CN111440983A - 一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料及其制备方法 - Google Patents

一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料及其制备方法。本发明制备的多尺度硼化物增强的铁基材料利用电炉熔炼，成形铸件组织由基体铁素体相、棒状和网状富Cr的M2B(M＝Fe,Cr,Mo)硼化物相以及网状共晶富Mo的M2B硼化物及弥散分布的颗粒状TiB2相组成，具有良好的耐铝液熔蚀性能和强韧性。其中，750℃高温硬度达到300.0‑450.0HV，室温冲击韧性大于4.0J/cm2，其高温铝液熔蚀速率较H13钢降低了50％‑80％。采用本发明制备的耐铝液熔蚀铁基材料能大大提高零部件的使用寿命，具有较高的经济效益。

Description

一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于耐熔蚀金属材料技术领域，具体涉及一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料及其制备方法。
背景技术
铝及其合金在熔炼和成形加工过程中，如熔炼、热浸镀铝、半固态加工，由于熔铝的高化学活性，几乎能和所有接触的坩埚、模具、夹具等金属材料发生冶金反应，降低零部件的使用寿命，甚至发生失效。另外，与铝液接触的零部件发生溶解会致使铝及其合金液污染。
熔蚀机制主要为：铁基材料在铝液中以溶解-扩散的方式进行，并在铁基材料表面处形成腐蚀产物-金属间化合物层；同时，在热应力及相变应力作用下，表面的金属间化合物产生微裂纹、发生剥落。因此，在铝合金及其制品生产过程中对其接触的材料，不仅要有良好的耐铝液熔蚀性能，而且还要具有良好的抗热疲劳、热冲击性能。
目前，国内外针对耐铝液熔蚀材料的研究主要集中在：对模具钢进行表面改性，如采用渗硼，渗氮处理等，但表面渗层较薄、均匀性差，在铝液的冲蚀作用下，改性层的薄弱部分易发生熔蚀穿孔导致材料失效。此外，对于整体金属材料如难熔合金(钛基，钨基，钼基等)，虽具有良好的耐铝液熔蚀性能，但该系列材料的制备、加工成形难度大及成本高等限制了它的实际应用。具有3D网状结构的Fe2B相，具有较高的化学稳定性、耐磨性、耐熔蚀性等。
中国发明专利CN101215671A公开了采用电炉熔炼制备成分含量(wt.％)为：0.6-0.8C，4.0-7.0B，4.0-6.0Cr，4.0-7.0N，2.0-5.0Cr，0.3-0.6Si，0.3-0.6Mn，S<0.05，P<0.05的一种抗锌液熔蚀磨损材料，在热镀锌机组沉没辊轴套和铸造金属锌液用定量器滴嘴，使用寿命较316L不锈钢提高3-6倍。另外，中国发明专利CN101177762A公开了一种利用电炉生产的化学成分含量(wt.％)为：C<0.40，Mn<0.40，5.0-7.0B，0.05-0.15Ce，1.5-3.0Cr，0.80-1.50Al的高硼铸钢，在500℃锌液中的熔蚀速率为25-40g/m2·h，冲击韧性大于6J/cm2，耐锌液熔蚀性能优良并具有一定的强韧性。由于铝液较锌液具有更高的化学活性，且硼化物自身所具有的本征脆性，均给含硼铸钢材料在耐铝液熔蚀的应用方面提出了更高的要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料及其制备方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明的材料设计通过引入与铝液润湿性差且强硼化物形成元素(如Cr，Mo，Ti)，采用真空感应熔炼制备出不同尺寸及形貌的多元硼化物协同增强的铁基合金。另外，加入适量Al，提高基体的稳定性。通过对材料成分含量的调控及制备工艺优化，制备出耐铝液熔蚀性能优异且韧性良好的硼化物增强铁基材料。
本发明提供的一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，按照质量百分计，包括如下成分：0.1-0.5wt.％的C，1.5-8.5wt.％的B，12.0-25.0wt.％的Cr，1.5-8.5wt.％的Mo，0.5-3.5wt.％的Si，0.5-6.0wt.％的Al，0.5-3.5wt.％的Mn，0.5-10.0wt.％的Ti，余者为Fe。
进一步地，所述多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，按照质量百分计，包括如下成分：0.1-0.3wt.％的C，2.0-4.5wt.％的B，18.5-25.0wt.％的Cr，2.5-6wt.％的Mo，1.5-3.5wt.％的Si，1.5-6.0wt.％的Al，1.5-3.5wt.％的Mn，0.5-10.0wt.％的Ti，余者为Fe。
进一步地，所述多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，按照质量百分计，包括如下成分：：0.1-0.5wt.％的C，1.5-8.5wt.％的B，12.0-25.0wt.％的Cr，1.5-8.5wt.％的Mo，0.5-3.5wt.％的Si，0.5-4.0wt.％的Al，0.5-3.5wt.％的Mn，0.5-4.0wt.％的Ti，余者为Fe。
本发明提供的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料是采用电炉熔炼，铸造成形而成的。
本发明提供的一种制备所述的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的方法，包括如下步骤：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钛铁、锰铁、硅铁及高纯铝锭混合，加热熔化，调整钢的成分到设计值，得到合金熔液；
