一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其製備方法

2023-09-13 07:45:25 1

專利名稱：一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其製備方法
技術領域：
本發明屬於鋼鐵製備技術領域，具體涉及一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其製備方法。
背景技術：
在追求高硬度的鐵基耐磨材料方面，白口鑄鐵是一類常用的耐磨材料，其發展經歷了普通白口鑄鐵、鎳硬白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵三個階段，在磨料磨損工況條件下具有獨特的優勢。最早應用的普通白口鑄鐵，成分中不含或只含少量的合金元素，金相組織由珠光體和M3C型共晶碳化物組成，存在硬度不高、韌性較差的缺點。鎳硬白口鑄鐵的出現解決了普通白口鑄鐵的硬度問題，使基體在鑄態時就能轉變為馬氏體，硬度有所提高，但是共晶碳化物種類和形態基本保持不變，其韌性幾乎沒有變化。高鉻白口鑄鐵的發明是白口鑄鐵發展史上的一個飛躍。鉻元素的加入，不但使共晶碳化物由M3C轉變成顯微硬度更高的M7C3，而且碳化物的形態發生很大的變化，由連續網狀分布轉變成為斷網狀的獨立分布。高鉻白口鑄鐵具有較高的硬度和韌性。儘管如此，高鉻白口鑄鐵仍是一類脆性材料，在應用過程中仍存在韌性儲備不足的缺點。因此，高鉻白口鑄鐵只能應用在衝擊不高的工況條件，在衝擊較高時，容易產生斷裂或破碎失效。普通白口鑄鐵、鎳硬白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵都是以碳化物為耐磨相，碳化物幾乎沒有韌性，白口鑄鐵的韌性全部來自基體，其大小與碳化物數量、形態以及基體的性能相關，其中碳化物數量及形態起主要作用。白口鑄鐵韌性的提高需要形態良好的耐磨相和強韌性的基體，但以碳化物為耐磨相的白口鑄鐵難以同時滿足這兩點要求，所以其韌性的提高難以有大的突破。白口鑄鐵的發展似乎碰到了一個瓶頸，其發展需要新的思路來解決韌性的問題。由於硼在鐵中獨特的作用`，硼在鐵中的溶解度極低(在700°C以下低於O. 0004%),當加入的硼超過其溶解度時，會形成硼化物。硼化物具有較高的硬度(如Fe2B的硬度可以達到HV120(Tl600，與高鉻白口鑄鐵中碳化物硬度相當)，可以用來做為耐磨相。中國發明專利CN200410089538. O公布了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，但由於這種合金中硼化物呈連續網狀分布，導致其韌性較差，限制了其在工業生產中的應用。中國發明專利CN200610049096. 6採用加入2. 5 3. 3wt%的FeTi30合金作為變質劑，提出了一種針對鑄造高硼耐磨合金的一種韌化方法。而在追求高韌性的鐵基耐磨材料方面，奧氏體高錳鋼的應用最為廣泛，具有高塑性、高韌性以及低裂紋擴展率等特性，是一種極好的耐衝擊磨損材料，其高的韌性在目前耐磨合金中仍然是無以匹敵的。但是，高錳鋼屈服強度低，初始硬度不高(〈229HB)，其耐磨特性只有在高衝擊負荷的工作條件下才能表現出來。在低衝擊負荷或低應力磨料磨損條件下，不能或不能完全加工硬化，其耐磨特性不能得到充分發揮，有時甚至低於普通碳鋼。低、中合金耐磨鋼是以矽、錳為基礎，加入鉻、鑰以及其他微量元素而發展起來的，其合金系統由成分簡單的單一錳系、矽系、鉻系、鉻錳繫到成分複雜的鉻-錳-矽-鑰-其他微量元素的多元複合系統。低、中合金耐磨鋼具有較好的強韌性，低、中衝擊載荷下的耐磨性優於高錳鋼，但存在淬透性和淬硬性低的不足，因此其耐磨性較低。奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵(ADI)的研製成功，為鑄鐵冶金學領域帶來了革命性的進步。受ADI的啟發，國內外研究工作者開發了組織為貝氏體和殘餘奧氏體的耐磨合金材料，其綜合力學性能比ADI更為優越，並且克服了 ADI的固有缺點，具有優異的強韌化及高的耐磨性。中國發明專利CN99105704.X公布了一種高矽耐磨鑄鋼的製造方法，其成分配方是O. 6^1. 2%C，1. 8^3. 0%, O. 4^0. 6%Mn，
