專利名稱:鑄造高硼耐磨合金的韌化方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及高硼合金材料領(lǐng)域,特別是鑄造高硼耐磨合金的韌化方法。
背景技術(shù):
眾所周知,硬度和韌性是影響材料耐磨性能的兩個(gè)主要因素,在保證硬度的情況下,材料的韌性越高,則耐磨性越好。在高沖擊磨損工況下,工件除要承受磨損外,還要承受大能量的沖擊而不發(fā)生斷裂失效,因此提高韌性不僅能提高材料的耐磨性能和使用壽命,而且能提高材料的可靠性。此外,韌性的提高還能擴(kuò)大一些材料的使用范圍。
高硼鑄造耐磨合金因其較低的制造成本、某些優(yōu)良的性能而逐漸得到人們的重視。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200410089538.0的發(fā)明專利公開了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金,澳大利亞專利號(hào)為AU9525571-A的發(fā)明專利公開了一種高硼高鉻的高硼鋼,這兩種高硼材料分別具有較高的硬度和較好的抗熱沖擊性能,但是沖擊韌性都較低,限制了工業(yè)化應(yīng)用。分析其韌性低的原因,可以發(fā)現(xiàn)都是因?yàn)樵谀探M織中存在脆性的連續(xù)網(wǎng)狀共晶硼化物。如何改善高硼合金材料的組織形態(tài)以提高沖擊韌性是當(dāng)前急需攻克的技術(shù)難點(diǎn)。
當(dāng)前對(duì)含有類似網(wǎng)狀共晶組織的材料如白口鑄鐵,中、高鉻白口鑄鐵的韌化處理方法有以下幾種1.塑性加工該方法是將材料加熱到奧氏體化以后,進(jìn)行塑性變形加工。在反復(fù)的鍛打、軋制過(guò)程中,使網(wǎng)狀的共晶組織斷裂,從而使基體的連續(xù)性加強(qiáng),提高材料的沖擊韌性。在高鉻白口鐵的研究中,姜振雄等人發(fā)現(xiàn)鍛造后高鉻鑄鐵的沖擊值提高5~10倍。孫遜在研究中指出高鉻白口鐵在850~1150℃經(jīng)熱塑性變形后,共晶碳化物被破碎并在基體中均勻分布,使塑性大幅度增加,由鑄態(tài)的5J/cm2提高到12~18J/cm2。對(duì)于該類材料,塑性加工是可以提高材料的沖擊韌性的,但是該法只適合于形狀簡(jiǎn)單的鑄件,并且工藝復(fù)雜,還消耗大量的能量。對(duì)于一般使用的耐磨件,如磨球、襯板、錘頭等都不適合采用該種方法。
2.熱處理熱處理是提高金屬材料性能非常有效的方法,它不僅可以強(qiáng)化基體組織,還能改變網(wǎng)狀共晶組織的形態(tài)。北京科技大學(xué)的研究表明白口鐵鑄經(jīng)高溫?zé)崽幚頃r(shí),網(wǎng)狀共晶碳化物的?;〝嗑W(wǎng)、團(tuán)聚和團(tuán)球化三個(gè)階段。共晶組織?;蟮陌卓阼T鐵沖擊韌性明顯提高。
3.合金化合金化也是改變共晶組織形態(tài)的一種有效的方法。在白口鑄鐵的研究中,通過(guò)增加鉻的含量,在當(dāng)鉻含量大于12%時(shí),白口鑄鐵中原來(lái)連續(xù)的M3C型碳化物,轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)的、塊狀的M7C3型。這種碳化物不但硬度高,而且在沖擊條件下不易碎裂。高鉻白口鑄鐵的沖擊韌性比低鉻或普通白口鑄鐵可以提高一倍以上,而且硬度也提高,其關(guān)鍵是共晶碳化物形態(tài)的改變。但是高合金的加入會(huì)消耗日益緊張的貴重金屬資源,增加材料的成本。從材料設(shè)計(jì)的目標(biāo)來(lái)講,不符合低成本、高性能的原則。
4.變質(zhì)處理變質(zhì)處理也是提高材料性能的非常有效的方法。對(duì)鑄鐵、鋁硅合金等材料的變質(zhì)處理都取得了非常好的效果。變質(zhì)機(jī)理有多種,但最基本的有兩種,一種是變質(zhì)元素促進(jìn)形核或阻止晶粒長(zhǎng)大從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用,另一種是變質(zhì)元素改變晶體生長(zhǎng)方式從而改變組織形態(tài)。有效的變質(zhì)處理可以顯著提高材料的綜合性能。
