本發(fā)明屬冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種高硼高鉻白口鑄鐵及其制備方法。

背景技術(shù)：
高鉻鑄鐵作為新一代抗磨材料，正在越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域內(nèi)取代傳統(tǒng)的高錳鋼而成為抗磨粒磨損的優(yōu)質(zhì)材料。尤其在磨料塊度小而硬度高的場(chǎng)合下，如粉碎水泥熟料、制備石英砂等工況下更成為一種最佳材質(zhì)，并被廣大相關(guān)工業(yè)界所接受。我公司生產(chǎn)的耐磨塊也是采用高鉻鑄鐵。但實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)所得到的性能如硬度、韌性、硬度差等尚有很大的提升空間。因此，在低成本的前提下，能否使高鉻鑄鐵的成分、組織及熱處理工藝更加優(yōu)化，從而使其性能有一個(gè)更大的上升則是極具現(xiàn)實(shí)意義的一個(gè)目標(biāo)。硼在我國(guó)資源豐富，是強(qiáng)碳化物形成元素。微量的硼即可大大提高鋼鐵的淬透性而節(jié)約大量昂貴的強(qiáng)淬透性合金元素，并使金屬材料的耐磨性得到極大提高，這是眾所周知的。以硼作為主要合金元素的鑄造鐵基合金的研究亦有報(bào)道。日本研究人員介紹了具有不同硼、碳含量的Fe-15Cr-C-B合金，即使在鑄態(tài)下也有很高的硬度，接近60HRC，這種合金有可能象鎳硬鑄鐵一樣不經(jīng)熱處理在鑄態(tài)下直接使用。上世紀(jì)90年代初，澳大利亞Queensland大學(xué)材料系的研究人員在高鉻鋼基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種耐磨性能優(yōu)異的鐵鉻硼合金，不僅具有優(yōu)異的耐磨性，并且其硬度可以在很大的范圍內(nèi)變化，從HRC22至HRC62，鑄造鐵鉻硼合金具有低硬度特性為機(jī)械加工提供了可能，另外還具有良好的耐熱沖擊性能。另外，國(guó)內(nèi)外在堆焊耐磨合金研究中，利用硼化物硬度和熱穩(wěn)定性高于碳化物，特別是硼與鐵生成的FeB(HV1800～2000)和Fe2B(HV1400～1500)的硬度不但遠(yuǎn)高于Fe3C(HV800～900)，而且高于鉻的碳化物Cr7C3(HV1300～1500)，用合金硼化物代替合金碳化物作為耐磨合金的耐磨相，可進(jìn)一步提高耐磨合金的硬度和耐磨性，還可減少鉻、鎢、鉬、釩、鈦等貴重合金加入量。隨著堆焊合金中硼含量增加，堆焊合金組織發(fā)生變化，組織中先后出現(xiàn)了作為耐磨相的Fe3(C，B)、Fe23(C，B)6和Fe2B等碳、硼化合物，隨著其數(shù)量的增加，堆焊合金的硬度和耐磨性顯著提高，而且發(fā)現(xiàn)共晶組織具有最佳的抗沖擊韌性。因此將硼加入高鉻鑄鐵中能否在有沖擊的磨粒磨損的工況下也能有效提高其抗磨性，從而達(dá)到降低成本、提高性能、節(jié)約合金的目標(biāo)呢？本項(xiàng)目擬著重考察含硼量和熱處理工藝與高鉻鑄鐵的硬度和沖擊韌性的關(guān)系，以便能為高鉻鑄鐵的成分、組織及熱處理工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，為滿足各類(lèi)工程構(gòu)件和裝備的需要，新材料不斷涌現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)材料的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，提高傳統(tǒng)材料的質(zhì)量、改進(jìn)傳統(tǒng)材料的制備工藝已成為當(dāng)務(wù)之急。特別是對(duì)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義的特殊材料，由于制備工藝的問(wèn)題，供需矛盾更加突出，并且受到國(guó)外限制，嚴(yán)重影響了我國(guó)相關(guān)工業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。