專(zhuān)利名稱(chēng)：高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種以硬度高、熱穩(wěn)定性好的硼化物作為鑄造耐磨合金的硬質(zhì)相，硼化物鑲嵌在高韌性的馬氏體基體上，獲得具有較高強(qiáng)韌性和優(yōu)異耐磨性的高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的金屬材料破壞有三種形式即斷裂、腐蝕和磨損。材料磨損盡管不象另外兩種形式，很少引起金屬工件災(zāi)難性的危害，但其造成的經(jīng)濟(jì)損失卻是相當(dāng)驚人的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失，美國(guó)約500億美元/年，德國(guó)約300億馬克/年。我國(guó)每年因磨損造成球磨機(jī)磨球消耗近200萬(wàn)噸，球磨機(jī)和各種破碎機(jī)襯板消耗近50萬(wàn)噸，軋輥消耗近60萬(wàn)噸，各種工程挖掘機(jī)和裝載機(jī)斗齒、各種耐磨輸送管道、各種破碎機(jī)錘頭和顎板、各種履帶板消耗也超過(guò)50萬(wàn)噸。在各類(lèi)磨損中，磨料磨損又占有重要的地位，在金屬磨損總量中占50％以上，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。因此，研究和發(fā)展新型耐磨材料，以減少金屬磨損，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要的意義。
目前廣泛應(yīng)用的耐磨材料主要有以下三大類(lèi)①高錳鋼；②低、中合金耐磨鋼；③高鉻鑄鐵；它們存在以下的不足之處①所述的高錳鋼 自1882年問(wèn)世以來(lái)，已有100多年的歷史，成為傳統(tǒng)的耐磨材料，得到廣泛的應(yīng)用，我國(guó)在20世紀(jì)50～60年代幾乎把所述的高錳鋼作為萬(wàn)能的耐磨材料。使用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，所述的高錳鋼的耐磨性是有條件的，只有在沖擊大、應(yīng)力高、磨料硬的情況下，高錳鋼才耐磨。而且其屈服強(qiáng)度低、易于變形。因此，在許多領(lǐng)域已逐漸為其它耐磨材料所代替。
②所述的低、中合金耐磨鋼 以硅、錳為基礎(chǔ)，加入鉻、鉬、鎳以及其它微量元素而發(fā)展起來(lái)的。其合金系統(tǒng)由成分簡(jiǎn)單的單一錳系、硅系、鉻系、鉻錳系到成分復(fù)雜的鉻-錳-硅-鉬-鎳-其他微量元素的多元復(fù)合系統(tǒng)。所述的低、中合金耐磨鋼具有較好的強(qiáng)韌性，低、中沖擊載荷下的耐磨性?xún)?yōu)于高錳鋼，但存在著淬透性和淬硬性低的缺陷，因而耐磨性較差。
③所述的高鉻鑄鐵 它的組織中含有超過(guò)20％的高硬度共晶碳化物，具有優(yōu)異的耐磨性。但是，它存在合金元素含量高、生產(chǎn)成本高以及高溫?zé)崽幚硪鬃冃魏烷_(kāi)裂的不足。普通白口鑄鐵和低合金白口鑄鐵碳化物硬度低，碳化物呈連續(xù)狀分布，脆性大。
目前，以硼為主要合金元素的鑄造耐磨合金國(guó)外有前蘇聯(lián)專(zhuān)利號(hào)為SU1,447,926的一種“高強(qiáng)度和高沖擊韌性高硼合金制造方法”，其成分為0.2～0.5％C，2.1～3.5％B，0.15～0.60％Si，0.25～0.80％Mn，0.2～0.8％Sb，該合金組成中含有較多的銻，將顯著增加高硼合金的生產(chǎn)成本，且硼含量較高，會(huì)導(dǎo)致合金組織中硼化物數(shù)量增加，不利于高硼合金韌性的改善。又前蘇聯(lián)專(zhuān)利號(hào)為SU1,581,771的“一種高硼合金”，它是具有高硬度和高耐磨性還保留有較好韌性的用于鑄造的高硼合金，其成分為0.2～0.5％C，2.1～3.5％B，0.15～0.60％Si，1.5～6.0％Mn，1.0～4.0％Co，余量Fe。這種合金盡管具有優(yōu)異的耐磨性能，但加入1.0～4.0％昂貴的Co，使合金生產(chǎn)成本大幅度提高，含有較多的錳，會(huì)導(dǎo)致淬火組織中殘留奧氏體增加。
