硼化物顆粒強化Fe-B-C合金及其製備方法
2023-05-27 01:27:46
硼化物顆粒強化Fe-B-C合金及其製備方法
【專利摘要】硼化物顆粒強化Fe-B-C合金及其製備方法，屬於耐磨材料【技術領域】。採用電爐熔煉Fe-B-C合金熔液，其化學組成及其質量分數是：0.28～0.50%C,0.8～1.8%B,0.3～0.5%Al,0.5～1.0%Si,0.6～1.0%Mn,1.2～1.5%Cr,S<0.04%,P<0.05%,餘量Fe。並加入直徑φ3.5～4.5mm的合金絲對上述合金熔液進行爐外微合金化處理，輔以熱處理手段，實現了硼化物的顆粒分布，使Fe-B-C合金性能明顯提高。
【專利說明】硼化物顆粒強化Fe-B-C合金及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種Fe-B-C合金及其製備方法，特別涉及一種硼化物顆粒強化Fe-B-C合金及其製備方法，屬於耐磨材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在中碳鋼中，通過添加硼元素而獲得的Fe-B-C合金，具有硬度高和耐磨性好等特點。然而，在普通鑄造條件下製備的Fe-B-C合金含有大量的共晶組織，且硼化物呈連續網狀分布，脆性大，使用安全性差。為了提高Fe-B-C合金性能，中國發明專利CN101260501公開了高硼低碳耐磨鑄鋼及其熱處理方法，該發明鑄鋼的化學成分及其含量)為:C0.15 ~0.30，B1.5 ~2.5，Si2.6 ~3.0，Crl.4 ~1.8，Mn0.5 ~0.8，Ce0.05 ~0.12，V0.03 ~0.15，Ti0.03 ~0.15，P < 0.05，S < 0.05，餘量為 Fe，0.10 < V+Ti < 0.25。該發明將鑄件於880~920°C，保溫I~3h後，在250~300°C的等溫鹽浴爐中等溫淬火，保溫2~4h，隨後空冷至室溫，得到高硼低碳耐磨鑄鋼。與現有技術相比，該發明的鑄鋼和工藝具有塑性和韌性好，耐磨性高和成本低等優點。中國發明專利CN102517504A還公開了一種以低價硼為主要合金元素，可製造球磨機襯板的高硼耐磨鑄鋼，其所述鑄鋼的化學成分及其質量百分比為:C:< 0.4 ；Si:0.40-0.8 ；Mn:0.5-1.2 ；Cr:0.5-1.2 ；B:1.2-3.0 ；Re:< 0.2 ；V:< 0.1 ；Ti:< 0.1，所述鑄鋼先進行950_980°C X2h+水冷的淬火工藝，再在200-250°C X4h+空冷回火處理，其硬度大於58HRC，衝擊韌性大於12J/cm2，淬透層深度大於40mm。中國發明專利CN101016603還公開了一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼及製備方法，其化學成分及重量百分比為:C:0.15%~0.45% ；B:0.75%~2.70% ；T1:0.34%~1.50 % ；Cr:0.80 % ~1.20 % ；S1:0.50 % ~1.50 % ；Mn:0.50 % ~1.50 % ；Ce:0.04 % ~
0.12 % ；A1:0.08 % ~0.20 % ；Ca:0.03 % ~0.10 % ；N:0.01 % ~0.06 ;P < 0.05 %，S<0.05%，餘量為？6;其中，8/^ = 5.0~6.0，8/11 = 1.8~2.2。製備採用電爐熔煉，先將普通廢鋼、生鐵和鉻鐵混合加熱熔化`，然後加入矽鐵和錳鐵，出爐前加入硼鐵和鈦鐵，爐前調整成分合格後升溫，加入矽-鈣合金預脫氧，而後用鋁終脫氧和微合金化，用鈰和氮進行爐外複合變質處理。經保溫後油冷淬火、低溫回火即可。中國發明專利CN1804091還公開了一種鑄造高硼耐磨合金的韌化方法，其用2.5~3.3wt% FeTi30合金作變質劑,變質處理工藝是在鋼液熔煉完成並插鋁終脫氧後，加入鈦鐵合金FeTi30，待化清扒渣後即進行澆注；韌化熱處理溫度為1020~1050°C保溫2~3小時，然後淬回火或正火。