CN1232663C - 含铬－钨碳化物的铁基合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

在含有铬的碳化物的铁基合金的制备方法中，将硬质合金碎片添加至含碳的铁基熔体，例如铸铁中。也添加铬，以调整WC在熔体中的溶解度。之后，浇注所述熔融合金。制备出一种在含铁基体中存在铬-钨碳化物的合金。也对所述合金的应用进行了权利要求。

Description

含铬-钨碳化物的铁基合金及其制备方法

发明领域

本发明涉及一种耐磨金属材料以及制备所述材料的方法，所述材料尤其适合用于被设计在磨料磨损或者化学环境中工作的产品，例如，工具、机械零件或类似设备。

发明背景

在例如制造业、纸浆业、林业和钢铁业等广泛的工业领域以及各种车辆和国防领域中均使用各种工具和机械零件。

依据使用场合的不同，通常将工具材料分成两组：用于进行切削的材料和用于进行塑性加工和冲压加工的材料。上述两种使用场合中，切削工具，比如刀刃面临的要求最高。该使用领域要求材料在高温下同时具有高耐磨性和高韧性，以使工具具有尽可能高的耐磨性，即高的耐磨料磨损性能。

已知的工具材料尤其包括工具钢、高速钢和各种硬质合金。工具钢用于仅仅要求刀刃具有良好锋利性的简单手持工具，因为工具钢在使用期间要求温度低且受力适当。

高速钢是含有相当多的碳、铬和钨、钼和钒，以及，某些情况下甚至还有钴的合金钢。高速钢具有高的耐磨性，同时在高达约500℃下还能保持高的硬度，这取决于钒和钨的含量。

硬质合金是最普通的工具材料，原因在于其制造成本低。硬质合金主要由通过钴粘结一起的碳化钨制成。通过改变各组元的比例，能够获得具有适合用于不同应用场合的材料性能的硬质合金。通过用例如碳化钛涂覆硬质合金，能够提高耐磨性，并且因此提高寿命。也已尝试采用合成金刚石薄膜涂覆硬质合金。为了提高硬质合金的性能，开发了一种称作金属陶瓷的材料，该材料含有镍而不含钴，含有钛的碳化物或者钛的碳氮化物而不含碳化钨。用于金属切削的切削刀具的最佳寿命为12-13分钟，之后，磨损机制对切削过程产生副作用，而且，刀具不能实现对表面光滑性和公差的设定要求。可以考虑设定硬质合金产品的服役时间。影响刀刃寿命长度的磨损机制例如有侧刀面磨损和剥落或切槽。侧刀面磨损是由于磨料磨损和粘着磨损而使工具材料发生的连续损失。剥落或切槽是刀刃形成裂纹，随后发生断裂。

存在各种在高温下具有良好的耐磨性和强度的陶瓷材料，但不足之处在于它们都很脆。

材料的这种状况已不可能制造具有高耐磨性同时又具有良好硬度和韧性的材料，因此，必须加以综合考虑。在简单应用场合，可以通过例如对工具几何形状进行设计，使其具有容许的耐磨性和强度。

以前曾尝试设计一种耐磨材料，例如本发明人曾提出的一种材料，其中，将钨和碳添加到白口铁合金中。然而，这些尝试均未成功，因为决定材料最终性能的钨和碳的适当比例非常难于获得。作为原材料而言，钨相当昂贵，这也限制了这种材料的发展。

制造工具或者其他设备的传统方法包括如下步骤：

合金铸造塑性加工切削硬化+退火磨削最终部件

日本专利JP 2301539公开了一种含有TiC和TiCN的Ni-Cr白口铁的制备方法，采用所述方法获得了一种具有高硬度和耐磨性的材料。

欧洲专利申请EP 0 380 715公开了一种具有良好耐磨料磨损性能的复合材料。所述复合材料含有硬质合金颗粒和白口铁，所述硬质合金颗粒的至少70％的粒子尺寸为2-15mm。白口铁合金含有其中存在合金元素的复杂碳化物组元。此外，白口铁合金含有2.5-4.0％碳，而且，其中的Cr与C之比(Cr％/C％)为1-12。再有，在该文件中公开了一种制备上述复合材料的方法，其包括在硬质合金颗粒周围浇注熔融白口铁的步骤。

