CN107653422B - 一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法 - Google Patents

一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法，耐磨合金层为高硼铁基合金，包括C为0.2％～0.3％，B为1.20％～1.60％，Si为0.4％～0.9％，Mn为0.6％～1.1％，Ni为8.3％～10.5％，Cr为17.0％～20.0％，Ce为0.08％～0.15％，Ti为0.10％～0.15％，N为0.04％～0.08％，P<0.05，S<0.05，余量为Fe和其他不可避免的杂质。采用先进的树脂砂生产线和电炉熔炼工艺技术，并通过铸渗工艺使表面合金化，替代热处理表面强化，将元素钛、锆、钽、钨与无机盐混合均匀，固定在铸型中并浇铸金属液，冷却开箱后得到复合耐磨件。本发明能够提高高硼铁基合金耐磨件的韧性、表面硬度和使用寿命。

Description

一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法
技术领域
本发明属于耐磨材料制备领域，具体涉及一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法。
背景技术
Fe-B合金作为一种新型耐磨材料，具有低成本、高硬度、高耐磨性等优点。然而，硼化物网状结构的存在造成Fe-B合金塑性差，这成为制约该合金工程化应用的关键。许多学者采用高温热处理、稀土变质，合金化等手段，虽然对Fe-B合金的强韧性提高有一些效果，但并未从根本上解决其韧性低的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法，提高高硼铁基合金耐磨件的韧性、表面硬度和使用寿命。
本发明采用以下技术方案：
一种基于高硼铁基的耐磨合金层，耐磨合金层为高硼铁基合金，按质量百分比包括如下：C为0.2～0.3％，B为1.20～1.60％，Si为0.4～0.9％，Mn为0.6～1.1％，Ni为8.3～10.5％，Cr为17.0～20.0％，Ce为0.08～0.15％，Ti为0.10～0.15％，N为0.04～0.08％，P<0.05，S<0.05，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的，耐磨合金层还包括稀土铈合金，稀土铈合金占所述高硼铁基合金质量的0.30～0.80％。
优选的，不可避免的杂质为硫化物、磷化物或氮化物的任意一种或多种混合。
优选的，耐磨合金层涂刷在卷筒和/或磨辊的表面。
本发明还公开了一种具有高硼铁基耐磨合金层的复合耐磨件制备方法，包括以下步骤：
S1、将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉颗粒按照7：7：3：3的原子比制成合金粉与无机盐溶液混合均匀，涂覆到铸件中待强化部位；
S2、将步骤S1镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
S3、采用铸渗工艺对步骤S2制备的铸件浇注高硼铁基合金金属液，冷却后得到含有高硼铁基耐磨合金复合材料的耐磨件。
优选的，步骤S1中，所述合金粉颗粒与无机盐的质量比为1：2～2.5。
优选的，所述无机盐包括硼砂水溶液以及硅酸钠水溶液，所述硼砂水溶液中硼砂的质量比为10％，所述硅酸钠水溶液中硅酸钠的质量比为1.5％。
优选的，步骤S3中，所述铸渗工艺的浇注温度为1450～1550℃，冷却开箱后对所述铸件进行淬火和去应力处理，得到所述耐磨件。
优选的，步骤S3中，铸渗工艺中使用的炉料包括生铁、铬铁、硅铁、锰铁、纯镍板、钛铁和硼铁、硅钙合金和稀土铈合金。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开一种基于高硼铁基的耐磨合金层，包括铸件以及涂刷在铸件表面的耐磨合金层，耐磨合金层为高硼铁基合金，按质量百分比包括如下：C为0.2％～0.3％，B为1.20％～1.60％，Si为0.4％～0.9％，Mn为0.6％～1.1％，Ni为8.3％～10.5％，Cr为17.0％～20.0％，Ce为0.08％～0.15％，Ti为0.10％～0.15％，N为0.04％～0.09％，P<0.05，S<0.05，余量为Fe和其他不可避免的杂质，得到的TiC、TiB2、ZrC、ZrB2、TaC、W2C等陶瓷相对于其他的外加增强颗粒，自生陶瓷颗粒增强体自身纯净，不会对熔体金属带来污染，且得到的陶瓷具有金属性，以及较低的脆性，能够改善复合材料的机加工性能，耐磨合金层具备极强的耐磨性能，表面硬度和使用寿命均得到提高。
