一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法.pdf

本发明公开了一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法。高碳高硼耐磨合金的主要成分为：C：1.0-1.8％，B：3.8-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Ni：0.3-1.0％，Cr：0.3-2.0％，Mn：0.5-1.0％，Si：0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。制备工艺：用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1-0.3％)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；预先在浇包中放入占合金液重量0.2-0.8％的变质剂，对合金液进行变质处理，然后出炉浇注，出炉温度1540-1600℃，浇注温度1420-1480℃；冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火900-1100℃(水淬或油淬)，然后200-550℃空冷回火。本发明具有耐磨性好，成本低，生产工艺简单，可大量推广应用于各种耐磨件。

权利要求书
1、  一种高碳高硼耐磨合金，其特征在于：高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为：C：1.0-1.8％，B：3.8-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Ni：0.3-1.0％，Cr：0.3-2.0％，Mn：0.5-1.0％，Si：0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。

2、  一种生产如权利要求1所述的高碳高硼耐磨合金的制备方法，其特征在于：
(1)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1-0.3％)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；
(2)预先在浇包中放入占合金液重量0.2-0.8％的变质剂，对合金液进行变质处理，然后出炉浇注，出炉温度1540-1600℃，浇注温度1420-1480℃；
(3)冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火900-1100℃(水淬或油淬)，然后200-550℃空冷回火。

说明书一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属耐磨材料技术领域，主要涉及的是一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法。
技术背景
目前广泛使用的金属耐磨材料有：高锰钢；中、低合金钢；高铬铸铁；高速钢。这些材料都不同程度的解决了金属不耐磨的问题，但又各自存在着不同程度的缺陷：
众所周知，高锰钢只有在高硬度磨料强冲击、高应力作用下才具有高的耐磨性，并且韧性好，安全性能好。但在中低硬度磨料、低应力作用下，高锰钢并不耐磨，因此使用上受到限制。
中、低合金钢具有较好的韧性，在低应力下比高锰钢耐磨，但其淬透生差，因而耐磨性较差。
高铬铸铁是国内外公认的耐磨性较好的材料，也是使用比较普遍的耐磨材料。但高铬铸铁合金元素含量高，因而其成本也较高，而且存在韧性不足的缺限。
高速钢中含有大量硬度更高的碳化物，耐磨性可比高铬铸铁的提高3～5倍。但由于成本高，制造工艺复杂，一般只用于制造刀具轧辊等零件，因此，很难大范围推广。
以硼化物为硬质相的金属耐磨材料的研究主要有：
(1)前苏联专利号为SU1,447,926的一种“高强度和高冲击韧性高硼合金制造方法”，其成分为0.2-0.5％C，2.1-3.5％B，0.15-0.60％Si，0.25-0.8％Mn，0.2-0.8％Sb，该合金组成中含有较多的锑，将显著增加高硼合金的生产成本。
(2)前苏联专利号为SU1,581,771的“一种高硼合金”，它是具有高硬度和高耐磨性还保留有较好韧性的用于铸造的高硼合金，其成分为0.2-0.5％C，2.1-3.5％B，0.15-0.60Si，1.5-6.0％Mn，1.0-4.0％Co，余量为Fe。这种合金尽管具有优异的耐磨性能，但加入1.0-4.0％昂贵的Co，使合金生产成本大幅度提高，含有较多的锰，会导致淬火组织中残留奥氏体增加。
(3)前苏联专利号为SU5058116的“一种铁基高硼铸造合金”，它是用于磨损和摩擦工况的铁基高硼铸造合金，其成分为：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，余量为Fe。这种合金尽管具有优异的耐磨性能，但加入1.0-4.0％昂贵的Co，使生产成本大幅度提高。
(4)日本专利号为JP10219386的“具有高强度和高韧性的结构高硼合金”，它的主要合金元素含量为：0.03-0.24％C，0.02-0.50％B，0.005％N，0.4Ni，0.9Cr，0.5Mo，0.3V，0.3Nb，0.3Ti和0.1Zr。其抗拉强度达到510-550Mpa。由于C、B含量较低，耐磨硬质相硼化物数量少，合金耐磨性差。