美国专利US 4,365,997公开了一种化合物材料以及制备这种材料的方法。所述化合物材料包括其中存在尺寸为0.1-5mm的硬质合金颗粒的金属基体。所述金属基体含有碳、硅、锰、钒、铬、钨、铝和铁。所述硬质合金包含WC、W₂C、TiC、TaC或上述材料的混合物。制备上述化合物材料的方法是将硬质合金颗粒添加到熔融金属基体中。所述颗粒可以在聚合物基基体中进行密封处理，当所述颗粒添加到熔融金属基体中时，聚合物基体蒸发掉，然后，所述熔融材料发生凝固。

专利申请WO 94/11541公开了一种制备机械制造用黑色金属如铸铁和钢的方法，该方法包括将固态的改性碳化物颗粒添加到熔融的机械制造用黑色金属中，之后，使所述黑色金属凝固。所述碳化物颗粒的改性指的是采用例如铁或铁基合金对颗粒进行包覆，以使改性后的碳化物颗粒的密度等于或接近于黑色金属的密度。这种密度匹配可使得碳化物颗粒在黑色金属熔体中均匀分布。

日本专利JP 59104262公开了一种复合材料，所述复合材料具有一个钢内层和一个包含其中均匀分布有碳化钨颗粒或者类似硬碳化物颗粒的铸铁的外层。另外，公开了一种制备这种材料的方法。所述方法包括将预热的碳化物颗粒添加到熔融铸铁中，然后，在预热的钢管周围浇注所述熔融材料。

SE 185 935涉及用于合金金属熔体，主要包括铸铁的方法。该文件中，提及了一种可以同时含有铬和钨的合金，但未涉及碳化物结构。

EP 571 210涉及基于碳化钒的耐腐蚀合金的制备。所述材料通过例如熔化粉末材料制备而成。

SE 399 911涉及由在铁基铸铁合金中的硬质合金颗粒构成的铸件。所提议的方法不打算产生熔化和合金化，但是应该知道可能会在铸造金属与硬质合金之间形成合金，而且，所形成的合金一般而言具有不利作用。所述专利没有述及钨在铬的碳化物结构中的置换溶解。

DE 649 622介绍了一种同时含有钨和铬的合金，但未涉及在碳化物形成期间，上述两种元素之间的作用。

GB 348 641介绍了一种同时含有钨和铬的合金，但未涉及在碳化物形成期间，上述两种元素之间的作用。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种用于承受磨料磨损的产品或场合的材料，尤其是提供非硬化状态下一种比已知材料更耐磨的材料，以及一种制备这种材料的方法。

本发明的另一个目的是提供一种采用减少处理步骤就可加工成最终产品的材料。由于加工成最终部件所需步骤的数目直接与产品的最终成本相关，因此，本发明提出了一种低成本制备耐磨且具有高强度的材料的方法。

本发明的又一个目的是提供一种重新利用已磨损的硬质合金的方法。

发明简述

根据本发明，借助具有高耐磨性的金属材料的制备方法，上述目的得以实现，所述制备方法的特征在于其包括下述步骤：熔化含有铁和碳的基础金属；将包含碳化物组元的颗粒添加到熔融基础金属中，结果，所述颗粒通过扩散在基础金属熔体中溶解；以及，浇注所述熔体。优选所述方法包括向所述熔体中添加一种限制溶解合金组元的步骤，该合金组元控制碳化物组元在熔体中的溶解度。所述合金组元是碳化物形成元素，这样，通过在基于所述合金组元(D)的所述碳化物晶体的形成中，所述碳化物组元发生置换溶解，能够改善基于所述合金组元的碳化物的固态性能。然而，所述碳化物基合金组元(D)不溶于所述碳化物组元(E)。

在本发明的一个实施方案中，所述颗粒是来自于硬质合金产品生产中的废弃或多余产物，该废弃或多余产物包含所述碳化物组元。在一个优选实施方案中，所述颗粒的添加形式是含有所述碳化物组元的已磨损的硬质合金产品碎片，例如，已磨损的硬质合金刀具或硬质合金轧辊(roller)。能够使用已磨损的硬质合金产品的原因在于所述颗粒通过扩散溶解在熔体中，因此，不要求对所添加的颗粒进行机械加工来获得特定的尺寸或表面光洁度。结果，可以将尺寸高达40mm以及更大的整个硬质合金工具直接添加到熔体中。这在经济上很有利，一方面是因为硬质合金工具会很快磨坏，因此能够大量获得，另一方面是因为这样需要的处理步骤最少。使用废弃或者已磨损的硬质合金碎片或工件的另一个优点是所要求的硬质合金，例如WC，含有钨和碳，已经按平衡比例存在，因为上述元素在碳化物组元中形成了分子对。

