一種非晶/納米晶基體高硬度耐磨耐蝕合金及其制備方法與流程

本發明屬于高硬度耐磨鑄鐵領域，涉及一種含超細硬質相和非晶/納米晶、過飽和固溶體、馬氏體基體相的耐磨耐蝕鑄鐵的合金及其構件制備方法，可廣泛用于電力、冶金、機械、化工等行業中機械耐磨件制造。技術背景礦山、冶金、電力等行業的機械設備中，廣泛應用的耐磨材料是鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、高錳鋼和低合金耐磨鋼。由于高錳鋼的硬度很低，其耐磨性完全依賴于使用過程中的加工硬化效應，在實際工況應用條件下，不能或不能完全加工硬化，其內在的潛能不能得到充分發揮，有時耐磨性甚至低于普通碳鋼。高鉻鑄鐵韌性低，高溫熱處理易開裂，不適應于有較大沖擊的磨損領域，且Cr含量多，生產成本較高；低合金耐磨鋼韌性好，硬度低，耐磨性能沒有明顯優勢。鎳硬鑄鐵雖具有較好的抗磨性，但為改善其淬透性常需加入價格昂貴的Ni和Mo合金元素，導致其生產成本不斷升高。硼元素在地殼中的儲量約占3×10-4%，是我國的富有元素，價格較低。硼在鐵中的最大溶解度只有0.02%，加入鐵中的硼元素絕大部分將會形成硼化物，只有微量的硼會固溶于基體中。利用硼在鐵中的溶解度極低這一原理，20世紀90年代初，澳大利亞昆士蘭大學的Lakeland等人制備含有大量硼化物的Fe-B合金，實現了以硼化物作為耐磨材料的耐磨骨架，基體含碳量和硼化物體積分數的獨立控制，合金宏觀硬度可以在很大的范圍內變化，可以從HRC22到HRC62，具有優異的強韌性和耐磨性，Fe-B合金有望成為繼高鉻鑄鐵、鎳硬鑄鐵后新一代耐磨材料。Fe-B合金中的硬質相M2B（M代表溶入硼化物中的Fe、Cr、V、Nb等合金元素）呈連續網狀分布，完全破壞了基體的連續性，導致合金的韌性較低，很難應用到受沖擊力較大的惡劣工作條件中，故使其應用范圍受到限制。采用高溫熱處理、稀土變質，合金化等手段，改善硼化物的連續網狀分布形態對Fe-B合金進行強韌化處理，擴大其使用范圍，充分發揮其耐磨潛力是一項十分重要的課題，但目前所做的研究還沒有取得實質性突破。將Fe-B合金基體相的強度進一步提高，并保留一定量Fe2B或M2B硬質相，則可實現高硬度、高韌性。非晶/納米晶、過飽和固溶體、馬氏體等都具有很高的強度和硬度，韌性良好，并且耐蝕性好，由此，可通過基體相的非晶/納米晶化，形成新的高硬度、高耐蝕性合金。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種具有高硬度、高耐蝕性Fe-Cr-B-C耐磨鑄造合金及其制備方法，該合金以Fe2B或M2B硬質相為硬質相，基體為非晶/納米晶、多元過飽和固溶體、馬氏體等非平衡相，具有良好的韌性和高硬度、高耐蝕性，熔煉-鑄造工藝性好，具有十分廣闊的應用前景。為實現上述目的，本發明采取如下的技術方案：設計了一種含Fe、Cr、B、C、Nb、V等元素的多元共晶合金，各元素的質量百分含量為Cr：9.0~13.0，B：2.6~2.9，C：0.7~0.9，Nb：0.4~0.8，V：0.4~0.8，Mn的含量小于0.3，Si的含量小于0.07，S、P：≤0.01，余量為Fe。其中C、B總和：3.3~3.6；C/Cr含量比：0.06~0.08；Nb、V的總和為0.5~1.0。Fe、Cr、B、C為主要元素，成份范圍適合形成基體與Fe2B或M2B硬質相共晶合金，共晶溫度在1100~1160℃之間。該共晶體的非晶形成能力強，易形成具有高硬度、高耐蝕性的非晶/納米晶、過飽和固溶體、馬氏體相基體組織。B元素的主要作用是形成Fe2B或M2B硬質相，并和C元素含量配合，形成低熔點共晶體。Cr、C元素起到固溶強化基體，抑制基體相分解，促進馬氏體形成的作用；基體中Cr含量高，可提高合金的耐蝕性。B、Nb、V等元素能穩定液態金屬，降低基體結晶度，形成過飽和固溶基體或非晶/納米晶基體。Nb、V為強碳化物形成元素，可阻止晶粒粗化。控制C、B總和：3.3~3.6；C/Cr含量比：0.06~0.08，能避免形成針狀或長條狀M3C(如Fe3C)化合物。Mn元素既可溶于硼化物，擴大奧氏體區，又能溶于基體，有助于淬透性的提高，還能使臨界冷卻速度降低，有利于形成馬氏體，但加入量過多會使淬火組織中存在大量殘余奧氏體，降低了合金的抗磨能力，可造成組織粗大，易開裂，因此控制Mn含量小于0.3。Si元素主要溶于基體，增加其強度，且在熔煉時具有脫氧作用,使合金的凝固特性得以改善，但降低合金的韌性，并促進晶化和晶粒粗化，不利于非晶/納米晶形成，因此需要嚴格控制。S、P兩元素是不可避免的有害雜質，能影響合金的耐磨性，且對裂紋的形成有促進作用，應嚴格控制。在具體制備合金時，可采用鉻鐵（高碳、中碳、微碳）、硼鐵、鈮鐵、釩鐵和純鐵等按照成分要求配料。表1中列舉了原材料及其成份。表1可應用于制備發明合金的原料及成份表1的原料成分并非唯一的，具體成分由實際可獲得的原材料來確定。其中鉻鐵、金屬鉻、硼鐵、鈮鐵和釩鐵提供發明合金的Cr、B、Nb和V的含量，高碳鉻鐵用來平衡C含量。由于上述原料中具有較高含量的Si，需要用Mn和Si含量較低的純鐵來確保Mn、Si在發明合金的控制范圍內，這種純鐵可以是電工純鐵、電磁純鐵或工業純鐵。采用上述原料，配制發明合金成分后，可采用感應爐、電阻爐或真空感應爐等來熔煉制備合金。由于合金主要成分為Fe-Cr-B-C共晶，熔體的流動性很很好，因此可通過各種方法鑄造成型，如通過普通砂型模鑄造或者熔模鑄造、消失模鑄造、金屬型鑄造、陶瓷型鑄造、壓鑄、離心鑄造等特殊鑄造方法，后續可采用低于600℃的去應力退火工藝和必要的機加工工序。在制備小型鑄造零件時，也可使用預先制備的具有發明合金成分的母合金為原料，再重熔-鑄造。合金在普通砂模鑄造條件下都能形成非平衡基體組織，一般從凝固溫度到600℃之間的冷卻速度應不低于60℃/分鐘，但在制備大型鑄件時為了避免由于熱應力作用而發生的開裂現象，應在600℃~800℃解除模具的約束。本發明的主要特點是通過多元合金化，形成共晶成分，熔點低、流動性好，鑄造工藝要求簡單，可鑄造大型耐磨耐蝕鑄件，也可生產小型精密耐磨耐蝕鑄件。