(5)中国专利号为CN624180的“高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法”，其特征在于高硼铸造铁基耐磨合金的主要成分是(重量％)：0.15-0.70％C，0.3-1.9B，0.3-0.8％Cr，0.4-0.8％Si，0.6-1.3％ Mn，0.05-0.20Ce，0.02-0.10％La，0.005-0.018％Ca，0.04-0.18％K，0.08-0.25％Al，S＜0.04，P＜0.04，余量为Fe。热处理后可以获得板条马氏体加高硬度硼化物组成的复合组织，使材料具有较好的综合性能。但C、B含量低且硼化物呈连续网状分布，使材料的脆性较大。
(6)中国专利公开号为CN100999803公开了“一种高硼耐磨铸钢及其制备方法”其化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.50％，B：0.8-5.0％，Cu：0.3-0.6％，Mn：0.8-2.0％，Cr：1.0-2.5％，Si＜1.5％，Ti：0.08-0.20％，Ce：0.04-0.12％，Mg：0.02-0.18％，N：0.06-0.18％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。其中C含量为0.1-0.5％使基体硬度较低，因而耐磨性不足。
(7)中国专利公开号为CN101016603公开了“一种含颗粒状硼化物的高硼铸钢及其制备方法”，其化学成分及重量百分比为：C：0.15-0.45％，B：0.75-2.7％，Ti：0.34-1.50％，Cr：0.80-1.20％，Si：0.50-1.50％，Mn：0.50-1.50％，Ce：0.04-0.12％，Al：0.08-0.20％，Ca：0.03-0.10％，N：0.01-0.06％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe：其中，B/C＝5.0-6.0，B/Ti＝1.8-2.2。其中C含量为0.15-0.45％使基体硬度较低，因而耐磨性不足。
(8)中国专利号为CN1804091公开了“铸造高硼耐磨合金的韧化方法”其特征在于铸造高硼耐磨合金的化学成分是：0.3-0.35％C，1.0-1.5％B，0.6-0.8％Si，0.8-1.0％Mn，S＜0.04％，P＜0.04，余量为Fe。其中B含量仅为1.0-1.5％，高硬度的硼化物数量不足，从而使材料不耐磨。
(9)东北大学学报，2004，25(3)：247-249刘常升，崔虹雯，陈岁元的“高硼钢的组织与性能”，它报道了用真空感应炉制备硼分布均匀的高硼合金钢，确定了高硼钢热轧成形的合理工艺参数。其研制的材料硼含量小于1.0％，碳含量很低，静态力学性能指标σb、σs、δ、Ψ、Ak可分别达到670MPa、540MPa、23％、25％和150J。这种合金采用压力加工方法成形，工艺复杂能耗高，而且硬度值很低，主要用做辐射屏蔽材料，无法用于制造耐磨材料。
(10)北京机械工业出版社2002，510-512张伯明主编的铸铁手册，铸铁卷第2版报道了一种“以硼为主要合金元素的含硼白口铸铁”，合金成分为2.2-2.4％C，0.4-0.55％B，0.5-0.7％Mo，0.8-1.2Cu，0.9-1.6Si，0.5-1.2Mn。这种合金中含有较多的碳和硼，合金组织中含有很多碳化物和硼化物，因此硬度高达到63-65HRC，耐磨性好，但脆性大，韧性低，冲击韧性仅有3.3-4.1J/cm2，而且这种合金中价格昂贵的钼和铜含量较高，生产成本高。
发明内容
本发明目的在于公开一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法。解决金属耐磨材料耐磨性的问题，在提高材料硬度的同时保证其韧性，并有效降低制造成本。
本发明实现上述目的采取的技术方案是：高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为：C：1.0-1.8％，B：3.8-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Ni：0.3-1.0％，Cr：0.3-2.0％，Mn：0.5-1.0％，Si：0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。
高碳高硼耐磨合金的制备方法是：
(1)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1-0.3％)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；
(2)为了解决硼化物网状分布导致韧性差的问题，对合金液进行变质处理。针对合金特点，选择稀土、钒和铌(或稀土和钒、稀土和铌的组合)作为变质剂，预先在浇包中放入占合金液重量0.2-0.8％的变质剂，对合金液进行变质处理，然后出炉浇注。出炉温度1540-1600℃，浇注温度1420-1480℃。
(3)冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火900-1100℃(水淬或油淬)，然后200-550℃空冷回火。得到基体为马氏体的显微组织。