(2)将步骤(1)所述合金熔液加热，然后浇注到铸型中，冷却凝固，得到所述多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料。
进一步地，步骤(2)所述合金熔液加热的温度为1520-1580℃。
进一步地，步骤(2)所述浇注的温度为1450-1480℃。
本发明的原理：
基于网状硼化物Fe2B相的高化学稳定性、高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等特点，在铸钢组织中引入硼化物相，通过调控B、Cr、Mo和Ti的含量，所获得具有多尺度的棒状、不规则块状、树枝状M2B(M＝Fe,Cr,Mo)硼化物及弥散分布的颗粒状TiB2组成的高硼钢，具有优异耐高温铝液熔蚀-磨损性能；同时，又有一定的Cr，Mo，Ti，Al固溶到铁素体基体中，提高了基体稳定性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，通过调控B、Cr、Mo和Ti的含量，所获得具有一定分布的棒状、树枝状和颗粒状硼化物的高硼钢，具有优异的耐高温铝液熔蚀性能；
(2)本发明制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料经750℃铝液熔蚀8h试验，其耐高温铝液熔蚀速率较工业常用的模具钢材料H13钢降低了50-80％。同时，在750℃高温硬度达到300.0-450.0HV，室温冲击韧性大于4J/cm2，具有很好的力学性能；
(3)本发明制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，其工艺简单，成本较低，适合工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中所制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的组织和该材料经铝液熔蚀的界面形貌特征；
图2为实施例2中所制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的组织和该材料经铝液熔蚀的界面形貌特征；
图3为实施例3中所制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的组织和该材料经铝液熔蚀的界面形貌特征；
图4为实施例4中所制备的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的组织和该材料经铝液熔蚀的界面形貌特征。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
本实施例所述耐高温铝液熔蚀磨损材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钛铁、锰铁、硅铁，高纯铝锭混合加热熔化，调整成分(wt.％)为：C:0.1，B:3.5，Cr:12.0，Mo:1.5，Si:3.5，Al:3.5，Mn:0.5，Ti:0.5，余量为Fe；
(2)将合金熔液温度加热至1520℃，然后再浇注到铸型，浇注温度为1450℃，冷却凝固得到铸件，即所述耐高温铝液熔蚀磨损材料(多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料)。
本实施例制备得到的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料组织，如图1的(a)部分所示，该组织主要由呈棒状和网状富Cr的M2B硼化物、富Mo硼化物相及颗粒状TiB2组成。该材料力学性能优良，其中：冲击功为4.5J/cm2，750℃的高温硬度达到了325.0HV。经750℃铝液熔蚀8h，该材料的熔蚀速率(16.4mm3·cm-2·h-1)较H13钢(41mm3·cm-2·h-1)降低了60％。另外从该材料的熔蚀界面组织(如图1的(b)部分所示)可以看到棒状、网状硼化物紧紧镶嵌在基体中，当该材料在高温铝液中发生熔蚀时，网状共晶硼化物的三维骨架结构对铝液有阻挡作用，特别是棒状富Cr的M2B硼化物形成层状结构腐蚀产物镶嵌在铁铝金属间化合物中，使得熔蚀界面较平缓，但金属间化合物在热应力下会产生微裂纹。
实施例2
本实施例所述耐高温铝液熔蚀磨损材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钛铁、锰铁、硅铁，高纯铝锭混合加热熔化，调整成分(wt.％)为：C:0.2，B:8.5，Cr:15.5，Mo:3.0，Si:0.5，Al:6.0，Mn:1.5，Ti:6.5，余量为Fe；
(2)将合金熔液温度加热至1540℃，然后再浇注到铸型，浇注温度为1460℃，冷却凝固得到铸件，即所述耐高温铝液熔蚀磨损材料(多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料)。
本实施例制备得到的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料组织，如图2的(a)部分所示，该组织中，主要由呈棒状富Cr的M2B硼化物、共晶富Mo的M2B硼化物和弥散分布的颗粒状TiB2组成。随着Ti含量的增加，相应的硼化物发生细化，特别是富Cr的M2B硼化物。该材料组织性能优良，其中：冲击功为6.5J/cm2，750℃的高温硬度达到了350HV；经750℃铝液熔蚀8h，该材料的熔蚀速率熔蚀速率较H13钢降低了75％。另外，从该材料的熔蚀界面组织(图2的(b)部分所示)可以看到，当该材料在高温铝液中发生熔蚀时，均匀分布的硼化物增大了与铝液的接触面积，对铝液的阻挡效果更好，熔蚀界面较平缓，界面处的微裂纹相对减少。
