CN113355609B - 一种变质高硼铁基耐磨合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变质高硼铁基耐磨合金及其制备方法，采用技术方案是：先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末和K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；再将硼铁进行干燥处理，在200～400℃烘干4h，然后将除K2SO4粉末、钙铝粉末的其他配料进行冶炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末，再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；将冶炼的铁水浇入浇包，采用砂模浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理、打磨处理，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金。本发明制备的变质高硼铁基耐磨合金微观组织中，硼化物断网并呈孤立岛状均匀分布，具有低成本、硬度高、韧性好、抗压强度与屈服强度高的特点。

Description

一种变质高硼铁基耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高硼铁基耐磨合金技术领域，涉及一种变质高硼铁基耐磨合金及其制备与热处理方法。
背景技术
材料破坏有三种主要形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不像另外两种形式，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的，会造成资源和能源的巨大浪费。而目前在工程上广泛应用的高锰钢、镍系、铬系耐磨铸铁和耐磨钢等传统铁基耐磨材料，一方面由于合金元素含量高，价格昂贵，导致这些耐磨材料生产成本较高，不能完全满足工程需要。硼是我国富产元素，总贮量占世界第五位，价格低廉而稳定，以硼为主要合金元素的铁基耐磨合金由于其优异的强硬性、淬透性、耐磨性和低的生产成本逐渐引起重视。高硼铁基合金是以FeB、Fe2B等硼化物为耐磨相的新型耐磨材料，可应用于轧辊、泥浆泵叶轮、球磨机衬板、破碎机齿板和锤头上。
高硼铁基耐磨合金相比于普通耐磨铸铁、耐磨钢具有明显的优点。硼在α-Fe中的溶解度小于0.0004％，在γ-Fe中的溶解度也只有0.02％，因此加入的硼元素大部分以硼化物的形式存在，而碳在铁中的固溶度比硼高得多，可以通过分别调控硼和碳的含量，来分别调控硼化物的体积分数和基体性能，来实现控制材料的耐磨性和韧性。另外由于硼化物显微硬度为1430～1480HV，优于Fe3C(900HV)和Cr7C3(1300HV)，具有高硬度和良好的热稳定性。因此，开发高硼耐磨合金材料并应用于工程实践具有重要意义。但是，由于铁硼合金中Fe2B型硼化物呈三维网状分布，破坏了基体的连续性，导致合金韧性不足，脆性较高，经常在硬质相内部及硬质相与基体的界面处产生裂纹，导致失效，限制了高硼铁基耐磨合金的实际应用。因此，改善铁硼合金的韧性成为合金应用的关键。
为了改善硼化物的网状分布特征，许多学者分别采用变质处理、热处理、高温形变、半固态铸造、悬浮铸造、外场处理等常用处理方法以及微区成分扰动生核处理等一些新型处理方法试图改善硼化物的分布，虽然在一定程度上改善了硼化物的网状形态，使硼化物出现部分断网，但并没有从根本上使硼化物完全断网并呈孤立岛状，而且热处理工艺容易使基体组织粗化影响耐磨性能，高温变形会破坏工件的形状，半固态铸造、悬浮铸造等工艺复杂、成本较高，但是变质处理生产工艺简单，又不受工件形状的限制。因此制备高硼铁基耐磨合金的关键技术之一是对合金进行变质处理，获得硼化物呈断网状、块状和小颗粒状均匀分布的细小组织。据文献报道，目前高硼铁基耐磨合金变质处理使用的变质剂有稀土、K/Na、钛、铈、稀土铝、稀土钛、稀土硅铁、稀土镁等，这些变质剂对硼化物的形态及分布有一定效果，但效果并不显著，硼化物没有完全断网并呈孤立岛状，此硼化物与基体结构之间难以相互协调变形，高硼铁基合金韧性较低，在磨损工况下硼化物出现大量脱落，磨损性能仍然较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种变质高硼铁基耐磨合金及其制备方法，能够解决硼化物网状形态的问题，具有高硬度、优异的压缩性能和良好的冲击韧性，从而有效提升耐磨合金的磨损性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种变质高硼铁基耐磨合金，其化学成分以质量百分比计，包括：0.5％～2.5％的B，0.3％～0.4％的C，3.5％～4.5％的Cr，1.8％～2.2％的Mn，0.9％～1.1％的Si，0.8％～1.6％的Ni，0.55％～0.65％的Ca，0.16％～0.24％的Al，1.2％～2.4％的K，0.6％～1.2％的S；P<0.05％；余量为Fe以及其他不可避免的杂质。
优选地，该变质高硼铁基耐磨合金的硬度为56～62HRC；冲击韧性为10～15J/cm2；抗压强度为2600～2880MPa；屈服强度为2000～2130MPa。
本发明还公开了上述的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：
1)先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末和K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；
