一種改良的防磨損合金的制作方法
【專利說明】
[0001] 分案申請
[0002] 本發(fā)明是申請?zhí)枮?00480044720. 2的發(fā)明專利申請的分案申請。原申請的申請 日為2004年10月27日，申請?zhí)枮?00480044720. 2,發(fā)明名稱為"一種改良的防磨損合金"。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明屬于防磨損合金的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種適于部件表面硬化，也可進(jìn)行成 品直接澆鑄，其斷裂韌性得到改善的防磨損高含鉻量的白口鐵。
【背景技術(shù)】
[0004] 含鉻白口鐵，特別是高鉻白口鐵，由于含有堅(jiān)硬的M7C 3碳化物，具有很強(qiáng)的防磨損 性，這里M是Fe、Cr或Cr、Fe，但是根據(jù)成分也可能含有少量其他元素如Mn或Ni，這種防磨 損尚絡(luò)白口鐵可能為亞共晶、共晶或過共晶狀態(tài)。
[0005] 亞共晶高鉻白口鐵的含碳量最高為3.0%。它的微觀結(jié)構(gòu)中含有存在于M 7C3碳 化物和奧氏體共晶混合體基體中的初生奧氏體樹狀晶。共晶白口鐵的含碳量為3.0% - 4.0%，其微觀結(jié)構(gòu)是M7C3碳化物和奧氏體的共晶混合體。過共晶白口鐵的含碳量為 3. 5 % - 5. 0 %，其微觀結(jié)構(gòu)含有存在于M7C3碳化物和奧氏體共晶混合體基體中的初生M 7C3 碳化物。每種情況下，正是M7C3碳化物，作為共晶碳化物或初生碳化物，使這種合金具有防 磨損特性。過共晶白口鐵與亞共晶白口鐵相比含有更多堅(jiān)硬防磨損的M 7C3碳化物，因此經(jīng) 常成為進(jìn)行硬化焊敷的首選合金。然而，過共晶白口鐵一般不適于澆鑄，原因是冷卻時(shí)產(chǎn)生 的裂紋導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生。
[0006] -般來說，如果提高過共晶高鉻白口鐵的防磨損特性，它的斷裂韌性就會隨之降 低。高鉻白鑄鐵廣泛地應(yīng)用于防磨損性能要求高而斷裂韌性相對要求較低的采礦及礦產(chǎn)加 工業(yè)。然而，其他的應(yīng)用要求材料具有較高的斷裂韌性，這就意味著過共晶白口鐵不能應(yīng)用 在這些場合，為解決這個(gè)問題，人們已經(jīng)做了不同的嘗試。
[0007] 澳大利亞專利AU-A-28865/84的【背景技術(shù)】主要涉及有亞共晶和過共晶混合物的 高鉻白口鐵，它描述了多次失敗的試驗(yàn)，試圖制成適于鑄造的兼具防磨損性和斷裂韌性的 過共晶白口鐵合金，AU-A-28865/84同時(shí)也描述了幾次試驗(yàn)，試圖制成兼具防磨損性和斷裂 韌性的亞共晶合成物以及適于硬化焊敷的合金。然而，AU-A-28865/84實(shí)際上主要通過鑄造 混合成形解決了鑄鐵混合物的裂紋問題，也就是將一種特定合金與基體進(jìn)行冶金結(jié)合，然 后在合金冷卻時(shí)消除出現(xiàn)裂紋的可能性，最后形成鑄鐵混合物。確實(shí)，AU-A-28865/84試圖 通過保證鑄鐵混合物中的主要成分為截面尺寸不大于75微米的M 7C3碳化物來解決含碳量 大于4. 0%的過共晶鑄鐵的低斷裂韌性和裂紋問題，還建議多種機(jī)制來做這種嘗試。這樣， AU-A-28865/84目的是通過形成混合成分和限制合金中主要成分M 7C3碳化物的尺寸來解決 問題。