O.2^0. 5%Mo，P〈0. 04%, S〈0. 04%，通過在鹽浴中進行等溫淬火，可以獲得比奧貝球鐵更高的耐磨性和強韌性，可以用於中小衝擊耐磨場合。針對普通高矽鑄鋼組織粗大，鋼中非金屬夾雜物導致性能惡化的缺點，中國發明專利CN200410089537. 6提出了製造高強度、高韌性和高耐磨性的強韌高矽鑄鋼的方法，採用釔基重稀土、硼、鈦、釩等合金元素對高矽鑄鋼進行複合變質處理，獲得了可用於重載的高耐磨性合金。但高矽鑄鋼還存在硬度較低，在有衝擊的磨粒磨損條件下使用時耐磨性不足。

發明內容
本發明的目的是提供一種製備成本較低，以具有高熱穩定性和高硬度特性的硼化物為耐磨硬質相和以無碳化物貝氏體和奧氏體雙相組織為基體的耐磨合金及其製備方法。一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金，所述耐磨合金由重量百分比為
O.3 1. 0% 的 C，1. 6 3. 0% 的 Si,O. 6 1. 6% 的 Mn,0 4· 0% 的 Cr,O. 2 O. 5% 的 Mo,O. Γ . 0% 的B,O. Γ1. 0% 的 Ti,O. 05 O. 15% 的 Ce,〈O. 04% 的 P,〈O. 04% 的 S，餘量 Fe 組成。上述含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的鑄造方法，其特徵在於，包括以下具體步驟I)將廢鋼、矽鐵、鉻鐵、錳鐵、鑰鐵稱量後置入電爐進行鋼液熔煉，爐料熔清後用增碳劑調節碳含量；

2)當鋼液溫度升高到158(Γ1600 後插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鋼液重量的
O.15 O. 3% ；3)加入鈦鐵和硼鐵，鋼液熔清扒渣後插鋁進行二次脫氧，之後出爐；4)將Ce基稀土合金破碎至粒度小於15mm的顆粒並經18(T250°C烘乾後置於澆包底部，採用包內衝入法對鋼液進行變質處理，變質處理後的鋼液直接澆注成鑄件；5)將鑄件置於箱式電阻爐中，經85(Tl050°C條件下奧氏體化O. 5 3小時；6)奧氏體化完成後，將鑄件取出直接置入溫度為20(T40(TC的等溫鹽浴爐中進行等溫淬火O. 5 4小時後，將鑄件取出，空冷後獲得含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；其中鹽浴採用質量分數為50%的硝酸鉀和50%的亞硝酸鈉配比而成。步驟(I)中所述增碳劑為廢石墨電極、石墨顆粒或生鐵。本發明與現有技術相比較具有以下特點1)本發明採用我國富有的硼以及廉價的矽為主要合金元素，加入少量的鑰，原材料來源廣泛，生產成本低廉；2)以硼化物為耐磨硬質相，使耐磨合金材料具有較高的硬度，並能夠明顯改善合金材料耐衝擊磨料磨損性能；以無碳化物貝氏體和奧氏體雙相組織為基體，基體具有較高的強韌性配合；3)可以通過調整合金中硼、碳的含量來實現基體中硼化物數量和基體的性能的分別控制，並因此可以根據工況條件來有針對性地設計材料的成分。這種特點克服了以碳化物為耐磨相的合金材料的基體性能和碳化物數量都受碳影響而不能單獨控制的缺點；4)不僅可以通過硼、碳的含量的調整來實現硼化物耐磨相數量和基體碳含量的分別控制，而且可以通過合理的等溫淬火熱處理來控制和調整基體的力學性能，因而可以製備出能夠應用於不同的工業場合的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；5)本發明採用鹽浴等溫淬火，可以獲得硬度45飛3HRC，抗拉強度65(T950MPa，衝擊韌度4 15J的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；6)本發明的耐磨合金其耐磨性為高鉻白口鑄鐵的f1. 8倍；7)由於本發明具有以較高強韌性配合的奧氏體-貝氏體為基體，克服了高鉻白口鑄鐵脆性大，使用過程中易於破碎和斷裂等不足，且生產成本較高鉻白口鑄鐵低，可以用於替代高鉻白口鑄鐵的耐磨場合。


圖1是經950°C奧氏體化30min後經250°C等溫淬火30min後的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的金相組織(實施例1)。圖2是經1050°C奧氏體化30min後經400°C等溫淬火30min後的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的金相組織(實施例4)。圖3是經950°C奧氏體化30min後經350°C等溫淬火30min後的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的衝擊斷口的金相組織，可以看到基體組織斷裂呈明顯的韌性斷裂方式(實施例5)。