CN109351916B

CN109351916B - 一种高硼合金的制备方法

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Publication number: CN109351916B
Application number: CN201810855811.8A
Authority: CN
Inventors: 陈志国; 苗森; 孔令男
Original assignee: Hunan University of Humanities Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Humanities Science and Technology
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: CN109351916A

Abstract

本发明涉及一种高硼合金在振动条件下双熔体复合烧壳铸造技术，特别涉及一种高硼耐磨合金在振动条件下双熔体复合烧壳铸造技术；属于金属耐磨材料领域。所述制备方法为：采用双熔体复合的烧壳铸造技术，将熔清脱氧后的高硼熔液和低硼熔液混合均匀后，在振动条件下浇注、凝固，得到凝固坯；凝固坯经热处理后，得到所述高硼合金。本发明有效解决了硼化物呈网状析出的问题，其生产的铸钢具有韧性好、耐磨性高和成本低等优点，延长了产品的服役寿命，并且生产工艺操作简单，便于进行高效率工业生产，可广泛推广使用。

Description

一种高硼合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高硼合金在振动条件下双熔体复合烧壳铸造技术，特别涉及一种高硼耐磨合金在振动条件下双熔体复合烧壳铸造技术；属于金属耐磨材料领域。

背景技术

耐磨材料在国民经济中具有重要地位，应用领域十分广泛如冶金、矿山、电力、水泥、石化等，高硼耐磨合金因为其相对低廉的价格以及优异的耐磨损性能，近些年备受关注。然而由于抗磨相硼化物的脆性大，并且其在晶间的网状分布导致该材料韧性很低，使得高硼耐磨合金在服役条件下极易发生脆断，因而导致材料的失效以及生产事故的发生，从而限制了该材料的应用。

为解决上述问题，研究人员做了大量的工作。中国发明专利CN1804091公开了一种铸造高硼耐磨合金的韧化方法，采用2.5～3.3wt％FeTi30合金作变质剂，韧化热处理温度为1020-1050℃，保温2～3h，然后淬火或者正火，最后回火。经过韧化处理后的砂型铸造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立状分布于基体中，冲击韧性达到了12.5J/cm²。中国发明专利CN103643134公开了一种硼化物颗粒强化Fe-B-C合金及其制备方法，采用电炉熔炼Fe-B-C合金熔液，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。并加入直径

的合金丝对上述合金熔液进行炉外微合金化处理，辅以热处理手段，实现了硼化物的颗粒分布，使Fe-B-C合金性能明显提高。

在改善成分的同时，双液双金属复合的工艺也被用于提高锤头、衬板、反击块等耐磨零件的使用寿命。中国发明专利CN102019403公开了一种消失模铸造双熔体双金属复合耐磨衬板的工艺，通过耐磨层和韧性层的复合，解决了整体件耐磨性与韧性难以匹配的问题，克服了用消失模浇注两种铁水不混合不塌箱的难点问题。中国发明专利CN102327794公开了一种无Cr高硼铁基耐磨双液双金属复合锤头及其制备方法，以无Cr的高硼铁基耐磨合金为锤头耐磨层，碳钢为锤柄韧性层，采用双液双浇道浇注，先浇注锤头耐磨层，再浇注锤柄韧性层，通过溢流口控制锤头锤柄的体积比。双金属复合锤头整体结合性较好，使用寿命长，生产成本低、工艺简单。对于管材、轧辊等圆形截面的耐磨零件则常常使用双熔体离心铸造的方法。

中国发明专利CN1759956公开了一种双液离心浇注制造双金属复合耐磨管的方法，在离心机模管内喷涂石墨涂料，封装离心机模管后，把熔炼好的普通钢液浇注入高速旋转的离心机模管，制作成普通钢外套管，待外套管凝固后，浇注熔炼好的耐磨合金熔液，制作成内衬管，在高温的作用下，使外套管和内衬管实现了整体冶金结合。此方法生产的双金属复合耐磨管工艺简单，两层金属间结合力强，抗热振性好，并可实现超长、超薄复合管的生产。中国发明专利CN102990031公开了一种高硼高速钢轧辊的离心复合铸造方法，先在离心机上浇注外层高硼高速钢，然后加入第一保护剂，继续在离心机上浇注过渡层球墨铸铁铁水，再加入第二保护剂，在静态下浇注辊芯球墨铸铁铁水。实现高硼高速钢复合轧辊的冶金结合，轧辊使用安全、可靠，推广应用效益良好。

