CN105695884B - 一种非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金及其制备方法 - Google Patents

一种非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金其及制备方法，各元素的质量百分含量为Cr：9.0~12.0，B：2.6~2.9，C：0.7~0.9，Nb：0.4~0.8，V：0.4~0.8，Mn的含量小于0.3，Si的含量小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe，其中C、B总和：3.3~3.6；C/Cr含量比：0.06~0.08；Nb、V的总和为0.5~1.0。本发明通过多元合金化，形成共晶成分，熔点低、流动性好，铸造工艺要求简单，可铸造大型耐磨耐蚀铸件，也可生产小型精密耐磨耐蚀铸件。合金的硬度为HRC66~70，冲击韧性4~9J/cm2。

Description

一种非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高硬度耐磨铸铁领域，涉及一种含超细硬质相和非晶/纳米晶、过饱和固溶体、马氏体基体相的耐磨耐蚀铸铁的合金及其构件制备方法，可广泛用于电力、冶金、机械、化工等行业中机械耐磨件制造。
技术背景
矿山、冶金、电力等行业的机械设备中，广泛应用的耐磨材料是镍硬铸铁、高铬铸铁、高锰钢和低合金耐磨钢。由于高锰钢的硬度很低，其耐磨性完全依赖于使用过程中的加工硬化效应，在实际工况应用条件下，不能或不能完全加工硬化，其内在的潜能不能得到充分发挥，有时耐磨性甚至低于普通碳钢。高铬铸铁韧性低，高温热处理易开裂，不适应于有较大冲击的磨损领域，且Cr含量多，生产成本较高；低合金耐磨钢韧性好，硬度低，耐磨性能没有明显优势。镍硬铸铁虽具有较好的抗磨性，但为改善其淬透性常需加入价格昂贵的Ni和Mo合金元素，导致其生产成本不断升高。
硼元素在地壳中的储量约占3×10-4%，是我国的富有元素，价格较低。硼在铁中的最大溶解度只有0.02%，加入铁中的硼元素绝大部分将会形成硼化物，只有微量的硼会固溶于基体中。利用硼在铁中的溶解度极低这一原理，20世纪90年代初，澳大利亚昆士兰大学的Lakeland等人制备含有大量硼化物的Fe-B合金，实现了以硼化物作为耐磨材料的耐磨骨架，基体含碳量和硼化物体积分数的独立控制，合金宏观硬度可以在很大的范围内变化，可以从HRC22到HRC62，具有优异的强韧性和耐磨性，Fe-B合金有望成为继高铬铸铁、镍硬铸铁后新一代耐磨材料。
Fe-B合金中的硬质相M2B（M代表溶入硼化物中的Fe、Cr、V、Nb等合金元素）呈连续网状分布，完全破坏了基体的连续性，导致合金的韧性较低，很难应用到受冲击力较大的恶劣工作条件中，故使其应用范围受到限制。采用高温热处理、稀土变质，合金化等手段，改善硼化物的连续网状分布形态对Fe-B合金进行强韧化处理，扩大其使用范围，充分发挥其耐磨潜力是一项十分重要的课题，但目前所做的研究还没有取得实质性突破。
将Fe-B合金基体相的强度进一步提高，并保留一定量Fe2B或M2B硬质相，则可实现高硬度、高韧性。非晶/纳米晶、过饱和固溶体、马氏体等都具有很高的强度和硬度，韧性良好，并且耐蚀性好，由此，可通过基体相的非晶/纳米晶化，形成新的高硬度、高耐蚀性合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高硬度、高耐蚀性Fe-Cr-B-C耐磨铸造合金及其制备方法，该合金以Fe2B或M2B硬质相为硬质相，基体为非晶/纳米晶、多元过饱和固溶体、马氏体等非平衡相，具有良好的韧性和高硬度、高耐蚀性，熔炼-铸造工艺性好，具有十分广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
设计了一种含Fe、Cr、B、C、Nb、V等元素的多元共晶合金，各元素的质量百分含量为Cr：9.0~13.0，B：2.6~2.9，C：0.7~0.9，Nb：0.4~0.8，V：0.4~0.8，Mn的含量小于0.3，Si的含量小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe。其中C、B总和：3.3~3.6；C/Cr含量比：0.06~0.08；Nb、V的总和为0.5~1.0。
Fe、Cr、B、C为主要元素，成份范围适合形成基体与Fe2B或M2B硬质相共晶合金，共晶温度在1100~1160℃之间。该共晶体的非晶形成能力强，易形成具有高硬度、高耐蚀性的非晶/纳米晶、过饱和固溶体、马氏体相基体组织。
B元素的主要作用是形成Fe2B或M2B硬质相，并和C元素含量配合，形成低熔点共晶体。
Cr、C元素起到固溶强化基体，抑制基体相分解，促进马氏体形成的作用；基体中Cr含量高，可提高合金的耐蚀性。
