專利名稱：一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
在追求高硬度的鐵基耐磨材料方面，白口鑄鐵是一類常用的耐磨材料，其發(fā)展經(jīng)歷了普通白口鑄鐵、鎳硬白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵三個階段，在磨料磨損工況條件下具有獨特的優(yōu)勢。最早應(yīng)用的普通白口鑄鐵，成分中不含或只含少量的合金元素，金相組織由珠光體和M3C型共晶碳化物組成，存在硬度不高、韌性較差的缺點。鎳硬白口鑄鐵的出現(xiàn)解決了普通白口鑄鐵的硬度問題，使基體在鑄態(tài)時就能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度有所提高，但是共晶碳化物種類和形態(tài)基本保持不變，其韌性幾乎沒有變化。高鉻白口鑄鐵的發(fā)明是白口鑄鐵發(fā)展史上的一個飛躍。鉻元素的加入，不但使共晶碳化物由M3C轉(zhuǎn)變成顯微硬度更高的M7C3，而且碳化物的形態(tài)發(fā)生很大的變化，由連續(xù)網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變成為斷網(wǎng)狀的獨立分布。高鉻白口鑄鐵具有較高的硬度和韌性。盡管如此，高鉻白口鑄鐵仍是一類脆性材料，在應(yīng)用過程中仍存在韌性儲備不足的缺點。因此，高鉻白口鑄鐵只能應(yīng)用在沖擊不高的工況條件，在沖擊較高時，容易產(chǎn)生斷裂或破碎失效。普通白口鑄鐵、鎳硬白口鑄鐵和高鉻白口鑄鐵都是以碳化物為耐磨相，碳化物幾乎沒有韌性，白口鑄鐵的韌性全部來自基體，其大小與碳化物數(shù)量、形態(tài)以及基體的性能相關(guān)，其中碳化物數(shù)量及形態(tài)起主要作用。白口鑄鐵韌性的提高需要形態(tài)良好的耐磨相和強韌性的基體，但以碳化物為耐磨相的白口鑄鐵難以同時滿足這兩點要求，所以其韌性的提高難以有大的突破。白口鑄鐵的發(fā)展似乎碰到了一個瓶頸，其發(fā)展需要新的思路來解決韌性的問題。由于硼在鐵中獨特的作用`，硼在鐵中的溶解度極低(在700°C以下低于O. 0004%),當(dāng)加入的硼超過其溶解度時，會形成硼化物。硼化物具有較高的硬度(如Fe2B的硬度可以達(dá)到HV120(Tl600，與高鉻白口鑄鐵中碳化物硬度相當(dāng))，可以用來做為耐磨相。中國發(fā)明專利CN200410089538. O公布了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，但由于這種合金中硼化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致其韌性較差，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。中國發(fā)明專利CN200610049096. 6采用加入2. 5 3. 3wt%的FeTi30合金作為變質(zhì)劑，提出了一種針對鑄造高硼耐磨合金的一種韌化方法。而在追求高韌性的鐵基耐磨材料方面，奧氏體高錳鋼的應(yīng)用最為廣泛，具有高塑性、高韌性以及低裂紋擴展率等特性，是一種極好的耐沖擊磨損材料，其高的韌性在目前耐磨合金中仍然是無以匹敵的。但是，高錳鋼屈服強度低，初始硬度不高(〈229HB)，其耐磨特性只有在高沖擊負(fù)荷的工作條件下才能表現(xiàn)出來。在低沖擊負(fù)荷或低應(yīng)力磨料磨損條件下，不能或不能完全加工硬化，其耐磨特性不能得到充分發(fā)揮，有時甚至低于普通碳鋼。低、中合金耐磨鋼是以硅、錳為基礎(chǔ)，加入鉻、鑰以及其他微量元素而發(fā)展起來的，其合金系統(tǒng)由成分簡單的單一錳系、硅系、鉻系、鉻錳系到成分復(fù)雜的鉻-錳-硅-鑰-其他微量元素的多元復(fù)合系統(tǒng)。低、中合金耐磨鋼具有較好的強韌性，低、中沖擊載荷下的耐磨性優(yōu)于高錳鋼，但存在淬透性和淬硬性低的不足，因此其耐磨性較低。奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵(ADI)的研制成功，為鑄鐵冶金學(xué)領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步。受ADI的啟發(fā)，國內(nèi)外研究工作者開發(fā)了組織為貝氏體和殘余奧氏體的耐磨合金材料，其綜合力學(xué)性能比ADI更為優(yōu)越，并且克服了 ADI的固有缺點，具有優(yōu)異的強韌化及高的耐磨性。中國發(fā)明專利CN99105704.X公布了一種高硅耐磨鑄鋼的制造方法，其成分配方是O. 6^1. 2%C，1. 8^3. 0%, O. 4^0. 6%Mn，
O.2^0. 5%Mo，P〈0. 04%, S〈0. 04%，通過在鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，可以獲得比奧貝球鐵更高的耐磨性和強韌性，可以用于中小沖擊耐磨場合。針對普通高硅鑄鋼組織粗大，鋼中非金屬夾雜物導(dǎo)致性能惡化的缺點，中國發(fā)明專利CN200410089537. 6提出了制造高強度、高韌性和高耐磨性的強韌高硅鑄鋼的方法，采用釔基重稀土、硼、鈦、釩等合金元素對高硅鑄鋼進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，獲得了可用于重載的高耐磨性合金。但高硅鑄鋼還存在硬度較低，在有沖擊的磨粒磨損條件下使用時耐磨性不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備成本較低，以具有高熱穩(wěn)定性和高硬度特性的硼化物為耐磨硬質(zhì)相和以無碳化物貝氏體和奧氏體雙相組織為基體的耐磨合金及其制備方法。一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金，所述耐磨合金由重量百分比為