目前,鑄造高硼耐磨合金的韌化方法還未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)鑄造高硼耐磨合金沖擊韌性低的這一缺點(diǎn),發(fā)明一種可有效提高其沖擊韌性的韌化方法。
本發(fā)明的技術(shù)路線是應(yīng)用變質(zhì)和韌化熱處理相結(jié)合的方法,使鑄造高硼耐磨合金的網(wǎng)狀共晶組織斷開并?;?,從而大幅度提高沖擊韌性。
本發(fā)明鑄造高硼耐磨合金的韌化方法,其特征在于鑄造高硼耐磨合金的化學(xué)成分是0.3~0.35wt%C,1~1.5wt%B,0.6~0.8wt%Si,0.8~1.0wt%Mn,S<0.04wt%,P<0.04wt%,其余為Fe、Ti和不可避免的雜質(zhì)元素,其中Ti是由變質(zhì)劑鈦鐵帶入的;具體制備步驟為先進(jìn)行鋼液熔煉,鋼液熔煉完成并插鋁終脫氧后,加入變質(zhì)劑鈦鐵合金進(jìn)行變質(zhì)處理,待化清扒渣后進(jìn)行澆注,澆注完成后進(jìn)行韌化熱處理,韌化熱處理溫度為1020~1050℃,保溫時(shí)間為2~3小時(shí),然后進(jìn)行淬火或正火,最后回火;變質(zhì)劑鈦鐵合金用量滿足其中鈦的用量為鑄造高硼耐磨合金的0.75~1.0wt%;鋼液加硼采用硼鐵合金,硼鐵合金在鋼液熔煉時(shí)加入或者在變質(zhì)劑鈦鐵加入之后再加入,其中硼鐵合金在變質(zhì)劑鈦鐵加入之后再加入有利于減少硼的損耗。
所述的變質(zhì)劑鈦鐵合金為FeTi30,用量為鑄造高硼耐磨合金的2.5~3.3wt%。
鈦鐵合金中的鈦元素作為變質(zhì)元素的作用如下鈦在鑄造高硼耐磨合金中可以和硼生成二硼化鈦,二硼化鈦的熔點(diǎn)為2980℃,而且二硼化鈦的生成自由能低于硼化鐵,所以二硼化鈦在熔體凝固以前就已經(jīng)生成,在發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí),可以作為共晶硼化物的形核核心,從而細(xì)化共晶硼化物。此外,研究發(fā)現(xiàn)只有經(jīng)過(guò)適量鈦鐵合金變質(zhì)的鑄造高硼合金在1020~1050℃保溫后共晶硼化物才能發(fā)生斷開并孤立化,在鈦含量低于該量時(shí),即使韌化熱處理也不能打斷網(wǎng)狀共晶硼化物,在鈦含量超過(guò)該量時(shí)容易產(chǎn)生鑄造缺陷。此外,鈦還可以和鋼中的氮和碳生成TiN和TiC,對(duì)初生奧氏體有一定的細(xì)化作用,有利于提高沖擊韌性。
韌化熱處理的作用1020℃以上的韌化熱處理可以使共晶硼化物優(yōu)先在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄弱處發(fā)生斷開,并使共晶硼化物的尖角鈍化,進(jìn)而得到粒狀的硼化物。研究還發(fā)現(xiàn),韌化熱處理溫度低于1020℃以后,無(wú)論變質(zhì)與否都不能使網(wǎng)狀共晶硼化物斷開。韌化熱處理溫度高于1050℃以后,共晶硼化物能雖能更好地?cái)嚅_并?;?,但奧氏體晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱組織,大大降低材料的力學(xué)性能,包括沖擊韌性的明顯降低。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)過(guò)變質(zhì)和韌化處理后的砂型鑄造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立狀分布于基體中,10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的吸收功Ak可高達(dá)12.5J,沖擊韌性明顯提高。