又前蘇聯(lián)專(zhuān)利號(hào)為SU5058116的“一種鐵基高硼鑄造合金”，它是用于磨損和摩擦工況的鐵基高硼鑄造合金，其成分為0.8～1.2％C，4.0～4.5％B，0.15～0.6％Si，4.0～6.0％Mn，1.0～4.0％Co，5.0～7.0％Cr，余量Fe。這種合金盡管具有優(yōu)異的耐磨性能，但加入1.0～4.0％昂貴的Co，使生產(chǎn)成本大幅度提高，另外還加入了較多的Cr和Mn，將使合金生產(chǎn)成本增加。
日本專(zhuān)利號(hào)為JP10219386的一種“具有高強(qiáng)度和高韌性的結(jié)構(gòu)高硼合金”，它的主要合金元素含量為0.03～0.24C，0.020～0.500B，0.005N，0.4Ni，0.9Cr，0.5Mo，0.3V，0.3Nb，0.3Ti和0.1Zr。其抗拉強(qiáng)度達(dá)到510～550MPa。由于耐磨硬質(zhì)相硼化物數(shù)量少，合金耐磨性差。
目前，以硼為主要合金元素的鑄造耐磨合金國(guó)內(nèi)有東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25(3)247～249劉常升，崔虹雯，陳歲元的“高硼鋼的組織與性能”，它報(bào)道了用真空感應(yīng)爐制備硼分布均勻的高硼合金鋼，確定了高硼鋼熱軋成形的合理工藝參數(shù)。其研制的材料硼含量小于1.0％，碳含量很低，靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)σb、σs、δ、ψ、Ak可分別達(dá)到670MPa、540MPa、23％、25％和150J。這種合金采用壓力加工方法成形，工藝復(fù)雜，能耗高，而且硬度值很低，主要用做輻射屏蔽材料，無(wú)法用于制造耐磨材料。
北京機(jī)械工業(yè)出版社2002，510～51張伯明主編的鑄鐵手冊(cè)，鑄鐵卷第2版報(bào)道了一種“以硼為主要合金元素的含硼白口鑄鐵”，它合金成分為2.2～2.4％C，0.4～0.55％B，0.5～0.7Mo，0.8～1.2Cu，0.9～1.6Si，0.5～1.2Mn。這種合金中含有較多的碳和硼，合金組織中含有很多碳化物和硼化物，因此硬度高達(dá)到63～65HRC，耐磨性好，但脆性大，韌性低，沖擊韌性?xún)H有3.3～4.1J/cm2，而且這種合金中含有價(jià)格昂貴的鉬和銅，生產(chǎn)成本高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種以硬度高、熱穩(wěn)定性好的硼化物作為鑄造耐磨合金的硬質(zhì)相，硼化物鑲嵌在高韌性的馬氏體基體上，獲得具有較高強(qiáng)韌性和優(yōu)異耐磨性的高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)提供一種具有如下基本化學(xué)成份的設(shè)計(jì)和熱處理工藝方法的高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法而實(shí)現(xiàn)的；它的主要化學(xué)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，其余為Fe；所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的熱處理方法是珠光體化預(yù)處理、淬火和回火。
所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的珠光體化預(yù)處理方法是加熱溫度76～820℃，保溫時(shí)間按下式確定t＝(1.2～1.8)δ+50式中t——珠光體化預(yù)處理保溫時(shí)間，min；δ——工件厚度，mm；爐冷至小于500℃后爐冷或空冷。
所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的淬火處理方法是加熱溫度960～1050℃，保溫時(shí)間按下式確定t＝(1.1～1.5)δ+30式中t——淬火保溫時(shí)間，min；δ——工件厚度，mm；隨后快速冷卻，冷卻速度不小于5℃/min。