2)将硼铁进行干燥处理，然后将工业纯铁、生铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片和干燥后的硼铁进行熔炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末，再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；
3)将步骤2)熔炼得到的铁水浇入浇包，采用砂模浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理、打磨处理，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金。
优选地，步骤1)中，配料的元素烧损率分别为：B为10wt.％；C为5wt.％；Cr为5wt.％；Mn为5wt.％；Si为5wt.％；Ni为5wt.％。
优选地，步骤2)中，干燥处理是将硼铁在200～400℃烘干处理4h。
优选地，步骤2)中，熔炼温度为1575℃±25℃。
优选地，步骤3)中，浇铸温度为1450℃±25℃。
优选地，步骤3)中，高温热处理的工艺是：加热至980～1020℃，保温1h；淬火至室温；再加热到200～240℃，保温2h；然后在空气中冷却至室温。
优选地，所述钙铝粉末的纯度为96.9％，钙铝粉末的化学成分以质量百分比记，包括：74.57wt.％的Ca；25.28wt.％的Al；0.01wt.％的Mn；0.02wt.％的Fe，余量为其他不可避免的杂质。
优选地，所述K2SO4粉末的纯度大于99％；所述镍片的纯度为99.7％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，第一，在采用低含量Cr、Mn元素合金化和高温热处理两种改善硼化物韧性和分布的基础上，添加K2SO4变质处理，相比于高铬铸铁降低了生产成本，同时由于部分Cr、Mn原子置换了硼化物中的部分Fe原子，形成铁铬锰复合硼化物M2B(M代表溶入硼化物中的合金元素Fe、Cr、Mn)，故适量的Cr、Mn元素的加入，提高了硼化物的韧性。第二，K2SO4变质处理一方面通过K在硼化物与基体界面的吸附，改善了硼化物的形态与分布，使硼化物断网并呈孤立岛状，提高韧性。另一方面引入S原子与Mn原子进行结合形成MnS异质核心，促进了组织的细化。第三，高温热处理可以使铸态下的铁素体和珠光体全部转化为马氏体，提供了耐磨合金的硬度与强度保证。与此同时，本发明生产工艺简单，且不受工件形状的限制。
进一步地，为了使合金的实际成分更接近于设计成分，因此进行原材料配比的时候需要考虑原材料的纯度，本发明所用的钙铝粉末的纯度为96.9％，K2SO4粉末的纯度大于99％，镍片的纯度为99.7％。
进一步地，本发明所用的配料的元素烧损率分别为：B为10wt.％；C为5wt.％；Cr为5wt.％；Mn为5wt.％；Si为5wt.％；Ni为5wt.％；由于浇铸过程非真空，原材料不是100％进入到最终的合金中，为了使合金获得设计的成分，在计算原材料配比的时候需要考虑到浇铸过程中元素的损耗。此处的烧损率是本实验进行原材料配比时使用的数据，可以使最终得到的合金成分更接近于设计的成分。
经本发明的方法所制备的变质高硼铁基耐磨合金经检测：硬度为56～62HRC；冲击韧性为10～15J/cm2；抗压强度为2600～2880MPa；屈服强度为2000～2130MPa。且该变质高硼铁基耐磨合金微观组织中，硼化物断网并呈孤立岛状均匀分布，具有低成本、硬度高、韧性好、抗压强度与屈服强度高的特点。
附图说明
图1是发明实施例1中制备的一种变质高硼铁基耐磨合金的XRD物相分析图；
图2是图1所示变质高硼铁基耐磨合金的扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
本实施例的变质高硼铁基耐磨合金的化学成分是：B为2.0wt.％；C为0.36wt.％；Cr为4.0wt.％；Mn为2.0wt.％；Si为1.0wt.％；Ni为1.2wt.％；Ca为0.60wt.％；Al为0.20wt.％；K为2.0wt.％；S为0.9wt.％；P<0.05wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
所述变质高硼铁基耐磨合金的制备方法是：先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末、K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；再将硼铁进行干燥处理，在200～400℃烘干4h，然后将除K2SO4粉末、钙铝粉末的其他配料进行冶炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末，再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；将冶炼的铁水浇入浇包，采用砂模浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理、打磨处理，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金。
所述高温热处理的工艺是：加热至1000℃，保温1h；淬火至室温；再加热到220℃，保温2h；然后在空气中冷却至室温。
所述镍片的纯度为99.7％；
所述钙铝的纯度为96.9％，化学成分是：Ca为74.57wt.％；Al为25.28wt.％；Mn为0.01wt.％；Fe为0.02wt.％；余量为其他不可避免的杂质。
所述K2SO4粉末的含量为4.46wt％，纯度大于99％。