圖1是未經(jīng)FeTi30變質(zhì)但經(jīng)1025℃保溫3小時(shí)后水淬的砂型鑄造高硼合金的金相組織;圖2是用3.2%FeTi30變質(zhì),經(jīng)1000℃保溫3小時(shí)后水淬的砂型鑄造高硼合金的金相組織;圖3與圖2同樣的試樣,但經(jīng)1040℃保溫3小時(shí)(韌化熱處理)后水淬的砂型鑄造高硼合金的金相組織。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例和對(duì)比例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例及對(duì)比例均以普通廢鋼和硼鐵為主要原料,采用中頻感應(yīng)電爐熔煉,澆注砂型標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊。且鑄造高硼耐磨合金的化學(xué)成分均滿足0.3~0.35wt%C,1~1.5wt%B,0.6~0.8wt%Si,0.8~1.0wt%Mn,S<0.04wt%,P<0.04wt%,其余為Fe、Ti和不可避免的雜質(zhì)元素,其中Ti是由變質(zhì)劑鈦鐵帶入的。具體制備步驟為先進(jìn)行鋼液熔煉,鋼液熔煉完成并插鋁終脫氧后,加入變質(zhì)劑鈦鐵合金FeTi30進(jìn)行變質(zhì)處理,待化清扒渣后進(jìn)行澆注,澆注完成后進(jìn)行韌化熱處理,韌化熱處理溫度為1020~1050℃,保溫時(shí)間為2~3小時(shí),然后進(jìn)行淬火或正火,最后回火;變質(zhì)劑FeTi30用量為鑄造高硼耐磨合金的2.5~3.3wt%;鋼液加硼采用硼鐵合金,硼鐵合金在鋼液熔煉時(shí)加入或者在變質(zhì)劑鈦鐵加入之后再加入。
以下為各實(shí)施例和對(duì)比例的具體化學(xué)組成和具體制備工藝,各實(shí)施例中未提及的內(nèi)容參見前段內(nèi)容。
實(shí)施例1化學(xué)成分為0.31wt%C,1.0wt%B,0.66wt%Si,0.82wt%Mn。用2.5wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1020℃保溫3小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為8.5J,硬度為51HRC。
實(shí)施例2化學(xué)成份為0.32wt%C,1.0wt%B,0.80wt%Si,0.85wt%Mn。用3.2wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1020℃保溫3小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為8J,硬度為52HRC。
實(shí)施例3化學(xué)成份為0.32wt%C,1.0wt%B,0.80wt%Si,0.85wt%Mn。用3.2wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1040℃保溫3小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物完全斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為10J,硬度為51.5HRC。
實(shí)施例4化學(xué)成份為0.32wt%C,1.0wt%B,0.80wt%Si,0.85wt%Mn。用3.0wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1050℃保溫3小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物完全斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為12.5J,硬度為50HRC。
實(shí)施例5化學(xué)成份為0.33wt%C,1.0wt%B,0.77wt%Si,0.84wt%Mn。用3.0wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1025℃保溫3小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為9J,硬度為52HRC。
實(shí)施例6化學(xué)成份為0.30wt%C,1.5wt%B,0.60wt%Si,0.80wt%Mn。用3.3wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1029℃保溫2小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為8.5J,硬度為54HRC。