O.3 1. 0% 的 C，1. 6 3. 0% 的 Si,O. 6 1. 6% 的 Mn,0 4· 0% 的 Cr,O. 2 O. 5% 的 Mo,O. Γ . 0% 的B,O. Γ1. 0% 的 Ti,O. 05 O. 15% 的 Ce,〈O. 04% 的 P,〈O. 04% 的 S，余量 Fe 組成。上述含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的鑄造方法，其特征在于，包括以下具體步驟I)將廢鋼、硅鐵、鉻鐵、錳鐵、鑰鐵稱量后置入電爐進(jìn)行鋼液熔煉，爐料熔清后用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量；

2)當(dāng)鋼液溫度升高到158(Γ1600 后插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鋼液重量的
O.15 O. 3% ；3)加入鈦鐵和硼鐵，鋼液熔清扒渣后插鋁進(jìn)行二次脫氧，之后出爐；4)將Ce基稀土合金破碎至粒度小于15mm的顆粒并經(jīng)18(T250°C烘干后置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法對鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)處理后的鋼液直接澆注成鑄件；5)將鑄件置于箱式電阻爐中，經(jīng)85(Tl050°C條件下奧氏體化O. 5 3小時；6)奧氏體化完成后，將鑄件取出直接置入溫度為20(T40(TC的等溫鹽浴爐中進(jìn)行等溫淬火O. 5 4小時后，將鑄件取出，空冷后獲得含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；其中鹽浴采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸鉀和50%的亞硝酸鈉配比而成。步驟(I)中所述增碳劑為廢石墨電極、石墨顆?；蛏F。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下特點1)本發(fā)明采用我國富有的硼以及廉價的硅為主要合金元素，加入少量的鑰，原材料來源廣泛，生產(chǎn)成本低廉；2)以硼化物為耐磨硬質(zhì)相，使耐磨合金材料具有較高的硬度，并能夠明顯改善合金材料耐沖擊磨料磨損性能；以無碳化物貝氏體和奧氏體雙相組織為基體，基體具有較高的強韌性配合；3)可以通過調(diào)整合金中硼、碳的含量來實現(xiàn)基體中硼化物數(shù)量和基體的性能的分別控制，并因此可以根據(jù)工況條件來有針對性地設(shè)計材料的成分。這種特點克服了以碳化物為耐磨相的合金材料的基體性能和碳化物數(shù)量都受碳影響而不能單獨控制的缺點；4)不僅可以通過硼、碳的含量的調(diào)整來實現(xiàn)硼化物耐磨相數(shù)量和基體碳含量的分別控制，而且可以通過合理的等溫淬火熱處理來控制和調(diào)整基體的力學(xué)性能，因而可以制備出能夠應(yīng)用于不同的工業(yè)場合的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；5)本發(fā)明采用鹽浴等溫淬火，可以獲得硬度45飛3HRC，抗拉強度65(T950MPa，沖擊韌度4 15J的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；6)本發(fā)明的耐磨合金其耐磨性為高鉻白口鑄鐵的f1. 8倍；7)由于本發(fā)明具有以較高強韌性配合的奧氏體-貝氏體為基體，克服了高鉻白口鑄鐵脆性大，使用過程中易于破碎和斷裂等不足，且生產(chǎn)成本較高鉻白口鑄鐵低，可以用于替代高鉻白口鑄鐵的耐磨場合。


圖1是經(jīng)950°C奧氏體化30min后經(jīng)250°C等溫淬火30min后的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的金相組織(實施例1)。圖2是經(jīng)1050°C奧氏體化30min后經(jīng)400°C等溫淬火30min后的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的金相組織(實施例4)。圖3是經(jīng)950°C奧氏體化30min后經(jīng)350°C等溫淬火30min后的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的沖擊斷口的金相組織，可以看到基體組織斷裂呈明顯的韌性斷裂方式(實施例5)。