所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的回火處理方法是加熱溫度180～400℃，保溫時(shí)間按下式確定t＝(2.2～3.0)δ+90式中，t——回火保溫時(shí)間，min；δ——工件厚度，mm；隨后爐冷或空冷。
所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金制造過(guò)程是將所述的主要化學(xué)成分的配料在爐前調(diào)整成分合格后，加鋁錠脫氧和微合金化，而后出爐；將所述的微量元素鈰鑭稀土、硅鈣合金、鉀鹽事先放入澆包，隨后采用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔液進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理后直接澆注。
本發(fā)明以普通廢鋼和硼鐵為主要原料，采用電爐熔煉。硼是主要合金元素，硼元素在地殼中的含量約占3×10-4％，接近鎢、鉬的含量，與鎢一樣是我國(guó)富有的元素，價(jià)格低而且穩(wěn)定。隨著鉻、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，本發(fā)明不含鉬、鎳、鎢、釩等合金元素，鉻加入量少。利用硼在α-Fe中的溶解度小于0.0004％，在γ-Fe中的最大溶解度也只有0.02％，加入鐵中的硼大部分將會(huì)形成硼化物，而硼化物具有高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，可以顯著增加鐵基合金耐磨性。碳在鐵中的固溶度比硼高得多，在α-Fe中僅為0.0218％，而在γ-Fe中高達(dá)2.11％，因此，通過(guò)調(diào)節(jié)合金中硼含量和碳含量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硼化物體積百分?jǐn)?shù)及基體含碳量的控制，結(jié)合熱處理工藝，可以使高硼鑄造合金具有優(yōu)異的耐磨性和強(qiáng)韌性。為了細(xì)化凝固組織和改善硼化物的形態(tài)和分布，還加入了微量鈰、鑭、鈣、鉀和鋁，使高硼鑄造合金的耐磨性和強(qiáng)韌性進(jìn)一步提高。
合金材質(zhì)的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學(xué)成分及熱處理工藝，本發(fā)明化學(xué)成分是這樣確定的碳碳是影響高硼鑄造鐵基合金硬度和韌性的主要元素，碳含量高時(shí)，高硼鑄造鐵基合金組織淬火冷卻后易獲得高硬度的馬氏體的基體，有利于提高合金耐磨性。碳含量過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生大量脆性碳化物，且多分布在晶界上，故使高硼鑄造鐵基合金沖擊韌性下降。碳含量過(guò)低，基體不易獲得全馬氏體組織，將出現(xiàn)低硬度的珠光體甚至鐵素體組織，顯著降低合金耐磨性。為兼顧高硼鑄造鐵基合金的耐磨性和韌性，將碳含量控制在0.15％～0.70％。
硼硼是高硼鑄造鐵基合金中的主要合金元素，國(guó)內(nèi)資源豐富，價(jià)格低廉且穩(wěn)定。硼在鐵中的溶解度很小，在α-Fe中的溶解度小于0.0004％，在γ-Fe中的最大溶解度也只有0.02％，加入鐵中的硼大部分將會(huì)形成硼化物。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，可明顯提高耐磨合金的硬度和耐磨性。硼加入量過(guò)少，合金組織中高硬度的硼化物數(shù)量少，合金硬度低，耐磨性差。硼加入量過(guò)多，合金組織中高硬度的硼化物數(shù)量增加，合金硬度升高，耐磨性明顯提高，但硼化物的增加，導(dǎo)致合金韌性大幅度降低，而且硼含量過(guò)高，材質(zhì)熔煉困難，鑄造性能惡化，成本升高，因此，硼含量以0.3％～1.9％為宜。
鉻高硼鑄造鐵基合金中加入適量的鉻的主要作用是利用鉻在高溫奧氏體化時(shí)溶入基體，提高合金的淬透性。鉻含量太少，高溫奧氏體化時(shí)溶入基體的鉻量少，合金淬透性差，鉻含量太高，將會(huì)產(chǎn)生脆性的含鉻化合物，且增加高硼鑄造鐵基合金生產(chǎn)成本，因此鉻含量以0.3％～0.8％為宜。