在本世紀(jì)的前十年內(nèi)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定和健康發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，各類(lèi)新型材料的制備和應(yīng)用面臨著十分艱巨和嚴(yán)峻的形勢(shì)，必須加大力度研究和開(kāi)發(fā)能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新型工程材料。鋼鐵材料具有生產(chǎn)規(guī)模大、易于加工、性能可靠、使用方便、價(jià)格低廉和便于回收等特點(diǎn)，仍是占主導(dǎo)地位的工程結(jié)構(gòu)材料，改善鋼鐵材料的組織和性能一直是國(guó)內(nèi)外冶金和材料工作者不斷關(guān)注并力求實(shí)現(xiàn)的重要課題，耐磨鋼鐵材料的創(chuàng)新和發(fā)展是其中的重要組成部分。磨損是冶金、礦山、機(jī)械、電力、煤炭、石油、交通、軍工等許多工業(yè)部門(mén)普遍存在并成為引起設(shè)備失效或材料破壞的一個(gè)重要原因，也是造成經(jīng)濟(jì)損失最多的問(wèn)題之一，研究和發(fā)展新一代耐磨材料，減少金屬磨損，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛使用高鉻白口鑄鐵生產(chǎn)耐磨件，特別是耐磨塊。高鉻白口鑄鐵基體碳含量較高，淬火后馬氏體中含有殘余奧氏體，不但降低了高鉻白口鑄鐵的硬度，而且在應(yīng)用過(guò)程中易發(fā)生相變，促使裂紋產(chǎn)生，降低了耐磨性能。采用深冷處理技術(shù)和亞臨界熱處理可以減少殘余奧氏體的數(shù)量，提高鑄鐵的耐磨性能。可以通過(guò)合金化來(lái)細(xì)化初晶組織，提高其耐磨性能。但在提高高鉻白口鑄鐵韌性方面未有實(shí)質(zhì)性研究進(jìn)展，即使含有貴重的Mo、Ni、W、V，它的脆性仍然大，使用中存在易剝落甚至開(kāi)裂的不足。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(shí)，容易產(chǎn)生斷裂或破碎失效。本項(xiàng)目的FBC耐磨材料的生產(chǎn)成本低廉、強(qiáng)度和韌性高、淬透性好，有望取代目前廣泛使用的耐磨材料。隨著貴重的鉻、鉬、鎳、鎢、釩等合金元素在鋼鐵材料中使用量的不斷增加，價(jià)格飛速上漲，供應(yīng)日趨緊張，導(dǎo)致現(xiàn)行耐磨材料生產(chǎn)成本不斷攀升。本發(fā)明的高硼高鉻鑄鐵是以普通白口鑄鐵為基礎(chǔ)，加入一定量的硼、鉻作為合金元素，加入的其它合金元素很少或不加，成本較低，但可以獲得韌性較好且在基體上分布有高硬度耐磨相的顯微組織。高硼高鉻鑄鐵具有很好的強(qiáng)韌性和高硬度，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低，耐磨性能優(yōu)越等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于各種具有沖擊磨料磨損條件的耐磨場(chǎng)合和各種工程機(jī)械的耐磨件上，這一應(yīng)用市場(chǎng)極為廣闊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是開(kāi)發(fā)一種高硼高鉻白口鑄鐵，具有生產(chǎn)成本低廉、強(qiáng)度和韌性高、淬透性好的特點(diǎn)，取代目前廣泛使用的鑄鐵類(lèi)耐磨材料。實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案：一種高硼高鉻白口鑄鐵，由以下重量百分比組成：2.0～2.8％C，2.0～2.5％B，3.0～3.5％Cr，0.3～0.5％Si，0.3～0.5Al，0.15～0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量為Fe。