專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高碳高硼耐磨合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及的是一種高碳高硼耐磨合金及其 制備方法。
背景技術(shù)：
目前廣泛4頓的金屬耐磨材料有高錳鋼；中、低合金鋼；高鉻織；高速鋼。 這些材料都不同程度的解決了金屬不耐磨的問(wèn)題，但又各自存在著不同程度的缺 陷
;0^f周知，高錳鋼只有在高硬度磨料強(qiáng)沖擊、高應(yīng)力作用下才具有高的耐磨性， 并且韌性好，安全性能好。但在中低硬度磨料、低應(yīng)力作用下，高錳鋼并不耐磨， 因此使用上受到限制。
中、低合金鋼具有艦的韌性，在低應(yīng)力下比高錳鋼耐磨，但其淬透性差，因 而耐磨性較差。
高鉻鑄鐵是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的耐磨性較好的材料，也是使用比較普遍的耐磨材料。 但高鉻鑄鐵合金元素含量高，因而其成本也較高，而且存在韌性不足的缺限。
高速鋼中含有大量硬度更高的碳化物，耐磨性可比高鉻鑄鐵的提高3 5倍。 但由于成本高，希IJ紅藝復(fù)雜， 一般只用于制造刀具車(chē)L輥等割牛，因此，很難大范 圍推廣。
以硼化物為硬質(zhì)相的金屬耐磨材料的研究主要有
(1)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. 8%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。
(2) 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. ，2.1-3. 5%B， 0.15-0.60Si， 1.5-6.0%Mn， L0-4.0%Co，余量為Fe。這種合金盡管具有優(yōu)異的耐 磨性能，但加入1.0-4.Wo昂貴的Co，使合金生產(chǎn)成本大幅度提高，含撤多的錳, 會(huì)導(dǎo)致淬火組織中殘留奧氏體增加。
(3) 前蘇聯(lián)專(zhuān)利號(hào)為SU5058116的"一種,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，余量為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。
(4) 日本專(zhuān)利號(hào)為JP10219386的"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0.03-0.24%C， 0.02-0.50%B， 0.005%N， 0.4Ni， 0.9Cr， 0. 5Mo， 0. 3V， 0. 3Nb， 0. 3Ti和0.1Zr。其抗拉強(qiáng)度達(dá)到510-550Mpa。由于C、 B 含量較低，耐磨硬質(zhì)相硼化物數(shù)量少，合金耐磨性差。
(5) 中國(guó)專(zhuān)利號(hào)為CN624180的"高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法"，其 特征在于高硼鑄造條耐磨合金的主要成分是(重*%): 0.15~0. 70% C， 0. 3-1. 9B， 0. 3-0. 8%Cr ， 0.4-0. 8%Si ， 0.6-1. 3Q/Q Mn ， 0.05-0. 20Ce ， 0. 02-0. l(FoLa ， 0.005-0.018%Ca， 0. 04—0.18%K， 0. 08-0. 25%A1， S〈0. 04， P<0. 04，余量為Fe。熱 處理后可以獲得板條馬氏體加高硬度硼化物組成的復(fù)合組織，使材料具有較好的綜 合性能。但C、 B含量低且硼化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，使材料的脆性較大。
(6) 中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN100999803公開(kāi)了"一種高硼耐磨辦PI及其制備方法" 其化學(xué)成分及其重量百分比為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〈l. 5%, Ti:0.08-0. 20%, Ce: 0. 04—0,12%,Mg:O. 02-0.18%,N: 0. 06-0.18%, S〈0. 05%, P<0. 05%，余量為鐵。其中C含量為0.1-0. 5%使基體硬 度較低，因而耐磨性不足。