硅硅是非碳化物和硼化物形成元素，加入高硼鑄造鐵基合金中的硅主要溶于基體，提高基體強(qiáng)度，合金強(qiáng)度的提高，可以確保合金使用過(guò)程中耐磨硼化物不易脫落和剝落，有利于提高合金耐磨性。硅加入量太少，合金強(qiáng)化作用弱，合金耐磨性較差。硅加入量過(guò)多，將導(dǎo)致基體脆化，反而降低合金韌性，因此合適的硅加入量控制在0.4％～0.8％。
錳錳是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，高硼鑄造鐵基合金加入錳的主要作用是提高合金淬透性，還起對(duì)鋼液脫氧的作用。錳加入量太少，錳提高淬透性的作用不明顯，錳加入量太多，淬火組織中殘留奧氏體太多，反而降低合金的硬度，損害合金耐磨性，而且錳含量過(guò)高，合金凝固組織粗大，鑄造成形過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，因此將其含量控制在0.6％～1.3％。
鈰和鑭鈰和鑭元素除具有改善鑄態(tài)組織的作用外，還能除去鋼液中H2、N2和對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行變質(zhì)和去除，使夾雜物性質(zhì)、形狀和分布得到細(xì)化和改善。鈰和鑭一部分與鋼中的氧作用，生成稀土氧化物，稀土氧化物具有很高的熔點(diǎn)，La2O3為2300℃，Ce2O3為1640℃。根據(jù)Turnbull D and Vonnegut B[Turnbull D and Vonnegut B.NucleationCatalysis.Industrial and Engineering Chemistry.1952，44(6)1292～1298.]提出的錯(cuò)配度理論，高熔點(diǎn)化合物能否成為新結(jié)晶相的非自發(fā)晶核，可用兩相晶格間的錯(cuò)配度來(lái)判定，即δ=aC-aNaN---(4)]]>式中ac——化合物低指數(shù)面的點(diǎn)陣間距，aN——新結(jié)晶相低指數(shù)面的點(diǎn)陣間距。δ值越小，兩相匹配愈好，化合物越易成為非自發(fā)晶核。Ce2O3與δ相的錯(cuò)配度為5.0％，而當(dāng)兩相錯(cuò)配度小于12％，高熔點(diǎn)的化合物相能作為非自發(fā)核心，促進(jìn)形核，使鑄態(tài)組織細(xì)化，而且，錯(cuò)配度越小，效果越明顯。稀土氧化物與高溫δ-Fe晶格具有很低的錯(cuò)配度，同時(shí)又具有很高的熔點(diǎn)，因此強(qiáng)烈的促進(jìn)形核，可成為結(jié)晶核心，使鑄態(tài)晶粒細(xì)化，也有利于熱處理組織的細(xì)化，可以明顯改善合金的強(qiáng)韌性和耐磨性。鈰和鑭加入量過(guò)少，晶粒細(xì)化不明顯，合金性能變化不大，鈰和鑭加入量過(guò)多，導(dǎo)致金屬熔液中稀土夾雜物數(shù)量增加，反而損害合金的強(qiáng)韌性，降低耐磨性。因此將鈰含量控制在0.05％～0.20％，鑭含量控制在0.02％～0.10％。
鈣鈣與氧有很大的親合力，鈣的脫氧能力很強(qiáng)。鈣對(duì)鋼鐵熔液中夾雜物的變質(zhì)具有顯著作用，高硼鑄造鐵基合金中加入適量鈣，可將合金中的長(zhǎng)條狀硫化物夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹腃aS或(Ca，Mn)S夾雜，合金中加入適量鈣還顯著降低硫在晶界的偏聚，鈣對(duì)降低鑄鐵合金和提高高硼鑄造鐵基合金鑄造時(shí)抗熱裂性是十分有益的。但加入過(guò)多的鈣將使合金中夾雜物增多，對(duì)高硼鑄造鐵基合金韌性的提高不利，合適的鈣含量為0.005％～0.018％。