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種高硼高鉻白口鑄鐵制造方法，該方法包括以下具體步驟：(1)將普通廢鐵置入感應(yīng)電爐或電弧爐進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中加入硅鐵，爐料熔清后用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量；(2)熔體溫度升高到1400～1480℃后插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鑄鐵重量的0.15～0.3％；(3)加入鋁鋯硼鐵中間合金，熔清扒渣后插鋁進(jìn)行二次脫氧；(4)鑄鐵液出爐，鑄鐵液直接澆注成鑄件，澆注溫度1350～1450℃；(5)將澆鑄后的鑄件去除澆冒口，置于箱式電阻爐中，經(jīng)900～930℃奧氏體化，保溫0.5～3小時(shí)，保溫時(shí)間依據(jù)鑄件壁厚確定，一般為3min/mm；(6)將鑄件取出快速空冷到600-650℃置入溫度為550～600℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行一次等溫淬火熱處理，根據(jù)鑄件的厚度不同保溫時(shí)間為5～10分鐘，得到馬氏體鑄鐵；(7)將鑄件取出，快速空冷后，放入溫度為400～480℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行二次等溫淬火，根據(jù)鑄件的厚度不同保溫0.5～4小時(shí)，取出后進(jìn)行空冷，空冷后獲得馬氏體基體上分布高硬度硼碳化合物的復(fù)相組織高硼高鉻白口鑄鐵。其中，步驟(1)中所述的增碳劑為廢石墨電極、石墨顆粒，步驟(6)和步驟(7)中所述的等溫鹽浴是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％的硝酸鉀和50％的亞硝酸鈉配比而成。其中，鋁鋯硼鐵中間合金是根據(jù)高硼高鉻白口鑄鐵配比含量所需而制備鋁鋯硼鐵合金，中間合金加入量為總重量的8～10％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：(1)本發(fā)明高硼高鉻白口鑄鐵，馬氏體基體上分布高硬度硼碳化合物的復(fù)相組織，具有優(yōu)異的耐磨性；(2)高硼高鉻白口鑄鐵中硼元素、鉻元素、鋁元素、鋯元素的存在主要是為了形成高硬度、高耐磨的硼碳化合物和高韌性碳硼鋁鋯化物相；(3)合金中添加重量百分比為2.0～2.5％的硅元素的目的主要是為了在等溫淬火過(guò)程中強(qiáng)烈抑制碳化物析出的作用，保證熱處理組織中形成無(wú)碳化物的貝氏體，組織中無(wú)碳化物的存在，可以提高鑄鐵的耐腐蝕性能；(4)本發(fā)明采用Cr元素、Al元素、Zr元素進(jìn)行硼化物的變質(zhì)處理，Cr元素、Al元素、Zr元素的加入可在高溫熔體中形成與碳硼化物有良好的共格關(guān)系的高熔點(diǎn)化合物，促進(jìn)碳硼化物形核，達(dá)到細(xì)化碳硼化物的目的，提高鑄鐵的力學(xué)性能；(5)本發(fā)明采用兩步法對(duì)合金進(jìn)行等溫淬火熱處理，在550～600℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行一次等溫淬火是為了獲得馬氏體基體鑄鐵，在400～480℃的鹽浴爐中進(jìn)行二次等溫淬火，最終將獲得馬氏體基體上分布高硬度硼碳化合物的復(fù)相組織高硼高鉻白口鑄鐵。本發(fā)明采用兩步法對(duì)合金進(jìn)行鹽浴等溫淬火，獲得硬度≥54HRC，沖擊韌性Ak≥8J，抗拉強(qiáng)度≥600MPa的高硼高鉻白口鑄鐵，組織結(jié)構(gòu)為馬氏體基體上分布高硬度硼碳化合物的復(fù)相組織，具有優(yōu)異的耐磨性；應(yīng)用于高可靠性磨損領(lǐng)域的工程材料，尤其是在冶金、礦山、機(jī)械、電力、煤炭、石油、交通和軍工等許多工業(yè)部門(mén)的原料開(kāi)采、破碎及輸送領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本發(fā)明的高硼高鉻白口鑄鐵以我國(guó)富有的硼為主要合金元素，不含鎳、鉬、鎢、釩等貴重合金，具有低成本、高硬度、良好耐磨性和強(qiáng)韌性，可以替代各種用于磨粒磨損工況的耐磨鋼鐵類(lèi)材料；高硼高鉻白口鑄鐵減少了貴重的Mo、Ni、W和V元素因而性價(jià)比高于現(xiàn)行的主要耐磨材料，可以占領(lǐng)一部分現(xiàn)行耐磨材料的市場(chǎng)，如工程機(jī)械的耐磨件、磨機(jī)耐磨件和鑄機(jī)耐磨件等，每年有數(shù)十億元的市場(chǎng)可供開(kāi)發(fā)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明高明韌性含鋁高硼高鑄鐵及其制造方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1一種高硼高鉻白口鑄鐵，由以下重量百分比組成：2.0％C，2.5％B，3.0％Cr，0.5％Si，0.5Al，0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量為Fe。