在所添加的颗粒中，所述碳化物组元颗粒尺寸通常≤10μm，优选为1-5μm。如果所述碳化物组元的颗粒没有通过扩散完全溶解，则在最终材料中可能会存在尺寸≤10μm的颗粒。

所述颗粒在熔体中溶解之前，所述碳化物组元优选通过熔点低于所述基础金属的金属材料结合在所述颗粒或碎片中。该材料优选是钴，但也可以包括镍。所添加的限制溶解合金组元优选包括铬，但也可以包括钒或钼，其具有提高最终合金的耐腐蚀性，以及降低熔体在熔融态的熔点和降低其表面张力的作用。所述基础金属优选包括起稳定和辅助作用的合金组元如Si和Mn。在一个实施方案中，所述基础金属是白口铸铁。

在本发明的一个优选实施方案中，所述碳化物组元包括碳化钨，但也可以包括碳化钛或碳化铌。在一个实施方案中，将所述碳化物组元添加到熔炼炉内的熔体中，并且在其中溶解，所述组元在最终材料中的含量大于5重量％。在另一个实施方案中，将所述碳化物组元添加到熔融合金中，其含量应小于最终材料的15重量％然后立即通过孕育处理，即所谓的超孕育处理进行浇注。该孕育步骤与普通的孕育处理不同，普通孕育处理中，所添加的材料的量极小，不会影响最终材料的构成。孕育物质例如可以根据公知的技术添加到铸铁熔体中起形核质点的作用，以获得更细小的晶粒显然组织。根据本发明的超孕育步骤，所添加的材料是最终合金中必不可少的部分，而且，其添加量对合金的最终组成非常重要。所述碳化物组元在最终材料中的含量为5-40重量％，优选10-20重量％。

在本发明的一个实施方案中，向熔体中添加一种附加的合金组元，所述附加合金组元有助于所述碳化物组元在熔体中的溶解并且降低碳的亲和性。所述附加合金组元在熔融合金中容易溶解，并且不会影响最终材料的应用性能。另外，所述附加合金组元有助于提高在浇注后借助亚稳态对最终材料进行退火的能力。优选所述附加合金包括钴或镍。

所述最终材料可用于通过压力铸造或者上浇注(on casting)在核心材料上制备复合材料。在上浇注期间，优选存在保护性气体或者活性气体，以获得固溶强化效应。根据本发明，一种实现上浇注的方法是在浇注之前对核心材料进行感应加热，并且在壳型中进行所述上浇注。

根据本发明，由所述最终材料制备的产品可以在再生循环中使用，在所述循环中，所述产品或者部分所述产品添加并溶解在基础金属熔体中。

附图简述

下面参照附图，对本发明的优选实施方案进行详细描述，所述附图中：

图1是根据本发明的第一个方法的流程图。

图2是包括超孕育处理的根据本发明的第二个方法的流程图。

图3是根据本发明的材料的一个实施方案的显微组织。

图4是可以有利地采用根据本发明的材料制备的切削部件。

图5是本发明的不同实施方案以及某些已知材料的耐磨性图表。

优选实施方案详述

用于制备一种耐磨且耐用材料，即所谓的碳化物材料的根据本发明的方法可以通过下述步骤(图1和2)进行介绍：

1.合金化

a.制备基础合金，包括：

-基础金属，其含有：

·合金组元A，例如铁；

·合金组元B，其包含起稳定和辅助作用的合金化组元，例如硅和锰；

·合金组元C，例如碳；

-合金组元D，其包含限制溶解合金化组元，例如铬、钒或钼；以及

b.熔炼并且添加碳化物组元E，例如碳化钨、碳化钛或碳化铌，以及，可能地，添加其它合金化组元，例如钴或镍；

3.浇注；以及

4.机械加工

1. 合金化

根据本发明的方法中的基础金属是一种包含铁A，起稳定和辅助作用的合金组元B，例如硅和锰，以及合金组元C，例如碳的基础金属。通过向基础金属中补充限制溶解合金组元D获得基础合金，所述限制溶解合金组元D优选铬，但可以使用钒或钼。

