CN103436769A - 一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金 - Google Patents
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Abstract
一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，属于铸造技术领域。该合金由质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、12～15%的硼铁、8～10%的碳素铬铁、6～8%的氮化铬铁、4～5%的金属铝、0.5～0.8%的稀土硅铁合金、0.5～0.8%的硅钙钡合金和20～24%的Q235废钢冶炼、铸造和热处理而成，具有硬度高，高温抗磨性好和制造成本低的优势，推广应用具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明为一种高温抗磨合金及其制备方法，特别涉及一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金及其制备方法，属于铸造技术领域。
背景技术
高温磨损是一种严酷的磨损工况，对材料要求极高，不仅要求高硬度，还要有良好的抗氧化性以及基体抗高温软化能力，普通材料难以满足要求。为了提高材料的抗高温磨损能力，中国发明专利CN102851569A公开了一种耐高温抗磨白口铸铁件及生产方法，用于解决白口铸铁的硬度问题。其特别之处是，所述白口铸铁件的化学成分按照质量分数百分比计为：C3.0-3.5%；Cr30-36%；Mo1.8-2.5%；Si≤1%；Ni1.0-2.0%；Mn1.05-1.5%；B0.5-1.0%；P≤0.10%;S≤0.08%，余量为Fe，所述白口铸铁的铬碳比值需满足Cr/C=8.5-12。该发明方法包括熔炼、浇注、保温冷却。该发明铸铁件铸态保温慢冷状态硬度：HRC≥61；淬火回火后硬度：HRC≥66，在700℃温度下仍可以保持硬度HRC≥61，其耐腐蚀性也优于现有白口铸铁件，特别适合用作高温条件下工作的耐磨工件。中国发明专利CN101037762还公开了一种高温抗磨合金，该发明的目的是提供一种高温抗磨合金，其高温抗磨性能好，使用寿命长。该发明的技术方案是，一种高温抗磨合金，各成分及其重量百分比为：C为0.13-0.28％、Si为0.5-2.2％、Mn为0.7-1.6％、P为≤0.04％、S为≤0.03％、Cr为21-25％、Ni为6-8％、Mo为0.8-1.2％、V为0.4-0.7％、N为0.15-0.3％、Re为0.6-0.8％、余量为Fe。该发明用于窑口护铁和中心筒。中国发明专利CN1908219还公开了一种耐高温抗磨抗氧化合金钢及其制备方法，该发明是由N、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V、W、Co组成，该材料配比的化学成分按重量百分比计含有：1～3%N,0.1～0.3%C,28～30%Cr,10～12%Ni,1.6～1.8%Mo,3～5%W,0.4～0.5%V,0.2～0.5%Co。长期在1300℃高温环境下，抗弯曲强度高，无高温蠕变现象，高温强度不变；流动介质为20％的石英砂、云石，80％的煤在25.4米/秒流速及1100～1200℃的温度下，每100小时磨损率为0.002毫米；长期在SO2或高含量O2气氛下，由于氮的加入在材料表面不断形成氮化层，因此防止了金属的晶间腐蚀；可焊性好。采用该发明上述比例，冶炼制成。该产品具有较强的耐高温、抗磨、抗氧化性能，广泛应用于电力、水泥、石化、航天、航空多个领域。中国发明专利CN1603446还公开了一种碳化物强化镍铝基复合高温抗磨材料。该发明属于Ni3Al基复合高温抗磨材料的制备领域。更适用于采用碳化物来强化Ni3Al基的复合型抗高温氧化和抗磨损的合金材料。组成该材料的特征在于高温抗磨材料的成分重量％为：Al6-14％；Fe1-15％；B0.01-0.1％；碳化物15-35％；余量为Ni。采用该发明高温抗磨材料与现有技术的Stellite合金相比较具有材料成本低，而且在高温下使用具有良好的抗磨性和抗氧化性能等特点，其使用温度要比Stellite合金高200℃左右。
但是，上述高温抗磨材料中含有价格昂贵的镍、钼、钨等合金元素，生产成本高，市场竞争力差。
发明内容
本发明针对市场上现有高温抗磨材料中存在的上述问题，以廉价的铬、硼、铝为主要合金元素，开发一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，为了进一步提高Fe-Cr-B-Al的性能，还加入了稀土、氮、硅、钙、钡等元素。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金由质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、12～15%的硼铁、8～10%的碳素铬铁、6～8%的氮化铬铁、4～5%的金属铝、0.5～0.8%的稀土硅铁合金、0.5～0.8%的硅钙钡合金和20～24%的Q235废钢冶炼而成。
本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①采用质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、12～15%的硼铁、8～10%的碳素铬铁、6～8%的氮化铬铁、4～5%的金属铝、0.5～0.8%的稀土硅铁合金、0.5～0.8%的硅钙钡合金和20～24%的Q235废钢配料。
②将质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、20～24%的Q235废钢、8～10%的碳素铬铁和6～8%的氮化铬铁混合加热熔化，当金属熔液温度升至1520～1550℃时，依次加入4～5%的金属铝和12～15%的硼铁，然后将温度升至1560～1580℃，依次加入0.5～0.8%的硅钙钡合金和0.5～0.8%的稀土硅铁合金，保温2.0～2.5分钟后出炉。
③当金属熔液温度降至1420～1450℃时浇入铸型，铸件浇注3～6小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1030～1050℃，保温2～3h后，风冷至温度低于200℃后，继续入炉加热至200～230℃，保温8～10h后，炉冷至温度低于100℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。
如上所述的1Cr13不锈钢废料的化学成分质量分数为：0.10～0.15%C,11.50～13.50%Cr,≤1.00%Si,≤1.00%Mn,≤0.025%S,≤0.030%P,≤0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe。
如上所述的硼铁的化学成分质量分数为：19.0-21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe。
如上所述的碳素铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe。
如上所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe。
如上所述的稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%RE,38.0～42.0%Si,<3.0%Mn,<5.0%Ca,<3.0%Ti，余量为Fe。
