CN109988976B - 一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法，元素含量为Cr：9.0～13.0，B：2.6～2.9，C：0.7～0.9，Al：0.6～1.5％，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn小于0.3，Si小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe。C、B总含量为：3.3～3.6；C/Cr质量比：0.06～0.08；Nb、V的总含量为0.5～1.0。称量原料后在1550～1650℃熔炼；降温至1280～1350℃脱氧处理；1280～1320℃时加入纯铝；再浇铸合金。本发明制备的铸锭硬度HRC65.4～70.2，冲击韧性达到7.8～14.2J/cm2，抗弯强度达到814～1382MPa。

Description

一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法
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过饱和固溶体、马氏体基体相的耐磨耐蚀铸铁的合金的铸造及热处理方法，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
Fe-Cr-B-C耐磨铸造合金是以Fe2B或M2B硬质相为硬质相，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。
专利文献1：授权公告号CN 105695884B，制备的耐磨合金硬度为HRC66～70，冲击韧性4～9J/cm2。该类合金的硬度较高，但冲击韧性不足，强度指标较低，抗弯强度较低，在346～477MPa范围，因此限制了该合金应用于一些外部载荷大、需要耐冲击力作用的场合。
并且，在制备大尺寸规格(厚度大于30mm)和形状复杂铸件时，会出现热应力裂纹，并且有硬度分布不均匀的现象。在大型雷蒙磨床、矿石破碎机、渣浆泵等设备中使用的磨球、衬板、锤头、齿板、过流件、叶轮等耐磨件，体积庞大，形状复杂，因此专利文献1所采用的工艺方法限制了该合金的应用。
文献2：共晶Fe-Cr-B-C合金的快冷组织与性能，铸造，2017，66(10):1053～1056。铸态Fe-Cr-B-C合金的快冷组织由马氏体+残余奥氏体基体和沿晶界连续网状分布的(Fe,Cr)2(B,C)+(Fe,Cr)23(B,C)6硬质相组成。快冷组织基体相的显微硬度为800～880HV,硬质相显微硬度为1150～1400HV,宏观硬度为HRC68，冲击韧性达到13.6J/cm2；而经960℃×2h退火后，基体组织转变为铁素体和粒状渗碳体，硬质相(Fe,Cr)2(B,C)和(Fe,Cr)23(B,C)6少量溶解，局部区域出现断网，出现新相(Fe,Cr)3(B,C)，退火后基体相显微硬度为330～400HV，硬质相为850～1250HV，宏观硬度降低为HRC46，冲击韧性减少到3.4J/cm2。
文献2所得结果反映出基体相的硬度对该类材料的硬度和冲击韧性起重大作用；对比专利文献1，该类合金在冲击韧性等性能方面还有提升的可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法，该合金以Fe2B或M2B为硬质相，基体为Al元素增韧的高硬度多元过饱和固溶体、马氏体等非平衡相，具有良好的韧性、高硬度和较高的强度指标，熔炼、铸造与热处理工艺性好，具有十分广阔的应用前景。
本发明选用的高耐磨性、高耐蚀性Fe-Cr-B-C合金为基础合金，再添加0.6～1.5％Al元素。形成含Fe、Cr、B、C、Nb、V、Al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，Al：0.6～1.5％，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。
Al是钢铁冶炼的终脱氧剂，生产镇静钢时，Al元素的加入量多在0.005～0.05％，通常为0.01～0.03％。Al加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素，Al与N元素反应形成微细的AlN，起到晶界钉扎作用而细化晶粒。
Al与Fe元素有很强的结合力，固溶在Fe基体中的Al替代Fe原子的点阵位置，倾向于形成Fe-Al健；少量Al能够稳定高温奥氏体相，降低临界冷却速率而促进马氏体的形成。不过，Al是铁素体形成元素，即在Fe中单独加Al到一定量时会封闭奥氏体相区而形成单一铁素体相区；继续增加会出现L12结构的Fe3Al超结构相或B2结构FeAl相。因此，引入Al元素韧化合金时，Al的含量不宜过高。由于本发明中存在大量的Fe2B或M2B为硬质相，其基体相所占的体积比约为50～60％，而加入的Al主要溶于基体相中，因此Al含量应控制在0.6～1.5％，以防形成Fe3Al或FeAl金属间化合物而导致基体脆化。
参照专利文献1，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、金属铝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
Figure BDA0002069032160000021
Figure BDA0002069032160000031
表1的原料成分不是唯一可选的原料成分，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。纯铁包括电工纯铁、电磁纯铁或工业纯铁，甚至是低碳碳素钢及其边角料。
具体的熔炼、铸造与热处理工艺为：
(1)熔炼与浇铸工艺；
按照成分要求配比称量好相应原材料后，可采用感应炉、真空感应炉等来熔炼制备合金。首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度高于1500～1600℃，使得纯铁和金属铬充分熔化；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300～1350℃后，用配料总量0.1～0.15％的纯铝脱氧；继续保温约5～10分钟，待熔体温度为1280～1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250～1300℃。
发明合金为共晶成分，熔体具有很好的流动性很很好，通过各种方法都能铸造成型，如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。
(2)铸造后快冷或缓冷和热处理
对于小型和形状简单铸件，铸造后采取快冷，获得具有高硬度的非平衡组织，后续不采取热处理。其工艺为：
从凝固温度到600℃之间的冷却速度应不低于60℃/分钟，并在600～800℃之间解除模具的约束。通过水冷、铁模或模具中放置冷铁的手段实现快速冷却。
后续可采用低于600℃的去应力退火工艺，以及必要的形状、尺寸精度和光洁度需要的机加工处理。
获得的Fe-Cr-Al-B-C合金铸锭的硬度达到HRC68.9～70.2，冲击韧性达到11.6～14.2J/cm2，抗弯强度达到814～966MPa。
发明合金为深度共晶成分，在普通砂模铸造条件下都能形成非平衡基体组织，如过饱和固溶体、非晶、纳米晶或马氏体组织。但由于发生非平衡转变会造成体积变化，铸锭各部分由于冷却速度不一致而导致应力集中，造成开裂现象，因此铸件需要在600～800℃之间解除模具的约束。
对于大型和形状复杂铸件，铸造后需要采取缓冷和热处理。其工艺为：