經過韌化處理後的砂型鑄造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立狀分布於基體中。10 mm X 10 mm X 5 5 mm標準衝擊試樣的吸收功Ak高達12.5J，衝擊韌性明顯增強。中國發明專利CN1624180還公開了高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，其化學成分是(重量％):0.15~0.70C，0.3~
1.9B，0.3 ~0.8Cr,0.4 ~0.8Si，0.6 ~1.3Mn，0.05 ~0.20Ce，0.02 ~0.1OLa, 0.005 ~
0.018Ca,0.04 ~0.18K,0.08 ~0.25A1, S < 0.04, P < 0.04，其餘為 Fe ;它的熱處理方法是:珠光體化預處理、淬火和回火，珠光體化預處理加熱溫度760~820°C，爐冷至小於500°C後爐冷或空冷；淬火加熱溫度為960~1050°C，隨後以冷卻速度不小於5°C /min快速冷卻，回火加熱溫度為180~400°C，隨後爐冷或空冷；該發明的優點是大幅度提高了合金耐磨性、大幅度減少了鉻合金加入量、生產成本顯著降低、生產工藝簡單、設備通用性強、其綜合性能優於常用的高錳鋼、高鉻鑄鐵和低合金鋼，具有極高的性能價格比。中國發明專利CN102284806A還公開了一種高硼鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，焊絲由低碳鋼包皮和芯部粉末組成，其特徵在於低碳鋼包皮中的鐵元素及芯部粉末，芯部粉末中的元素包括硼、碳、錳、矽元素，芯部粉末中的硼、碳、錳、矽元素所佔焊絲重量百分比為:硼6~12%，碳0.1~3%，錳0.6~2%，矽0.3~1.5%，餘量為鐵。還可包括Ti0.3~3.5 %、Mn0.6~2 %、Si0.3~1.5%、鑰0~1%、K/Na變質劑0~I %、鋁鎂合金0~1.5%。該發明高硼鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲主要依靠硼、鈦、碳等合金元素，形成的硼化物、少量的碳化物實現堆焊合金的耐磨損性能，並通過添加稀土、鎳、鋁鎂合金等提高堆焊合金的綜合性能。中國發明專利CN103266284A還公開了高硼耐磨不鏽鋼的配方及熱處理方法，其化學成分及重量百分比配方為 C:0.03-0.10，B:1.0-3.0,Cr:19-25, N1:5.0-7.0，T1:1.0-2.5，N:0.08-0.20，Y:0.04-0.15，Mg:0.03-0.1，Ca:0.02-0.08，Si < 2.0，Mn < 2.0，S < 0.04，P < 0.04，餘量為Fe。熱處理方法是固溶、淬火、回火。該發明工藝簡單，貴重合金加入量少，生產成本低廉。基體組織主要是奧氏體，還含有8%~15%高硬度硼化合物，具有良好的耐蝕性、耐磨性。在線材軋機上，用於生產沉沒輥和軸套，其使用壽命比lCrl8Ni9Ti不鏽鋼部件提高80-100%。
[0003]但是，上述Fe-B-C合金中存在大量網狀分布的硼化物，導致Fe_B_C合金的脆性增加，韌性降低，限制了耐磨Fe-B-C合金的工業應用。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有Fe-B-C合金存在的上述問題，通過對Fe_B_C合金進行微合金化處理，實現硼化物的斷網和孤立，從而獲得性能優異的硼化物顆粒強化Fe-B-C合金。
[0005]發明的目的可以通過以下措施來實現:`[0006]本發明一種硼化物顆粒強化Fe-B-C合金的製備方法，採用電爐熔煉，包括如下步驟:
[0007]先在電爐內熔煉Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化學組成及其質量分數是:0.28 ~0.50%C, 0.8 ~1.8%B, 0.3 ~0.5%A1, 0.5 ~1.0%Si, 0.6 ~1.0%Mn, 1.2 ~