实施例3
本实施例所述耐高温铝液熔蚀磨损材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钛铁、锰铁、硅铁，高纯铝锭混合加热熔化，调整成分(wt.％)为：C:0.5，B:5.5，Cr:20.0，Mo:8.5，Si:1.5，Al:2.5，Mn:2.0，Ti:3.5，余量为Fe；
(2)将合金熔液温度加热至1560℃，然后再浇注到铸型，浇注温度为1470℃，冷却凝固得到铸件，即所述耐高温铝液熔蚀磨损材料(多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料)。
本实施例制备得到的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料组织如图3的(a)部分所示，该组织中，主要由呈短棒状富Cr的M2B硼化物、网状共晶富Mo的M2B硼化物和弥散分布的颗粒状TiB2组成。随着Ti含量的增加，特别是棒状富Cr的M2B硼化物明显细化。该材料组织性能优良，其中冲击功为8J/cm2，750℃的高温硬度达到了400.0HV。经750℃铝液熔蚀8h，该铸钢的熔蚀速率较H13钢降低了80％。另外，从该材料的熔蚀界面组织(如图3的(b)部分所示)可以看到，该材料在高温铝液中发生熔蚀时，均匀分布的硼化物增大了与铝液的接触面积，对铝液的阻挡效果更好，熔蚀界面较平缓。
实施例4
本实施例所述耐高温铝液熔蚀磨损材料的制备方法，具体包括以下步骤：
本实施例所述耐高温铝液熔蚀磨损材料及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钛铁、锰铁、硅铁，高纯铝锭混合加热熔化，调整成分(wt.％)为：C:0.3，B:1.5，Cr:25.0，Mo:5.0，Si:2.0，Al:0.5，Mn:3.5，Ti:10.0，余量为Fe；
(2)将合金熔液温度加热至1580℃，然后再浇注到铸型，浇注温度为1480℃，冷却凝固得到铸件，即所述耐高温铝液熔蚀磨损材料(多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料)。
本实施例制备得到的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料组织，如图4的(a)部分所示，该组织主要由呈细化的棒状富Cr的M2B硼化物、网状共晶富Mo的M2B硼化物和弥散分布的颗粒状TiB2组成。随着Ti含量的加入，相应的硼化物发生细化，特别是富Cr的M2B硼化物。该材料组织性能优良，其中冲击功为6.5J/cm2，750℃的高温硬度达到了450.0HV。经750℃铝液熔蚀8h，该材料的熔蚀速率较H13钢降低了60％。另外，从该材料的熔蚀界面组织可以看到，如图4的(b)部分所示，在高温铝液中发生熔蚀时，均匀分布的硼化物增大了与铝液的接触面积，对铝液的阻挡效果更好，熔蚀界面较平缓，界面处存在微裂纹。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，其特征在于，按照质量百分计，包括如下成分：0.1-0.5wt.％的C，1.5-8.5wt.％的B，12.0-25.0wt.％的Cr，1.5-8.5wt.％的Mo，0.5-3.5wt.％的Si，0.5-6.0wt.％的Al，0.5-3.5wt.％的Mn，0.5-10.0wt.％的Ti，余者为Fe。
2.根据权利要求1所述的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，其特征在于，按照质量百分计，包括如下成分：0.1-0.3wt.％的C，2.0-6.5wt.％的B，15.0-25.0wt.％的Cr，2.5-8.5wt.％的Mo，0.5-3.5wt.％的Si，0.5-6.0wt.％的Al，0.5-3.5wt.％的Mn，0.5-10.0wt.％的Ti，余者为Fe。
3.根据权利要求1所述的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料，其特征在于，按照质量百分计，包括如下成分：0.1-0.5wt.％的C，1.5-8.5wt.％的B，12.0-25.0wt.％的Cr，1.5-8.5wt.％的Mo，0.5-3.5wt.％的Si，0.5-4.0wt.％的Al，0.5-3.5wt.％的Mn，0.5-4.0wt.％的Ti，余者为Fe。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、硼铁、钛铁、锰铁、硅铁及高纯铝锭混合，加热熔化，得到合金熔液；
(2)将步骤(1)所述合金熔液加热，然后浇注到铸型中，冷却凝固，得到所述多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料。
5.根据权利要求4所述的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述合金熔液加热的温度为1520-1580℃。
6.根据权利要求4所述的多尺度硼化物增强的耐高温铝液熔蚀铁基材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述浇注的温度为1450-1480℃。
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