B、Nb、V等元素能稳定液态金属，降低基体结晶度，形成过饱和固溶基体或非晶/纳米晶基体。Nb、V为强碳化物形成元素，可阻止晶粒粗化。
控制C、B总和：3.3~3.6；C/Cr含量比：0.06~0.08，能避免形成针状或长条状 M3C(如Fe3C)化合物。
Mn元素既可溶于硼化物，扩大奥氏体区，又能溶于基体，有助于淬透性的提高，还能使临界冷却速度降低，有利于形成马氏体，但加入量过多会使淬火组织中存在大量残余奥氏体，降低了合金的抗磨能力，可造成组织粗大，易开裂，因此控制Mn含量小于0.3。
Si元素主要溶于基体，增加其强度，且在熔炼时具有脱氧作用,使合金的凝固特性得以改善，但降低合金的韧性，并促进晶化和晶粒粗化，不利于非晶/纳米晶形成，因此需要严格控制。
S、P两元素是不可避免的有害杂质，能影响合金的耐磨性，且对裂纹的形成有促进作用，应严格控制。
在具体制备合金时，可采用铬铁（高碳、中碳、微碳）、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁等按照成分要求配料。表1中列举了原材料及其成份。
表1 可应用于制备发明合金的原料及成份
表1的原料成分并非唯一的，具体成分由实际可获得的原材料来确定。其中铬铁、金属铬、硼铁、铌铁和钒铁提供发明合金的Cr、B、Nb和V的含量，高碳铬铁用来平衡C含量。由于上述原料中具有较高含量的Si，需要用Mn和Si含量较低的纯铁来确保Mn、Si在发明合金的控制范围内，这种纯铁可以是电工纯铁、电磁纯铁或工业纯铁。
采用上述原料，配制发明合金成分后，可采用感应炉、电阻炉或真空感应炉等来熔炼制备合金。由于合金主要成分为Fe-Cr-B-C共晶，熔体的流动性很很好，因此可通过各种方法铸造成型，如通过普通砂型模铸造或者熔模铸造、消失模铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造、压铸、离心铸造等特殊铸造方法，后续可采用低于600℃的去应力退火工艺和必要的机加工工序。
在制备小型铸造零件时，也可使用预先制备的具有发明合金成分的母合金为原料，再重熔-铸造。
合金在普通砂模铸造条件下都能形成非平衡基体组织，一般从凝固温度到600℃之间的冷却速度应不低于60℃/分钟，但在制备大型铸件时为了避免由于热应力作用而发生的开裂现象，应在600℃~800℃解除模具的约束。
本发明的主要特点是通过多元合金化，形成共晶成分，熔点低、流动性好，铸造工艺要求简单，可铸造大型耐磨耐蚀铸件，也可生产小型精密耐磨耐蚀铸件。合金的硬度为HRC66~70，冲击韧性4~9J/cm2。
附图说明
图1 本发明实例1 显微组织图；
图2 本发明实例2 显微组织图；
图3 本发明实例1 合金XRD 图；
图4 本发明实例2 合金XRD 图。
具体实施方式
本发明的各种熔炼方法、铸造方法不受下述实例的限制，任何在本发明的权利要求书要求保护的范围内的改进和变化都在本发明的保护范围之内。
选用高碳铬铁、微碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁、工业纯铁等为原料，在发明要求的成分范围内配制成合金。
实施例1. 选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.%；B：2.9wt.% ；C:0.7wt.%；Nb:0.4wt.%；V:0.2wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和铁模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开铁模，空冷，铸锭重40kg, 厚度为30mm。
实施例2. 选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.%；B：2.7wt.% ；C:0.7wt.%；Nb:0.5wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和砂模铸造母合金，浇铸成条状，熔炼温度为1450℃，浇铸温度约1400℃。用电阻炉将母合金铸条重熔，熔化温度约1300℃，采用压铸机压铸成精密部件，单个部件重300g，最小厚度为2mm。
实施例3. 选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.%；B：2.7wt.% ；C:0.8wt.%；Nb:0.6wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和离心铁模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开铁模，空冷，铸锭重120kg, 厚度为30mm。
