CN102409243A

CN102409243A - 一种原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料

Info

Publication number: CN102409243A
Application number: CN2011103588011A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 丁家伟; 丁刚; 郭伟
Original assignee: JIANGSU SHENGWEI MOLD MATERIALS CO LTD
Current assignee: JIANGSU SHENGWEI MOLD MATERIALS CO LTD
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2012-04-11

Abstract

一种原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料，其特征在于该材料的化学组成成分是(质量分数，％)：0.3-0.5C，1.0-2.0B，1.0-1.5A1，2.5-3.0Cr，0.1-0.3Ti，0.05-0.20RE，0.08-0.15K，＜0.6Si，＜0.8Mn，＜0.04S，＜0.04P，余量Fe。本发明材料利用电炉便可生产，具有硬度高、韧性好等特点，用于生产模具和轧辊，代替合金钢，能明显提高使用寿命，降低产品生产成本。使用本发明材料可为制造和使用企业带来显著的经济效益。

Description

一种原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料

技术领域

本发明为一种原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

铁基材料具有熔炼工艺简便、生产成本低廉等特点，已广泛应用于冶金、矿山、建材、电力等行业。但是，单一铁基材料硬度低，耐磨性差，使用寿命短。在铁基材料中，添加高硬度颗粒，是改善铁基材料耐磨性的有效途径。中国发明专利CN1438347公开了一种含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料，包括增强体和基体合金，其增强体占总体积的5～45％，余量为基体合金，增强体为含稀土元素的YAl系、CeAl系、LaAl系金属间化合物颗粒，基体合金为Mg及Mg合金。该发明利用了金属间化合物合金所具有的高比强度、比刚度和较陶瓷材料优异的可塑性以及限制了金属间化合物块材应用的室温脆性等特性，制备含稀土元素金属间化合物颗粒增强金属基复合材料。金属间化合物既具有增强作用又具备一定的微应变协调作用，在提高基体合金强度的同时，保持了金属基复合材料较好的塑性，明显改善金属基复合材料的综合性能。

中国发明专利CN1180383也公开了TiB₂颗粒陶瓷增强铝合金金属基复合材料，该发明描述了两种陶瓷增强Al合金金属基复合材料的制备方法，第一种方法包含的步骤是：在铝或铝合金液中分散一种陶瓷相(二硼化钛相)，该陶瓷相与冰晶石或其它氟化物熔剂粉末混合，并将该混合物与铝或铝合金相一起在700℃到1000℃之间的温度下熔化。第二种方法中，氟化物熔剂被熔融铝或者其合金元素(Mg，Ca)原位还原生成不同晶粒尺寸和尺寸分布的TiB₂微晶，通过确定熔剂和合金组成及工艺温度可预先确定微晶的尺寸和尺寸分布。

中国发明专利CN1281053还公开了陶瓷相弥散强化合金及颗粒增强金属基复合材料制备方法。它利用机械合金化法，在增强相陶瓷颗粒表面粘结一层在基体合金冶炼温度下可发生放热化学反应的金属粉末。将陶瓷和金属混合粉末冷压成块状。在基体合金冶炼的后期，将块状混合粉末加入到液态合金中，待陶瓷颗粒均匀进入到液态合金中后，立即浇铸，便可得到陶瓷相弥散强化合金或陶瓷颗粒增强金属基复合材料。该方法大大降低了该类材料的制备成本，对复杂构件可近终形成形。

中国发明专利CN1381604则公开了液态法制备颗粒增强铝基复合材料时浆体中颗粒的加入法，具体为液态法制备颗粒增强铝基复合材料时浆体中颗粒的加入法。该发明首先对颗粒进行酸洗、加热、保温处理，接着对基体金属铝或铝合金熔化、精炼、扒渣，降温至半固态，然后直接将颗粒加入到半固态金属表面，用无级调速搅拌器进行搅拌，形成浆体。该发明解决了基体金属铝或铝合金与颗粒之间的润湿性问题，为颗粒增强铝基(铝或铝合金基)复合材料的制备提供了良好的浆体。