1.5%Cr, S〈0.04%, P〈0.05%,餘量Fe。當Fe-B-C合金熔液的溫度達到1600~1620°C時，將Fe-B-C合金熔液出爐到鋼包，並採用餵絲機將直徑(63.5~4.5mm的合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中，合金絲加入量佔鋼包內Fe-B-C合金熔液質量分數的3.5~4.5%，合金絲的化學組成及其質量分數是:3~5%Ce，3~5%La，2~3%Mg，1.5~2.0%Zr, 2.2~
2.8%Zn, 12 ~15%A1, 14 ~18%Si, 12 ~15%Ti, 1.5 ~2.0%Nb, S<0.04%, P<0.05%,餘量為Fe及其它不可避免的雜質，合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中2~3分鐘後，對鋼包內的Fe-B-C合金熔液進行攪拌和扒渣，當鋼包內的Fe-B-C合金熔液溫度降至1450~1480°C時，將其澆入鑄型，得到Fe-B-C合金鑄件，鑄件經清砂和打磨處理後，隨爐加熱至980~1020°C，保溫3~5小時，進行油冷淬火，經油冷淬火後的Fe-B-C合金鑄件繼續加熱至200~260°C進行回火處理，保溫8~12小時後空冷至室溫，可得到硼化物顆粒強化Fe-B-C合金產品。[0008]合金材料的性能是由其組織決定的，而組織取決於成分及其熱處理工藝。本發明硼化物顆粒強化Fe-B-C合金採用普通鑄造方法成形，工藝簡便，便於實現批量生產。為了獲得硼化物顆粒強化的Fe-B-C合金，需要先在電爐內熔煉Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化學組成及其質量分數是:0.28~0.50%C, 0.8~1.8%B, 0.3~0.5%A1, 0.5~
1.0%Si, 0.6 ~1.0%Mn, 1.2 ~1.5%Cr, S〈0.04%, P〈0.05%,餘量 Fe。其中加入 0.8 ~1.8%B,是為了獲得一定數量的高硬度Fe2B硼化物，促進Fe-B-C合金耐磨性的提高。加入0.28~
0.50%C是為了確保淬火後獲得高硬度的馬氏體基體。在此基礎上加入0.3~0.5%A1，是為了促進Fe2B硼化物在高溫下的斷網和孤立分布。在此基礎上，還加入0.5~1.0%Si, 0.6~1.0%Mn和1.2~1.5%Cr，主要是提高基體的固溶強化效果，鉻還有提高基體抗回火軟化能力。為解決普通Fe-B-C合金脆性大的難題，本發明採用了向鋼包內的Fe-B-C合金熔液中，採用餵絲機對其進行微合金化技術，合金絲直徑(63.5~4.5mm,合金絲加入量佔鋼包內Fe-B-C合金熔液質量分數的3.5~4.5%。合金絲的化學組成及其質量分數是:3~5%Ce, 3 ~5%La, 2 ~3%Mg, 1.5 ~2.0%Zr, 2.2 ~2.8%Zn, 12 ~15%A1, 14 ~18%Si, 12 ~15%Ti, 1.5~2.0%Nb, S〈0.04%, P〈0.05%,餘量為Fe及其它不可避免的雜質。Fe-B-C合金經上述合金絲微合金化處理後，硼化物尺寸細小，斷網分布趨勢明顯，繼續加熱至980~10200C，保溫3~5小時，進行油冷淬火，可促使硼化物孤立分布，對提高Fe-B-C合金性能效果明顯。在此基礎上，經油冷淬火後的Fe-B-C合金鑄件繼續加熱至200~260°C進行回火處理，保溫8~12小時後空冷至室溫，可消除淬火應力，穩定組織。
[0009]本發明與現有技術相比，具有如下特點:
[0010]I)本發明Fe-B-C合金的硼化物實現了顆粒分布(見圖1)，有利於Fe-B-C合金脆性的降低和韌性的提 高；
[0011]2)本發明Fe-B-C合金爐外微合金化處理工藝簡便，微合金元素收得率高，超過95% ；