实施例4. 选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：11.0wt.%；B：2.7wt.% ；C:0.7wt.%；Nb:0.2wt.%；V:0.4wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和砂模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开砂模，空冷，铸锭重30kg, 厚度约为20mm。
实施例5. 选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.%；B：2.6wt.% ；C：0.6wt.%；Nb：0.3wt.%；V：0.1wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和消失模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开模具，空冷，单个铸锭重10kg, 最小厚度为5mm。
实施例6. 选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.%；B：2.6wt.% ；C：0.8wt.%；Nb：0.8wt.%；杂质元素控制见表2。采用真空感应熔炼和铁模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开模具，空冷，单个铸锭重15kg, 厚度为15mm。
实施例7. 选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：11.0wt.%；B：2.6wt.% ；C：0.9wt.%；Nb：0.2wt.%；V：0.2wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和砂模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开模具，空冷，单个铸锭重3kg, 最小厚度为2mm。
实施例8. 选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：13.0wt.%；B：2.6wt.% ；C：0.8wt.%；Nb：0.6wt.%；V：0.4wt.%；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和消失模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1400℃。铸锭温度约800℃时打开模具，空冷，单个铸锭重5kg, 最小厚度为3mm。
各实施例所制备铸造合金性能检测如下所述：
1. 对实例铸造金属采用HR-150A 洛氏硬度机进行硬度测试，载荷为150Kg，打五个点后取平均值，如表2 所示。
2. 对实例铸造金属采用JBS-300B冲击试验机进行冲击韧性测试，量程为150J，打五个样后取平均值，如表2 所示。
表2 实施例的成分与硬度、冲击韧性

Claims (5)

1.一种非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金，其特征在于：各元素的质量百分含量为Cr：9.0~12.0，B：2.6~2.9，C：0.7~0.9，Nb：0.4~0.8，V：0.4~0.8，Mn小于0.3，Si小于0.07，S和P小于0.01，余量为Fe，其中C、B总和为3.3~3.6；C/Cr含量比为0.06~0.08；Nb、V的总和为0.5~1.0。
2.根据权利要求1所述的非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述的Cr的质量百分含量为：9.0~11.5。
3.一种如权利要求1所述的合金非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于包括以下过程：
配制合金成分后，先熔炼，熔炼温度为1450℃～1500℃，再通过铸造，制备耐磨构件，从凝固温度到600℃之间的冷却速度应不低于60℃/分钟，为避免由于热应力作用而发生的开裂现象，在600℃~800℃解除模具的约束，后续采用低于600℃的去应力退火工艺和机加工。
4.根据权利要求3所述的合金非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于：熔炼采用感应炉或电阻炉。
5.根据权利要求3所述的合金非晶/纳米晶基体高硬度耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于：所述的铸造为普通砂型模铸造、熔模铸造、消失模铸造、金属型铸造或陶瓷铸造。
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