但是，上述方法并没有从根本上解决高硼耐磨合金中共晶硼化物的网状分布问题，同时双金属复合、离心铸造等工艺也存在着界面结合强度低以及工艺复杂等问题，浇注间隔时间还需靠经验总结来判断或者通过设置溢流口来实现双金属的复合，材料机械性能，尤其韧性依然偏低等问题依旧没有从根本上得到解决。

发明内容

为解决背景技术中所提及的问题，本发明提供了一种高硼耐磨合金及其双熔体复合烧壳铸造技术，同时在凝固过程中引入振动，以改善硼化物的网状析出行为，提高高硼合金的韧性，进而提高该材料的耐磨性和服役寿命。

本发明一种高硼合金的制备方法；所述制备方法为：采用双熔体复合的烧壳铸造技术，将熔清脱氧后的高硼熔液和低硼熔液混合均匀后，在振动条件下浇注、凝固，得到凝固坯；凝固坯经热处理后，得到所述高硼合金。

本发明一种高硼合金的制备方法；所述高硼合金为高硼耐磨合金。在本发明中所述高硼耐磨合金中，B的含量大于等于0.5％。

作为优选方案；本发明一种高硼合金的制备方法；包括下述步骤：

步骤一

将泡沫塑料制成的模型涂好涂料并烘干，埋入砂箱的干砂中，逐层加砂振实并添加浇冒系统；

步骤二

浇注前在保持一定负压的情况下，用燃气喷枪点燃浇冒口处泡沫塑料，同时向工件型腔内输送氧气，直至内部泡沫塑料烧净后停止送氧；

步骤三

配置双熔体；所述双熔体由高硼熔液和低硼熔液组成，

高硼熔液的化学成分及其重量百分比为：0.3-0.7％C，A1％B，0.2-1.0％Si，0.3-1.5％Mn，2.0-12％Cr，0.2-1.0％Cu，0.2-1.5％Mo，0.01-0.2％Ti，0.01-0.2％Re，Fe余量；所述A1的取值为1.0～10；

低硼熔液的化学成分及其重量百分比为：0.3-0.7％C，0.2-1.0％Si，0.3-1.5％Mn，1.0-6.0％Cr，0.2-1.0％Cu，0.2-1.5％Mo，A2％B，Fe余量；所述A2小于A1；

