硼化物颗粒强化Fe-B-C合金及其制备方法

摘要

硼化物颗粒强化Fe-B-C合金及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。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φ3.5～4.5mm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。

说明书

技术领域

本发明公开了一种Fe-B-C合金及其制备方法，特别涉及一种硼化物颗粒强化Fe-B-C合金及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

在中碳钢中，通过添加硼元素而获得的Fe-B-C合金，具有硬度高和耐磨性好等特点。然而，在普通铸造条件下制备的Fe-B-C合金含有大量的共晶组织，且硼化物呈连续网状分布，脆性大，使用安全性差。为了提高Fe-B-C合金性能，中国发明专利CN101260501公开了高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法，该发明铸钢的化学成分及其含量(wt％)为：C0.15～0.30，B1.5～2.5，Si2.6～3.0，Cr1.4～1.8，Mn0.5～0.8，Ce0.05～0.12，V0.03～0.15，Ti0.03～0.15，P＜0.05，S＜0.05，余量为Fe，0.10＜V+Ti＜0.25。该发明将铸件于880～920℃，保温1～3h后，在250～300℃的等温盐浴炉中等温淬火，保温2～4h，随后空冷至室温，得到高硼低碳耐磨铸钢。与现有技术相比，该发明的铸钢和工艺具有塑性和韧性好，耐磨性高和成本低等优点。中国发明专利CN102517504A还公开了一种以低价硼为主要合金元素，可制造球磨机衬板的高硼耐磨铸钢，其所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：＜0.4；Si：0.40-0.8；Mn：0.5-1.2；Cr：0.5-1.2；B：1.2-3.0；Re：＜0.2；V：＜0.1；Ti：＜0.1，所述铸钢先进行950-980℃×2h+水冷的淬火工艺，再在200-250℃×4h+空冷回火处理，其硬度大于58HRC，冲击韧性大于12J/cm2，淬透层深度大于40mm。中国发明专利CN101016603还公开了一种含颗粒状硼化物的高硼铸钢及制备方法，其化学成分及重量百分比为：C：0.15％～0.45％；B：0.75％～2.70％；Ti：0.34％～1.50％；Cr：0.80％～1.20％；Si：0.50％～1.50％；Mn：0.50％～1.50％；Ce：0.04％～0.12％；Al：0.08％～0.20％；Ca：0.03％～0.10％；N：0.01％～0.06；P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe；其中，B/C＝5.0～6.0，B/Ti＝1.8～2.2。制备采用电炉熔炼，先将普通废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，然后加入硅铁和锰铁，出炉前加入硼铁和钛铁，炉前调整成分合格后升温，加入硅-钙合金预脱氧，而后用铝终脱氧和微合金化，用铈和氮进行炉外复合变质处理。经保温后油冷淬火、低温回火即可。中国发明专利CN1804091还公开了一种铸造高硼耐磨合金的韧化方法，其用2.5～3.3wt％FeTi30合金作变质剂，变质处理工艺是在钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，加入钛铁合金FeTi30，待化清扒渣后即进行浇注；韧化热处理温度为1020～1050℃保温2～3小时，然后淬回火或正火。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。10mm×10mm×55mm标准冲击试样的吸收功Ak高达12.5J，冲击韧性明显增强。中国发明专利CN1624180还公开了高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法，其化学成分是(重量％)：0.15～0.70C，0.3～1.9B，0.3～0.8Cr，0.4～0.8Si，0.6～1.3Mn，0.05～0.20Ce，0.02～0.10La，0.005～0.018Ca，0.04～0.18K，0.08～0.25Al，S＜0.04，P＜0.04，其余为Fe；它的热处理方法是：珠光体化预处理、淬火和回火，珠光体化预处理加热温度760～820℃，炉冷至小于500℃后炉冷或空冷；淬火加热温度为960～1050℃，随后以冷却速度不小于5℃/min快速冷却，回火加热温度为180～400℃，随后炉冷或空冷；该发明的优点是大幅度提高了合金耐磨性、大幅度减少了铬合金加入量、生产成本显著降低、生产工艺简单、设备通用性强、其综合性能优于常用的高锰钢、高铬铸铁和低合金钢，具有极高的性能价格比。中国发明专利CN102284806A还公开了一种高硼铁基耐磨堆焊药芯焊丝，焊丝由低碳钢包皮和芯部粉末组成，其特征在于低碳钢包皮中的铁元素及芯部粉末，芯部粉末中的元素包括硼、碳、锰、硅元素，芯部粉末中的硼、碳、锰、硅元素所占焊丝重量百分比为：硼6～12％，碳0.1～3％，锰0.6～2％，硅0.3～1.5％，余量为铁。还可包括Ti0.3～3.5％、Mn0.6～2％、Si0.3～1.5％、钼0～1％、K/Na变质剂0～1％、铝镁合金0～1.5％。该发明高硼铁基耐磨堆焊药芯焊丝主要依靠硼、钛、碳等合金元素，形成的硼化物、少量的碳化物实现堆焊合金的耐磨损性能，并通过添加稀土、镍、铝镁合金等提高堆焊合金的综合性能。中国发明专利CN103266284A还公开了高硼耐磨不锈钢的配方及热处理方法，其化学成分及重量百分比配方为C：0.03-0.10，B：1.0-3.0，Cr：19-25，Ni：5.0-7.0，Ti：1.0-2.5，N:0.08-0.20，Y：0.04-0.15，Mg：0.03-0.1，Ca:0.02-0.08,Si＜2.0，Mn＜2.0，S＜0.04，P＜0.04，余量为Fe。热处理方法是固溶、淬火、回火。该发明工艺简单，贵重合金加入量少，生产成本低廉。基体组织主要是奥氏体，还含有8％～15％高硬度硼化合物，具有良好的耐蚀性、耐磨性。在线材轧机上，用于生产沉没辊和轴套，其使用寿命比1Cr18Ni9Ti不锈钢部件提高80-100％。