采用普通砂型模铸造、熔模铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造或离心铸造这些较慢冷却的铸造方式铸造。铸造完后随模具冷却，开模温度要低于200℃，随后自然冷却，以避免发生热应力开裂。
热处理时需要重新加热，将铸件放入到箱式炉加热，随炉升温，升温速率按照加热炉规程，加热升温速度不超过10℃/min，实际加热速度根据铸件大小确定，加热温度为980～1080℃，保温时间为1～4h。
保温结束后，快速将铸件入5～15％的盐水或碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。
然后在200～250℃回火处理2～4h,自然冷却。
经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为65.4～68.2HRC，冲击韧性7.8～10.2J/cm2，抗弯强度1105～1382MPa。
步骤(2)所述的铸造完后随模具冷却，从凝固温度到600℃之间铸件表面冷却速度低于3℃/分钟。
本发明的主要特点是通过多元合金化，形成深度共晶成分，熔点低、流动性好，铸造工艺简单。铸锭组织的基体相为具有高硬度的Cr、B、C、Al强化的非平衡组织，硬质相为高硬度的硼、碳化合物，由于Al对基体相的进一步固溶强化作用和晶粒细化作用，铸锭组织更加细密，从而使得硬质相与基体相之间的应力-应变得以协调，在保持高硬度的前提下，提高合金的冲击韧性和抗弯强度。
附图说明
图1本发明实例1铸造组织图；
图2本发明实例4铸件硬质相的EDS图谱及成分；
图3本发明实例4铸件基体相的EDS图谱及成分；
图4本发明实例10铸造金相组织；
图5本发明实例10淬火-回火处理后的金相组织；
图6本发明实例10淬火-回火处理后的X-射线衍射图谱。
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、纯铝等为原料，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、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr:10.0wt.％；B:2.9wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.4wt.％；V:0.2wt.％；Al:0.6wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和砂型模铸造。具体步骤为：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁，熔化温度为1600℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.15％的纯铝脱氧；继续保温约5分钟，待熔体温度为1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。浇铸完后约6分钟，打开砂型模，此时铸锭温度低于800℃，从凝固温度到800℃之间的冷却速率约为70℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC68.9，冲击韧性达到14.2J/cm2，抗弯强度达到966MPa。
铸锭金相图谱见图1，基本上为双相组织，组织细小均匀，为共晶组织。基体相出现了大量方块状，硬质相与基体相呈共晶析出，硬质相没有出现连续的网络结构。可见Al元素有利于破坏硬质相的网状结构，可大幅提高材料的韧性和强度。
实施例2.选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr:10.0wt.％；B:2.7wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.5wt.％；Al:0.9wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，可采用真空感应炉熔炼和水冷铁模铸造。具体步骤为：
首先将高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁和工业纯铁，熔化温度为1550℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1350℃后，用配料总量0.1％的纯铝脱氧；继续保温约10分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1300℃。浇铸完后约10分钟，打开水冷铁模，此时铸锭温度低于600℃，从凝固温度到600℃之间的冷却速率约为70℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC69.2，冲击韧性达到12.4J/cm2，抗弯强度达到954MPa。
实施例3.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.7wt.％；C:0.8wt.％；Nb:0.6wt.％；Al:1.2wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和熔模铸造，具体步骤为：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1580℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320℃后，用配料总量0.12％的纯铝脱氧；继续保温约8分钟，待熔体温度为1300℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1280℃。浇铸完后约10分钟，打开砂型熔模，此时铸锭温度低于700℃，从凝固温度到700℃之间的冷却速率约为60℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC69.8，冲击韧性达到12.8J/cm2，抗弯强度达到854MPa。
实施例4.选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：11.0wt.％；B：2.7wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.2wt.％；V:0.4wt.％；Al:1.5wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和砂模铸造，具体步骤为：
首先将高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1500℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.14％的纯铝脱氧；继续保温约7分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。浇铸完后约7分钟，打开砂型模，此时铸锭温度低于800℃，从凝固温度到800℃之间的冷却速率约为60℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC70.2，冲击韧性达到11.6J/cm2，抗弯强度达到814MPa。
铸锭硬质相和基体相的EDS成分分析分别见图2和图3，可见Al元素在硬质相中的固溶量较低，而主要富集在基体相中，起到强化基体相的作用。甚至有部分Al元素与熔体中的残存N形成AlN，析出在晶界，起到细化晶粒的作用。
