CN101328557A - 一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法 - Google Patents

一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铁硼耐磨铸造合金领域，公开了一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法。它包括以下步骤：首先，确定铁硼铸造耐磨合金配料，包括废钢、硅铁、锰铁、硼铁，并以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，按照0.5－10％的Cr元素和0－4.0％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和铁硼铸造耐磨合金配料；然后，取出硼铁备用，将其它铁硼铸造耐磨合金配料依次加入炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧，再加入铬铁、钼铁熔清；最后，将硼铁块加入炉中熔清，待铁水熔清后静置、除渣、成型，即可。

Description

一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法
技术领域
本发明涉及铁硼耐磨铸造合金领域，尤其涉及一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法，硬质相Fe2B韧化后的铸造铁硼耐磨合金适用于矿山、冶金、煤炭、电力等行业，用于制备球磨机衬板、磨球等抗磨部件。
背景技术
磨损是冶金、矿山、机械、电力等许多工业部门普遍存在，并成为引起设备部件失效或材料破坏的一个重要原因，也是造成经济损失最多的原因之一。为提高铁硼铸造耐磨合金的韧性和耐磨性，目前所有的研究工作主要集中于Fe2B相形态改善和基体性能提高等方面。铁硼铸造耐磨合金在磨损过程中，特别是在冲击应力条件下，由于组织中硬质相Fe2B较脆，磨损过程中出现明显剥落，碎裂现象，不能起到有效地抗磨作用，从而使该材料的磨损性能显著降低。可见，通过改善Fe2B的韧性来提高其耐磨性是具有十分重要的理论创新价值和工程应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B韧化处理方法，它能够改善硬质相Fe2B的断裂韧性，而且可以提高Fe2B在铁硼铸造耐磨合金中的有效抗磨作用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，确定铁硼铸造耐磨合金配料，包括废钢、硅铁、锰铁、硼铁，并以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，按照0.5-10％的Cr元素和0-4.0％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和铁硼铸造耐磨合金配料；
然后，取出硼铁备用，将其它铁硼铸造耐磨合金配料依次加入炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧，再加入铬铁、钼铁熔清；
最后，将硼铁加入炉中熔清，待铁水熔清后静置、除渣、成形，即可。
本发明的进一步特点在于：
所述铬铁、钼铁的粒度均小于15mm。
所述硼铁块的粒度小于15mm。
本发明在铁硼耐磨合金中，加入Cr、Mo元素，使Cr、Mo原子部分置换固溶于Fe2B相中，提高原子之间较弱的原子键能，进而改善Fe2B的断裂韧性，不仅使Fe2B相韧性明显提高，使Fe2B的断裂韧性值可从15MPa·m1/2增加到85MPa·m1/2以上；而且可以提高Fe2B在铁硼铸造耐磨合金中的有效抗磨作用。
附图说明
图1为没有加Cr元素的Fe2B中裂纹现象的SEM照片；
图2为加入Cr和Mo元素后Fe2B相中无裂纹现象的SEM照片；
比较图1、2可以看出，Fe2B相在固溶一定量的Cr和Mo原子之后，裂纹现象明显减少，表明其韧性明显提高。
具体实施方式
本发明提出在该耐磨合金中加入Cr、Mo合金元素，使其置换固溶于Fe2B中，来实现其硬质相Fe2B的韧性改善，从而进一步提高铁硼铸造耐磨合金的耐磨性和使用寿命。本发明的具体技术方案为：
1)确定铁硼铸造耐磨合金的化学成分重量百分比为：C：0.10-0.50％，B：0.01-4.0％，Mn：0.5-1.8％，Si＜1.5％，P、S＜0.05％，其余为Fe元素；以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，按照0.5-10％的Cr元素和0-4.0％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和废钢、硅铁、锰铁、硼铁的重量。
2)铁硼铸造耐磨合金韧化处理方法为：按上述配料，将废钢、硅铁、锰铁依次加入中频感应电炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度均小于15mm的铬铁、钼铁依次加入炉中熔清，再将粒度小于15mm的硼铁加入炉中熔化，待铁水熔清，静置1分钟后，在铁水液面上方除渣，最后将铁水倒入普通砂型浇注成形。
3)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程(如式Kc＝X·P/C3/2，式中X为残余压痕系数；P为载荷，单位N；C为压痕裂纹长度的一半，单位m。)计算Fe2B相的断裂韧性值Kc，其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值。计算结果表明：Fe2B相的断裂韧性值可从没有加入Cr、Mo合金元素之前的15MPa·m1/2，增加到加入一定量合金元素后的85MPa·m1/2。
下面对本发明的具体实施例进行说明：
实施例(一)
(1)根据本发明的技术方案，确定铁硼铸造耐磨合金的化学成分(wt.％)为：C：0.1％，B：0.01％，Mn：0.6％，Si＜1.1％，P、S＜0.04％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，没有加入Mo元素的情况下，以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，加入不同重量百分数的Cr元素，且分别为0.5％，1.0％，3.0％，5.0％，7.0％，9.0％，9.5％，可以得到八组试样，其中0#试样为没有加入Cr元素的试样，其它为加入Cr元素后的试样，依次定义为1#、2#、3#....7#试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、铬铁、锰铁、硼铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1650℃熔化，待钢水熔清后，依次加入硅铁和锰铁再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为5-10mm的铬铁放入炉中待熔清后，再将粒度约为10-15mm的硼铁加入电炉中熔化；待铁水熔清后静置1分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm的试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样，金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程计算Fe2B相的断裂韧性值，如表中数据所示。其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，最终断裂韧性如表一中数据所示。