[0012]3)硼化物顆粒強化Fe-B-C合金具有優異的力學性能，硬度大於60HRC，抗拉強度超過730MPa，衝擊韌性超過15J/cm2。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1硼化物顆粒強化Fe-B-C合金金相顯微組織照片。
【具體實施方式】
[0014]以下結合實施例對本發明作進一步詳述，但本發明並不限於以下實施例。
[0015]實施例1:
[0016]採用500公斤中頻感應電爐熔煉本發明材料，其具體製備工藝是:
[0017]①先在500公斤中頻感應電爐內熔煉Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化學組成及其質量分數是:0.29%C, 1.77%B, 0.48%A1, 0.52%Si, 0.95%Mn, 1.20%Cr, 0.036%S, 0.040%P,餘量Fe。當Fe-B-C合金熔液的溫度達到1603°C時，將Fe-B-C合金熔液出爐到鋼包，並採用餵絲機將直徑(63.5mm的合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中，合金絲加入量佔鋼包內Fe-B-C合金熔液質量分數的3.5%。合金絲的化學組成及其質量分數是:3.28%Ce, 4.90%La, 2.54%Mg, 1.51%Zr, 2.78%Zn, 12.04%A1, 17.69%Si, 12.37%Ti, 1.99%Nb, 0.031%S, 0.039%P，餘量為Fe及其它不可避免的雜質。
[0018]②合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中2分鐘後，對鋼包內的Fe_B_C合金熔液進行攪拌和扒渣，當鋼包內的Fe-B-C合金熔液溫度降至1455°C時，將其澆入鑄型，得到Fe-B-C合金鑄件。
[0019]③鑄件經清砂和打磨處理後，隨爐加熱至980°C，保溫5小時，進行油冷淬火。經油冷淬火後的Fe-B-C合金鑄件繼續加熱至260°C進行回火處理，保溫8小時後空冷至室溫，可得到硼化物顆粒強化Fe-B-C合金產品，其力學性能見表1。
[0020]實施例2:
[0021]採用500公斤中頻感應電爐熔煉本發明材料，其具體製備工藝是:
[0022]①先在500公斤中頻感應電爐內熔煉Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化學組成及其質量分數是:0.49%C, 0.84%B, 0.33%A1, 0.97%Si, 0.61%Mn, 1.48%Cr, 0.029%S, 0.044%P,餘量Fe。當Fe-B-C合金熔液的溫度達到1620°C時，將Fe_B_C合金熔液出爐到鋼包，並採用餵絲機將直徑(64.5mm的合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中，合金絲加入量佔鋼包內Fe-B-C合金熔液質量分數的4.5%。合金絲的化學組成及其質量分數是4.99%Ce, 3.03%L
a,2.87%Mg, 1.96%Zr, 2.20%Zn, 14.82%A1, 14.09%Si, 14.90%Ti, 1.56%Nb, 0.035%S, 0.041%P,餘量為Fe及其它不可避免的雜質。
[0023]②合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中3分鐘後，對鋼包內的Fe_B_C合金熔液進行攪拌和扒渣，當鋼包內的Fe-B-C合金熔液溫度降至1479°C時，將其澆入鑄型，得到Fe-B-C合金鑄件。
[0024]③鑄件經清砂和打磨處理後，隨爐加熱至1020°C，保溫3小時，進行油冷淬火。經油冷淬火後的Fe-B-C合金鑄件繼續加熱至20`0°C進行回火處理，保溫12小時後空冷至室溫，可得到硼化物顆粒強化Fe-B-C合金產品，其力學性能見表1。