(7) 中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN101016603公開(kāi)了 "一種含顆粒狀硼化物的高硼辦岡 及其制備方法"，其化學(xué)成分及重量百分比為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%， Mm 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%，余量為 Fe:其中，B/C二5.0"6.0， B/Ti二L 8-2. 2。其中C含量為0.15-0. 45%使基體硬度較 低，因而耐磨性不足。
(8) 中國(guó)專(zhuān)利號(hào)為CN1804091公開(kāi)了 "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0.3-0.35%C， 1.0-1.5%B， 0.6-0.8%Si， 0, 8-1. 0%Mn， S<0. 04%， P<0. 04，余量為Fe。其中B含量?jī)H為1. 0-1. 5%，高硬度的 硼化物數(shù)量不足，從而使材料不耐磨。
(9) 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)。其研制的材糊朋^S小于i. o%， m量很低，靜
態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)o b、 o s、 S 、 W、 Ak可分別達(dá)到670MPa、 540 MPa、 23%、 25%和150J。 這種合金采用壓力加工方法成形，工藝錢(qián)倉(cāng)撫高，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。
(10) 北京機(jī)械工業(yè)出版社2002， 510-512張伯明主編的,手冊(cè)，,巻第2 版報(bào)道了一種"以硼為主要合金元素的含硼白口鑄鐵"，合金成分為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。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. lj/cm2，而且這種合金中價(jià)格昂貴的鉬和銅含量較高，生產(chǎn)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于公開(kāi)一種高碳高硼耐磨合金及其制備方法。解決金屬耐磨材料 耐磨性的問(wèn)題，在提高材料硬度的同時(shí)保證其韌性，并有效降低制造成本。
本發(fā)明實(shí)1U:述目的采取的技術(shù)方案是高碳高硼耐磨合金的化學(xué)成分及其重 量百分比為C: 1. 0-1. 8%， B:3.8-6. 5%， Mo:O. 3-0. 8%， Ni:O. 3-1. 0%， Cr:O. 3-2.0%， Mn:0.5-1.0%, Si :0.5-1.0%, S<0. 05%， P<0. 05%,余量為鐵。
高碳高硼耐磨合金的制備方法是
(1) 用中頻熔煉爐將配好的材料按順序熔化，先將除硼鐵以外的材料加入爐 中熔化，然后加入A1(0.1-0.3%)脫氧，然后再按成分配比加入硼鐵熔化；
(2) 為了解決硼化物網(wǎng)狀分布導(dǎo)致韌性差的問(wèn)題，對(duì)合金液進(jìn)行變質(zhì)處理。 針對(duì)合金特點(diǎn)，選彌土、釩和鈮(或稀土和釩、稀土和鈮的組合)作為頓劑， 預(yù)先在澆包中方M占合金液重量0.2-0. 8%的變質(zhì)劑，對(duì)合金自行變質(zhì)處理，然后 出爐澆注。出爐溫度1540-1600°C，澆注溫度1420-148(TC。
(3) 冷卻形成鑄件后熱處理工藝為淬火900-1100°C (水淬或油淬)，然后 200-550'C空冷回火。得到基體為馬氏體的顯微組織。