合金组元D应该实现下述作用：

-在 熔融状态，降低基础合金的熔点和表面张力，以及限制其它材料在基础合金中的溶解度；

-在固态，是提高最终合金，即所谓的碳化物钢性能的组元，所述组元通过形成具有所要求性能的碳化物，使所述合金具有有助于改善有限腐蚀性能的电化学电位。

在合金化步骤期间，设计采用合金组元D限制碳化物组元E在熔融基础合金中的溶解度和溶解速度。所添加的碳化物组元E优选碳化钨，但也可以添加例如碳化钛或碳化铌。对碳化物组元E进行预热，以便在将高于5重量％的碳化物组元添加到熔融基础合金中之前，最大程度地减小基础合金的过冷。由于存在合金组元D，所添加的碳化物组元E的溶解程度仅仅在合金组元D的容许范围内。这样，制造商能够控制碳化物组元E的溶解度，而且，因此，所要求部分的碳化物组元E能够在最终合金中作为未溶颗粒存在。就所要求的最终碳化物钢的性能而言，可以添加一种以上的碳化物组元。

碳化物组元E能够溶于合金组元D中，但是，反向关系并不成立，即，只存在单向溶解度。这一点特别有利，因为碳化物钢然后可表现出大的共晶区间，即所述碳化物钢的熔点比每种纯合金的熔点都低的区间。所述区间的大小取决于所选择的碳化物组元和基础合金。当熔融合金凝固时，会同时析出两个或多个固相，这样可使合金具有非常好的材料性能和铸造性能。因此，单向溶解度提高了在大的组成范围内的铸造性能。

可以在熔融合金中添加附加的合金组元F以进一步有助于所添加的碳化物组元E在熔融合金中的溶解。例如可以优选能够降低碳的亲和性的组元。优选使用钴，但是镍或铝也很合适。合金组元F的添加量应有限，而且应容易在熔融合金中溶解，以便不会对最终合金的独特性能产生太大影响。合金组元F的添加还能提高浇注后亚稳态的硬化性能。

在可控条件下，将上述制备根据本发明的碳化物钢的步骤1a和1b合并没有阻碍。优选向熔融合金中添加低于15重量％的碳化物组元E，例如碳化钨，之后马上进行浇注。然后，进行孕育处理，即所谓的超孕育，对孕育进行的程度可使组成发生明显变化并且形成额外的晶粒形核质点，目的是获得更细小的组织以及通过提高碳化物量改善材料性能。

上述步骤1a中合适的基础合金的一个实例是SS0466型白口铸铁合金。典型的白口铸铁合金的原始组成中可以含有至少2.9重量％碳、0.7重量％硅、0.4重量％锰、18重量％铬、1.0重量％镍、0.3重量％钛，余者为铁。

然后，可以采用服役到期已磨损的硬质合金组元对白口铸铁进行合金化(上述步骤1b)，其中，与其原始组成相比，改性的白口铸铁合金中的碳平衡未发生变化，因为根据本发明的方法能够使对于合金组元释放的碳在熔融金属凝固期间结合到重新形成的碳化物上。

在所述最终材料，即根据本发明的合金的一个实施方案中，所述合金含有，以重量％计，1-5％碳，10-40％铬，2-40％钨，余者为铁和其它合金组元。优选所述其它合金组元包含，以重量％计，0.5-2％硅，0.3-10％锰，0-7％镍，0-2.5％钛，0-5％钼和0.1-15％钴。

在根据本发明的合金的一个实施方案中，所述合金含有，以重量％计，2-3.5％碳，20-30％铬，5-20％钨，余者为铁和其它合金组元。优选所述其它合金组元包含，以重量％计，0.8-1.2％硅，0.4-2％锰，0.8-2％镍，0.2-0.5％钛，0-1％钼和0.5-5％钴。