但是，上述Fe-B-C合金中存在大量网状分布的硼化物，导致Fe-B-C合金的脆性增加，韧性降低，限制了耐磨Fe-B-C合金的工业应用。

发明内容

本发明针对现有Fe-B-C合金存在的上述问题，通过对Fe-B-C合金进行微合金化处理，实现硼化物的断网和孤立，从而获得性能优异的硼化物颗粒强化Fe-B-C合金。

发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明一种硼化物颗粒强化Fe-B-C合金的制备方法，采用电炉熔炼，包括如下步骤：

先在电炉内熔炼Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的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。当Fe-B-C合金熔液的温度达到1600～1620℃时，将Fe-B-C合金熔液出炉到钢包，并采用喂丝机将直径φ3.5～4.5mm的合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中，合金丝加入量占钢包内Fe-B-C合金熔液质量分数的3.5～4.5%，合金丝的化学组成及其质量分数是：3～5%Ce,3～5%La,2～3%Mg,1.5～2.0%Zr,2.2～2.8%Zn,12～15%Al,14～18%Si,12～15%Ti,1.5～2.0%Nb,S<0.04%,P<0.05%,余量为Fe及其它不可避免的杂质，合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中2～3分钟后，对钢包内的Fe-B-C合金熔液进行搅拌和扒渣，当钢包内的Fe-B-C合金熔液温度降至1450～1480℃时，将其浇入铸型，得到Fe-B-C合金铸件，铸件经清砂和打磨处理后，随炉加热至980～1020℃，保温3～5小时，进行油冷淬火，经油冷淬火后的Fe-B-C合金铸件继续加热至200～260℃进行回火处理，保温8～12小时后空冷至室温，可得到硼化物颗粒强化Fe-B-C合金产品。

合金材料的性能是由其组织决定的，而组织取决于成分及其热处理工艺。本发明硼化物颗粒强化Fe-B-C合金采用普通铸造方法成形，工艺简便，便于实现批量生产。为了获得硼化物颗粒强化的Fe-B-C合金，需要先在电炉内熔炼Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的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。其中加入0.8～1.8%B，是为了获得一定数量的高硬度Fe₂B硼化物，促进Fe-B-C合金耐磨性的提高。加入0.28～0.50%C是为了确保淬火后获得高硬度的马氏体基体。在此基础上加入0.3～0.5%Al，是为了促进Fe₂B硼化物在高温下的断网和孤立分布。在此基础上，还加入0.5～1.0%Si,0.6～1.0%Mn和1.2～1.5%Cr，主要是提高基体的固溶强化效果，铬还有提高基体抗回火软化能力。为解决普通Fe-B-C合金脆性大的难题，本发明采用了向钢包内的Fe-B-C合金熔液中，采用喂丝机对其进行微合金化技术，合金丝直径φ3.5～4.5mm，合金丝加入量占钢包内Fe-B-C合金熔液质量分数的3.5～4.5%。合金丝的化学组成及其质量分数是：3～5%Ce,3～5%La,2～3%Mg,1.5～2.0%Zr,2.2～2.8%Zn,12～15%Al,14～18%Si,12～15%Ti,1.5～2.0%Nb,S<0.04%,P<0.05%,余量为Fe及其它不可避免的杂质。Fe-B-C合金经上述合金丝微合金化处理后，硼化物尺寸细小，断网分布趋势明显，继续加热至980～1020℃，保温3～5小时，进行油冷淬火，可促使硼化物孤立分布，对提高Fe-B-C合金性能效果明显。在此基础上，经油冷淬火后的Fe-B-C合金铸件继续加热至200～260℃进行回火处理，保温8～12小时后空冷至室温，可消除淬火应力，稳定组织。

本发明与现有技术相比，具有如下特点：

1）本发明Fe-B-C合金的硼化物实现了颗粒分布（见图1），有利于Fe-B-C合金脆性的降低和韧性的提高；

2）本发明Fe-B-C合金炉外微合金化处理工艺简便，微合金元素收得率高，超过95%；

3）硼化物颗粒强化Fe-B-C合金具有优异的力学性能，硬度大于60HRC，抗拉强度超过730MPa，冲击韧性超过15J/cm²。

附图说明

图1硼化物颗粒强化Fe-B-C合金金相显微组织照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体制备工艺是：

