CN103060700B - 硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料及其制造方法，属于复合材料技术领域。强化相（TiB2＋Cr7(B,C)3）体积为22～25％，复合材料元素组成：0.28-0.34C,2.6-3.0B,1.4-1.6Ti,1.8-2.2Al,10.0-11.5Cr,0.10-0.15Mg,0.06-0.10N,0.06-0.09Nb,0.06-0.09Zr,0.18-0.25Y,0.06-0.10Ca,0.08-0.12Ba,1.2-1.5Si,Mn<0.35,S<0.03,P<0.04,Fe余量。采用原位反应铸造法。复合材料具有高强度、高温硬度和较好的韧性和高温耐磨性。
Description
技术领域
本发明为一种颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料及其制造方法，特别涉及一种原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料及其制造方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
金属基复合材料综合了金属基体的高延性、高韧性和增强相高强度、高模量的优点，具有高比强度、高比刚度和耐磨及耐高温等优良特性，在航空航天、军工、汽车、冶金、矿山、机械和光学等工业领域具有十分广阔的应用前景。特别是颗粒增强的金属基复合材料，相比较纤维增强金属基复合材料具有成本低廉、各向异性小、容易成形，可用常规技术进行二次加工与机械加工等优点，近几年在国内外得到迅速发展。
颗粒增强铁基复合材料的制备工艺多为固相法，以粉末冶金和高温自蔓延烧结工艺为主。原位反应铸造法是近十几年来大力发展的新工艺，具有如下特点：(1)增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。(2)通过合理选择反应元素的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。(3)省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低。(4)从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的构件。(5)在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。
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，属于耐磨钢铁材料的改性领域，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。中国发明专利CN102409243A还公开了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。该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。中国发明专利CN102357653A还公开了一种纳米颗粒增强模具钢制备工艺，它是将原位合成TiNC/Si3N4纳米混合粉体与预分散铁粉共同在搅拌球磨机内进行预分散混合，然后制成分散预制块，加入钢水包中，通过高温钢水使其在钢液中原位合成TiNC/Si3N4/Al2O3纳米颗粒混合粉体，通过电磁搅拌器使其在模具钢基体内形成均匀分散，采用铸造法成型。该发明采用原位合成纳米颗粒改善了纳米颗粒与基体的润湿性能，通过二次扩散和电磁搅拌工艺得到均匀分布纳米颗粒的模具钢，使模具钢得到改性和强化。通过调整纳米颗粒的加入量可调节其体积分数，以满足不同使用工况的要求。该发明的纳米改性高耐磨模具钢具有优良力学性能，生产工艺简单，制备成本低。中国发明专利CN102205406A还公开了一种原位合成Al3Ti金属间化合物颗粒增强铝基复合气缸套及其制备方法。该方法主要是以钛丝丝网为合成增强体的原材料，先通过压铸法得到内表面为1-3mm厚的钛丝丝网增强铝基复合材料；再通过激光熔覆法将该层快速熔化；在气缸套内表面形成1-3mm厚的Al3Ti金属间化合物颗粒增强铝基复合材料；最后经热处理、机械加工和打磨处理得到成品铝基复合气缸套；相对于传统的铸铁类气缸套，采用本发明的方法制得的复合气缸套质量能减少2-3倍、且显微组织致密；该发明气缸套的复合层的硬度可达HB>80、韧性较好，具有较好抗氧化性和抗耐磨性能。中国发明专利CN102337536A还公开了一种金属板材表层原位合成碳化钨颗粒强化复合耐磨层的制备方法。首先对要进行表层强化的金属板进行表面除锈，然后对钢板进行表层增碳处理，再把金属钨粉涂覆在钢板的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，并通过高频感应器对钢板表层进行快速熔化，待表层凝固后除掉板材表层的涂覆层，最后得到原位合成的碳化钨颗粒表层强化的合金钢板材。既保持了钢板基材金属的韧性和塑性特点，又具有较高的耐磨性。WC复合层的厚度可达到1-2mm，硬度HRC56-60。中国发明专利CN1865479还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。复合轧辊显著提高了轧钢机作业率，降低轧材生产成本。中国发明专利CN1621184还公开了一种颗粒增强钛基复合材料的粉末冶金方法，涉及一种粉末冶金方法，特别是含有颗粒增强相的粉末冶金钛基复合材料的粉末冶金方法。其特征在于在采用粉末冶金钛合时，在配制的粉末中加入碳化铬，加入量以C含量计为5Vol％-15Vol％，混料后，经冷等静压成型，经过1200℃～1300℃、1～6h真空烧结制得含颗粒增强相TiC粒子钛合金。该发明的粉末钛基复合材料在烧结过程中，钛与碳化铬发生原位合成反应，生成TiC颗粒增强相，由于第二相粒子的出现，细化了合金晶粒，阻碍了合金中裂纹的扩展，从而提高了合金的性能。