中国发明专利CN101177742则公开了一种复合材料技术领域的原位制备TiB2颗粒增强镁基复合材料的方法，步骤为：将K₂TiF₆，KBF₄和Na₃AlF₆粉末混合均匀，放入烘干炉中烘干，得到无水粉末，在电阻炉中将Al锭熔化，并保温均匀化；将经过烘干的无水粉末分批加入得到熔融Al熔体液面上，并用石墨圆盘搅拌，搅拌结束后静置，除去熔体表面的浮渣，得到TiB₂-Al中间合金；镁合金在SF₆和CO₂混合气体的保护下熔炼，并加入阻燃元素铍；将TiB₂-Al中间合金缓慢加入到得到的镁合金熔液中，搅拌，静置，浇注。该发明工艺相对简单，成本低，TiB₂/Mg复合材料密度在1.8-2.0g/cm³之间，其抗拉强度比基体合金增加了60％以上。

中国发明专利CN1865479则公开了原位合成颗粒增强钢基复合材料轧辊及其制造方法，其化学成分是(重量％)：C：1.5～3.0，W：3.0～8.0，Mo：3.0～8.0，V：3.0～8.0，Cr：4.0～6.0，Ni：1.0～3.0，Ce：0.10～0.25，La：0.10～0.25，Ti：0.08～0.20，Mg：0.06～0.18，Al：0.10～0.30，Si＜1.5，Mn＜1.5，P＜0.05，S＜0.05；其余为Fe和不可避免的微量杂质。该发明轧辊强度和硬度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，抗激冷激热性能好，但贵重合金加入量多，材料生产成本高。

中国发明专利CN1396291公开了局部原位内生颗粒增强钢基复合材料制备方法，涉及金属基复合材料的制备工艺，特别是涉及钢基复合材料及局部复合耐磨材料的制备工艺。其工艺过程包括：制备反应预制块：预制块由粉末状的1％～50％Al、C和Ti组成，C与Ti的原子比0.6～1.4，粒度范围为0.1μm～200μm；将上述配制好的原材料装入搅拌机中搅拌4～48小时，混合均匀；然后放入模具中，在室温下以200～800Mpa的压力范围压制成型；将压制好的预制块放入真空加热装置内进行真空处理。型内自蔓延原位合成反应：型内自蔓延原位合成颗粒增强相：在铸件需增强的部位放置已真空出气处理的Al-Ti-C预制块；铸型含水量＜4％，透气性＞100；浇铸温度在1450℃以上的基体钢液，存在符合层厚度浅好阅读均匀性较差的不足。

中国发明专利CN1537963公开了原位合成(TiW)C颗粒增强铁基复合材料及制备方法，是用钨原子部分替代碳化钛中的钛原子，形成了(TiW)C颗粒增强复合材料，其重量百分比化学组成为C：0.566-2.397％，Ti：2.264-4.758％，W：4.383-18.267％；该种材料可用粉末压型电弧熔炼工艺，也可以采用块体原料真空感应电炉熔炼工艺，以真空感应电炉熔炼为佳；由于生成的(TiW)C颗粒比重与铁基体比重相近，而且界面相溶性好，结合力强，大大减少了 (TiW)C在熔体中的偏析程度，解决了高温下颗粒加入难的问题，便于制备；大幅度地提高了耐磨材料的耐磨性能，但钨元素加入量多，且价格高，导致符合材料成本增加。

中国发明专利CN101235465还公开了一种原位合成硼化物/铁基复合材料，其特征在于强化相是TiB₂和Fe₂B，其体积百分数为15-20％，且各元素的化学成分按重量百分比为：0.08-0.25C，2.0-2.5B，0.8-1.2Ti，1.2-1.6Cu，0.05-0.08Mg，0.4-0.8Ce，0.05-0.12K，Si＜0.5，Mn＜0.5，S＜0.03，P＜0.04，Fe余量，但是，上述原位合成硼化物/铁基复合材料由于基体碳含量低，基体硬度低，导致复合材料的宏观硬度不超过57HRC，复合材料的耐磨性较差，另外，上述复合材料中还含有较多价格昂贵的铜，导致原位合成硼化物/铁基复合材料的生产成本增加。