所述配料的元素烧损率分别为：B为10wt.％；C为5wt.％；Cr为5wt.％；Mn为5wt.％；Si为5wt.％；Ni为5wt.％；
所述熔炼温度为1575℃±25℃，浇铸温度为1450℃±25℃。
本实施例所制备的变质高硼铁基耐磨合金经光镜、扫描电镜、洛氏硬度计、冲击试验机、压缩试验机等常规检测方法进行检测：
微观组织中硼化物断网并呈孤立岛状均匀分布，基体为马氏体，有MnS相弥散分布；硬度为60～62HRC；冲击韧性为13～15J/cm2；抗压强度为2790～2880MPa；屈服强度为2090～2130Mpa；延伸率为15～17％。而未添加Cr、Mn与K2SO4的合金微观组织中硼化物呈网状分布，硬度为30-40HRC；冲击韧性为6～8J/cm2；抗压强度为1420～1460MPa；屈服强度为525～550Mpa。
本实施例制得的变质高硼铁基耐磨合金的XRD物相分析图如图1所示，从图1中可以看出，合金由α-Fe、M2B和MnS三种物相组成，变质处理并没有改变硼化物的类型，依然为M2B型硼化物，同时出现了MnS。
本实施例制得的变质高硼铁基耐磨合金的扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出合金的基体为马氏体，硼化物网状形貌得到改善，出现断网，呈孤立导状均匀分布，减少了对基体的割裂，同时MnS也弥散分布在基体中。
实施例2
本实施例的变质高硼铁基耐磨合金的化学成分是：B为2.0wt.％；C为0.36wt.％；Cr为4.0wt.％；Mn为2.0wt.％；Si为1.0wt.％；Ni为1.2wt.％；Ca为0.60wt.％；Al为0.20wt.％；K为1.6wt.％；S为0.9wt.％；P<0.05wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
所述变质高硼铁基耐磨合金的制备方法是：先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末、K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；再将硼铁进行干燥处理，在200～400℃烘干4h，然后将除K2SO4粉末、钙铝粉末的其他配料进行冶炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末，再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；将冶炼的铁水浇入浇包，采用砂模浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理处理，再打磨温，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金。
所述高温热处理的工艺是：加热至1000℃，保温1h；淬火至室温；再加热到220℃，保温2h；然后在空气中冷却至室温。
所述镍片的纯度为99.7％。
所述钙铝的纯度为96.9％，化学成分是：Ca为74.57wt.％；Al为25.28wt.％；Mn为0.01wt.％；Fe为0.02wt.％；余量为其他不可避免的杂质。
所述K2SO4粉末的含量为3.57wt.％，纯度大于99％。
所述配料的元素烧损率分别为：B为10wt.％；C为5wt.％；Cr为5wt.％；Mn为5wt.％；Si为5wt.％；Ni为5wt.％；
所述熔炼温度为1575℃±25℃，浇铸温度为1450℃±25℃。
本实施例所制备的变质高硼铁基耐磨合金经检测：微观组织中硼化物断网并呈孤立岛状均匀分布，基体为马氏体，有MnS相弥散分布。
实施例3
本实施例的变质高硼铁基耐磨合金的化学成分是：B为2.0wt.％；C为0.36wt.％；Cr为4.5wt.％；Mn为2.0wt.％；Si为1.0wt.％；Ni为1.2wt.％；Ca为0.60wt.％；Al为0.20wt.％；K为2.0wt.％；S为0.9wt.％；P<0.05wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
所述变质高硼铁基耐磨合金的制备方法是：先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末、K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；再将硼铁进行干燥处理，在200～400℃烘干4h，然后将除K2SO4粉末、钙铝粉末的其他配料进行冶炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；将冶炼的铁水浇入浇包，采用砂模浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理、打磨处理，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金。
所述高温热处理的工艺是：加热至1000℃，保温1h；淬火至室温；再加热到220℃，保温2h；然后在空气中冷却至室温。
所述镍片的纯度为99.7％；
所述钙铝的纯度为96.9％，化学成分是：Ca为74.57wt.％；Al为25.28wt.％；Mn为0.01wt.％；Fe为0.02wt.％；余量为其他不可避免的杂质。
所述K2SO4粉末的含量为4.46wt.％，纯度大于99％。
所述配料的元素烧损率分别为：B为10wt.％；C为5wt.％；Cr为5wt.％；Mn为5wt.％；Si为5wt.％；Ni为5wt.％；
所述熔炼温度为1575℃±25℃，浇铸温度为1450℃±25℃。
本实施例所制备的变质高硼铁基耐磨合金经检测：微观组织中硼化物断网并呈孤立岛状均匀分布，基体为马氏体，有MnS相弥散分布。