TiB2除具有高熔点、高硬度、高模量和良好的耐腐蚀性能外，还有断裂韧性相对较好及热膨胀率与基体相差较小的优势，因而作为原位合成复合材料中的增强相正日益得到广泛的应用。中国发明专利CN101104903公开了一种铝碳化钛/二硼化钛复合材料及其制备方法，复合材料由二硼化钛颗粒增强相和铝碳化钛基体组成，其中二硼碳化钛颗粒增强相的体积百分数为10～30％。制备方法是：原料为碳化硼粉、钛粉、铝粉和石墨粉，B4C∶Ti∶Al∶C的摩尔比为2∶(40.4～13.4)∶(13.6～3.6)∶(20.4～3.9)。原料粉经物理机械方法混合10～18小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5～10MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10～30℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。该发明可以在较低温度原位制备出具有高强度的致密Ti3AlC2/TiB2复合材料。长期以来，TiB2主要作为铝、钛等合金的增强相。Cr7(B,C)3是一种硬度很高和热稳定性好，耐磨且脆性相对较小的硬质相，它的适量存在对材料耐磨性能的改善有明显的效果。铁基材料是一种应用十分广泛的金属材料，具有价格低廉，制备无污染，回用方便和成型性能好等优点，同时通过热处理可以调整其机械性能和物理性能。利用TiB2和Cr7(B,C)3强化高温性能优异的Fe-Cr-Al基体，对于提高材料的高温耐磨，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是采用原位反应铸造法，原位合成（TiB2+Cr7(B,C)3）硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al基复合材料，同时采用热处理，使基体转变为强韧性好的板条马氏体，并加入少量氮、铌、锆、钙、钇、镁、钡，改善硼化物的形态和分布，并细化凝固组织，得到颗粒状（TiB2＋Cr7(B,C)3）均匀分布在板条马氏体基体上的细小复合组织，使复合材料具有高强度、高温硬度和较好的韧性和高温耐磨性。
本发明的目的可以通过以下措施来实现。
本发明硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，其特征在于，硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料中，强化相（TiB2＋Cr7(B,C)3）的体积百分数为22～25％，且复合材料各元素的化学成分按质量百分比为：0.28-0.34C,2.6-3.0B,1.4-1.6Ti,1.8-2.2Al,10.0-11.5Cr,0.10-0.15Mg,0.06-0.10N,0.06-0.09Nb,0.06-0.09Zr,0.18-0.25Y,0.06-0.10Ca,0.08-0.12Ba,1.2-1.5Si,Mn<0.35,S<0.03,P<0.04,Fe余量。
本发明硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料的制造工艺，其特征在于，采用原位反应铸造法，原位合成（TiB2＋Cr7(B,C)3）硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al基复合材料，包括以下步骤：
（1）将Q235钢、低碳铬铁、铌铁、硅铁和增碳剂在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1600～1615℃，并加铝脱氧和合金化，然后加入硼铁和钛铁；
（2）当硼铁和钛铁全部熔化后，将熔体温度升至1620～1635℃，加入含氮铬铁和硅钙钡合金2～3分钟后出炉，将钇基重稀土镁硅铁合金和锆铁，置于浇包底部，用冲入法对金属熔体进行复合变质处理；
（3）然后将经过步骤（2）处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1435～1460℃；
（4）铸件清理后，在950～980℃保温2～4小时，水冷，然后在200～220℃进行回火处理，回火保温时间6～10小时，最后空冷至室温，得到硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料。
本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：
①本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，颗粒增强相是TiB2和Cr7(B,C)3，其体积百分数总计为22～25％，TiB2和Cr7(B,C)3颗粒增强相硬度高，分别达到2960～3110Hv和1650～1820Hv，且热稳定性好，高温热处理后不分解、不软化。
②本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，用普通电炉熔炼，工艺简便，便于规模化制备，且不含价格昂贵的镍、钼、钨、钒等合金元素，生产成本低廉。
③本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，其基体材料是Fe-Cr-Al，具有良好的高温稳定性，确保颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料具有优异的高温耐磨性能。
④本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料经热处理后，基体转变为强韧性好的板条马氏体，复合材料具有强度、硬度高，韧性和耐磨性好等特点，其中硬度大于60HRC，抗拉强度大于700Mpa，冲击韧性大于12J/cm2。
⑤本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，应用于高温模具和轧钢机导卫等领域，使用寿命分别比1Cr13Mo耐热钢模具和高镍铬合金导卫提高40%和50%以上，但生产成本相当。
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1：
用500公斤中频感应电炉熔炼金属熔体，采用原位合成法制备硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，其制造工艺步骤是：
（1）将Q235钢、低碳铬铁、铌铁、硅铁和增碳剂在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1602℃，并加铝脱氧和合金化，然后加入硼铁和钛铁。