鉀鉀可以明顯降低高硼鑄造鐵基合金的初晶結(jié)晶溫度和共晶結(jié)晶溫度，有助于鋼水在液相線(xiàn)和共晶區(qū)過(guò)冷，而合金的結(jié)晶過(guò)冷度增大，會(huì)使形核率大大增加，因此，鉀使初晶組織細(xì)化，初晶組織的細(xì)化導(dǎo)致共晶反應(yīng)時(shí)殘留鋼液相互被隔開(kāi)的趨勢(shì)增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致共晶組織的細(xì)化，有助于共晶硼化物的細(xì)小，使網(wǎng)狀共晶硼碳化物出現(xiàn)許多薄弱的連接部位。在共晶硼化物的薄弱部位，高溫?zé)崽幚頃r(shí)易斷開(kāi)甚至孤立化，導(dǎo)致合金韌性的明顯提高。鉀加入量太少，對(duì)合金凝固組織影響不明顯，合金熱處理后硼化物的形態(tài)變化小，合金性能改善不明顯。鉀加入量過(guò)多，導(dǎo)致合金中夾雜物數(shù)量增多，對(duì)強(qiáng)度和韌性反而帶來(lái)不良影響，綜合考慮，將鉀含量控制在0.04％～0.18％。
鋁鋁是強(qiáng)脫氧元素，有促使金屬熔液中氧含量降低，增加金屬熔液表面張力，促進(jìn)硼化物團(tuán)聚，加劇硼化物網(wǎng)的破斷，而且鋁與金屬熔體中殘存的氮化合形成的AlN，熔點(diǎn)大于2200℃，是有效的形核劑，促進(jìn)凝固組織的細(xì)化，有利于改善高硼鑄造鐵基合金的性能，鋁加入量過(guò)多，易產(chǎn)生夾雜物，污染金屬熔液，反而損害高硼鑄造鐵基合金韌性，因此將鋁含量控制在0.08％～0.25％。
不可避免的微量雜質(zhì)是原料中帶入的，其中有硫和磷，均是有害元素，為了保證高硼鑄造鐵基合金的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，將磷含量控制在0.04％以下，硫含量控制在0.04％以下。
合金材質(zhì)的性能還與熱處理工藝有直接關(guān)系，高硼鑄造鐵基合金熱處理用煤氣爐、電爐或鹽浴爐加熱，其制訂依據(jù)是高硼鑄造鐵基合金的鑄態(tài)組織主要以非平衡組織(鐵素體、珠光體和魏氏組織加硼化物)為主。非平衡組織加熱時(shí)容易在其板條界上形成針狀?yuàn)W氏體晶核，這種針狀晶核在進(jìn)一步加熱或保溫時(shí)會(huì)很快地長(zhǎng)大、合并，形成的新奧氏體晶粒，其尺寸基本恢復(fù)原奧氏體晶粒尺寸，出現(xiàn)粗晶組織遺傳現(xiàn)象。對(duì)鑄態(tài)高硼鑄造鐵基合金進(jìn)行一次珠光體化預(yù)處理，可以消除非平衡組織，使原有的板條不復(fù)存在，而得到與舊奧氏體晶粒之間無(wú)晶體位向關(guān)系的平衡組織珠光體。所以重新加熱后，針狀?yuàn)W氏體晶核便失去了形成條件，而在珠光體的鐵素體和碳化物界面上創(chuàng)造了形成大量球狀?yuàn)W氏體晶核的條件，這些球狀?yuàn)W氏體晶核則是按無(wú)序機(jī)理轉(zhuǎn)變，而且各球狀?yuàn)W氏體晶核相互間也無(wú)嚴(yán)格的位向關(guān)系，因而進(jìn)一步加熱或保溫時(shí)，在舊奧氏體晶粒范圍內(nèi)就長(zhǎng)成了若干個(gè)彼此無(wú)嚴(yán)格晶體位向關(guān)系因而與舊奧氏體晶粒也無(wú)位向關(guān)系的新的等軸晶粒。從而細(xì)化了晶粒。因此，要切斷舊奧氏體晶粒的遺傳，關(guān)鍵在于切斷新舊相晶體位向關(guān)系。珠光體化預(yù)處理正好切斷了這種晶體位向關(guān)系，因而達(dá)到了消除組織遺傳的效果，細(xì)化了晶粒，提高了合金韌性。高硼鑄造鐵基合金的珠光體化預(yù)處理溫度過(guò)低，鑄造組織的遺傳性不易消除，而珠光體化預(yù)處理溫度過(guò)高，增加能耗，降低生產(chǎn)效率。采用760～820℃加熱，保溫時(shí)間按上述公式確定，爐冷至小于500℃后爐冷或空冷的珠光體化預(yù)處理，可以消除鑄造組織的遺傳性，改善隨后的淬火組織，提高高硼鑄造鐵基合金性能。
高硼鑄造鐵基合金的淬火加熱溫度960～1050℃，保溫時(shí)間按上述的公式確定，隨后快速冷卻。淬火加熱溫度低于960℃，溶解于高溫奧氏體中的碳和合金元素?cái)?shù)量太少，高溫奧氏體穩(wěn)定性差，淬火組織中易出現(xiàn)低硬度的珠光體和鐵素體組織，降低高硼鑄造鐵基合金的硬度和耐磨性，淬火溫度超過(guò)1050℃后，高溫奧氏體顯著粗化，導(dǎo)致淬火馬氏體組織粗大，降低高硼鑄造鐵基合金的強(qiáng)度和韌性，而且淬火溫度超過(guò)1050℃后，溶解在高溫奧氏體中的碳和合金元素?cái)?shù)量多，高溫奧氏體穩(wěn)定性增大，淬火組織中有大量殘余奧氏體存在，導(dǎo)致高硼鑄造鐵基合金的硬度下降，耐磨性降低。淬火加熱后的冷卻速度太小，淬火組織中易出現(xiàn)低硬度的珠光體和鐵素體組織，降低合金耐磨性，高硼鑄造鐵基合金在960～1050℃加熱，保溫時(shí)間按上述的公式確定，隨后以不小于5℃/min的速度冷卻到室溫，可以獲得馬氏體基體上鑲嵌高硬度耐磨硼化物的混合組織。