发明内容

本发明目是针对现有抗磨复合材料存在的不足，提供一种以颗粒状Fe₂B为强化相的原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料。其主要特点是在中碳钢中，加入适量硼，获得高硬度的Fe₂B强化相。在此基础上，加入适量铝，以改善硼化物形态。加入适量铬，提高基体淬透性。同时还加入少量钛、稀土、钾，进一步细化和净化组织，并促使硼化物颗粒实现均匀分布，有利于获得高硬度、韧性好的。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料的化学组成成分是(质量分数，％)：0.3-0.5C，1.0-2.0B，1.0-1.5Al，2.5-3.0Cr，0.1-0.3Ti，0.05-0.20RE，0.08-0.15K，＜0.6Si，＜0.8Mn，＜0.04S，＜0.04P，余量Fe。

本发明原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料中，加入适量硼元素是为了获得高硬度的Fe₂B强化颗粒，但是Fe₂B强化相在普通凝固条件下易呈粗大的连续网状，导致材料韧性降低。为此加入铝和少量的钛、稀土、钾，可促使Fe₂B强化相呈颗粒状均匀分布于铁基体中。另外，加入铬元素，可以提高基体淬透性。含0.3-0.5％的碳，可保证铁基体具有良好的淬硬性。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：

①本发明的原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料，Fe₂B强化颗粒在铁基体中分布均匀(见图片1)，复合材料硬度高，大于62HRC，还具有较好的韧性，大于15J/cm²。

②本发明的原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料，用普通电炉熔炼，工艺简便，便于规模化制备，且不含价格昂贵的铜、钼、镍等合金元素，生产成本低廉。

③本发明的原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料，在模具、轧辊等领域使用，使用寿命比Cr12MoV钢提高100～150％，且生产成本比Cr12MoV钢降低35％以上。

附图说明

图1是实施例所制备原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料扫描电静照片

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例：

本发明材料在中频感应电炉中熔炼，熔炼过程中，先将废钢、生铁、铬铁混合加热熔化，然后加入铝、钛铁和硼铁。炉前调整元素化学成分合格后，将稀土和钾用纸包裹严实，金属熔体出炉过程中直接仍入浇包，然后直接浇注成铸件。最后将铸件加热至1050℃，保温4小时后油冷，并在200℃进行回火处理，回火保温时间8小时。本发明材料的化学组成成分见

表1，本发明材料的力学性能见表2。

表1复合材料的化学组成成分(质量分数，％)

炉号	C	B	Al	Cr	Ti	RE	K	Si	Mn	S	P	Fe
													No.1	0.31	2.00	1.46	2.52	0.10	0.20	0.13	0.37	0.62	0.020	0.038	余量
No.2	0.48	1.03	1.33	2.74	0.15	0.18	0.08	0.44	0.71	0.027	0.036	余量
													No.3	0.44	1.55	1.28	2.97	0.29	0.06	0.11	0.50	0.59	0.032	0.041	余量
No.4	0.37	1.37	1.15	2.60	0.24	0.09	0.10	0.38	0.65	0.025	0.033	余量
													No.5	0.40	1.72	1.01	2.73	0.17	0.12	0.15	0.35	0.48	0.026	0.035	余量

表2复合材料的力学性能

炉号	硬度/HRC	冲击韧性(J/cm²)
			No.1	63.8	15.3
No.2	63.5	15.8
			No.3	63.7	16.0
No.4	62.9	16.5
			No.5	63.9	15.5

将本发明材料用于制造矫直机辊环和冷作模具，使用安全、可靠，使用寿命比Cr12MoV钢提高100～150％，由于不含价格昂贵的合金元素，其生产成本比Cr12MoV钢降低35％以上。推广本发明材料可为制造和使用企业带来显著的经济效益。

Claims

1.一种原位合成硼化物颗粒增强铁基抗磨复合材料，其特征在于该材料的化学组成成分是(质量分数，％)：0.3-0.5C，1.0-2.0B，1.0-1.5Al，2.5-3.0Cr，0.1-0.3Ti，0.05-0.20RE，0.08-0.15K，＜0.6Si，＜0.8Mn，＜0.04S，＜0.04P，余量Fe。