高硼高鉻白口鑄鐵制造方法包括以下具體步驟：(1)將普通廢鐵置入感應(yīng)電爐或電弧爐進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中加入硅鐵，爐料熔清后用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量；(2)熔體溫度升高到1400～1480℃后插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鑄鐵重量的0.15～0.3％；(3)加入鋁鋯硼鐵中間合金，熔清扒渣后插鋁進(jìn)行二次脫氧；(4)鑄鐵液出爐，鑄鐵液直接澆注成鑄件，澆注溫度1350～1450℃；(5)將澆鑄后的鑄件去除澆冒口，置于箱式電阻爐中，經(jīng)900～930℃奧氏體化，保溫0.5～3小時(shí)，保溫時(shí)間依據(jù)鑄件壁厚確定，一般為3min/mm；(6)將鑄件取出快速空冷到600-650℃置入溫度為550～600℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行一次等溫淬火熱處理，根據(jù)鑄件的厚度不同保溫時(shí)間為5～10分鐘，得到馬氏體鑄鐵；(7)將鑄件取出，快速空冷后，放入溫度為400～480℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行二次等溫淬火，根據(jù)鑄件的厚度不同保溫0.5～4小時(shí)，取出后進(jìn)行空冷，空冷后獲得馬氏體基體上分布高硬度硼碳化合物的復(fù)相組織高硼高鉻白口鑄鐵。獲得的高硼高鉻白口鑄鐵，其力學(xué)性能如下：硬度為56HRC，抗拉強(qiáng)度為650MPa，沖擊韌性Ak為8.5J。在Falex多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行球盤(pán)試驗(yàn)(對(duì)磨材料為氧化鋯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為4.85mg。實(shí)施例2一種高硼高鉻白口鑄鐵，由以下重量百分比組成：2.8％C，2.5％B，3.0％Cr，0.3％Si，0.3Al，0.15％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量為Fe。按配比所需量進(jìn)行稱量，制備步驟如下：(1)將普通廢鐵置入感應(yīng)電爐或電弧爐進(jìn)行熔煉，熔煉過(guò)程中加入硅鐵，爐料熔清后用增碳劑調(diào)節(jié)碳含量；(2)熔體溫度升高到1400～1480℃后插鋁一次脫氧，鋁的加入量為鑄鐵重量的0.15～0.3％；(3)加入鋁鋯硼鐵中間合金，熔清扒渣后插鋁進(jìn)行二次脫氧；(4)鑄鐵液出爐，鑄鐵液直接澆注成鑄件，澆注溫度1350～1450℃；(5)將澆鑄后的鑄件去除澆冒口，置于箱式電阻爐中，經(jīng)900～930℃奧氏體化，保溫0.5～3小時(shí)，保溫時(shí)間依據(jù)鑄件壁厚確定，一般為3min/mm；(6)將鑄件取出快速空冷到600-650℃置入溫度為550～600℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行一次等溫淬火熱處理，根據(jù)鑄件的厚度不同保溫時(shí)間為5～10分鐘，得到馬氏體鑄鐵；(7)將鑄件取出，快速空冷后，放入溫度為400～480℃的等溫鹽浴爐中進(jìn)行二次等溫淬火，根據(jù)鑄件的厚度不同保溫0.5～4小時(shí)，取出后進(jìn)行空冷，空冷后獲得馬氏體基體上分布高硬度硼碳化合物的復(fù)相組織高硼高鉻白口鑄鐵。獲得的高硼高鉻白口鑄鐵，其力學(xué)性能如下：硬度為58HRC，抗拉強(qiáng)度為630MPa，沖擊韌性Ak為9.0J。在Falex多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行球盤(pán)試驗(yàn)(對(duì)磨材料為氧化鋯陶瓷球，壓力10磅)，磨損失重為3.55mg。以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。