[0008] 美國專利5, 803, 152企圖精煉過共晶白口鐵的微結(jié)構(gòu)，尤其是厚的過共晶白口鐵 的微結(jié)構(gòu)，使主要成分碳化物的成核量達(dá)到最大，以此增加材料的斷裂韌性和防磨損性。精 煉就是在熔化的金屬流體進(jìn)行澆鑄的傾倒過程中加入一種特殊的金屬，這種金屬將從中吸 收熱量，并對熔化金屬進(jìn)行過冷卻，從而使其進(jìn)入液態(tài)和固態(tài)溫度之間的初凝固狀態(tài)。
[0009] 與以前嘗試提高表面硬化合金的斷裂韌性一樣，美國專利6, 375, 895指出，盡管 事先作了預(yù)防措施，但很多在先技術(shù)中，表面硬化的高鉻白口鐵在焊接狀態(tài)下總是有或多 或少的稠密的裂紋網(wǎng)出現(xiàn)。美國專利6, 375, 895提出，軟化的奧氏體基體（約300BHN~ 600BHN)中初生碳化物（約1700布氏硬度（BHN))的硬度達(dá)到一定程度后會導(dǎo)致金屬從熔 融態(tài)冷卻時(shí)出現(xiàn)收縮裂紋。美國專利6, 375, 895的解決辦法是采用一種特殊的合金混合 物，在表面硬化前預(yù)加熱混合物的基體，然后冷卻整個(gè)混合物，這可以保證微結(jié)構(gòu)中始終有 馬氏體存在并且整個(gè)合金硬度保持一致（約455BHN~512BHN)。
[0010] 本發(fā)明的目的是提供一種適于鑄造并可作為無裂紋硬質(zhì)合金使用的防磨損高鉻 白口鐵。這種高鉻白口鐵進(jìn)行鑄造時(shí)不需要生成混合成分也不需要復(fù)雜的鑄造技術(shù)，同時(shí)， 進(jìn)行表面硬化時(shí)，也不需要進(jìn)行昂貴的預(yù)加熱處理。
[0011] 介紹本發(fā)明之前，首先聲明以上在先技術(shù)的描述僅為【背景技術(shù)】說明，對這些在先 技術(shù)的參考并不表示這些專利相關(guān)文件已經(jīng)在澳大利亞或其他地方公開并進(jìn)入公共信息 范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明人首次說明防磨損高鉻白口鐵斷裂韌性低的原因。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)M7C 3碳 化物和奧氏體分界面存在一個(gè)薄層馬氏體，這個(gè)薄層馬氏體導(dǎo)致或至少引發(fā)了裂紋。這對 以下情況均適用：M 7C3碳化物是初生碳化物，奧氏體在共晶基體中；或M7C3碳化物是共晶碳 化物，奧氏體是共晶奧氏體；或M 7C3碳化物是共晶碳化物，奧氏體是初生奧氏體。這樣，該發(fā) 現(xiàn)可應(yīng)用于澆鑄的亞共晶、共晶和過共晶高鉻白口鐵，該發(fā)現(xiàn)也可應(yīng)用于焊接的共晶和過 共晶合金以及許多（如不是全部）亞共晶合金。
[0013] 另外，發(fā)明人確定這個(gè)馬氏體薄層通常厚度可能為一到幾個(gè)微米，也可能只有幾 個(gè)納米。這個(gè)薄層在碳化物周圍可能不是完全連續(xù)也可能厚度不一致，當(dāng)然這個(gè)薄層也只 能在電子顯微鏡等儀器下才可以觀察到。
[0014] 該發(fā)現(xiàn)指出，在高鉻白口鐵中，由于M7C3碳化物和奧氏體鄰接部位的鉻和碳的減 少，導(dǎo)致了薄層馬氏體的形成。該發(fā)現(xiàn)還指出，成份中含有硅會導(dǎo)致M 7C3碳化物與鄰近的奧 氏體之間生成馬氏體。
[0015] 該發(fā)現(xiàn)指出，由于熔敷金屬凝固后冷卻時(shí)材料收縮，硬化焊敷時(shí)生成的焊敷體內(nèi) 部會產(chǎn)生殘余張應(yīng)力。發(fā)現(xiàn)中還指出，與M 7C3碳化物鄰近的這層稀薄、堅(jiān)硬和脆性的馬氏體 可通過裂紋釋放這些張應(yīng)力，如果沒有這層薄馬氏體，較軟的奧氏體則會吸收這些殘余張 應(yīng)力產(chǎn)生變形，這阻礙了裂紋的發(fā)生并且使微裂紋擴(kuò)展程度減到最低。