进一步的，耐磨合金层还包括稀土铈合金，且稀土铈合金占高硼铁基合金质量的0.30％～0.80％，能够净化合金液，降低晶间夹杂，并达到提高高硼铁基合金强韧性的目的。
本发明还公开了一种具有高硼铁基耐磨合金层的复合耐磨件制备方法，将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉颗粒按照7：7：3：3的原子比与无机盐溶液混合均匀，涂覆到铸件中待强化部位；再将镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；最后采用铸渗工艺对制备的铸件浇注金属液，冷却开箱后得到含有高硼铁基耐磨合金复合材料的耐磨件，本发明采用先进的树脂砂生产线和电炉熔炼工艺技术，并通过铸渗工艺使表面合金化，替代热处理表面强化，将元素钛、锆、钽、钨与无机盐混合均匀，固定在铸件中并浇铸金属液，冷却开箱后得到复合耐磨件。
进一步的，本发明制备得到的复合耐磨件的复合层中，Fe-B合金基分布在TiC、TiB2、ZrC、ZrB2、TaC、W2C等陶瓷颗粒的孔隙中，当耐磨件受到外界摩擦时，TiC、TiB2、ZrC、ZrB2、TaC、W2C等陶瓷颗粒对Fe-B合金基起到一定的保护作用，从而提高了耐磨件的耐磨损性能。
综上所述，本发明基于高硼铁基的耐磨合金层能够提高高硼铁基合金耐磨件的韧性、表面硬度和使用寿命。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明具有耐磨合金层的轮胎式磨辊结构示意图。
具体实施方式
本发明一种基于高硼铁基的耐磨合金层及制备复合耐磨件的方法，针对Fe-B合金中网状硼化物致脆的问题，提出了采用表面原位浸渗反应复合铸造的方式制备新型复合材料铁硼耐磨合金。采用先进的树脂砂生产线和电炉熔炼工艺技术，并通过铸渗工艺使表面合金化，替代热处理表面强化，将元素钛、锆、钽、钨与无机盐混合均匀，固定在铸件中并浇铸金属液，冷却开箱后得到复合铸件。陶瓷颗粒增强金属基复合材料兼具了金属良好的塑性和冲击韧性、易成型等优点，以及陶瓷颗粒的高强度、高硬度和高耐磨性。在耐磨件受到磨料磨损过程中，由于有高硬度的增强体的存在，可以提到基体合金的耐磨性。
本发明基于高硼铁基的耐磨合金层，包括铸件以及涂刷在所述铸件表面的耐磨合金层，所述耐磨合金层为高硼铁基合金，按质量百分比包括如下：C为0.2％～0.3％，B为1.20％～1.60％，Si为0.4％～0.9％，Mn为0.6％～1.1％，Ni为8.3％～10.5％，Cr为17.0％～20.0％，Ce为0.08％～0.15％，Ti为0.10％～0.15％，N为0.04％～0.08％，P<0.05，S<0.05，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
所述耐磨合金层还包括稀土铈合金，所述稀土铈合金占所述高硼铁基合金质量的0.30％～0.80％。
所述不可避免的杂质为硫化物、磷化物或氮化物的任意一种或多种混合。
所述耐磨合金层的厚度为3～10mm。
本发明还公开了一种利用高硼铁基耐磨合金层制备复合耐磨件的方法，包括以下步骤：
S1、将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉颗粒按照7：7：3：3的原子比与无机盐混合均匀，涂覆到铸件中待强化部位；
所述Ti粉颗粒与无机盐的质量比为1：2～2.5，所述无机盐包括硼砂水溶液以及硅酸钠水溶液，所述硼砂水溶液中硼砂的质量比为10％，所述硅酸钠水溶液中硅酸钠的质量比为1.5％。
S2、将步骤S1镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
S3、采用铸渗工艺对步骤S2制备的铸件浇注金属液，冷却后得到含有高硼铁基耐磨合金复合材料的耐磨件。
其中，浇注温度为1450℃～1550℃，冷却开箱后对所述铸件进行淬火和去应力处理，得到所述耐磨件。
所述金属液为高硼铁基合金，按质量百分比包括如下：C为0.2％～0.3％，B为1.20％～1.60％，Si为0.4％～0.9％，Mn为0.6％～1.1％，Ni为8.3％～10.5％，Cr为17.0％～20.0％，Ce为0.08％～0.15％，Ti为0.10％～0.15％，N为0.04％～0.09％，P<0.05，S<0.05，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