如上所述的硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe。
如上所述的Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe。
合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明材料组成是这样确定的：
本发明以铬、硼和铝为主要合金元素，为了降低材料生产成本，铬主要靠廉价的1Cr13不锈钢废料来补充，其加入量高达40～45%。另外加入8～10%的碳素铬铁，主要是为了增加合金中的铬含量和碳含量，得到高硬度碳化物前提下，提高基体硬度。加入6～8%的氮化铬铁主要是为了增加合金中的铬含量和氮含量，氮的加入可以与硼铁中硼结合生成硬度高、热稳定性好的BN，有利于改善Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性。此外加入4～5%的金属铝，主要是利用铝进入基体，提高基体高温稳定性，有利于改善Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性。加入0.5～0.8%的稀土硅铁合金，主要是利用稀土改善Fe-Cr-B-Al合金高温下氧化膜的致密性以及氧化膜和基体的附着力，对改善Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性非常有效。加入0.5～0.8%的硅钙钡合金主要是为了改善Fe-Cr-B-Al合金中夹杂物的形态和分布，提高Fe-Cr-B-Al合金的力学性能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明Fe-Cr-B-Al铸造合金，以1Cr13不锈钢废料和Q235废钢为主要原料，另外还加入适量碳素铬铁、氮化铬铁、硼铁、金属铝、稀土硅铁合金和硅钙钡合金，不单独加入价格昂贵的钼、钨、钒、铌、钴等昂贵合金元素，具有较低的生产成本，比常用的高速钢降低50%以上。
2）本发明Fe-Cr-B-Al铸造合金具有硬度高，高温耐磨性好等特点，其硬度达到64～66HRC，抗弯强度达到2400～2600MPa，由于显微组织中高硬度BN的存在，其500℃下的高温抗磨性能优于高速钢，比高速钢提高20%以上。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详述：
实施例1
本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，采用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①采用质量分数40%的1Cr13不锈钢废料、15%的硼铁、8%的碳素铬铁、8%的氮化铬铁、4%的金属铝、0.8%的稀土硅铁合金、0.5%的硅钙钡合金和23.7%的Q235废钢配料。
②将质量分数40%的1Cr13不锈钢废料（1Cr13不锈钢废料的化学成分质量分数为：0.10～0.15%C,11.50～13.50%Cr,≤1.00%Si,≤1.00%Mn,≤0.025%S,≤0.030%P,≤0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe）、23.7%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe）、8%的碳素铬铁（碳素铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）和8%的氮化铬铁（氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe）混合加热熔化，当金属熔液温度升至1522℃时，依次加入4%的金属铝和15%的硼铁（硼铁的化学成分质量分数为：19.0-21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe），然后将温度升至1564℃，依次加入0.5%的硅钙钡合金（硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe）和0.8%的稀土硅铁合金（稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%RE,38.0～42.0%Si,<3.0%Mn,<5.0%Ca,<3.0%Ti，余量为Fe），保温2.5分钟后出炉。
③当金属熔液温度降至1424℃时浇入铸型，铸件浇注3小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1030℃，保温3h后，风冷至温度低于200℃后，继续入炉加热至230℃，保温8h后，炉冷至温度低于100℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。合金性能见表1。
实施例2
本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，采用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①采用质量分数45%的1Cr13不锈钢废料、12%的硼铁、10%的碳素铬铁、6%的氮化铬铁、5%的金属铝、0.5%的稀土硅铁合金、0.8%的硅钙钡合金和20.7%的Q235废钢配料。
②将质量分数45%的1Cr13不锈钢废料（1Cr13不锈钢废料的化学成分质量分数为：0.10～0.15%C,11.50～13.50%Cr,≤1.00%Si,≤1.00%Mn,≤0.025%S,≤0.030%P,≤0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe）、20.7%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe）、10%的碳素铬铁（碳素铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）和6%的氮化铬铁（氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe）混合加热熔化，当金属熔液温度升至1549℃时，依次加入5%的金属铝和12%的硼铁（硼铁的化学成分质量分数为：19.0-21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe），然后将温度升至1577℃，依次加入0.8%的硅钙钡合金（硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe）和0.5%的稀土硅铁合金（稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%RE,38.0～42.0%Si,<3.0%Mn,<5.0%Ca,<3.0%Ti，余量为Fe），保温2.0分钟后出炉。
③当金属熔液温度降至1448℃时浇入铸型，铸件浇注6小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1050℃，保温2h后，风冷至温度低于200℃后，继续入炉加热至200℃，保温10h后，炉冷至温度低于100℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。合金性能见表1。