高硼鑄造鐵基合金的回火處理的目的是消除回火應(yīng)力，穩(wěn)定回火組織，提高合金的綜合機(jī)械性能?；鼗鸺訜釡囟?80～400℃，保溫時(shí)間按上述的公式確定，隨后爐冷或空冷?；鼗饻囟鹊陀?80℃，淬火內(nèi)應(yīng)力不易去除，高硼鑄造鐵基合金韌性低?；鼗饻囟瘸^(guò)400℃后，回火馬氏體中析出大量碳化物，且碳化物聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致高硼鑄造鐵基合金硬度下降，耐磨性降低。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.以硬度高、熱穩(wěn)定性好的硼化物替代普通鑄造耐磨合金中硬度較低、熱穩(wěn)定性較差的碳化物作為耐磨硬質(zhì)相，大幅度提高了合金耐磨性；2.充分利用我國(guó)豐富的硼元素，采用普通碳鋼中降低碳含量以改善基體韌性，同時(shí)大幅度提高硼含量，形成高硬度硼化物，提高其材料耐磨性，并在大幅度提高材料耐磨性的前提下，又大幅度減少了鉻合金加入量，不含鉬、鎳、鎢、釩等貴重合金元素，則顯著降低生產(chǎn)成本，從而具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；3.加入了微量的鈰、鑭、鈣、鉀、鋁元素，細(xì)化合金組織，改善硼化物的形態(tài)和分布，獲得了高韌性馬氏體基體鑲嵌高硬度耐磨硼化物的混合組織；4.采用普通電爐熔煉，合金熱處理用煤氣爐、電爐或鹽浴爐加熱，設(shè)備通用性強(qiáng)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單；5.具有良好的機(jī)械性能，其硬度≥58HRC、沖擊韌性αk≥12J/cm2、斷裂韌性K1c≥25MPa.m1/2、抗拉強(qiáng)度σb≥600MPa，所以其綜合性能優(yōu)于常用的高錳鋼、高鉻鑄鐵和低合金鋼，具有極高的性能價(jià)格比。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本發(fā)明高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法具有如下的基本化學(xué)成份及其熱處理方法。
實(shí)施例1本實(shí)施例高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法采用350公斤酸性中頻感應(yīng)電爐熔煉。采用普通廢鋼、硼鐵、鉻鐵、硅鐵和錳鐵配料，用生鐵增碳。爐前調(diào)整成分合格后加鋁錠脫氧和微合金化，而后出爐。將鈰鑭稀土、硅鈣合金、鉀鹽事先放入澆包，隨后采用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔液進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，直接澆注壁厚80mm的錘頭，其合金化學(xué)成分見(jiàn)表1所示表1 高硼鑄造鐵基合金化學(xué)成分C B Cr Si Mn Ce La K Ca Al SPFe0.281.790.670.461.230.090.050.130.0070.210.0230.030余量高硼鑄造鐵基合金錘頭隨后進(jìn)行熱處理，高硼鑄造鐵基合金錘頭珠光體化預(yù)處理工藝是在65KW箱式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度815℃，保溫時(shí)間180min，隨后爐冷。
高硼鑄造鐵基合金錘頭淬火處理工藝是在65KW箱式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度975℃，保溫時(shí)間145min，隨后以8℃/min的速度冷卻至室溫。