合金的硬度為HRC66~70，沖擊韌性4~9J/cm2。附圖說明圖1本發明實例1顯微組織圖；圖2本發明實例2顯微組織圖；圖3本發明實例1合金XRD圖；圖4本發明實例2合金XRD圖。具體實施方式本發明的各種熔煉方法、鑄造方法不受下述實例的限制，任何在本發明的權利要求書要求保護的范圍內的改進和變化都在本發明的保護范圍之內。選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、金屬鉻、硼鐵、鈮鐵、釩鐵、工業純鐵等為原料，在發明要求的成分范圍內配制成合金。實施例1.選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、硼鐵、鈮鐵、釩鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：10.0wt.%；B：2.9wt.%；C:0.7wt.%；Nb:0.4wt.%；V:0.2wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和鐵模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開鐵模，空冷，鑄錠重40kg,厚度為30mm。實施例2.選用高碳鉻鐵、金屬鉻、硼鐵、鈮鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：10.0wt.%；B：2.7wt.%；C:0.7wt.%；Nb:0.5wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和砂模鑄造母合金，澆鑄成條狀，熔煉溫度為1450℃，澆鑄溫度約1400℃。用電阻爐將母合金鑄條重熔，熔化溫度約1300℃，采用壓鑄機壓鑄成精密部件，單個部件重300g，最小厚度為2mm。實施例3.選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、硼鐵、鈮鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：10.0wt.%；B：2.7wt.%；C:0.8wt.%；Nb:0.6wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和離心鐵模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開鐵模，空冷，鑄錠重120kg,厚度為30mm。實施例4.選用高碳鉻鐵、金屬鉻、硼鐵、鈮鐵、釩鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：11.0wt.%；B：2.7wt.%；C:0.7wt.%；Nb:0.2wt.%；V:0.4wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和砂模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開砂模，空冷，鑄錠重30kg,厚度約為20mm。實施例5.選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、硼鐵、鈮鐵、釩鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：10.0wt.%；B：2.6wt.%；C：0.6wt.%；Nb：0.3wt.%；V：0.1wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和消失模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開模具，空冷，單個鑄錠重10kg,最小厚度為5mm。實施例6.選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、硼鐵、鈮鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：10.0wt.%；B：2.6wt.%；C：0.8wt.%；Nb：0.8wt.%；雜質元素控制見表2。采用真空感應熔煉和鐵模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開模具，空冷，單個鑄錠重15kg,厚度為15mm。實施例7.選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、硼鐵、鈮鐵、釩鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：11.0wt.%；B：2.6wt.%；C：0.9wt.%；Nb：0.2wt.%；V：0.2wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和砂模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開模具，空冷，單個鑄錠重3kg,最小厚度為2mm。實施例8.選用高碳鉻鐵、微碳鉻鐵、硼鐵、鈮鐵、釩鐵和工業純鐵為原料，成分范圍如下：Cr：13.0wt.%；B：2.6wt.%；C：0.8wt.%；Nb：0.6wt.%；V：0.4wt.%；雜質元素控制見表2。采用感應熔煉和消失模鑄造，熔煉溫度為1500℃，澆鑄溫度約1400℃。鑄錠溫度約800℃時打開模具，空冷，單個鑄錠重5kg,最小厚度為3mm。各實施例所制備鑄造合金性能檢測如下所述：1.對實例鑄造金屬采用HR-150A洛氏硬度機進行硬度測試，載荷為150Kg，打五個點后取平均值，如表2所示。2.對實例鑄造金屬采用JBS-300B沖擊試驗機進行沖擊韌性測試，量程為150J，打五個樣后取平均值，如表2所示。表2實施例的成分與硬度、沖擊韌性