為了提高金屬材料的耐磨性，需保證有高強(qiáng)韌性的基體與一定數(shù)量的硬質(zhì)相。 本發(fā)明中，高的i^量可以形成良好的高硬度板條狀馬氏體基體，增加硼含量可以 形成大量的高硬度硼化物硬質(zhì)相，因此，高碳高硼耐磨合金具有良好的耐磨性。為 了保證其韌性，采用稀土變質(zhì)處理。加入一定量的稀土可以細(xì)化晶粒，提高其韌性。 為了提高淬透性，設(shè)計(jì)加入了微量的Mo、 V和Nb。采用合理的熱處理工藝，可以提 高硬度、韌性等綜合性能。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)高硬度的硼化物均勻分布在馬氏體基體上，具有良好耐磨性及韌性。(2)我國(guó)有大量的硼資源，硼鐵很廉價(jià)，因而高碳高硼耐磨合金 生產(chǎn)成本很低。(3)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可大量推廣應(yīng)用于各種耐磨件。本發(fā)明"高碳高硼耐磨合金"的成分配比依據(jù)是C:在金屬耐磨材料中C主要用來(lái)提高基體硬度，C過(guò)低會(huì)導(dǎo)致基體硬度不足， 而使耐磨性不足，C過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料脆性大，而韌性不足，所以本發(fā)明C含量設(shè)計(jì) 為1.0-1.8%。B:高碳高硼耐磨合金的凝固組織是由基體和硼化物組成。硼化物顯微硬度范 圍為1200-2056HV，由實(shí)驗(yàn)得知，隨著B(niǎo)含量由0. 72%增加到5. 64%，以硼化物為主 的硬質(zhì)相的面積分?jǐn)?shù)由14. 5%增加到63%，隨著B(niǎo)含量的增加，合金的硬度由27. 9HRC 增加到53HRC,因此本發(fā)明B含量設(shè)計(jì)為3. 8-6. 5%。Mo、 Ni:在金屬耐磨材料中Mo、 Ni可以提高淬透性，使材料表層與芯部都具有 良好的硬度。本發(fā)明Mo含量設(shè)計(jì)為0. 3-0. 8%， Ni含量設(shè)計(jì)為0. 3-1. 0%。Cr:本發(fā)明中Cr部分固溶于基體，提高基體硬度，部分置換硼化物中的Fe原 子，形成復(fù)合硼化物，穩(wěn)定硬質(zhì)相。此外，Cr還可提高材料的淬透性。但Cr含量 過(guò)高會(huì)使材料脆性加大，綜合考慮Cr含量設(shè)計(jì)為0. 3-2. 0%。Mn:高碳高硼耐磨合金中加AM量的Mn可以提高鑄件淬透性，但過(guò)量的Mn會(huì) 增加基體中奧氏體量，導(dǎo)致基體硬度降低、不耐磨，因此本發(fā)明Mn含量設(shè)計(jì)為 0. 5-1. 0%。Si:高碳高硼耐磨合金中加入適量的Si可以提高基體硬度，但過(guò)量的Si會(huì)導(dǎo) 致材料脆性大，因此本發(fā)明Si含量設(shè)計(jì)為0. 5-1. 0%。S、 P是鑄造中的有害元素，但又不可避免的會(huì)帶入到合金熔液中，因此只能控 制S〈0.05呢，P<0.05%。稀土、釩、鈮由實(shí)驗(yàn)得知，加入高質(zhì)齊IJ頓，可以使細(xì)化初頓粒狀硼化物， 使共晶硼化物網(wǎng)絡(luò)狀斷開(kāi)，提高材料的韌性。在金屬耐磨材料中釩、鈮可以提高淬 透性，使材料表層與芯部都具有良好的硬度、但由于釩、鈮的價(jià)格高，因此，以節(jié) 省成本、提高淬透性，僅加入微量的釩、鈮。本發(fā)明把釩、鈮與稀土一剁故為頓劑加入，含量為澆包中合金液重量的0. 2-0. 8%。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)施例所說(shuō)的高碳高硼耐磨合金的化學(xué)成分及其重量百分比為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%， 余量為鐵。高碳高硼耐磨合金的帝恪方法是(1)用中z鵬煉爐將配好的材料按順序靴， 先將除硼鐵以夕卜的材料加入爐中熔化，然后加入A1(0.29()占鐵水量)脫氧，然后再按 成分配比加入硼鐵熔化；(2) 預(yù)先在澆包中加入占合金液重量0. 8%的稀土、釩、fgiS行，處理，然 后出爐澆注。出爐溫度1540。C,澆注溫度1450。C。