高硼鑄造鐵基合金錘頭回火處理工藝是在65KW箱式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度220℃，保溫時(shí)間310min，隨后爐冷至室溫。
直接從高硼鑄造鐵基合金錘頭上取樣分析合金的力學(xué)性能，其結(jié)果如下硬度58.3HRC，沖擊韌性13.6J/cm2，斷裂韌性27.9MPa.m1/2，抗拉強(qiáng)度623MPa。高硼鑄造鐵基合金錘頭與高錳鋼錘頭同時(shí)安裝在錘式破碎機(jī)上細(xì)破石料，錘式破碎機(jī)的入料直徑60～100mm，石料抗壓強(qiáng)度為45～75MPa，錘破后的產(chǎn)品粒度分5、8、10、12mm四類(lèi)，破碎機(jī)產(chǎn)量約300T/h，本發(fā)明高硼鑄造鐵基合金錘頭使用壽命比高錳鋼錘頭提高4.6倍，錘頭使用安全，沒(méi)有出現(xiàn)斷裂、剝落等現(xiàn)象。
實(shí)施例2本實(shí)施例高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法采用350公斤中頻堿性中頻感應(yīng)電爐熔煉。采用普通廢鋼、硼鐵、鉻鐵、硅鐵和錳鐵配料，用廢石墨電極增碳。爐前調(diào)整成分合格后加鋁錠脫氧和微合金化，而后出爐。將鈰鑭稀土、硅鈣合金、鉀鹽事先放入澆包，隨后采用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔液進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，直接澆注壁厚60mm的襯板。合金化學(xué)成分見(jiàn)表2所示表2 高硼鑄造鐵基合金化學(xué)成分C B Cr Si Mn Ce La K Ca Al SP Fe0.600.490.750.660.910.180.080.170.0110.150.0180.025 余量高硼鑄造鐵基合金襯板隨后進(jìn)行熱處理，高硼鑄造鐵基合金襯板珠光體化預(yù)處理工藝是在65KW箱式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度780℃，保溫時(shí)間140min，隨后爐冷至450℃后空冷。
高硼鑄造鐵基合金襯板淬火處理工藝是在鹽浴爐內(nèi)加熱，加熱溫度1042℃，保溫時(shí)間100min，隨后以5.3℃/min的速度冷卻至室溫。
高硼鑄造鐵基合金襯板回火處理工藝是在90KW箱式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度380℃，保溫時(shí)間230min，隨后空冷至室溫。
直接從高硼鑄造鐵基合金襯板上取樣分析合金的力學(xué)性能，其結(jié)果如下硬度58.6HRC，沖擊韌性12.7J/cm2，斷裂韌性26.2MPa.m1/2，抗拉強(qiáng)度659MPa。高硼鑄造鐵基合金襯板與高鉻鑄鐵襯板同時(shí)安裝在CBO-400、WCB300等穩(wěn)定土攪拌設(shè)備上，使用安全、可靠，使用中從未出現(xiàn)斷裂，其使用壽命比高鉻鑄鐵襯板提高83％，生產(chǎn)工藝比高鉻鑄鐵襯板簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本也比高鉻鑄鐵襯板低廉。
實(shí)施例3本實(shí)施例高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法采用1500公斤堿性電弧爐熔煉。采用普通廢鋼、硼鐵、鉻鐵、硅鐵和錳鐵配料，用廢石墨電極增碳。爐前調(diào)整成分合格后加鋁錠脫氧和微合金化，而后出爐。將鈰鑭稀土、硅鈣合金、鉀鹽事先放入澆包，隨后采用包內(nèi)沖入法對(duì)金屬熔液進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，直接澆注壁厚120mm的襯板，其合金化學(xué)成分見(jiàn)表3所示表3高硼鑄造鐵基合金化學(xué)成分C B Cr Si Mn Ce La K Ca Al SPFe0.451.210.580.560.770.120.030.070.0160.090.0280.031余量高硼鑄造鐵基合金襯板隨后進(jìn)行熱處理，高硼鑄造鐵基合金襯板珠光體化預(yù)處理工藝是在90KW臺(tái)車(chē)式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度790℃，保溫時(shí)間230min，隨后爐冷至480℃后空冷。