步骤四

待两种熔液熔清脱氧后，高硼熔液的温度控制在1200-1450℃，低硼熔液的温度控制在1450-1600℃，转移至同一个钢包内混合均匀并进行复合变质处理；

步骤五

开启振动台进行浇注，在振动条件下凝固成型即可得到铸件，其中振动频率控制在15～25Hz，振幅控制在1～6mm；

步骤六

对步骤五所得铸件进行热处理；得到所述高硼合金；所述热处理过程为淬火和低温回火，淬火温度为950-1000℃，油冷或水冷，回火温度为200-300℃。

作为优选方案；本发明一种高硼合金的制备方法；步骤三中；所述A1为1.0-10％。

进一步优选为2.0-8.0％。

作为优选方案；本发明一种高硼合金的制备方法；步骤三中；所述A2的取值小于1％；进一步优选为0％。

作为优选方案；本发明一种高硼合金的制备方法；步骤四中，所取高硼熔液和低硼熔液的体积比为0.5-1.5：1。优选为0.8-1.2：1。

作为优选方案；本发明一种高硼合金的制备方法；步骤五中所得铸件以质量百分比计包括下述组分：

C 0.2-1.0％、优选为0.2-0.7％、进一步优选为0.4-0.65％；

B 0.5-8.0％、优选为0.5-6.0％、进一步优选为0.7-5.2％；

Si0.1-1.5％、优选为0.2-1.0％、进一步优选为0.4-0.8％；

Mn0.1-1.5％、优选为0.3-1.2％、进一步优选为0.5-1.1％；

Cr2.0-8.0％、优选为3.7-6.0％、进一步优选为3.7-6.0％；

Cu0.1-1.0％、优选为0.2-0.8％、进一步优选为0.3-0.6％；

Mo0.1-1.2％、优选为0.2-0.9％、进一步优选为0.2-0.6％；

Ti0.01-0.6％、优选为0.02-0.4％、进一步优选为0.02-0.2％；

Re0.01-0.6％、优选为0.02-0.4％、进一步优选为0.02-0.2％。

作为优选方案，所述高硼合金除上述组分外，余量为Fe；或余量为Fe和少量的M元素；所述M元素选自铝、镍、钒、钨中至少一种。

本发明一种高硼合金的制备方法；在浇注前进行烧壳处理。

作为进一步的优选方案，本发明一种高硼合金的制备方法；步骤五中所得铸件以质量百分比计包括下述组分：所述高硼合金中，还含有铝、镍、钒、钨中至少一种元素。作为更进一步的优选方案，所述高硼合金中Al的质量百分含量为0.1-1.2％。作为更进一步的优选方案，Ni的质量百分含量为0.3-5％。作为更进一步的优选方案，V的质量百分含量为0.03-2％。作为更进一步的优选方案，W的质量百分含量为0.5-3％。作为再进一步的优选方案，所述铝、镍、钒、钨中的至少任意一种以碳化物、氮化物、硼化物、碳-硼化物中的至少一种形式赋存于所述高硼合金中。

作为优选方案，本发明一种高硼合金的制备方法；所述淬火为：在保护气氛下于950-1000℃保温1-4小时后，进行水淬或进行油淬。

作为优选方案，本发明一种高硼合金的制备方法；所述低温回火为：在保护气氛下，于150-300℃保温2-6小时后，以炉冷冷却。作为进一步的优选，所述低温回火为：在保护气氛下，于200-300℃保温3-5小时后，出炉空冷。

作为优选方案；本发明一种高硼合金的制备方法；所得产品的力学性能远远优于同类产品。

原理和优势

本发明首次提出采用半固态双熔体复合的技术，使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，增加液相内结晶核心，使其在半固态的条件下凝固成型，从而改善硼化物的形貌，减少沿晶界呈网状析出行为，进而根本上解决了高硼耐磨合金耐磨材料硬度高而韧性不足的问题。此外，利用现成的振动台引入振动浇注，使液相和固相之间产生相对运动，进一步打碎枝晶，增加结晶核心，使最终凝固组织细化、补缩能力提高以进一步提高性能。通过成分的优化设计，配合所设计的双熔体复合的烧壳铸造技术，使得产品的性能得到进一步的提升。

本发明所提供的技术方案生产工艺简单，便于进行高效率工业生产，同时生产的产品尺寸精度高，表面光洁，力学性能优异，有广阔的应用价值。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明做进一步的详细描述，但并不对本发明做任何限制。凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

具体制备工艺为：

1)将泡沫塑料制成的模型涂好涂料并烘干，埋入砂箱的干砂中，逐层加砂振实并添加浇冒系统；

2)浇注前在保持一定负压的情况下，用燃气喷枪点燃浇冒口处泡沫塑料，同时向工件型腔内输送氧气，直至内部泡沫塑料烧净后停止送氧；

3)分别制备高硼熔液和低硼熔液的双液熔体，待两种熔液熔清脱氧后，高硼熔液的化学成分按重量百分比为：0.3％C，5.0％B，0.5％Si，0.7％Mn，10.5％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，0.1％Ti，0.02％Re，Fe余量，温度控制在1280℃；低硼熔液的化学成分按重量百分比为：0.3％C，0.5％Si，0.7％Mn，3％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，Fe余量，温度控制在1600℃；按1:4比例转移至同一个钢包内并进行复合变质处理，同时搅拌均匀；

4)开启振动台进行浇注，在振动条件下凝固成型即可得到铸件；

5)铸件的化学成分按重量百分比为：0.3％C，1.0％B，0.5％Si，0.7％Mn，4.5％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，0.2％Ti，0.06％Re；

