CN106086664B - 一种Fe‑W‑Mo‑Cr‑B系耐磨耐蚀合金及其制备方法 - Google Patents
一种Fe‑W‑Mo‑Cr‑B系耐磨耐蚀合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本专利属于合金材料技术领域，公开了一种Fe‑W‑Mo‑Cr‑B系耐磨耐蚀合金，其各合金元素及其含量为：6.0‑8.0％W，4.0‑6.0％Mo，3.0‑4.0％Cr，3.0‑3.5％B，余量为Fe；合金的晶型为体心立方结构，其晶胞参数为本发明还公开了一种Fe‑W‑Mo‑Cr‑B系耐磨耐蚀合金的制备方法，包括以下步骤：步骤1，按照相应的比例取纯度大于99.99％的W粉，Mo粉，Cr粉，B粉和Fe粉，混合均匀；步骤2，将步骤1得到的混合粉末同时进行搅拌、熔炼，得到合金熔体；步骤3，当合金熔体温度达到1600‑1620℃时，将合金熔体进行浇铸、冷却，合金熔体冷却速率为5‑10K s‑1；步骤4，当合金熔体冷却至1100℃时保温3‑5h后淬火，再加热至220‑260℃后保温6‑8h，之后自然冷却至室温，得到成品，步骤1‑3都是在惰性气体条件下进行的。本发明制备的Fe‑W‑Mo‑Cr‑B系耐磨耐蚀合金硬度高、强度高、冲击韧性好。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金及其制备方法。
背景技术
钢基材料具有熔炼工艺简便，生产成本低廉等特点，受到了广大用户的青睐，但是，单一的钢铁材料硬度低，耐磨性差，使用寿命短。金属硼化物具有高熔点、高硬度、耐磨性、化学稳定性和耐磨蚀性能等优异的综合性能，是继金属碳化物和氮化物之外很具有应用前景的硬质耐磨材料。将金属硼化物引入钢基材料中，是改善钢基材料耐磨损性和耐腐蚀性的有效途径。
目前的研究主要是将硼元素加入低合金元素含量的Fe-C或Fe-Cr-C合金中，生成Fe2B或(Fe，Cr)3(B，C)等硼碳化物强化相，但其制备出的合金性能还是偏低，其宏观硬度最高只能达到66HRC，抗拉强度最高只能达到730Mpa，冲击韧性最高只能达到22J/cm2。而且根据检索，对于钢基材料而言，66HRC的宏观硬度已经是极限值，要想增加一个微小的数值都极其困难。
公开号为CN103643134A的中国发明专利公开了一种硼化物颗粒强化Fe-B-C合金及其制备方法，其化学组成及其质量分数是：0.28～0.50％C，0.8～1.8％B，0.3～0.5％Al，0.5～1.0％Si，0.6～1.0％Mn，1.2～1.5％Cr，S<0.04％，P<0.05％，余量Fe，最后形成的合金硬度最高只能达到61.7HRC，抗拉强度最多只能达到755Mpa，冲击韧性最多只能达到16.9J/cm2。公开号为CN104593700A的中国发明专利公开了一种原位合成硼碳化物颗粒增强钢基抗磨的复合材料，其成分及质量分数为：0.6-0.7％C，0.5-0.6％B，1.0-1.2％V，1.0-1.2％Nb，1.5-1.6％Cr，0.7-0.8％Zr，0.8-0.9％Na，0.4-0.5％Mg，2.4-2.5％Si，1.5-1.6％Te，Mn<0.5％，S<0.03％，P<0.04％，Fe余量，最后形成的合金硬度最高只能达到61HRC，冲击韧性最多只能达到21.9J/cm2。公开号为CN104975218A的中国发明专利公开了一种铸造含铬Fe-B合金及其制备方法，采用质量分数88～90％的Q235废钢、8～10％的氮化锰铁、1.2～1.5％的钛铁和0.5～0.8％的金属铝等原材料熔炼、铸造而成，最后形成的合金硬度最高只能达到65.7HRC，抗拉强度最多只能达到735Mpa，冲击韧性最多只能达到16.5J/cm2。
上述方法都仅是采用粉末冶金法或者制备局部增强钢铁复合材料，对于高铬、钼、钨合金含量的高硼钢及其制备还未见报道。
发明内容
本发明意在提供一种Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金及其制备方法，以解决现有钢铁合金硬度低、强度低、冲击韧性差的技术问题。
本发明提供的基础方案一，一种Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，其各合金元素及其含量为：6.0-8.0％W，4.0-6.0％Mo，3.0-4.0％Cr，3.0-3.5％B，余量为Fe；合金的晶型为体心立方结构，其晶胞参数为
本发明中的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金是以硼化铬、硼化钨和硼化钼等做为强化相，硼化铬、硼化钨和硼化钼相比于铁硼碳化合物而言，具有更好地耐磨性、化学稳定性和耐磨蚀性能。此外，钨硼化合物在高温环境下还可以原位生成自润滑相WO3、B2O3，WO3、B2O3具有优异的减磨耐磨性能。因此将铬、钼和钨的硼化物在钢铁中原位生成对增强钢铁的性能有较大的促进作用，再加上特定的配比，使得本发明的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物陶瓷颗粒与钢铁界面结合良好，颗粒增强相组织致密，体积百分数高，具有较高的硬度、强度和冲击韧性，实验证明，本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的硬度可突破66HRC的极限值，最高可达68HRC，而抗拉强度最高可达1250Mpa，冲击韧性最高可达26J/cm2。
优选方案一：基于基础方案一，其各合金元素及其含量为：7.6％W，4.9％Mo，3.5％Cr，3.2％B，余量为Fe。
优选方案二：基于基础方案一，其各合金元素及其含量为：6.8％W，5.5％Mo，3.2％Cr，3.1％B，余量为Fe。
