐腐蚀、抗冲刷、耐烧蚀等一系列优点，适合在高温、耐腐蚀、抗氧化等复杂环境等长期使用。

Description

一种高强度、高硬度、耐磨贵金属合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种高强度、高硬度、耐磨贵金属合金及制备方法。

背景技术

铂族金属及其合金因耐腐蚀性、抗烧蚀性、耐磨性能优异，广泛应用于国家工业各领域，尤其在耐蚀性能要求极高的如化工、冶金、污水处理等行业，如铂铱合金是作为电极的首选材料，经典的电接触材料如铂铱_10-20合金因具备耐腐蚀、耐磨损、电接触可靠性高以及使用寿命长，尤其在条件苛刻的弱电接点等特点，广泛用于电磁流量计电极、航空发动机点火接点、高灵敏度继电器和微电机的电接点、精密传感器的电位器和导电环、电刷等。随着我国工业技术的不断进步和升级，特别是航空航天以及核工业等特殊领域的持续快速发展，对高温、高强韧性、耐蚀等方面要求的贵金属材料及器件的需求量越来越大，传统贵金属材料难以满足使用所需。基于材料的加工性能以及材料成本等因素考虑，在铂、铱基体中加入改性元素，或者将铱作为一种强化相添加到其它合金中，改善材料的加工性能，大大提高高温服役性能、高强韧性、耐蚀、耐磨等机械性能，同时显著降低材料成本，是工程技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供高强度、高硬度、耐磨贵金属合金及制备方法。采用该方法得到合金材料具有高熔点、高强韧性、优异的高温蠕变性、耐磨、耐腐蚀、抗冲刷、耐烧蚀等优点，并且使用领域广泛，成本低。

实现本发明的技术方案是：

高强度、高硬度、耐磨贵金属合金，各组分的重量百分比为：Ir：1.0％～40.0％，Rh：0％～15.0％，Ru：0％～15.0％，微量元素La、Sm、Y、Ca、Zr一种或几种，其含量：0％～0.5％，Pt为余量。

较好的技术方案是所述合金，各组分的重量百分比为：Ir：10.0％～40.0％，Rh：0％～10.0％，Ru：1.0％～10.0％，微量元素La、Sm、Y、Ca、Zr一种或几种，其含量：0.03％～0.10％，Pt为余量。

上述高强度、高硬度、耐磨贵金属合金的制备方法，有以下步骤：

1)按照上述配比进行配料；

2)高频感应熔炼：

所述将步骤1)将Pt、Rh、Ir等不易氧化的主成分置于高真空中高频熔炼炉中进行预合金化熔炼，熔炼温度为1800～2300℃，待组分完全熔化后，快速浇铸到水冷铜模中得到合金铸锭；

所述的采用高频感应熔炼的目的是进行预合金化，为后续真空中频精炼提供合金坯锭，在真空中频熔炼过程中，便于其他组元的添加，减少成分烧损，减少精炼时间，最终达到合金均匀化目的。

3)高真空中频熔炼：

所述将步骤2)将预合金铸锭置于高真空中频熔炼炉中进行熔炼，条件：真空度为1×10^-3～1×10^-5Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度为1900～2300℃，完全熔化后，通过加料口快速添加剩余物料，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温2～5分钟，快速浇铸到水冷铜模中得到合金铸锭；

所述的剩余物料通过压力机压块或包裹等方式预处理，便于加料且大大减少烧损，同时减少精炼时间；

4)热加工：

步骤3)所述的合金铸锭放置在热处理炉中，1200～1550℃下均匀化退火处理1～2小时；热锻造，始锻温度为1200～1550℃，锻造5～10次，终锻温度为1100～1500℃，加工变形量≤15％；将经锻造后的材料，在温度为1000～1500℃下进行去应力退火，退火时间为10～15min；退火后进行热轧制；热轧制后进行热拉拔，其在加热温度为700～1200℃，加热时间为5-10min，进行热拉拔，加工变形量≤10％，得到热加工材料；

拉拔后还可以根据需要进行去应力退火，其条件是，在700～1300℃下，退火10～30min。

5)冷加工：

步骤4)所述的经热加工后的板材、棒材、丝材或带材经拉、卷、车、冲、铣、线切割等机械加工成所需成品。

由于采用了上述技术方案，可以有效避免组分的烧损，达到精确控制材料成分目的。

在1200～1550℃下均匀化退火处理1～2小时；在1200～1550℃进行热锻造，控制加工变形量≤15％；在1000～1500℃进行热轧成板材或者棒材，加工变形量≤10％；在700～1200℃进行热拉拔棒材、丝材或带材等，加工变形量≤10％。