在根据本发明的合金的一个实施方案中，所述其它合金组元的含量(以重量％计)为0-5％。最终材料主要包含铬碳化物结构，所述化合物通过在熔体凝固期间强碳化物形成元素-铬的原子与晶格中的碳原子结合形成。因为所述铬的碳化物能够溶解碳化钨，因此，就获得了根据本发明的材料，所述材料中，钨在铬的碳化物结构的晶格晶体中置换溶解，这样，就获得了基于铬和钨的复杂碳化物。

表1中示出了根据本发明的碳化物钢的一个实施方案化学组成的整体分析结果，所述碳化物钢含有15重量％的硬质合金(WC-Co)。所列出的含量反映的是个别样品的化学组成分析结果。

表1根据本发明的材料的一个实施方案KS15(3)的化学组成的整体分析结果(以重量％计)

Fe	Cr	W*	C	Si	Mn	Ni	Ti	Mo	Co	Al	P	S
													62.0	23.97	9.30	2.70	1.76	0.255	0.341	0.115	0.085	0.760	0.010	0.044	0.048

*分析仪器为XRF

然而，在浇注期间，优选使用或多或少含有某些合金的废铁，其中，可以将上述材料看作具有15重量％WC-Co的实施方案的一个样品，特征在于其具有如下组成范围：以重量％计，2.5-3.5％碳，8-12％钨，20-28％铬，1.6-2.0％硅，0.2-0.4％锰，0.3-0.5％镍，0.1-0.2％钛，0-0.7％钼和0.5-1.0％钴。

图3示出了根据本发明的合金的一个实施方案的显微组织和结构组成，所述实施方案包含15重量％的硬质合金(WC-Co)。图3中的箭头表示：30-共晶体，31-铬的碳化物，32-具有溶解在铬碳化物中的钨的复杂碳化物以及碳化钛，33-基体。从图中可明显看出：添加到熔体中的WC颗粒或碎片不会富集在根据本实施方案的材料的显微组织中，这是因为在熔体中的所述颗粒或碎片在例如感应熔炼炉内发生了溶解。

图4示出了根据本发明的材料作为产品的一种应用实例，所述产品被加工成破碎机刀头40形状，并被设计成存在一个刀刃41。采用由本发明的合金中分别含有5重量％和15重量％的硬质合金(WC-Co)的实施方案铸造的破碎机刀头进行工业试验，结果表明其耐磨性与标准工具材料SS2310(SS表示Swedish Standard)有很大不同。也已发现WC的含量(重量％)对耐磨性有影响。图5中的图表展示的是在一个月的生产条件下PVC粒化的结果。该图表中所示出的耐磨性是与普通工具材料-对照钢SS2310相比刀头刃口的体积变化。水平轴上示出了不同的刀头材料，其中，对照钢是标准工具钢SS2310。另外，1是白口铁合金SS0466，一种公知合金。刀头材料2是一种称作碳化物钢KS5(1)的根据本发明的合金，其含有5重量％的硬质合金(WC-Co)。刀头材料3是另一种称作碳化物钢KS15(1)的根据本发明的合金，其含有15重量％的硬质合金(WC-Co)。两种材料3和4均以所述白口铁合金SS0466为基础。根据本发明材料的两个实施方案2和3与已知材料-对照钢和1之间的差别非常显著。

另外，图5中也示出了含有一定量钛的更先进的白口铁4(SS0466BTI)的结果。该材料的耐磨性明显优于对照钢。尽管如此，以这种含钛白口铁合金SS0466BTI为基础的根据本发明的合金具有甚至更高的耐磨性。刀头材料5是一种称作碳化物钢KS(BTI)5(1)的根据本发明的合金，其含有5重量％的硬质合金(WC-Co)，而刀头材料6是一种含有15重量％硬质合金(WC-Co)的称作碳化物钢KS(BTI)15(1)的合金。特别是后者的耐磨性比对照钢和SS0466BTI高5-6倍。

可以在某些条件下对合金含量进行调整，以便能够借助退火时析出的二次复杂碳化物来调整韧性。实验结果也已表明：能够根据感应技术实施局部热处理。因此，能够对例如工具或产品的刃口或者其它部位的韧性进行优化。如果已知热传导性能和已知相变条件，则能够通过根据边界条件控制冷却梯度，来实现局部热处理。如果设备更为复杂，则一种基于有限元分析(FEA)技术可以作为这种热处理的重要工具。