铸造中使用的合金炉料包含有常规炉料生铁、铬铁、硅铁、锰铁、纯镍板、钛铁和硼铁、硅钙合金；以及特殊炉料稀土铈合金。
其中，所述稀土铈合金的质量为所述合金液质量的0.30％～0.80％。
实施例1
1)将粒度为10～50微米的合金粉与无机盐按1：2.5的质量比混合均匀，涂覆到铸件中需要强化的部位；
2)将镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
3)采用铸渗工艺浇注高硼铁基合金材料金属液，浇注温度为1450℃，冷却后经过淬火和去应力处理，淬火温度为1050℃，去应力退火温度为200℃，得到高硼铁基起重机卷筒。
实施例2
1)将粒度为10～50微米的合金粉与无机盐按1：2.5的质量比混合均匀，涂覆到铸件中需要强化的部位；
2)将镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
3)采用铸渗工艺浇注高硼铁基合金材料金属液，浇注温度为1550℃，冷却后经过淬火和去应力处理，淬火温度为1180℃，去应力退火温度为300℃，得到高硼铁基卷扬减速机卷筒。
实施例3
1)将粒度为10～50微米的合金粉与无机盐按1：2的质量比混合均匀，涂覆到铸件中需要强化的部位；
2)将镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
3)采用铸渗工艺浇注高硼铁基合金材料金属液，浇注温度为1450℃，冷却后经过淬火和去应力处理，淬火温度为1050℃，去应力退火温度为200℃，冷却后得到高硼铁基锥体式磨辊复合材料。
实施例4
1)将粒度为10～50微米的合金粉与无机盐按1：2的质量比混合均匀，涂覆到铸件中需要强化的部位；
2)将镀覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
3)采用铸渗工艺浇注高硼铁基合金材料金属液，浇注温度为1550℃，冷却后经过淬火和去应力处理，淬火温度为1180℃，去应力退火温度为300℃，冷却后得到高硼铁基轮胎式磨辊复合材料。
制备陶瓷颗粒增强Fe-B合金基复合材料的增强颗粒选择自生TiC、TiB2、ZrC、ZrB2、TaC、W2C等陶瓷颗粒，其具有其他颗粒无法比拟的优势：
首先，相对于其他的外加增强颗粒，自生陶瓷颗粒增强体自身纯净，不会对熔体金属带来污染。
其次，TiC、TiB2、ZrC、ZrB2、TaC、W2C等陶瓷具有金属性，以及较低的脆性，能够改善复合材料的机加工性能。
请参阅图1，以轮胎式磨辊为例，内部为高硼铁基合金材质，表面通过本发明技术手段获得高硬度耐磨合金层。在磨辊的服役过程中，耐磨合金层能够承受来自于物料的主要磨损作用，从而保护基体金属，提高耐磨性。
经过三体磨料磨损试验机测试，在磨料为石英砂、粒度为50-100目的情况下，本专利研制的具有高硬度耐磨合金层的卷筒耐磨性达到基体合金耐磨性的1.8-3.5倍。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高硼铁基耐磨合金层的复合耐磨件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将粒度为10～50微米的Ti粉、Zr粉、Ta粉、W粉颗粒按照7：7：3：3的原子比制成合金粉与无机盐溶液混合均匀，涂覆到铸件中待强化部位，合金粉颗粒与无机盐的质量比为1：2～2.5，所述无机盐溶液包括硼砂水溶液以及硅酸钠水溶液，所述硼砂水溶液中硼砂的质量比为10％，所述硅酸钠水溶液中硅酸钠的质量比为1.5％；
S2、将步骤S1涂覆后的铸件在烘箱中进行预热，使合金粉颗粒相互连接成孔隙状预制体；
S3、采用铸渗工艺对步骤S2制备的铸件浇注高硼铁基合金金属液，炉料包括生铁、铬铁、硅铁、锰铁、纯镍板、钛铁和硼铁、硅钙合金和稀土铈合金，浇注温度为1450～1550℃，冷却后进行淬火和去应力处理得到含有高硼铁基耐磨合金复合材料的耐磨件，耐磨合金层为高硼铁基合金，涂刷在卷筒和/或磨辊的表面，按质量百分比包括如下：C为0.2～0.3％，B为1.20～1.60％，Si为0.4～0.9％，Mn为0.6～1.1％，Ni为8.3～10.5％，Cr为17.0～20.0％，Ce为0.08～0.15％，Ti为0.10～0.15％，N为0.04～0.08％，P<0.05，S<0.05，余量为Fe和其他不可避免的杂质，不可避免的杂质为硫化物、磷化物或氮化物的任意一种或多种混合；还包括稀土铈合金，所述稀土铈合金占所述高硼铁基合金质量的0.30～0.80％。
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