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步的詳細描述。本發明的實施例以普通廢鋼和硼鐵為主要原料，採用50kg中頻感應電爐熔煉，澆注砂型標準基爾試塊。且鑄造含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的化學成分均滿足0. 3 1. 0%C,1. 6 3. 0%Si,0. 6 1. 6%Mn，0 4. 0%Cr,0. 2 O. 5%Μο，0· 05 1. 0%Β，0· Γ . 0%Ti, 0.05 0. 15%Ce，Ρ〈0· 04%, S〈0. 04%，餘量為Fe。具體製備步驟為採用廢鋼、矽鐵、鉻鐵、錳鐵、鑰鐵計算好配料並稱重，石墨顆粒調節合金碳含量，加電進行鋼液熔煉，爐料熔清後調整成分。將鋼液溫度升高到158(Tl60(rC後插鋁進行一次脫氧。然後加入鈦鐵和硼鐵，熔清扒渣後插鋁進行二次脫氧，之後出爐。將事先破碎至粒度小於15mm的顆粒並烘乾的Ce基稀土合金後置於澆包底部，採用包內衝入法對鋼液進行變質處理。然後將鋼液直接澆注成標準基爾試塊。截取標準基爾試塊的下部，進行等溫淬火熱處理。以下為各實施例的具體化學組成和具體製備工藝，各實施例中未提及的內容參見前段內容。實施例1化學成分為0.57wt% C,0. 09wt% B, 2. 38wt% Si,0. 78wt% Mn,1. 46wt%Cr,
0.33wt%Mo,0. 011wt%P,0. 007wt%S,0. 15wt%Ti,0. 08wt%Ce。試塊經 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時後直接在溫度為250°C的等溫鹽浴中進行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨後取出空冷至室溫後用水將表面的鹽清洗乾淨。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金(見圖1)的力學性能和耐磨性能如下硬度為58HRC,線切割IOmmX IOmmX 55mm標準試樣衝擊功Ak為5. 5J，抗拉強度為690MPa，在Falex多功能摩擦磨損試驗機上進行球盤試驗(對磨材料為氧化錯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為7. 69mg。實施例2
化學成分為0.54wt%C,0. 47wt% B, 2. 36wt% Si,0. 87wt% Mn,1. 43wt%Cr,
0.32wt%Mo,0. 012wt%P,0. 009wt%S,0. 19wt%Ti,0. 07wt%Ce。試塊經 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時後直接在溫度為400°C的等溫鹽浴中進行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨後取出空冷至室溫後用水將表面的鹽清洗乾淨。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的力學性能和耐磨性能如下硬度為47HRC，線切割IOmmX IOmmX 55mm標準試樣衝擊功Ak為7. 5J，抗拉強度為910MPa，在Falex多功能摩擦磨損試驗機上進行球盤試驗(對磨材料為氧化鋯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為6. 77mg。實施例3化學成分為0.64wt% C,0. 27wt% B, 2. 34wt% Si,0. 85wt% Mn,1. 47wt%Cr,
0.32wt%Mo,0. 012wt%P,0. 010wt%S,0. 17wt%Ti,0. 12wt%Ce。試塊經 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時後直接在溫度為300°C的等溫鹽浴中進行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨後取出空冷至室溫後用水將表面的鹽清洗乾淨。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的力學性能和耐磨性能如下硬度為53HRC，線切割IOmmX IOmmX 55mm標準試樣衝擊功Ak為7. 0J,抗拉強度為780MPa，在Falex多功能摩擦磨損試驗機上進行球盤試驗(對磨材料為氧化鋯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為5. 58mg。實施例4