实施例3
本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，采用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①采用质量分数43%的1Cr13不锈钢废料、13%的硼铁、9%的碳素铬铁、7%的氮化铬铁、4.5%的金属铝、0.7%的稀土硅铁合金、0.7%的硅钙钡合金和22.1%的Q235废钢配料。
②将质量分数43%的1Cr13不锈钢废料（1Cr13不锈钢废料的化学成分质量分数为：0.10～0.15%C,11.50～13.50%Cr,≤1.00%Si,≤1.00%Mn,≤0.025%S,≤0.030%P,≤0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe）、22.1%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe）、9%的碳素铬铁（碳素铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe）和7%的氮化铬铁（氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe）混合加热熔化，当金属熔液温度升至1537℃时，依次加入4.5%的金属铝和13%的硼铁（硼铁的化学成分质量分数为：19.0-21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe），然后将温度升至1570℃，依次加入0.7%的硅钙钡合金（硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe）和0.7%的稀土硅铁合金（稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%RE,38.0～42.0%Si,<3.0%Mn,<5.0%Ca,<3.0%Ti，余量为Fe），保温2.2分钟后出炉。
③当金属熔液温度降至1435℃时浇入铸型，铸件浇注5小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1040℃，保温3h后，风冷至温度低于200℃后，继续入炉加热至220℃，保温9h后，炉冷至温度低于100℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。合金性能见表1。
表1合金力学性能和高温耐磨性能
本发明Fe-Cr-B-Al铸造合金具有硬度高，抗弯强度好等特点，且该合金以1Cr13不锈钢废料和Q235废钢为主要原料，另外还加入适量碳素铬铁、氮化铬铁、硼铁、金属铝、稀土硅铁合金和硅钙钡合金，不单独加入价格昂贵的钼、钨、钒、铌、钴等昂贵合金元素，具有较低的生产成本，比常用的高速钢（2C-5Cr-5Mo-5W-5V）降低50%以上。此外，Fe-Cr-B-Al铸造合金显微组织中高硬度BN的存在，其500℃下的高温抗磨性能优于常用的高速钢，在高温磨损试验条件下，Fe-Cr-B-Al铸造合金的磨损量不超过22mg，而对比高速钢材料（2C-5Cr-5Mo-5W-5V）的磨损量达到27.6mg，本发明Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性能比高速钢提高20%以上，有望用于制造冶金热轧辊、穿孔机顶头、热作模具等高温磨损部件，推广应用将会产生显著的经济和社会效益。
Claims (8)
1.一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，由质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、12～15%的硼铁、8～10%的碳素铬铁、6～8%的氮化铬铁、4～5%的金属铝、0.5～0.8%的稀土硅铁合金、0.5～0.8%的硅钙钡合金和20～24%的Q235废钢冶炼而成，铸造合金用电炉熔炼，其制造工艺步骤包括如下：
①采用质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、12～15%的硼铁、8～10%的碳素铬铁、6～8%的氮化铬铁、4～5%的金属铝、0.5～0.8%的稀土硅铁合金、0.5～0.8%的硅钙钡合金和20～24%的Q235废钢配料；
②将质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、20～24%的Q235废钢、8～10%的碳素铬铁和6～8%的氮化铬铁混合加热熔化，当金属熔液温度升至1520～1550℃时，依次加入4～5%的金属铝和12～15%的硼铁，然后将温度升至1560～1580℃，依次加入0.5～0.8%的硅钙钡合金和0.5～0.8%的稀土硅铁合金，保温2.0～2.5分钟后出炉；
③当金属熔液温度降至1420～1450℃时浇入铸型，铸件浇注3～6小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1030～1050℃，保温2～3h后，风冷至温度低于200℃后，继续入炉加热至200～230℃，保温8～10h后，炉冷至温度低于100℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。
2.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的1Cr13不锈钢废料的化学成分质量分数为：0.10～0.15%C,11.50～13.50%Cr,≤1.00%Si,≤1.00%Mn,≤0.025%S,≤0.030%P,≤0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe。
3.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的硼铁的化学成分质量分数为：19.0-21.0%B,≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%Al,≤0.01%S,≤0.1%P,余量Fe。
4.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的碳素铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe。
5.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为：60～63%Cr,5.0～6.5%N,C≤0.1%,Si≤2.5%,P≤0.03%,S≤0.04%,余量Fe。
6.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%RE,38.0～42.0%Si,<3.0%Mn,<5.0%Ca,<3.0%Ti，余量为Fe。
7.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe。
8.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe‐Cr‐B‐Al铸造合金，其特征在于，所述的Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe。
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