表一不同Cr加入量对Fe2B相断裂韧性值的影响
  试样编号   0#   1#   2#   3#   4#   5#   6#   7#
  Fe2B断裂韧性值(MPa·m1/2) 15.1 21.5 35.1 34.6 26.3 22.9 19.9 19.2
实施例(二)
(1)根据本发明的技术方案，确定铁硼铸造耐磨合金铁的化学成分(wt.％)为：C：：0.3％，B：1.0％，Mn：1.6％，Si＜0.7％，P、S＜0.04％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，加入的不同重量百分数的Cr、Mo元素，以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，Cr、Mo加入的重量百分比(共八个百分比组合)如表二中所示，可以得到八组试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硼铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1650℃熔化，待钢水熔清后，依次加入硅铁和锰铁再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为15mm的铬铁和钼铁依次放入炉中待熔清后，再将粒度约为5-10mm的硼铁加入电炉中熔化；待铁水熔清后静置1分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm的试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程，计算Fe2B相的断裂韧性值，如表中数据所示。其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，最终断裂韧性如表二中数据所示。
表二不同Cr、Mo加入量对Fe2B相断裂韧性值的影响
  Cr/Mo重量百分比(％) 0.5/0.1 0.5/0.3 1.0/0.1 2.0/0.5 3.0/1.0 5.0/2.0 7.0/2.0 9.5/3.0
  Fe2B断裂韧性MPa·m1/2 18.3 26.4 63.2 85.5 74.4 59.2 42.3 25.1
实施例(三)
(1)根据本发明的技术方案，确定铁硼铸造耐磨合金铁的化学成分(wt.％)为：C：0.4％，B：3.5％，Mn：：0.7％，Ca：0.1％，Si＜0.5％，P、S＜0.04％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，加入的不同重量百分数的Cr、Mo元素，以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，Cr、Mo加入的重量百分比(共六个百分比组合)分别见表三中所示，可以得到六组试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硅钙合金、硼铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1650℃熔化，待钢水熔清后，依次加入硅铁和锰铁再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为10mm的铬铁和钼铁依次放入炉中待熔清后，再将粒度约为10mm的硼铁加入电炉中熔清，再加入硅钙合金(粒度约为5-10mm)待铁水熔清后静置30秒，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程计算Fe2B相的断裂韧性值，如表中数据所示。其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，最终断裂韧性如表三中数据所示。
表三不同Cr、Mo加入量对Fe2B相断裂韧性值的影响
  Cr/Mo重量百分比(％) 9.8/4.0 9.0/3.0 9.0/0.1 9.0/0.3 5.0/0.1 5.0/0.3
  Fe2B断裂韧性值MPa·m1/2 17.7 26.4 23.2 35.5 80.4 79.2
实施例(四)
(1)根据本发明的技术方案，确定铁硼铸造耐磨合金铁的化学成分(wt.％)为：C：0.3％，B：1.0％，Mn：1.2％，Ce：0.3％，Si＜1.3％，P、S＜0.04％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，加入的不同重量百分数的Cr、Mo元素，以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，Cr、Mo加入的重量百分比(共四个百分比组合)分别见表四中所示，可以得到四组试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硼铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1650℃熔化，待钢水熔清后，依次加入硅铁和锰铁再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为5-10mm的铬铁块迅速放入炉中待熔清后，再将粒度约为5-10mm的硼铁加入电炉中熔清；待铁水熔清后静置30秒，将铁水迅速出炉倒入已放入稀土Ce的浇包，再静置10秒，在铁水液面除渣后，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程计算Fe2B相的断裂韧性值，如表中数据所示。其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，最终断裂韧性如表四中数据所示。
表四不同Cr、Mo加入量对Fe2B相断裂韧性值的影响
  Cr/Mo重量百分比(％)   9.8/0   5.0/1.0   3.0/2.0   1.0/3.0
  Fe2B断裂韧性值MPa·m1/2 20.4 51.4 61.3 65.5
由实施例(一)、(二)、(三)、(四)中测试的Fe2B断裂韧性值可以看出，Cr、Mo合金元素按一定比例复合加入才能使Fe2B断裂韧性值较大幅度的提高。

Claims (3)

1、一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，确定铁硼铸造耐磨合金配料，包括废钢、硅铁、锰铁、硼铁，并以铁硼铸造耐磨合金配料总重量为基准，按照0.5-10％的Cr元素和0-4.0％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和铁硼铸造耐磨合金配料；
然后，取出硼铁备用，将其它铁硼铸造耐磨合金配料依次加入炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧，再加入铬铁、钼铁熔清；
最后，将硼铁块加入炉中熔清，待铁水熔清后静置、除渣、成形，即可。
2、根据权利要求1所述的一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法，其特征在于，所述铬铁、钼铁的粒度均小于15mm。
3、根据权利要求1所述的一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法，其特征在于，所述硼铁块的粒度小于15mm。
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