优选方案三：基于基础方案一，其各合金元素及其含量为：6.2％W，5.8％Mo，3.8％Cr，3.5％B，余量为Fe。
本发明提供的基础方案二，一种Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照相应的比例取纯度大于99.99％的W粉，Mo粉，Cr粉，B粉和Fe粉，混合均匀；
步骤2，在惰性气体条件下，将步骤1得到的混合粉末同时进行搅拌、熔炼，得到合金熔体；
步骤3，在惰性气体条件下，当合金熔体温度达到1600-1620℃时，将合金熔体进行浇铸、冷却，合金熔体冷却速率为5-10K s-1；
步骤4，在惰性气体条件下，当合金熔体冷却至1100℃时保温3-5h后淬火，再加热至220-260℃后保温6-8h，之后自然冷却至室温，得到成品。
采用上述基础方案，步骤1采用纯度大于99.99％的原料粉末，避免引入过多的C元素，形成碳化物，降低硼化物的比例，碳化物的性能比硼化物的性能要低，如果摄入过多的C元素会影响整个合金的性能。
步骤2在惰性条件下进行熔炼，由于粉末粒度较细，比表面积较大，表面能较大，在高温环境下遇空气容易氧化，甚至烧损变质，导致无法制备出合格的合金产品，而在惰性条件下进行熔炼，则可避免这种情形的发生；在熔炼的过程中进行搅拌，一方面可以细化组份，另一方面可避免偏析。
步骤3合金熔体冷却的速率控制在5-10K s-1，以保证结晶晶粒细化、均匀。
步骤4合金熔体经过淬火和回火后，性能更优异。
采用本发明制备方法制备出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金具有较高的硬度、强度和冲击韧性。
以下是基于基础方案二的优选方案：
优选方案一：基于基础方案二，所述步骤1中各粉末的粒度为200-300目。粉末粒度过大，熔体到粉末内部的距离长，粉末不易熔化，熔炼所需的时间更长，能耗更大；而由于粉末表面在熔炼之前本身吸附有一定的氧分子，若粉末粒度过小，粉末会因为这些氧分子氧化、烧损。
优选方案二：基于优选方案一，所述步骤1中粉末混合采用行星式球磨机混合，其中球料比为10-15:1，球磨时间至少2h。采用球磨的方式进行混合，在混合的同时，还可以细化粉末颗粒。
优选方案三：基于优选方案一或优选方案二，所述步骤3中采用水冷铜模浇铸。水冷降温速率快，而铜模的导热系数大，两者协同能实现5-10K s-1的冷却速率。
附图说明：
图1是本发明实施例一制备的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的微观组织图；
图2是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相(Cr，Fe)2B的晶体结构示意图；
图3是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相(Cr，Fe)B的晶体结构示意图；
图4是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相(Cr，Fe)B4的晶体结构示意图；
图5是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相Mo2FeB2的晶体结构示意图；
图6是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相MoFe2B4的晶体结构示意图；
图7是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相(Mo，W)B2的晶体结构示意图；
图8是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相(Mo，W)B的晶体结构示意图；
图9是本发明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中硼化物增强相(Mo，W)B4的晶体结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例一至实施例十三中各原料含量如表1所示，各工艺参数如表2所示：
表1
| W粉 | Mo粉 | Cr粉 | B粉 | Fe粉 | |
| 实施例一 | 7.6 | 4.9 | 3.5 | 3.2 | 80.8 |
| 实施例二 | 6.8 | 5.5 | 3.2 | 3.1 | 81.4 |
| 实施例三 | 6.2 | 5.8 | 3.8 | 3.5 | 80.7 |
| 实施例四 | 6.0 | 4.0 | 3.0 | 3.0 | 84.0 |
| 实施例五 | 6.4 | 4.2 | 3.2 | 3.1 | 83.1 |
| 实施例六 | 6.8 | 4.3 | 3.4 | 3.1 | 82.4 |
| 实施例七 | 7.2 | 4.4 | 3.6 | 3.2 | 81.6 |
| 实施例八 | 7.6 | 4.5 | 3.8 | 3.3 | 80.8 |
| 实施例九 | 8.0 | 4.6 | 4.0 | 3.4 | 80.0 |
| 实施例十 | 6.0 | 5.5 | 3.0 | 3.0 | 82.5 |
| 实施例十一 | 6.4 | 5.6 | 3.2 | 3.1 | 81.7 |
| 实施例十二 | 7.2 | 5.7 | 3.8 | 3.3 | 80.0 |
| 实施例十三 | 7.6 | 5.8 | 4.0 | 3.4 | 79.2 |
表2