所进行的研究清楚表明：在选定最佳的切削数据组合的条件下，可以采用现代的和高级的刀具材料，以与马氏体材料相比最具竞争力的价格对根据本发明的最终合金-碳化物钢的铸态产品进行机械加工。经过粗机械加工，已获得了独一无二的表面光洁度。

根据本发明的方法能够使由根据本发明的合金制造但已磨损的产品得到再利用。这种再循环系统一方面是基于对产品直接重熔并重新浇注，使其在新产品中得到应用，另一方面是作为基础合金，可以向其中进一步添加合金组元来制备根据本发明的新熔体。而且，回收系统可以基于已磨损的工具材料，优选硬质合金，该系统包括在用于制备根据本发明的合金的再生循环中。这一再生步骤是可能的，因为熔融合金中的碳化物或者碳化物形成合金元素D和E已完全或部分地达到饱和。

例如，根据本发明的改性白口铁合金在碳化物组元E的添加量为15重量％时，其硬度值为660布氏硬度(HB)，而当碳化物组元E的添加量为5重量％时，硬度值为650HB。应该将上述硬度值与白口铁合金在铸态时能够获得的最大硬度550HB进行比较。

根据本发明，能够由上述含有适量碳化物组元E的白口铁合金获得一种极耐磨的材料，即所谓的碳化物钢。对于其应用领域而言，所述碳化物钢不需要进行随后的热处理，就能够在硬度和韧性，以及耐磨性之间建立起有利的比例关系。碳化物钢的有利性能在控制凝固和冷却之后便可以获得。在采用根据本发明的碳化物钢的场合，不需要进行退火。如果对碳化物钢进行退火，则可以获得韧性更好的材料。

术语“高合金白口铁”此处指的是一种可铸造的铁合金，与构成部分基础合金的组元相比，该铁合金含有高于3重量％的其它合金组元。这种高合金白口铁非常适合用于承受磨料磨损的场合。其原因在于大部分碳被结合成为碳化物，从而使合金具有高硬度和良好的抵抗形状和结构变化的能力。碳化物镶嵌在基体中，基体的结构可以根据组成进行调整，以获得耐磨性与韧性之间的最佳关系。高合金白口铁中的铬含量很高，这样能够使碳化物在基体组织中稳定，并且防止在凝固期间析出石墨。白口铸铁的特征在于其是一种由铁碳化物如渗碳体(Fe₃C)，存在于根据铬的含量而呈现为铁素体，珠光体，奥氏体和/或马氏体的基体材料中的化学复合组织。高合金的白口铁中存在高含量的铬意味着基体完全或者部分为珠光体，其中，复杂碳化物的量决定合金的耐磨性。依据合金组成中的铬碳比，铬的碳化物的显微硬度为840-1400维氏硬度(HV)(HV50)。在铬含量高的白口铁合金中的铬碳化物可包括M3C840-1100HV(HV50)，M₇C₃ 1200-1800HV(HV50)和/或Mo₂C 1500HV(HV50)。铬碳比低会形成奥氏体基体，而奥氏体在冷却期间会转变成珠光体。通过对几种白口铁进行热处理使基体转变成马氏体，能够进一步提高耐磨性。

2. 浇注

当根据本发明的方法制备碳化物钢时，对材料进行浇注，以获得具有要求形状的最终产品。通过控制熔融合金的冷却，能够控制碳化物钢的硬度，即：快速冷却导致硬度降低，而较低的冷却速度则能使碳化物钢具有更高硬度。根据本发明的碳化物钢的这一特性是独一无二的，结果，所述碳化物钢具有独一无二的热处理特性，即：可以根据应用场合对硬度和韧性进行调整。根据本发明的碳化物钢具有在整个铸造产品的截面上基本一致的表面硬化深度。通常，由于冷却速度不同，与表面硬度相比，厚铸造白口铁合金的心部硬度较低，因为该部位凝固较慢。这可能意味着在整个铸件范围不能获得所要求的显微组织(以及相应的机械性能和硬度)。