(3) 冷卻形成鑄件后熱處理工藝為淬火100(TC油淬，然后350'C空冷回火。 實(shí)施例2本實(shí)施例所說(shuō)的高碳高硼耐磨合金的化學(xué)成分及其重量百分比為C: 1.5%， B:5.0%， Mo:0.4%， Ni:0.5%， Cr:1.0%, Mn:O. 7%， Si:0.6%， S<0.05%， P<0.05%，余量為鐵。高碳高硼耐磨合金的制備方法是(l)用中頻熔煉爐將配好的材料按順序MI七， 先將除硼鐵以外的材料加入爐中熔化，然后加入A1 (0.3%占鐵水量)脫氧，然后再 按成分配比加入硼鐵熔化；(2) 預(yù)先在澆包中加入占合金液重量0. 2%的稀土、釩進(jìn)行變質(zhì)處理，然后出 爐澆注。出爐溫度1550。C，澆注溫度1430。C。(3) 冷卻形成鑄件后熱處理工藝為淬火105(TC水淬，然后25(TC空冷回火。 實(shí)施例3本實(shí)施例所說(shuō)的高碳高硼耐磨合金的化學(xué)成分及其重量百分比為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%，余量為鐵。高碳高硼耐磨合金的制備方法是(1)用中頻熔煉爐將配好的材料按順序謝七， 先將除硼鐵以外的材料加入爐中熔化，然后加入Al(0.1%占鐵水量)脫氧，然后再按 成分配比加入硼鐵熔化；(2) 預(yù)先在澆包中加入占合金液重量0. 5%的稀土、,行，處理，然后出 爐澆注。出爐溫度1580。C，澆注溫度148(TC。(3) 冷卻形成鑄件后熱處理工藝為淬火900油淬，然后550'C空冷回火。
權(quán)利要求
1、一種高碳高硼耐磨合金，其特征在于高碳高硼耐磨合金的化學(xué)成分及其重量百分比為C1.0-1.8％，B3.8-6.5％，Mo0.3-0.8％，Ni0.3-1.0％，Cr0.3-2.0％，Mn0.5-1.0％，Si0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量為鐵。
2、 一種生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述的高碳高硼耐磨合金的制備方法，其特征在于:(1) 用中頻熔煉爐將配好的材料按順序熔化，先將除硼鐵以外的材料加入爐 中熔化，然后加入Al(0.1-0.3Q/。)脫氧，然后再按成分配比加入硼鐵熔化；(2) 預(yù)先在澆包中方j(luò)(A占合金液重量0. 2-0. 8%的，劑，對(duì)合金液進(jìn)行， 處理，然后出爐澆注，出爐溫度1540-160(TC，澆注溫度1420-1480°C;(3) 冷卻形成鑄件后熱處理工藝為淬火900-110(TC (水淬或油淬)，然后 200-55(TC空冷回火。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高碳高硼耐磨合金及其制備方法。高碳高硼耐磨合金的主要成分為C1.0-1.8％，B3.8-6.5％，Mo0.3-0.8％，Ni0.3-1.0％，Cr0.3-2.0％，Mn0.5-1.0％，Si0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量為鐵。制備工藝用中頻熔煉爐將配好的材料按順序熔化，先將除硼鐵以外的材料加入爐中熔化，然后加入Al(0.1-0.3％)脫氧，然后再按成分配比加入硼鐵熔化；預(yù)先在澆包中放入占合金液重量0.2-0.8％的變質(zhì)劑，對(duì)合金液進(jìn)行變質(zhì)處理，然后出爐澆注，出爐溫度1540-1600℃，澆注溫度1420-1480℃；冷卻形成鑄件后熱處理工藝為淬火900-1100℃(水淬或油淬)，然后200-550℃空冷回火。本發(fā)明具有耐磨性好，成本低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可大量推廣應(yīng)用于各種耐磨件。
文檔編號(hào)C21D1/18GK101240404SQ20081004936
公開(kāi)日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月17日
發(fā)明者劉賽業(yè), 張國(guó)賞, 徐流杰, 懂占武, 李保元, 李繼文, 趙舉峰, 魏世忠 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)