实施例5.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.6wt.％；C：0.6wt.％；Nb：0.3wt.％；V：0.1wt.％；Al:0.6wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和消失模铸造，具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、工业纯铁熔化，熔化温度为1580℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320℃后，用配料总量0.12％的纯铝脱氧；继续保温约9分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。浇铸完后约8分钟，打开消失模砂型，此时铸锭温度低于700℃，从凝固温度到700℃之间的冷却速率约为70℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC69.4，冲击韧性达到13.8J/cm2，抗弯强度达到946MPa。
实施例6.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.6wt.％；C：0.8wt.％；Nb：0.8wt.％；Al:0.9wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用真空感应熔炼和铁模铸造，具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁，熔化温度为1560℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1350℃后，用配料总量0.15％的纯铝脱氧；继续保温约10分钟，待熔体温度为1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1300℃。浇铸完后约10分钟，打开砂型模，此时铸锭温度低于600℃，从凝固温度到600℃之间的冷却速率约为70℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC69.8，冲击韧性达到12.2J/cm2，抗弯强度达到932MPa。
实施例7.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：11.0wt.％；B：2.6wt.％；C：0.9wt.％；Nb：0.2wt.％；V：0.2wt.％；Al:1.2wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，可采用感应熔炼和消失模铸造。具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1580℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.10％的纯铝脱氧；继续保温约5分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。浇铸完后约9分钟，打开消失模砂型，此时铸锭温度低于600℃，从凝固温度到600℃之间的冷却速率约为70℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC69.9，冲击韧性达到11.9J/cm2，抗弯强度达到920MPa。
实施例8.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、纯铝、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.％；Al:1.5wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和消失模铸造，具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1590℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320℃后，用配料总量0.13％的纯铝脱氧；继续保温约7分钟，待熔体温度为1300℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1280℃。浇铸完后约9分钟，打开消失模砂型，此时铸锭温度低于700℃，从凝固温度到700℃之间的冷却速率约为60℃/分钟。空冷至室温。所得铸锭硬度达到HRC70，冲击韧性达到11.8J/cm2，抗弯强度达到868MPa。
实施例9.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr:10.0wt.％；B:2.9wt.％；C:0.7wt.％；Al:0.6wt.％；Nb:0.4wt.％；V:0.2wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和砂型模铸造。具体步骤为：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁，熔化温度为1600℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.15％的纯铝脱氧；继续保温约5分钟，待熔体温度为1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为980℃，保温时间为4h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入5％的盐水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在200℃回火处理4h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为65.4HRC，冲击韧性10.2J/cm2，抗弯强度1382MPa。
实施例10.选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr:10.0wt.％；B:2.7wt.％；Al:0.9wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.5wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，可采用真空感应炉熔炼和水冷铁模铸造。具体步骤为：
首先将高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁和工业纯铁，熔化温度为1550℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1350℃后，用配料总量0.1％的纯铝脱氧；继续保温约10分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1300℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1050℃，保温时间为1h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入15％的盐水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在250℃回火处理2h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为66.8HRC，冲击韧性8.2J/cm2，抗弯强度1282MPa。