以实施例一为例来具体说明本发明一种Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照以下比例取纯度大于99.99％的粉末：7.6％W粉，4.9％Mo粉，3.5％Cr粉，3.2％B，80.8％Fe粉，粉末的粒度为200-300目，将所有粉末放入至球磨罐中用行星式球磨机进行球磨混合，其中球磨机的转速为320r/min，球磨机的球料比为10:1，球磨时间为2h；
步骤2，将步骤1得到的混合粉末取出，放入至真空电弧熔炼炉的铜坩埚中，充入氩气保护气体，对混合粉末进行熔炼，在熔炼的同时，通过电磁搅拌对熔体进行处理，使熔体完全均匀化，同时细化析出相和基体组织，得到合金熔体；
步骤3，当合金熔体温度达到1600℃时，将合金熔体采用水冷铜模进行浇铸、冷却，合金熔体冷却速率为5K s-1；
步骤4，当合金熔体冷却至1100℃时保温3h后油冷淬火，将油冷淬火后的合金再加热至225℃后保温6h，之后随炉冷却至室温，得到Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金成品。
实施例二至实施例十三的制备方法的不同之处在于原料粉末的含量和工艺参数，其余与实施例一相同。
上述实施例制备出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，晶型结构为体心立方结构，各个实施例的晶胞参数如表3、表4、表5所示：
表3
表4
表5
实施例一制备出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，其微观组织如图1所示，本发明制备的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的增强相是钨、钼、铬的硼化物，而现有技术的合金中都是以铁硼碳化合物做为增强相，钨、钼、铬的硼化物相较于铁硼碳化合物而言，具有更好的耐磨性、化学稳定性和耐磨蚀性能，因此，由钨、钼、铬的硼化物强化的合金性能更好。上述实施例制备出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金中，硼化物增强相包括了(Cr，Fe)2B、(Cr，Fe)B、(Cr，Fe)B4、Mo2FeB2、MoFe2B4、(Mo，W)B2、(Mo，W)B、(Mo，W)B4，各个实施例中各个硼化物增强相的晶体结构如图2至图9所示，晶胞参数如表6、表7所示：
表6
表7
实验：
将实施例一至实施例十三制得的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金成品在同等的条件下做力学性能测试，结果如表8所示：
表8
综上所述，本发明制备的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金性能较好，其硬度、强度和冲击韧性均比现有钢铁合金要强；当W粉含量：Cr粉含量＝2:1时，合金性能最好，而且此时Mo粉的用量少，节约成本。
对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (8)
1.一种Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，其特征在于，其各合金元素及其含量为：6.0-8.0％W，4.0-6.0％Mo，3.0-4.0％Cr，3.0-3.5％B，余量为Fe；合金的晶型为体心立方结构，其晶胞参数为
2.根据权利要求1所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，其特征在于，其各合金元素及其含量为：7.6％W，4.9％Mo，3.5％Cr，3.2％B，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，其特征在于，其各合金元素及其含量为：6.8％W，5.5％Mo，3.2％Cr，3.1％B，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金，其特征在于，其各合金元素及其含量为：6.2％W，5.8％Mo，3.8％Cr，3.5％B，余量为Fe。
5.根据权利要求1-4所述的任意一Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照相应的比例取纯度大于99.99％的W粉，Mo粉，Cr粉，B粉和Fe粉，混合均匀；
步骤2，在惰性气体条件下，将步骤1得到的混合粉末同时进行搅拌、熔炼，得到合金熔体；
步骤3，在惰性气体条件下，当合金熔体温度达到1600-1620℃时，将合金熔体进行浇铸、冷却，合金熔体冷却速率为5-10K s-1；
步骤4，在惰性气体条件下，当合金熔体冷却至1050-1150℃时保温3-5h后，油冷淬火，再加热至220-260℃后保温6-8h，之后自然冷却至室温，得到成品。
6.根据权利要求5所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中各粉末的粒度为200-300目。
7.根据权利要求6所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中粉末混合采用行星式球磨机混合，其中球料比为10-15:1，球磨时间至少2h。
8.根据权利要求6或7所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蚀合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中采用水冷铜模浇铸。
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