实施例4
本实施例的变质高硼铁基耐磨合金的化学成分是：B为2.0wt.％；C为0.4wt.％；Cr为4.0wt.％；Mn为2.0wt.％；Si为1.0wt.％；Ni为1.2wt.％；Ca为0.60wt.％；Al为0.20wt.％；K为2.0wt.％；S为0.9wt.％；P<0.05wt.％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
所述变质高硼铁基耐磨合金的制备方法是：先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末、K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；再将硼铁进行干燥处理，在200～400℃烘干4h，然后将除K2SO4粉末、钙铝粉末的其他配料进行冶炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；将冶炼的铁水浇入浇包，采用砂模浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理、打磨处理，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金。
所述高温热处理的工艺是：加热至1000℃，保温1h；淬火至室温；再加热到220℃，保温2h；然后在空气中冷却至室温。
所述镍片的纯度为99.7％；
所述钙铝的纯度为96.9％，化学成分是：Ca为74.57wt.％；Al为25.28wt.％；Mn为0.01wt.％；Fe为0.02wt.％；余量为其他不可避免的杂质。
所述K2SO4粉末的含量为4.46wt.％，纯度大于99％。
所述配料的元素烧损率分别为：B为10wt.％；C为5wt.％；Cr为5wt.％；Mn为5wt.％；Si为5wt.％；Ni为5wt.％；
所述熔炼温度为1575℃±25℃，浇铸温度为1450℃±25℃。
本实施例所制备的变质高硼铁基耐磨合金经检测：微观组织中硼化物断网并呈孤立岛状均匀分布，基体为马氏体，有MnS相弥散分布。
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 (7)

1.一种变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）先将工业纯铁、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片、钙铝粉末和K2SO4粉末按所述变质高硼铁基耐磨合金的化学成分进行配料；
该变质高硼铁基耐磨合金的化学成分以质量百分比计，包括：0.5%~2.5%的B，0.3%~0.4%的C，3.5%~4.5%的Cr，1.8%~2.2%的Mn， 0.9%~1.1%的Si，0.8%~1.6%的Ni，0.55%~0.65%的Ca，0.16%~0.24%的Al， 1.2%~2.4%的K，0.6%~1.2%的S；P<0.05%；余量为Fe以及其他不可避免的杂质；
2）将硼铁进行干燥处理，然后将工业纯铁、生铁、硅铁、锰铁、低碳铬铁、镍片和干燥后的硼铁在1575℃±25℃下进行熔炼，在熔炼后期加入K2SO4粉末进行变质，同时加入钙铝粉末，再加入铝丝进行脱氧，并扒渣；
3）将步骤2）熔炼得到的铁水浇入浇包，采用砂模在1450℃±25℃下浇铸成形，浇铸完成后进行冷却、清理、打磨处理，并进行高温热处理，制得变质高硼铁基耐磨合金；
所述高温热处理的工艺是：加热至980~1020℃，保温1h；淬火至室温；再加热到200~240℃，保温2h；然后在空气中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，其特征在于，步骤1）中，配料的元素烧损率分别为：B为10 wt.%；C为5 wt.%；Cr为5 wt.%；Mn为5 wt.%；Si为5 wt.%；Ni为5 wt.%。
3.根据权利要求1所述的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，其特征在于，步骤2）中，干燥处理是将硼铁在200~400℃烘干处理4h。
4.根据权利要求1所述的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述钙铝粉末的纯度为96.9%，钙铝粉末的化学成分以质量百分比记，包括：74.57 wt.%的Ca；25.28wt.%的Al；0.01 wt.%的Mn；0.02 wt.%的Fe，余量为其他不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述K2SO4粉末的纯度大于99%；所述镍片的纯度为99.7%。
6.采用权利要求1~5中任意一项所述的变质高硼铁基耐磨合金的制备方法制得的变质高硼铁基耐磨合金，其特征在于，该变质高硼铁基耐磨合金的化学成分以质量百分比计，包括：0.5%~2.5%的B，0.3%~0.4%的C，3.5%~4.5%的Cr，1.8%~2.2%的Mn， 0.9%~1.1%的Si，0.8%~1.6%的Ni，0.55%~0.65%的Ca，0.16%~0.24%的Al， 1.2%~2.4%的K，0.6%~1.2%的S；P<0.05%；余量为Fe以及其他不可避免的杂质。
7.根据权利要求6所述的变质高硼铁基耐磨合金，其特征在于，该变质高硼铁基耐磨合金的硬度为56~62HRC；冲击韧性为10~15J/cm2；抗压强度为2600~2880MPa；屈服强度为2000~2130MPa。
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