化學成分為0.57wt% C,0. 09wt% B, 2. 38wt% Si,0. 78wt% Mn,1. 46wt%Cr,
0.33wt%Mo,0. 011wt%P,0. 007wt%S,0. 15wt%Ti,0. 08wt%Ce。試塊經 1050 °C 奧氏體化保溫
0.5小時後直接在溫度為400°C的等溫鹽浴中進行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨後取出空冷至室溫後用水將表面的鹽清洗乾淨。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金(見圖2)的力學性能如下硬度為46HRC，線切割IOmmX IOmmX 55mm標準試樣衝擊功Ak為12. 5J，抗拉強度為650MPa。實施例5化學成分為0.74wt% C,0. 51wt% B, 2. llwt% Si,0. 79wt% Mn, 3. 42wt%Cr,
0.39wt%Mo,0. 006wt%P,0. 04wt%S,0. 25wt%Ti,0. llwt%Ce。試塊經 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時後直接在溫度為350°C的等溫鹽浴中進行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨後取出空冷至室溫後用水將表面的鹽清洗乾淨。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的力學性能如下硬度為62HRC，線切割IOmmX IOmmX 55mm標準試樣衝擊功Ak為6. 5J，抗拉強度為890MPa，其斷口形貌見圖3所示。
權利要求
1.一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金，其特徵在於，所述耐磨合金由重量百分比為 O. 3 1. 0% 的 C，1. 6 3. 00/c^Si，0· 6 1. 6% 的 Μη，0 4· 0%的0，0· 2 O. 5% 的 Mo，O. Γ . 0%的 B,O.1 1. 0% 的 Ti,O. 05 O. 15% 的 Ce,〈O. 04% 的 P,〈O. 04% 的 S，餘量 Fe 組成。
2.權利要求1所述含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的鑄造方法，其特徵在於，包括以下具體步驟 1)將廢鋼、矽鐵、鉻鐵、錳鐵、鑰鐵稱量後置入電爐進行鋼液熔煉，爐料熔清後用增碳劑調節碳含量； 2)當鋼液溫度升高到158(Γ1600 後插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鋼液重量的O. 15 O. 3% ； 3)加入鈦鐵和硼鐵，鋼液熔清扒渣後插鋁進行二次脫氧，之後出爐； 4)將Ce基稀土合金破碎至粒度小於15mm的顆粒並經18(T250°C烘乾後置於澆包底部，採用包內衝入法對鋼液進行變質處理，變質處理後的鋼液直接澆注成鑄件； 5)將鑄件置於箱式電阻爐中，經85(Tl050°C條件下奧氏體化O.5 3小時； 6)奧氏體化完成後，將鑄件取出直接置入溫度為20(T40(TC的等溫鹽浴爐中進行等溫淬火O. 5 4小時後，將鑄件取出，空冷後獲得含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；其中鹽浴採用質量分數為50%的硝酸鉀和50%的亞硝酸鈉配比而成。
3.根據權利要求2所述的耐磨合金的鑄造方法，其特徵在於，步驟(I)中所述增碳劑為廢石墨電極、石墨顆粒或生鐵。
全文摘要
本發明屬於鋼鐵材料製備技術領域的一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其製備方法。本發明以硼化物為耐磨硬質相，以無碳化物貝氏體和奧氏體雙相組織為基體，可通過硼、碳的含量的調整來實現硼化物耐磨相數量和基體碳含量的分別控制以及通過合理的等溫淬火熱處理來控制和調整基體的力學性能。此合金力學性能為硬度45~63HRC，抗拉強度650~950MPa，衝擊韌度4~15J，相同試驗條件下耐磨性為高鉻白口鑄鐵的1~1.8倍。
文檔編號C21D1/20GK103060687SQ201210580530
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者陳祥, 李言祥 申請人:清華大學