高硼鑄造鐵基合金襯板淬火處理工藝是在煤氣加熱爐內(nèi)加熱，加熱溫度1005℃，保溫時(shí)間180min，隨后以10℃/min的速度冷卻至室溫。
高硼鑄造鐵基合金襯板回火處理工藝是在65KW箱式電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度290℃，保溫時(shí)間400min，隨后爐冷至室溫。
直接從高硼鑄造鐵基合金襯板上取樣分析合金的力學(xué)性能，結(jié)果如下硬度59.0HRC，沖擊韌性13.1J/cm2，斷裂韌性26.5MPa.m1/2，抗拉強(qiáng)度638MPa。高硼鑄造鐵基合金襯板與中碳鉻鎳鉬馬氏體合金鋼襯板在φ1.83m球磨機(jī)上研磨礦粉，高硼鑄造鐵基合金襯板比中碳鉻鎳鉬馬氏體合金鋼襯板壽命提高1.43倍，而且價(jià)格比后者低20％以上，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種高硼鑄造鐵基耐磨合金，其特征在于它的主要化學(xué)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，其余為Fe。
2.如權(quán)利要求1所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的熱處理方法，其特征在于它的第一步熱處理工序是珠光體化預(yù)處理，它的第二步熱處理工序是淬火，它的第三步熱處理工序是回火。
3.如權(quán)利要求2所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的熱處理方法，其特征在于所述的珠光體化預(yù)處理方法是加熱溫度760～820℃，保溫時(shí)間按下式確定t＝(1.2～1.8)δ+50式中t——光體化預(yù)處理保溫時(shí)間，min；δ——工件厚度，mm；爐冷至小于500℃后爐冷或空冷。
4.如權(quán)利要求2所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的熱處理方法，其特征在于所述的淬火處理方法是加熱溫度960～1050℃，保溫時(shí)間按下式確定t＝(1.1～1.5)δ+30式中t——淬火保溫時(shí)間，min；δ——工件厚度，mm；隨后快速冷卻，冷卻速度不小于5℃/min。
5.如權(quán)利要求2所述的高硼鑄造鐵基耐磨合金的熱處理方法，其特征在于所述的回火處理方法是加熱溫度180～400℃，保溫時(shí)間按下式確定t＝(2.2～3.0)δ+90式中，t——回火保溫時(shí)間，min；δ——工件厚度，mm；隨后爐冷或空冷。
全文摘要
一種高硼鑄造鐵基耐磨合金，其化學(xué)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，其余為Fe；它的熱處理方法是珠光體化預(yù)處理、淬火和回火，珠光體化預(yù)處理加熱溫度760～820℃，爐冷至小于500℃后爐冷或空冷；淬火加熱溫度為960～1050℃，隨后以冷卻速度不小于5℃/min快速冷卻，回火加熱溫度為180～400℃，隨后爐冷或空冷；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是大幅度提高了合金耐磨性、大幅度減少了鉻合金加入量、生產(chǎn)成本顯著降低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備通用性強(qiáng)、其綜合性能優(yōu)于常用的高錳鋼、高鉻鑄鐵和低合金鋼，具有極高的性能價(jià)格比。
文檔編號(hào)C21D5/00GK1624180SQ200410089538
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者符寒光, 胡開(kāi)華 申請(qǐng)人:寧波浙東精密鑄造有限公司