对于此类难加工合金，采用合理的热处理工艺以及热加工工艺，大大改善了加工性能，提高材料的成品率。

本发明所述合金，贵金属元素都是高熔点物质，且化学性质十分稳定，耐腐蚀性优异，其中，

Ir、Ru的熔点相当高，强度和硬度大，耐磨，尤其在高温使用具有很大优势，Ir含量不高于40％是合理的，含量过高，Ir在熔炼过程中形成树枝状组织，该组织在加工过程易发生劈裂，韧性大大降低，加工难度极大、成品率低，且Ir氧化程度增加，增加损耗，降低材料的综合性能；Rh、Ir提高电导率，Rh的综合性能优异，作为次组元，在提高材料本身的机械强度、电导率、导热率方面具有积极作用，Rh含量不应高于15％，过高，氧化物无形中增加了电阻，增加电烧蚀损耗，则烧蚀性降低，且加工难度增大，成品率降低；Ru还具有高的导热率，Ru的含量过高，易形成氧化物而挥发，增加损耗，含量不应高于15％。Ir、Ru、Rh等都是难加工材料，Pt提高抗氧化性，同时提高强韧性，大大改善材料的加工性能，其组分含量随着Ir、Rh、Ru的设定而调节；

微量元素诸如La、Sm、Y、Ca、Zr添加，成分控制在0％～0.5％，过高，则形成杂质有害相，它们主要是改善材料的强韧性、电性能和焊接性能，利于材料加工，起到调控材料的机械性能的目的，使合金成为加工难度不大，又兼具高强度、高硬度、耐磨等性能，在高温、耐腐蚀、抗氧化等复杂环境长期使用的材料。

本发明所述制备方法，其高真空中频熔炼的目的是使合金成分均匀化。因Ir以及微量组分的存在，在空气中或者有氧环境中发生氧化，尤其是微量组元如Zr、Y等，发生氧化后生成氧化物陶瓷相有害物，为避免该氧化发生，熔炼过程需在高真空环境下进行，真空度为1×10^-3～1×10^-5Pa，众所周知的是，在动态熔炼期间，真空度会有所降低，因此，需充入氩气进行保护，在高真空及充氩气双保险作用下，能有效避免氧化发生。

磁搅拌均匀并保温2～5分钟，是达到精炼且成分均匀化的保证，保温时间低于2分钟，不能达到成分均匀化效果，高于5分钟，熔炼坩埚因加热温度过高、时间过长会发生炸裂，后果难以估量。

合金锭经浇铸后，合金组元为多元，组织会发生一定的偏析，因此，需要进行均匀化退火处理。因该合金是贵金属类合金，且为高强度、高硬度合金，其均匀化温度为1200℃以上，随着Ir含量的增高，退火温度也增高，但不宜超过1550℃。退火时间过短，达不到均匀化作用，时间过长、温度过高，均会发生晶粒长大的趋势。因此，均匀化退火制度为：1200～1550℃保温1～2小时合适。锻造制度也是一样，初锻时，合金锭尺寸较大，因此温度稍高，随着锻造次数增加，合金锭尺寸变小，其锻造温度可小幅度降低。加工变形量是一个重要技术参数，对于此类合金，变形量过大轻则会带来表皮或者内部缺陷隐患，重则会发生劈裂，加工变形量控制在≤15％范围。同理，热轧制及热拉拔也是一样的道理。

本发明所述材料，在高频感应熔炼炉中进行预合金化，高真空中频感应熔炼炉内进行完全合金化，通过热加工、热处理及冷加工等方式，加工成片材、丝材或者元器件等。采用本发明所得到的合金(加工态)抗拉强度Rm可达1900MPa，硬度Hv可达500MPa，延伸率A可达8％以上。

本方法所述高强度、高硬度、耐磨贵金属合金，解决了该类合金高强韧性与加工性的匹配问题。采用该方法得到合金材料具有高熔点、高强韧性、优异的高温蠕变性、耐磨、耐腐蚀、抗冲刷、耐烧蚀等一系列优点，并且使用领域广泛，成本低。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1至3的高强度、高硬度、耐磨贵金属合金各组分的配比见表1

表1合金材料组分表

取表1实施例1-3所述的各物料，分别按照下述方法制备高强度、高硬度、耐磨贵金属合金材料：

(1)、高频熔炼：

将Pt、Rh、Ir等不易氧化的主成分置于高真空中高频熔炼炉中进行预合金化熔炼，熔炼温度为1800～2300℃，物料完全熔化后，快速浇铸到水冷铜模中得到合金铸锭；

(2)、高真空中频熔炼：

将预合金铸锭置于高真空中频熔炼炉中进行熔炼，条件：真空度为1×10^-3～1×10^-5Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度为1900～2300℃，完全熔化后，通过加料口快速添加剩余物料，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温2～5分钟，快速浇铸到水冷铜模中得到合金铸锭；剩余物料通过压力机压块或包裹等方式预处理，便于加料且减少烧损；