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明的實施例以普通廢鋼和硼鐵為主要原料，采用50kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，澆注砂型標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊。且鑄造含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的化學(xué)成分均滿足0. 3 1. 0%C,1. 6 3. 0%Si,0. 6 1. 6%Mn，0 4. 0%Cr,0. 2 O. 5%Μο，0· 05 1. 0%Β，0· Γ . 0%Ti, 0.05 0. 15%Ce，Ρ〈0· 04%, S〈0. 04%，余量為Fe。具體制備步驟為采用廢鋼、硅鐵、鉻鐵、錳鐵、鑰鐵計算好配料并稱重，石墨顆粒調(diào)節(jié)合金碳含量，加電進(jìn)行鋼液熔煉，爐料熔清后調(diào)整成分。將鋼液溫度升高到158(Tl60(rC后插鋁進(jìn)行一次脫氧。然后加入鈦鐵和硼鐵，熔清扒渣后插鋁進(jìn)行二次脫氧，之后出爐。將事先破碎至粒度小于15mm的顆粒并烘干的Ce基稀土合金后置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法對鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理。然后將鋼液直接澆注成標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊。截取標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊的下部，進(jìn)行等溫淬火熱處理。以下為各實施例的具體化學(xué)組成和具體制備工藝，各實施例中未提及的內(nèi)容參見前段內(nèi)容。實施例1化學(xué)成分為0.57wt% C,0. 09wt% B, 2. 38wt% Si,0. 78wt% Mn,1. 46wt%Cr,
0.33wt%Mo,0. 011wt%P,0. 007wt%S,0. 15wt%Ti,0. 08wt%Ce。試塊經(jīng) 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時后直接在溫度為250°C的等溫鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨后取出空冷至室溫后用水將表面的鹽清洗干凈。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金(見圖1)的力學(xué)性能和耐磨性能如下硬度為58HRC,線切割I(lǐng)OmmX IOmmX 55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為5. 5J，抗拉強度為690MPa，在Falex多功能摩擦磨損試驗機上進(jìn)行球盤試驗(對磨材料為氧化錯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為7. 69mg。實施例2
化學(xué)成分為0.54wt%C,0. 47wt% B, 2. 36wt% Si,0. 87wt% Mn,1. 43wt%Cr,
0.32wt%Mo,0. 012wt%P,0. 009wt%S,0. 19wt%Ti,0. 07wt%Ce。試塊經(jīng) 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時后直接在溫度為400°C的等溫鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨后取出空冷至室溫后用水將表面的鹽清洗干凈。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的力學(xué)性能和耐磨性能如下硬度為47HRC，線切割I(lǐng)OmmX IOmmX 55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為7. 5J，抗拉強度為910MPa，在Falex多功能摩擦磨損試驗機上進(jìn)行球盤試驗(對磨材料為氧化鋯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為6. 77mg。實施例3化學(xué)成分為0.64wt% C,0. 27wt% B, 2. 34wt% Si,0. 85wt% Mn,1. 47wt%Cr,
0.32wt%Mo,0. 012wt%P,0. 010wt%S,0. 17wt%Ti,0. 12wt%Ce。試塊經(jīng) 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時后直接在溫度為300°C的等溫鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨后取出空冷至室溫后用水將表面的鹽清洗干凈。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的力學(xué)性能和耐磨性能如下硬度為53HRC，線切割I(lǐng)OmmX IOmmX 55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為7. 0J,抗拉強度為780MPa，在Falex多功能摩擦磨損試驗機上進(jìn)行球盤試驗(對磨材料為氧化鋯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為5. 58mg。實施例4