6)热处理过程为淬火和低温回火，淬火温度为960℃、保温时间2小时，油冷，回火温度为200℃、保温时间4小时，出炉空冷。

实施例2

具体制备工艺为：

3)分别制备高硼熔液和低硼熔液的双液熔体，待两种熔液熔清脱氧后，高硼熔液的化学成分按重量百分比为：0.4％C，6.0％B，0.5％Si，0.6％Mn，5.0％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，0.1％Ti，0.02％Re，Fe余量，温度控制在1300℃；低硼熔液的化学成分按重量百分比为：0.4％C，0.5％Si，0.6％Mn，5.0％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，Fe余量，温度控制在1560℃；按1:2比例转移至同一个钢包内并进行复合变质处理，同时搅拌均匀；

5)铸件的化学成分按重量百分比为：0.4％C，2.0％B，0.5％Si，0.6％Mn，5.0％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，0.2％Ti，0.06％Re；

实施例3

具体制备工艺为：

3)分别制备高硼熔液和低硼熔液的双液熔体，待两种熔液熔清脱氧后，高硼熔液化学成分按重量百分比为：0.6％C，8.0％B，0.5％Si，0.6％Mn，5.5％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，0.1％Ti，0.02％Re，Fe余量，的温度控制在1330℃；低硼熔液的化学成分按重量百分比为：0.6％C，0.5％Si，0.6％Mn，5.5％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，Fe余量，温度控制在1520℃；按1:1比例转移至同一个钢包内并进行复合变质处理，同时搅拌均匀；

5)铸件的化学成分按重量百分比为：0.6％C，4.0％B，0.5％Si，0.6％Mn，5.5％Cr，0.4％Cu，0.2％Mo，0.2％Ti，0.06％Re；

6)热处理过程为淬火和低温回火，淬火温度为980℃、保温时间1.5小时，油冷，回火温度为240℃、保温时间3小时，出炉空冷。

本发明所生产的高硼耐磨合金具有硬度高、韧性好、耐磨性高和成本低等优点，延长了产品的服役寿命，并且生产工艺操作简单，便于进行高效率工业生产，可广泛推广使用。

Claims

1.一种高硼合金的制备方法；其特征在于；所述制备方法包括下述步骤：

步骤一

步骤二

浇注前在保持负压的情况下，用燃气喷枪点燃浇冒口处泡沫塑料，同时向工件型腔内输送氧气，直至内部泡沫塑料烧净后停止送氧；

步骤三

配置双熔体；所述双熔体由高硼熔液和低硼熔液组成，

低硼熔液的化学成分及其重量百分比为：0.3-0.7％C，0.2-1.0％Si，0.3-1.5％Mn，3.0-6.0％Cr，0.2-1.0％Cu，0.2-1.5％Mo，A2％B，Fe余量；所述A2小于A1；

步骤四

待两种熔液熔清脱氧后，高硼熔液的温度控制在1200-1450℃，低硼熔液的温度控制在1450-1600℃，转移至同一个钢包内混合均匀并进行复合变质处理；步骤四中，所取高硼熔液和低硼熔液的体积比为0.2-1.5：1；

步骤五

步骤六

对步骤五所得铸件进行热处理；得到所述高硼合金；所述热处理过程为淬火和低温回火，淬火温度为950-1000℃，油冷或水冷，回火温度为200-300℃；

所述高硼合金为高硼耐磨合金。

2.根据权利要求1所述的一种高硼合金的制备方法；其特征在于：步骤三中；所述A2的取值小于1。

3.根据权利要求1所述的一种高硼合金的制备方法；其特征在于：步骤五中所得铸件中，还含有铝、镍、钒、钨中至少一种元素。

4.根据权利要求3所述的一种高硼合金的制备方法；其特征在于：

当所述高硼合金含有Al时，Al的质量百分含量为0.1-1.2％；

当所述高硼合金含有Ni时，Ni的质量百分含量为0.3-5.0％；

当所述高硼合金含有V时，V的质量百分含量为0.03-2.0％；

当所述高硼合金含有W时，W的质量百分含量为0.5-3.0％。

5.根据权利要求1所述的一种高硼合金的制备方法；其特征在于：

所述淬火为：在保护气氛下于950-1000℃保温1-4小时后，进行水淬或进行油淬；

所述低温回火为：在保护气氛下，于150-300℃保温2-6小时后，以炉冷冷却。