图1为实施例10铸态合金的金相组织，出现了大量方块的基体相，以及基体相与硬质相相互穿插的共晶组织，组织比较细小，均匀。图2为实施例10淬火-回火处理后的金相组织，与图1相比较，基体相的数量增多，但仍然保持为细小、均匀组织。图3为该状态下合金的X-射线衍射图谱，反映出合金主要为马氏体基体相和硼化物硬质相。由于组织细小，基体相和硬质相都具有高硬度，比较界面结合良好，因此合金在保持高硬度的同时，表现出高的冲击韧性和弯曲强度。
实施例11.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.7wt.％；Al:1.2wt.％；C:0.8wt.％；Nb:0.6wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和熔模铸造，具体步骤为：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1580℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320℃后，用配料总量0.12％的纯铝脱氧；继续保温约8分钟，待熔体温度为1300℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1280℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1000℃，保温时间为2h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入10％的盐水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在220℃回火处理3h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为67.5HRC，冲击韧性9.5J/cm2，抗弯强度1265MPa。
实施例12.选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：11.0wt.％；B：2.7wt.％；Al:1.5wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.2wt.％；V:0.4wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和砂模铸造，具体步骤为：
首先将高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1500℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.14％的纯铝脱氧；继续保温约7分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1080℃，保温时间为2h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入5％的碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，火冷却时间≥30min。然后在220℃回火处理2h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为68.2HRC，冲击韧性7.8J/cm2，抗弯强度1105MPa。
实施例13.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.6wt.％；C：0.6wt.％；Al:0.6wt.％；Nb：0.3wt.％；V：0.1wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和消失模铸造，具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、工业纯铁熔化，熔化温度为1580℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320℃后，用配料总量0.12％的纯铝脱氧；继续保温约9分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1020℃，保温时间为3h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入15％的碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在220℃回火处理3h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为67.5HRC，冲击韧性9.6J/cm2，抗弯强度1320MPa。
实施例14.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.6wt.％；C：0.8wt.％；Nb：0.8wt.％；Al:0.9wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用真空感应熔炼和铁模铸造，具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁，熔化温度为1590℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1350℃后，用配料总量0.15％的纯铝脱氧；继续保温约10分钟，待熔体温度为1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1300℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1050℃，保温时间为2h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入10％的碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在220℃回火处理3h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为65.8HRC，冲击韧性9.7J/cm2，抗弯强度1268MPa。
实施例15.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：11.0wt.％；B：2.6wt.％；Al:1.2wt.％；C：0.9wt.％；Nb：0.2wt.％；V：0.2wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，可采用感应熔炼和消失模铸造。具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1550℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.10％的纯铝脱氧；继续保温约5分钟，待熔体温度为1280℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1020℃，保温时间为1h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入15％的碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在200℃回火处理4h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为66.2HRC，冲击韧性8.9J/cm2，抗弯强度1268MPa。