为了提高金属材料的耐磨性，需保证有高强韧性的基体与一定数量的硬质相。本发明中，高的碳含量可以形成良好的高硬度板条状马氏体基体，增加硼含量可以形成大量的高硬度硼化物硬质相，因此，高碳高硼耐磨合金具有良好的耐磨性。为了保证其韧性，采用稀土变质处理。加入一定量的稀土可以细化晶粒，提高其韧性。为了提高淬透性，设计加入了微量的Mo、V和Nb。采用合理的热处理工艺，可以提高硬度、韧性等综合性能。
本发明具有以下特点(1)高硬度的硼化物均匀分布在马氏体基体上，具有良好耐磨性及韧性。(2)我国有大量的硼资源，硼铁很廉价，因而高碳高硼耐磨合金生产成本很低。(3)生产工艺简单，可大量推广应用于各种耐磨件。
本发明“高碳高硼耐磨合金”的成分配比依据是：
C：在金属耐磨材料中C主要用来提高基体硬度，C过低会导致基体硬度不足，而使耐磨性不足，C过高会导致材料脆性大，而韧性不足，所以本发明C含量设计为1.0-1.8％。
B：高碳高硼耐磨合金的凝固组织是由基体和硼化物组成。硼化物显微硬度范围为1200-2056HV，由实验得知，随着B含量由0.72％增加到5.64％，以硼化物为主的硬质相的面积分数由14.5％增加到63％，随着B含量的增加，合金的硬度由27.9HRC增加到53HRC，因此本发明B含量设计为3.8-6.5％。
Mo、Ni：在金属耐磨材料中Mo、Ni可以提高淬透性，使材料表层与芯部都具有良好的硬度。本发明Mo含量设计为0.3-0.8％，
Ni含量设计为0.3-1.0％。
Cr：本发明中Cr部分固溶于基体，提高基体硬度，部分置换硼化物中的Fe原子，形成复合硼化物，稳定硬质相。此外，Cr还可提高材料的淬透性。但Cr含量过高会使材料脆性加大，综合考虑Cr含量设计为0.3-2.0％。
Mn：高碳高硼耐磨合金中加入适量的Mn可以提高铸件淬透性，但过量的Mn会增加基体中奥氏体量，导致基体硬度降低、不耐磨，因此本发明Mn含量设计为0.5-1.0％。
Si：高碳高硼耐磨合金中加入适量的Si可以提高基体硬度，但过量的Si会导致材料脆性大，因此本发明Si含量设计为0.5-1.0％。
S、P是铸造中的有害元素，但又不可避免的会带入到合金熔液中，因此只能控制S＜0.05％，P＜0.05％。
稀土、钒、铌：由实验得知，加入高质剂变质，可以使细化初生颗粒状硼化物，使共晶硼化物网络状断开，提高材料的韧性。在金属耐磨材料中钒、铌可以提高淬透性，使材料表层与芯部都具有良好的硬度、但由于钒、铌的价格高，因此，以节省成本、提高淬透性，仅加入微量的钒、铌。本发明把钒、铌与稀土一块做为变质剂加入，含量为浇包中合金液重量的0.2-0.8％。
具体实施方式
实施例1
本实施例所说的高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为：C：1.05％，B：4.0％，Mo：0.5％，Ni：0.5％，Cr：1.5％，Mn：0.8％，Si：0.6％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。
高碳高硼耐磨合金的制备方法是：(1)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.2％占铁水量)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；
(2)预先在浇包中加入占合金液重量0.8％的稀土、钒、铌进行变质处理，然后出炉浇注。出炉温度1540℃，浇注温度1450℃。
(3)冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火1000℃油淬，然后350℃空冷回火。
实施例2
本实施例所说的高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为：C：1.5％，B：5.0％，Mo：0.4％，Ni：0.5％，Cr：1.0％，Mn：0.7％，Si：0.6％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。
高碳高硼耐磨合金的制备方法是：(1)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.3％占铁水量)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；
(2)预先在浇包中加入占合金液重量0.2％的稀土、钒进行变质处理，然后出炉浇注。出炉温度1550℃，浇注温度1430℃。
(3)冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火1050℃水淬，然后250℃空冷回火。
实施例3
本实施例所说的高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为：C：1.7％，B：5.5％，Mo：0.5％，Ni：0.8％，Cr：2.0％，Mn：0.5％，Si：0.8％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。
高碳高硼耐磨合金的制备方法是：(1)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1％占铁水量)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；
(2)预先在浇包中加入占合金液重量0.5％的稀土、铌进行变质处理，然后出炉浇注。出炉温度1580℃，浇注温度1480℃。
(3)冷却形成铸件后热处理工艺为：淬火900油淬，然后550℃空冷回火。