(3)、热加工：

合金铸锭放置在热处理炉中，1200～1550℃下均匀化退火处理1～2小时；热锻造，始锻温度为1200～1550℃，锻造5～10次，终锻温度为1100～1400℃，加工变形量≤15％；将经锻造后的材料，1000～1500℃下进行去应力退火10～30min；退火后进行热轧制，加热温度为1000～1500℃，加热时间为5-10min，取出进行热轧成板材或者棒材，加工变形量≤10％。热轧制后进行热拉拔，加热温度为700～1200℃，加热时间为5-10min，取出进行热拉拔棒材、丝材或带材等，加工变形量≤10％。拉拔后根据需要进行去应力退火，在700～1300℃下进行去应力退火10～30min。

(4)、冷加工：

经热加工后的板材、棒材、丝材或带材经拉、卷、车、冲、铣、线切割等机械加工成所需成品。

性能测试：

经检测，实施例1至3所述的材料经测试机械性能优异，抗拉强度Rm可达1900MPa，硬度Hv可达500MPa，延伸率A可达8％以上。该合金具有高熔点、高强韧性、耐磨、耐腐蚀、抗冲刷、耐烧蚀等一系列优点，适合在高温、耐腐蚀、抗氧化等复杂环境等长期使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高强度、高硬度、耐磨贵金属合金，其特征在于，各组分的重量百分比为：Ir：1.0%～40.0%，Rh：1%～15.0%，Ru：0%～15.0%，微量元素La、Sm、Y、Ca、Zr一种或几种，其含量：0%～0.5%，Pt为余量，采用以下方法制备：

1）按上述组分配比进行配料；

2）高频感应熔炼：

将步骤1）Pt、Rh、Ir不易氧化的主成分置于高真空中高频熔炼炉中进行预合金化熔炼，熔炼温度为1800～2300℃，待组分完全熔化后，快速浇铸到水冷铜模中得到预合金铸锭；

3）高真空中频熔炼：

将步骤2）预合金铸锭置于高真空中频熔炼炉中进行熔炼，条件：真空度为1×10^-3～1×10^-5Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度为1900～2300℃，完全熔化后，通过加料口快速添加剩余物料，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温2～5分钟，快速浇铸到水冷铜模中得到合金铸锭；

4）热加工：

步骤3）所述的合金铸锭放置在热处理炉中，1200～1550℃下均匀化退火处理1～2小时；热锻造，始锻温度为1200～1550℃，锻造5～10次，终锻温度为1100～1500℃，加工变形量≤15%；将经锻造后的材料，在温度为1000～1500℃下进行去应力退火，退火时间为10～15min；退火后进行热轧制；热轧制后进行热拉拔，其在加热温度为700～1200℃，加热时间为5-10min，进行热拉拔，加工变形量≤10%，得到热加工材料；

5）冷加工：

步骤4）所述的热加工材料，经机械加工成所需成品。

2.根据权利要求1所述的高强度、高硬度、耐磨贵金属合金，其特征在于，各组分的重量百分比为：Ir：10.0%～40.0%，Rh：1%～10.0%，Ru：1.0%～10.0%，微量元素La、Sm、Y、Ca、Zr一种或几种，其含量：0.03%～0.10%，Pt为余量。

3.权利要求1或2所述的高强度、高硬度、耐磨贵金属合金的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）按照权利要求1或2所述配比进行配料；

2）高频感应熔炼：

将步骤1）Pt、Rh、Ir不易氧化的主成分置于高真空中高频熔炼炉中进行预合金化熔炼，熔炼温度为1800～2300℃，待组分完全熔化后，快速浇铸到水冷铜模中得到预合金铸锭；

3）高真空中频熔炼：

将步骤2）预合金铸锭置于高真空中频熔炼炉中进行熔炼，条件：真空度为1×10^-3～1×10^-5Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度为1900～2300℃，完全熔化后，通过加料口快速添加剩余物料，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温2～5分钟，快速浇铸到水冷铜模中得到合金铸锭；

4）热加工：

步骤3）所述的合金铸锭放置在热处理炉中，1200～1550℃下均匀化退火处理1～2小时；热锻造，始锻温度为1200～1550℃，锻造5～10次，终锻温度为1100～1500℃，加工变形量≤15%；将经锻造后的材料，在温度为1000～1500℃下进行去应力退火，退火时间为10～15min；退火后进行热轧制；热轧制后进行热拉拔，其在加热温度为700～1200℃，加热时间为5-10min，进行热拉拔，加工变形量≤10%，得到热加工材料；

5）冷加工：

步骤4）所述的热加工材料，经机械加工成所需成品。

4.根据权利要求3所述的高强度、高硬度、耐磨贵金属合金的制备方法，其特征在于：步骤4）所述的经锻造后的材料，1000～1500℃下进行去应力退火10～30min。

5.根据权利要求3所述的高强度、高硬度、耐磨贵金属合金的制备方法，其特征在于：步骤4）所述材料热轧制，其加热温度为1000～1500℃，加热时间为5-10min，加工变形量≤10%。

6.根据权利要求3所述的高强度、高硬度、耐磨贵金属合金的制备方法，其特征在于：拉拔后还可以进行去应力退火，其条件是，在700～1300℃下，退火10～30min。