3. 机械加工

通过对最终产品的表面进行机械加工，来对最终产品实施精切削，以满足应用场合的公差要求。

根据本发明制备的碳化物钢在用作工具时，其使用寿命比相当材料最多高五倍。

进一步的进展

根据本发明方法的进一步进展应用在所谓复合材料的制备期间使用碳化物钢。之后，将碳化物钢浇注在轻合金或者钢合金之中或者之上，其中，碳化物钢基本保持其与马氏体钢大不相同的机械性能。这意味着碳化物钢可以在高温场合使用或者采用最高达900℃的制备方法，这种情况下，由于碳化物钢具有稳定的显微组织，故其组织没有发生任何明显变化。例如可以通过压力铸造将所述钢内浇注到轻合金中，而尤其采用带有壳模的浇注能够与韧性更高的钢一起进行上浇注。上浇注的实施过程可以是：例如通过感应加热对例如在铸模内的钢板进行预热，之后，用碳化物钢充满所述模腔。浇注时可以采用各种环境保护气氛，例如保护性气体或活性气体，这样能够产生固溶强化效应，由此可使材料韧硬之间的过渡更平稳。

所提出的制备所谓复合钢部件的技术在要求韧性和硬度相组合，或者韧性和高耐磨性相组合的不同应用领域均具有很大意义。这样的复合的材料的解决方案对于下面的机加工也很有意义。例如，泵轮的轮中心采用具有良好机加工性的工具钢制造，而泵轮的余下部分则由根据本发明的碳化物钢制成。以同样的方式，例如可以通过选择韧性更好的材料制造例如搅拌器的“核心材料”(泵轮/叶片)，而受到磨料磨损的部件则采用根据本发明的碳化物钢制造。

通过内浇注碳化物钢，能够提高轻金属合金的强度。强化部件可以延伸到轻金属部件边缘，由此获得高的耐磨性或承载能力。这一设计不能用于马氏体钢合金，因为该钢在浇注期间存在退火效应。

图1中采用流程图的形式对根据本发明的处理步骤进行说明。步骤1中提供一种基础金属熔体，所述基础金属包含铁A，起稳定作用的合金组元B，例如硅和/或锰，以及碳C。

在步骤2期间，添加更多的添加组元。在步骤2a中，添加限制溶解合金组元D，例如铬。基础金属与合金组元D的熔体被称作基础合金，在这种情况下，如果已存在的材料具有根据所述基础合金要求的组元组成A-D，则可以排除步骤2a。

组元D用来限制在步骤2b添加到熔体中的碳化物组元E的溶解度。碳化物组元E例如是采用钴粘结的碳化钨，而且，可以以用过或磨损的硬质合金产品的碎片或者粉末形式添加。

在步骤2c中，如果需要，可以添加具有前述有利性能的附加合金组元F，例如钴或镍。显然，步骤2a-2c的顺序不关键，而且，由于添加组元均将溶解在熔体中，因此上述步骤可以同时进行。

根据图1所示的实施方案，然后，在步骤3浇注出最终材料，也称作最终合金。冷却之后，所述材料准备在步骤4被机加工成步骤5中的最终部件。

如图2所示的本发明的另一个实施方案包括图1中所示的步骤以及添加了步骤2d。在该步骤中，进行新的超孕育步骤，该步骤期间添加对组成有意义的组元-碳化物组元E，该组元的添加量对于最终材料的组成相当重要。此步骤之后，马上进行浇注。碳化物组元E的量可以相当于所述最终合金的部分，最多15重量％，优选小于5重量％。

已借助优选实施方案对本发明进行了介绍。但是，对于本领域的专业人员显而易见的是：只要不偏离附后的权利要求，可以进行各种修正。

Claims (32)

1.高耐磨性合金的制备方法，其包括熔炼已存在的已知基础铸造铁合金的步骤，所述基础铸造铁合金具有已知组成和一定量的铁(A)和碳(C)，其特征还在于还包括以下步骤：

-以碳化钨(E)碎片的形式向基础铸铁熔体中添加碳；

-在所述基础铸铁熔体中溶解所述碳化钨，从而增加基础合金熔体中的碳含量，所述碳化钨中存在严格的钨含量与碳含量的关系；

-向所述基础合金中添加铬(D)，以控制碳化钨在基础合金熔体中的溶解度并且提供形成碳化物的材料；

-浇注所获得的合金熔体，并且，由此形成具有附加的析出碳化物结构的合金，包含以碳化钨(D)的形式添加的碳以及铬，其中，钨在所述铬的碳化物结构的晶格中置换溶解，并且所述耐磨铸铁基合金含有以重量计的1-5％的碳，大于5％但小于或等于40％的钨和10-40％的铬，余者为铁。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述碎片是以磨损后的含有碳化钨(E)的硬质合金产品的形式添加到熔体中。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于：所述碎片是磨损后的硬质合金刀具刀头。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述碎片是以制备硬质合金产品时的废品或余料的形式添加到熔体中的硬质合金，其中，所述废品或余料均含有碳化钨(E)。