[0025]實施例3:
[0026]採用500公斤中頻感應電爐熔煉本發明材料，其具體製備工藝是:
[0027]①先在500公斤中頻感應電爐內熔煉Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化學組成及其質量分數是:0.32%C, 1.29%B, 0.42%A1, 0.73%Si, 0.80%Mn, 1.41%Cr, 0.031%S, 0.036%P,餘量Fe。當Fe-B-C合金熔液的溫度達到1614°C時，將Fe_B_C合金熔液出爐到鋼包，並採用餵絲機將直徑(64.0mm的合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中，合金絲加入量佔鋼包內Fe-B-C合金熔液質量分數的4.0%。合金絲的化學組成及其質量分數是:3.95%Ce, 4.10%La, 2.17%Mg, 1.85%Zr, 2.58%Zn, 13.51%A1, 16.24%Si, 13.04%Ti, 1.71%Nb, 0.030%S, 0.036%P,餘量為Fe及其它不可避免的雜質。
[0028]②合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中3分鐘後，對鋼包內的Fe_B_C合金熔液進行攪拌和扒渣，當鋼包內的Fe-B-C合金熔液溫度降至1468°C時，將其澆入鑄型，得到Fe-B-C合金鑄件。
[0029]③鑄件經清砂和打磨處理後，隨爐加熱至1000°C，保溫4小時，進行油冷淬火。經油冷淬火後的Fe-B-C合金鑄件繼續加熱至230°C進行回火處理，保溫10小時後空冷至室溫，可得到硼化物顆粒強化Fe-B-C合金產品，其力學性能見表1。
[0030]表1硼化物顆粒強化Fe-B-C合金力學性能
[0031]
【權利要求】
1.一種硼化物顆粒強化Fe-B-C合金的製備方法，其特徵在於，採用電爐熔煉，包括如下步驟: 先在電爐內熔煉Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化學組成及其質量分數是:0.28.~0.50%C，0.8 ~1.8%B，0.3 ~0.5%A1, 0.5 ~1.0%Si，0.6 ~1.0%Mn，1.2 ~ 1.5%Cr, S〈0.04%, P〈0.05%,餘量Fe ；當Fe-B-C合金熔液的溫度達到1600~1620°C時，將Fe-B-C合金熔液出爐到鋼包，並採用餵絲機將直徑(63.5~4.5mm的合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中，合金絲加入量佔鋼包內Fe-B-C合金熔液質量分數的3.5~4.5%，合金絲的化學組成及其質量分數是:3~5%Ce，3~5%La，2~3%Mg，1.5~2.0%Zr, 2.2~2.8%Zn, 12 ~15%A1, 14 ~18%Si, 12 ~15%Ti, 1.5 ~2.0%Nb, S<0.04%, P<0.05%,餘量為Fe及其它不可避免的雜質；合金絲送入鋼包內的Fe-B-C合金熔液中2~3分鐘後，對鋼包內的Fe-B-C合金熔液進行攪拌和扒渣，當鋼包內的Fe-B-C合金熔液溫度降至1450~1480°C時，將其澆入鑄型，得到Fe-B-C合金鑄件，鑄件經清砂和打磨處理後，隨爐加熱至980~1020°C，保溫3~5小時，進行油冷淬火，經油冷淬火後的Fe-B-C合金鑄件繼續加熱至200~260°C進行回火處理，保溫8~12小時後空冷至室溫，得到硼化物顆粒強化Fe-B-C合金產品。
2.採用權利要求1的方法製備得到的一種硼化物顆粒強化Fe-B-C合金。
【文檔編號】C21C7/00GK103643134SQ201310541185
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】符寒光, 邢建東, 馬躍, 雷永平, 馬勝強, 易大偉 申請人:北京工業大學