化學(xué)成分為0.57wt% C,0. 09wt% B, 2. 38wt% Si,0. 78wt% Mn,1. 46wt%Cr,
0.33wt%Mo,0. 011wt%P,0. 007wt%S,0. 15wt%Ti,0. 08wt%Ce。試塊經(jīng) 1050 °C 奧氏體化保溫
0.5小時后直接在溫度為400°C的等溫鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨后取出空冷至室溫后用水將表面的鹽清洗干凈。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金(見圖2)的力學(xué)性能如下硬度為46HRC，線切割I(lǐng)OmmX IOmmX 55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為12. 5J，抗拉強度為650MPa。實施例5化學(xué)成分為0.74wt% C,0. 51wt% B, 2. llwt% Si,0. 79wt% Mn, 3. 42wt%Cr,
0.39wt%Mo,0. 006wt%P,0. 04wt%S,0. 25wt%Ti,0. llwt%Ce。試塊經(jīng) 950°C奧氏體化保溫 0. 5小時后直接在溫度為350°C的等溫鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，保溫時間為O. 5小時，隨后取出空冷至室溫后用水將表面的鹽清洗干凈。獲得的含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的力學(xué)性能如下硬度為62HRC，線切割I(lǐng)OmmX IOmmX 55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為6. 5J，抗拉強度為890MPa，其斷口形貌見圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金，其特征在于，所述耐磨合金由重量百分比為 O. 3 1. 0% 的 C，1. 6 3. 00/c^Si，0· 6 1. 6% 的 Μη，0 4· 0%的0，0· 2 O. 5% 的 Mo，O. Γ . 0%的 B,O.1 1. 0% 的 Ti,O. 05 O. 15% 的 Ce,〈O. 04% 的 P,〈O. 04% 的 S，余量 Fe 組成。
2.權(quán)利要求1所述含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金的鑄造方法，其特征在于，包括以下具體步驟 1)將廢鋼、硅鐵、鉻鐵、錳鐵、鑰鐵稱量后置入電爐進(jìn)行鋼液熔煉，爐料熔清后用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量； 2)當(dāng)鋼液溫度升高到158(Γ1600 后插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鋼液重量的O. 15 O. 3% ； 3)加入鈦鐵和硼鐵，鋼液熔清扒渣后插鋁進(jìn)行二次脫氧，之后出爐； 4)將Ce基稀土合金破碎至粒度小于15mm的顆粒并經(jīng)18(T250°C烘干后置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法對鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)處理后的鋼液直接澆注成鑄件； 5)將鑄件置于箱式電阻爐中，經(jīng)85(Tl050°C條件下奧氏體化O.5 3小時； 6)奧氏體化完成后，將鑄件取出直接置入溫度為20(T40(TC的等溫鹽浴爐中進(jìn)行等溫淬火O. 5 4小時后，將鑄件取出，空冷后獲得含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金；其中鹽浴采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸鉀和50%的亞硝酸鈉配比而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐磨合金的鑄造方法，其特征在于，步驟(I)中所述增碳劑為廢石墨電極、石墨顆?；蛏F。
全文摘要
本發(fā)明屬于鋼鐵材料制備技術(shù)領(lǐng)域的一種含硼化物的奧氏體-貝氏體耐磨合金及其制備方法。本發(fā)明以硼化物為耐磨硬質(zhì)相，以無碳化物貝氏體和奧氏體雙相組織為基體，可通過硼、碳的含量的調(diào)整來實現(xiàn)硼化物耐磨相數(shù)量和基體碳含量的分別控制以及通過合理的等溫淬火熱處理來控制和調(diào)整基體的力學(xué)性能。此合金力學(xué)性能為硬度45~63HRC，抗拉強度650~950MPa，沖擊韌度4~15J，相同試驗條件下耐磨性為高鉻白口鑄鐵的1~1.8倍。
文檔編號C21D1/20GK103060687SQ201210580530
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者陳祥, 李言祥 申請人:清華大學(xué)