（2）当硼铁和钛铁全部熔化后，将熔体温度升至1625℃，加入含氮铬铁和硅钙钡合金3分钟后出炉，将钇基重稀土镁硅铁合金和锆铁，置于浇包底部，用冲入法对金属熔体进行复合变质处理。
（3）然后将经过步骤（2）处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1438℃；
（4）铸件清理后，在950℃保温4小时，水冷，然后在220℃进行回火处理，回火保温时间10小时，最后空冷至室温，得到硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料产品。复合材料中各元素的化学成分见表1，复合材料性能见表2。
实施例2：
用500公斤中频感应电炉熔炼金属熔体，采用原位合成法制备硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，其制造工艺步骤是：
（1）将Q235钢、低碳铬铁、铌铁、硅铁和增碳剂在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1614℃，并加铝脱氧和合金化，然后加入硼铁和钛铁。
（2）当硼铁和钛铁全部熔化后，将熔体温度升至1632℃，加入含氮铬铁和硅钙钡合金2分钟后出炉，将钇基重稀土镁硅铁合金和锆铁，置于浇包底部，用冲入法对金属熔体进行复合变质处理。
（3）然后将经过步骤（2）处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1457℃；
（4）铸件清理后，在980℃保温2小时，水冷，然后在200℃进行回火处理，回火保温时间10小时，最后空冷至室温，得到硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料产品。复合材料中各元素的化学成分见表1，复合材料性能见表2。
实施例3：
用500公斤中频感应电炉熔炼金属熔体，采用原位合成法制备硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料，其制造工艺步骤是：
（1）将Q235钢、低碳铬铁、铌铁、硅铁和增碳剂在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1608℃，并加铝脱氧和合金化，然后加入硼铁和钛铁。
（2）当硼铁和钛铁全部熔化后，将熔体温度升至1629℃，加入含氮铬铁和硅钙钡合金2分钟后出炉，将钇基重稀土镁硅铁合金和锆铁，置于浇包底部，用冲入法对金属熔体进行复合变质处理。
（3）然后将经过步骤（2）处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1446℃；
（4）铸件清理后，在960℃保温3小时，水冷，然后在210℃进行回火处理，回火保温时间8小时，最后空冷至室温，得到硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料产品。复合材料中各元素的化学成分见表1，复合材料性能见表2。
表1复合材料中各元素的化学成分质量百分数及硼化物体积分数
表2复合材料力学性能
| 力学性能 | 硬度，HRC | 抗拉强度，MPa | 冲击韧性，J/cm2 |
| 实施例1 | 61.4 | 725 | 12.8 |
| 实施例2 | 60.8 | 710 | 13.3 |
| 实施例3 | 61.3 | 735 | 13.0 |
取本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料制作的高温热作模具和轧钢机导卫，进行了工业运行考核，结果如下：本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料制作的高温热作模具和轧钢机导卫，其使用寿命分别比1Cr13Mo耐热钢模具和高镍铬合金钢导卫提高40%和50%以上，且使用安全、可靠，但生产成本相当。本发明原位合成硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料生产工艺简单，原料来源丰富，不含贵重合金元素，生产成本低廉，推广应用具有很好的经济和社会效益。
Claims (2)
1.硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料的制备方法，其特征在于，硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料中，强化相TiB2+Cr7(B,C)3的体积百分数为22～25％，且复合材料各元素的化学成分按质量百分比为：0.28-0.34C,2.6-3.0B,1.4-1.6Ti,1.8-2.2Al,10.0-11.5Cr,0.10-0.15Mg,0.06-0.10N,0.06-0.09Nb,0.06-0.09Zr,0.18-0.25Y,0.06-0.10Ca,0.08-0.12Ba,1.2-1.5Si,Mn<0.35,S<0.03,P<0.04,Fe余量；
采用原位反应铸造法，原位合成TiB2+Cr7(B,C)3硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al基复合材料，包括以下步骤：
(1)将Q235钢、低碳铬铁、铌铁、硅铁和增碳剂在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1600～1615℃，并加铝脱氧和合金化，然后加入硼铁和钛铁；
(2)当硼铁和钛铁全部熔化后，将熔体温度升至1620～1635℃，加入含氮铬铁和硅钙钡合金2～3分钟后出炉，将钇基重稀土镁硅铁合金和锆铁，置于浇包底部，用冲入法对金属熔体进行复合变质处理；
(3)然后将经过步骤(2)处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1435～1460℃；
(4)铸件清理后，在950～980℃保温2～4小时，水冷，然后在200～220℃进行回火处理，回火保温时间6～10小时，最后空冷至室温，得到硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料。
2.按照权利要求1的方法制备得到的硼化物颗粒强化Fe-Cr-Al复合材料。
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