實(shí)施例7化學(xué)成份為0.35wt%C,1.3wt%B,0.66wt%Si,1.0wt%Mn。用3.0wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1029℃保溫2.5小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),共晶硼化物斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為8J,硬度為55HRC。
實(shí)施例8化學(xué)成份為0.32wt%C,1.0wt%B,0.80wt%Si,0.85wt%Mn。用2.6wt%FeTi30變質(zhì),試塊經(jīng)1029℃保溫3小時(shí)水淬,再經(jīng)200℃回火2小時(shí),其砂型鑄造高硼合金的金相組織參見圖3,可見共晶硼化物斷開,呈孤立塊狀和粒狀。線切割10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功Ak為9J,硬度為51HRC。
對(duì)比例1化學(xué)成份為0.32wt%C,1.0wt%B,0.80wt%Si,0.85wt%Mn。未經(jīng)FeTi30變質(zhì)但經(jīng)1025℃保溫3小時(shí)后水淬,其砂型鑄造高硼合金的金相組織參見圖1,可見共晶硼化物沒(méi)有斷開,仍成連續(xù)網(wǎng)狀,沖擊韌性較低,10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收功Ak僅為3.5J。
對(duì)比例2
化學(xué)成份為0.32wt%C,1.0wt%B,0.80wt%Si,0.85wt%Mn。用2.6%FeTi30變質(zhì),經(jīng)1000℃保溫3小時(shí)后水淬,其砂型鑄造高硼合金的金相組織參見圖2,可見共晶硼化物形態(tài)稍有改善,但仍為連續(xù)網(wǎng)狀,沖擊韌性較低,10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收功Ak為4.5J。
權(quán)利要求
1.一種鑄造高硼耐磨合金的韌化方法,其特征在于鑄造高硼耐磨合金的化學(xué)成分是0.3~0.35wt%C,1~1.5wt%B,0.6~0.8wt%Si,0.8~1.0wt%Mn,S<0.04wt%,P<0.04wt%,其余為Fe、Ti和不可避免的雜質(zhì)元素,其中Ti是由變質(zhì)劑鈦鐵帶入的;具體制備步驟為先進(jìn)行鋼液熔煉,鋼液熔煉完成并插鋁終脫氧后,加入變質(zhì)劑鈦鐵合金進(jìn)行變質(zhì)處理,待化清扒渣后進(jìn)行澆注,澆注完成后進(jìn)行韌化熱處理,韌化熱處理溫度為1020~1050℃,保溫時(shí)間為2~3小時(shí),然后進(jìn)行淬火或正火,最后回火;變質(zhì)劑鈦鐵合金用量滿足其中鈦的用量為鑄造高硼耐磨合金的0.75~1.0wt%;鋼液加硼采用硼鐵合金,硼鐵合金在鋼液熔煉時(shí)加入或者在變質(zhì)劑鈦鐵加入之后再加入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造高硼耐磨合金的韌化方法,其特征在于所述的變質(zhì)劑鈦鐵合金為FeTi30,用量為鑄造高硼耐磨合金的2.5~3.3wt%。
全文摘要
一種鑄造高硼耐磨合金的韌化方法,其用2.5~3.3wt%FeTi30合金作變質(zhì)劑,變質(zhì)處理工藝是在鋼液熔煉完成并插鋁終脫氧后,加入鈦鐵合金FeTi30,待化清扒渣后即進(jìn)行澆注;韌化熱處理溫度為1020~1050℃保溫2~3小時(shí),然后淬回火或正火。經(jīng)過(guò)韌化處理后的砂型鑄造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立狀分布于基體中。10mm×10mm×55mm標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣的吸收功A
文檔編號(hào)C22C37/00GK1804091SQ20061004909
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者劉仲禮, 胡開華 申請(qǐng)人:寧波浙東精密鑄造有限公司