[0016] 發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在M7C3碳化物和奧氏體分界面存在的馬氏體不是鑄造和硬化焊敷 中導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的唯一原因，一個(gè)更主要的原因（將在后面詳述）是材料中的M 7C3碳化物 相互連接程度很高，添加一些合金可提高M(jìn)7C3碳化物的相互連接程度。這種合金添加物作 用很大，添加其中一種合金就可以使材料在凝固前過冷卻，這可應(yīng)用于鑄造和焊敷，當(dāng)高連 接度的M 7C3碳化物與位于M7C3碳化物和奧氏體之間的馬氏體同時(shí)存在時(shí)，裂紋的生成和擴(kuò) 大就不可避免。當(dāng)M 7C3碳化物的高連接情況發(fā)生在合金中，且這些合金不易在鄰接面出現(xiàn) 馬氏體時(shí)，雖然裂紋的根源能夠避免，但是總的來說材料中的裂紋生成和擴(kuò)展仍不可避免。
[0017] 發(fā)明者指出，大多數(shù)情況下，無論應(yīng)用于鑄造還是焊敷，解決高鉻白口鐵中裂紋的 生成和擴(kuò)大的方法都是相同的。
[0018] 本發(fā)明提供了一種防磨損高鉻白口鐵，所述未經(jīng)過熱處理的白口鐵有一種微結(jié) 構(gòu)，微結(jié)構(gòu)中含有奧氏體和M 7c3碳化物，所述白口鐵中含有至少一種馬氏體促進(jìn)劑和至少 一種奧氏體穩(wěn)定劑，并且所述馬氏體促進(jìn)劑和奧氏體穩(wěn)定劑含量適當(dāng)，效應(yīng)達(dá)到平衡，使所 述未經(jīng)過熱處理的白口鐵有一種微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)有以下至少一種特征：
[0019] i)在奧氏體和M7C3碳化物界面上不存在馬氏體；和
[0020] ii)其碳化物微粒間的相互連接程度具有一個(gè)相對低的水平；
[0021] 所述白口鐵不存在裂紋。大部分情況下，這種白口鐵不僅無裂紋且具有更好的斷 裂韌性。
[0022] 有一種形式，白口鐵處于鑄造狀態(tài)，馬氏體促進(jìn)劑和奧氏體穩(wěn)定劑的含量適當(dāng)且 效應(yīng)達(dá)致平衡，以使白口鐵中M 7C3碳化物和奧氏體間的界面上不存在馬氏體。
[0023] 另一種形式，白口鐵含有經(jīng)焊敷后之基體提供的硬化表面，該硬化表面無裂紋存 在。馬氏體促進(jìn)劑和奧氏體穩(wěn)定劑效應(yīng)達(dá)致平衡，使微結(jié)構(gòu)中的M 7C3碳化物中，其碳化物微 粒間的相互連接程度達(dá)到一個(gè)相對低的水平，這樣，微結(jié)構(gòu)中不存在分支碳化顆粒，且所述 馬氏體促進(jìn)劑和奧氏體穩(wěn)定劑的含量適當(dāng)達(dá)致平衡，使白口鐵在奧氏體和M 7C3碳化物的界 面上完全沒有馬氏體。
[0024] 本發(fā)明提供了一種M7C3碳化物和奧氏體界面上不存在馬氏體的防磨損高鉻白口 鐵合金，該合金，無論經(jīng)過鑄造還是經(jīng)過焊敷形成硬化表面，都完全沒有裂紋。然而，應(yīng)該明 確的是，上述分界面上沒有馬氏體并不能排除分界面以外奧氏體內(nèi)部有馬氏體存在的可能 性。該發(fā)明的特點(diǎn)是在M 7C3碳化物和奧氏體分界面上不會形成馬氏體薄層，而不是在其他 區(qū)域也排除馬氏體存在的可能性。