5.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：所添加的含碳化钨的碎片的尺寸小于40mm，其中，碳化钨(E)的晶粒尺寸≤10μm。

6.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：在熔体凝固之后，未溶解的碳化钨(E)的晶粒尺寸≤10μm。

7.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：碳化钨(E)在熔体中溶解之前，首先与一种金属材料结合，该金属材料呈现比基础金属更低的熔点。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于：与碳化钨(E)结合的所述金属材料是钴。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述铬(D)能提高最终合金的耐腐蚀性。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于：熔融状态的铬(D)能降低熔体的熔点，并且减小熔体的表面张力。

11.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：所述基础金属含有起稳定和辅助作用的合金组元Si和Mn。

12.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：所述基础金属是白口铸铁。

13.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：将含量大于最终材料的5重量％的碳化钨(E)添加到熔炼炉内的熔体中并在其中溶解。

14.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：将含量小于最终材料的15重量％的碳化钨(E)添加到熔融合金中，之后，马上通过超孕育过程进行浇注。

15.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：向熔体中添加一种选自钴、镍或铝的有助于碳化钨(E)在熔体中的溶解的附加合金组元(F)。

16.根据权利要求1-4任一项的方法，其特征在于：向熔体中添加选自钴、镍或铝的降低碳的亲和性的附加合金组元(F)。

17.根据权利要求1-4任一项的方法，其特征在于：向熔体中添加选自钴、镍或铝的在熔融合金中容易溶解并且不会影响最终材料的最终应用性能的附加合金组元(F)。

18.根据权利要求1-4任一项的方法，其特征在于：向熔体中添加选自钴、镍或铝的有助于在浇注之后借助亚稳态提高最终材料的硬化性能的所述附加合金组元(F)。

19.根据权利要求15的方法，其特征在于：所述附加合金组元(F)包括钴或镍。

20.根据前述权利要求1-4任何一项的用于制备复合材料的方法，其特征在于：所述最终材料通过压力铸造或者在核心材料上进行的上浇注制造。

21.根据权利要求20的方法，其特征在于：在上浇注期间，添加一种保护性或者活性气体，以获得一种固溶硬化效果。

22.根据权利要求20的方法，其特征在于如下步骤：

-在上浇注之前对核心材料进行感应加热；

-在壳模中实施上浇注。

23.根据前述权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于：由所述最终材料制备的产品用于再循环过程，因此，可以添加到基础合金熔体中并溶解。

24.一种根据权利要求1的方法制备的耐磨铸铁基合金，其特征在于：其含有，以重量计：1-5％碳，大于5％但小于或等于40％的钨和10-40％铬，余者为铁。

25.根据权利要求24的合金，其特征在于：所述合金还包含，以重量计：0.5-2％硅，0.3-10％锰，0-7％镍，0-2.5％钛，0-5％钼和0.1-15％钴。

26.根据权利要求24的合金，其特征在于：其含有，以重量计：2-3.5％碳，不超过20％钨，20-30％铬，余者为铁。

27.根据权利要求24的合金，其特征在于：所述合金还包含，以重量计：0.8-1.2％硅，0.4-2％锰，0.8-2％镍，0.2-0.5％钛，0-1％钼和0.5-5％钴。

28.根据权利要求24的合金，其特征在于：所述合金还包括任何组元硅、锰、镍、钛、钼或钴。

29.一种根据权利要求1的方法制备的耐磨铸铁基合金，其特征在于：其含有，以重量计：2.5-3.5％碳，8-12％钨，20-28％铬，余者为铁。

30.根据前述权利要求24-29中之任何一项的合金在切削工具(40)制备中的应用。

31.根据权利要求30的应用，其中，所述切削工具是破碎机刀具(40)。

32.根据前述权利要求24-29中之任何一项的合金在再利用步骤中的应用，所述再利用步骤中，在铸铁熔体中重新熔化所述合金并且浇注所述熔体。

Images