实施例16.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、纯铝、钒铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：13.0wt.％；B：2.6wt.％；Al:1.5wt.％；C：0.8wt.％；Nb：0.6wt.％；V：0.4wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和消失模铸造，具体步骤如下：
首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁熔化，熔化温度为1590℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320℃后，用配料总量0.13％的纯铝脱氧；继续保温约7分钟，待熔体温度为1300℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1280℃。铸造完后开模温度低于200℃。自然冷却。
然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为990℃，保温时间为2h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入10％的碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在200℃回火处理2h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为67.3HRC，冲击韧性9.2J/cm2，抗弯强度1195MPa。
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，列于表2。
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，列于表2。
3.对实例铸造金属材料电子万能实验机进行三点抗弯实验，样品尺寸为2×5×50mm的矩形试样，跨距为30mm，取三个相同处理样品的抗弯强度平均值列于表2。
表2实施例的成分与硬度、冲击韧性和抗弯强度*
Figure BDA0002069032160000121
*表2中各实施例中，Si、S、P为杂质元素，其中Si<0.07，S、P：≤0.01。

Claims (3)

1.一种Al增韧高硬度合金，其特征在于：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，Al：0.6～1.5%，Nb：0.4~0.8，V：0.4~0.8，Mn小于0.3， Si的含量小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe，其中C、B的总质量百分含量为：3.3~3.6；C/Cr质量比：0.06~0.08；Nb、V的总质量百分含量为0.5~1.0；Al增韧高硬度合金的铸造与热处理方法，包括以下步骤：
(1) 熔炼与浇铸工艺；
按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应炉或真空感应炉来熔炼制备合金：首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度1500～1600℃，使得纯铁和金属铬充分熔化；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300～1350℃后，用配料总量0.1～0.15%的纯铝脱氧；继续保温5～10分钟，待熔体温度为1280～1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250～1300℃；
(2) 铸造后快冷或缓冷和热处理
对于小型和形状简单铸件，铸造后采取快冷，获得具有高硬度的非平衡组织，后续不采取热处理，其工艺为：
从凝固温度到600℃之间的冷却速度不低于60℃/分钟，并在600~800℃之间解除模具的约束，通过水冷、铁模、模具中放置冷铁实现快速冷却；
后续采用低于600℃的去应力退火工艺，以及必要的形状、尺寸精度和光洁度需要的机加工处理；
对于大型和形状复杂铸件，铸造后需要采取缓冷和热处理，其工艺为：
采用普通砂型模铸造、熔模铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造或离心铸造慢冷却的铸造方式铸造，铸造完后随模具冷却，开模温度要低于200℃，随后自然冷却，以避免发生热应力开裂；
热处理时需要重新加热，将铸件放入到箱式炉加热，随炉升温，升温速率按照加热炉规程，加热升温速度不超过10℃/min，加热温度为980～1080℃，保温时间为1～4h；
保温结束后，快速将铸件入5～15%的盐水或碱水淬火冷却，冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min；
然后在200～250℃回火处理2～4 h,自然冷却。
2.如权利要求1所述的Al增韧高硬度合金的铸造与热处理方法，其特征在于包括以下步骤：
(1) 熔炼与浇铸工艺；
按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应炉或真空感应炉来熔炼制备合金：首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度1500～1600℃，使得纯铁和金属铬充分熔化；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300～1350℃后，用配料总量0.1～0.15%的纯铝脱氧；继续保温5～10分钟，待熔体温度为1280～1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250～1300℃；
(2) 铸造后快冷或缓冷和热处理
对于小型和形状简单铸件，铸造后采取快冷，获得具有高硬度的非平衡组织，后续不采取热处理，其工艺为：
从凝固温度到600℃之间的冷却速度不低于60℃/分钟，并在600~800℃之间解除模具的约束，通过水冷、铁模、模具中放置冷铁实现快速冷却；
后续采用低于600℃的去应力退火工艺，以及必要的形状、尺寸精度和光洁度需要的机加工处理；
对于大型和形状复杂铸件，铸造后需要采取缓冷和热处理，其工艺为：
采用普通砂型模铸造、熔模铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造或离心铸造慢冷却的铸造方式铸造，铸造完后随模具冷却，开模温度要低于200℃，随后自然冷却，以避免发生热应力开裂；
热处理时需要重新加热，将铸件放入到箱式炉加热，随炉升温，升温速率按照加热炉规程，加热升温速度不超过10℃/min，加热温度为980～1080℃，保温时间为1～4h；
保温结束后，快速将铸件入5～15%的盐水或碱水淬火冷却，冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min；
然后在200～250℃回火处理2～4 h,自然冷却。
3.如权利要求2所述的Al增韧高硬度合金的铸造与热处理方法，其特征在于：所述的铸造完后随模具冷却，从凝固温度到600℃之间铸件表面冷却速度低于3℃/分钟。
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