①先在500公斤中频感应电炉内熔炼Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化学组成及其质量分数是：0.29%C,1.77%B,0.48%Al,0.52%Si,0.95%Mn,1.20%Cr,0.036%S,0.040%P,余量Fe。当Fe-B-C合金熔液的温度达到1603℃时，将Fe-B-C合金熔液出炉到钢包，并采用喂丝机将直径φ3.5mm的合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中，合金丝加入量占钢包内Fe-B-C合金熔液质量分数的3.5%。合金丝的化学组成及其质量分数是：3.28%Ce,4.90%La,2.54%Mg,1.51%Zr,2.78%Zn,12.04%Al,17.69%Si,12.37%Ti,1.99%Nb,0.031%S,0.039%P,余量为Fe及其它不可避免的杂质。

②合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中2分钟后，对钢包内的Fe-B-C合金熔液进行搅拌和扒渣，当钢包内的Fe-B-C合金熔液温度降至1455℃时，将其浇入铸型，得到Fe-B-C合金铸件。

③铸件经清砂和打磨处理后，随炉加热至980℃，保温5小时，进行油冷淬火。经油冷淬火后的Fe-B-C合金铸件继续加热至260℃进行回火处理，保温8小时后空冷至室温，可得到硼化物颗粒强化Fe-B-C合金产品，其力学性能见表1。

实施例2：

采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体制备工艺是：

①先在500公斤中频感应电炉内熔炼Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化学组成及其质量分数是：0.49%C,0.84%B,0.33%Al,0.97%Si,0.61%Mn,1.48%Cr,0.029%S,0.044%P,余量Fe。当Fe-B-C合金熔液的温度达到1620℃时，将Fe-B-C合金熔液出炉到钢包，并采用喂丝机将直径φ4.5mm的合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中，合金丝加入量占钢包内Fe-B-C合金熔液质量分数的4.5%。合金丝的化学组成及其质量分数是4.99%Ce,3.03%La,2.87%Mg,1.96%Zr,2.20%Zn,14.82%Al,14.09%Si,14.90%Ti,1.56%Nb,0.035%S,0.041%P,余量为Fe及其它不可避免的杂质。

②合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中3分钟后，对钢包内的Fe-B-C合金熔液进行搅拌和扒渣，当钢包内的Fe-B-C合金熔液温度降至1479℃时，将其浇入铸型，得到Fe-B-C合金铸件。

③铸件经清砂和打磨处理后，随炉加热至1020℃，保温3小时，进行油冷淬火。经油冷淬火后的Fe-B-C合金铸件继续加热至200℃进行回火处理，保温12小时后空冷至室温，可得到硼化物颗粒强化Fe-B-C合金产品，其力学性能见表1。

实施例3：

采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体制备工艺是：

①先在500公斤中频感应电炉内熔炼Fe-B-C合金，Fe-B-C合金熔液的化学组成及其质量分数是：0.32%C,1.29%B,0.42%Al,0.73%Si,0.80%Mn,1.41%Cr,0.031%S,0.036%P,余量Fe。当Fe-B-C合金熔液的温度达到1614℃时，将Fe-B-C合金熔液出炉到钢包，并采用喂丝机将直径φ4.0mm的合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中，合金丝加入量占钢包内Fe-B-C合金熔液质量分数的4.0%。合金丝的化学组成及其质量分数是：3.95%Ce,4.10%La,2.17%Mg,1.85%Zr,2.58%Zn,13.51%Al,16.24%Si,13.04%Ti,1.71%Nb,0.030%S,0.036%P,余量为Fe及其它不可避免的杂质。

②合金丝送入钢包内的Fe-B-C合金熔液中3分钟后，对钢包内的Fe-B-C合金熔液进行搅拌和扒渣，当钢包内的Fe-B-C合金熔液温度降至1468℃时，将其浇入铸型，得到Fe-B-C合金铸件。

③铸件经清砂和打磨处理后，随炉加热至1000℃，保温4小时，进行油冷淬火。经油冷淬火后的Fe-B-C合金铸件继续加热至230℃进行回火处理，保温10小时后空冷至室温，可得到硼化物颗粒强化Fe-B-C合金产品，其力学性能见表1。

表1硼化物颗粒强化Fe-B-C合金力学性能

力学性能硬度/HRC抗拉强度/MPa冲击韧性，J/cm²实施例160.975516.7实施例261.773515.3实施例361.275016.9

本发明硼化物颗粒强化Fe-B-C合金具有优异的力学性能，其中硬度大于60HRC，抗拉强度超过730MPa，冲击韧性超过15J/cm²。本发明因Fe-B-C合金中硼化物实现了颗粒分布，克服了普通网状分布硼化物Fe-B-C合金脆性大的不足，在耐磨材料领域具有广泛的推广应用前景。