一种碳酸镧增韧高硬合金及其铸造和热处理方法技术

一种碳酸镧增韧高硬合金及其铸造和热处理方法，合金各元素的质量百分含量为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，La：0.03～0.7，S、P：≤0.01，余量为Fe；其中C、B总质量百分含量为：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb、V的总质量百分含量为：0.5～1.0。先准备好Fe‑碳酸饵粉末压块准备，合金配料、熔炼与变质处理，进行熔炼、浇铸和热处理。本发明专利技术制备的铸锭整体硬度达到HRC65.1～68.9，冲击韧性达到12.5～16.4J/cm2，抗弯强度达到1195～1540MPa。

Lanthanum carbonate toughened high hardness alloy and its casting and heat treatment method

A lanthanum carbonate Toughened High cemented carbide and its casting and heat treatment method are described. The mass percentage of each element in the alloy is 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 content is less than 0.3, La:0.03-0.7, S, P: < 0.01, and the remainder is Fe, in which the total mass percentage of C and B is:0.4-0.8, V:0.4-0.4-0.8, Mn content is less than 0.3 3.3 ~ 3.6; C/Cr content ratio: 0.06 ~ 0.08; the total mass percentage of Nb and V is 0.5 ~ 1. Prepare the Fe_carbonate powder for compaction, alloy ingredients, smelting and modification, melting, casting and heat treatment. The overall hardness of the ingot prepared by the invention reaches HRC 65.1-68.9, the impact toughness reaches 12.5-16.4 J/cm 2, and the bending strength reaches 1195-1540 MPa.

【技术实现步骤摘要】
一种碳酸镧增韧高硬合金及其铸造和热处理方法
本专利技术属于高硬度耐磨铸铁领域，涉及一种碳酸镧变质的微细硬质相和过饱和固溶体、马氏体基体相的耐磨耐蚀铸铁的合金及其构件制备方法，可广泛用于电力、冶金、机械、化工等行业中机械耐磨件制造。技术背景Fe-Cr-B-C耐磨铸造合金主要以Fe2B或M2B为硬质相，具有良好的韧性和高硬度、高耐蚀性，熔炼-铸造工艺性好，具有十分广阔的应用前景。变质处理是改善Fe-Cr-B-C合金组织和力学性能有效方法之一。变质剂按照作用可分为强碳、氮、硫化物形成元素，比如Ti、V等元素，和强成分过冷元素，比如表面活性元素稀土(RE)、Mg等。稀土元素聚集在液固的生长界面上，限制晶粒长大，以提高合金的硬度、强度和耐磨性；并细化组织，使硼化物出现断网状和颗粒状分布，提高冲击韧性。研究表明：在Fe-Cr-B-C合金中添加0.6％的铈(Ce)可使冲击韧性提高86.4％。添加1.0％(Ce+La)的混合变质剂到Fe-Cr-B合金中，合金的硬度由52HRC增大到70.2HRC，冲击韧性由3.36J/cm2提高到6.38J/cm2。稀土变质可稀土合金或稀土丝的单一变质方法，也可采取复合变质处理，即以N、Ti、V、Mg、Si等元素和稀土的混合物作为变质剂。硅镁混合稀土变质剂最常见的是复合变质方法，有研究表明：Fe-Cr-B-C合金经RE-Si-Mg变质后冲击韧度比未变质前提高了72.2％；经RE-Ti变质并热处理后，冲击韧性提高了1.8倍；经RE-Mg变质冲击韧性提高34.6％；经RE-Ti-N变质后网状组织全部消失，韧性提高了133.3％；经RE-Mg-V-Ti变质处理后，冲击韧性达到15.6J/cm2；经RE-Ti-Si-V变质处理后，冲击韧性达到12J/cm2以上。这些采用稀土变质的方法都有一个共同难点，即高活性的纯稀土、稀土合金或复合稀土材料。由于稀土的高活性，使得变质剂本身或变质处理后合金的组织、性能难以控制，变质效果难以保证。文献1：LM阴极研究-发射原理与研究现状[D].北京工业大学，2001：pp44-50。碳化La2O3-Mo合金的化学平衡：3Mo2C(s)+La2O3(s)＝2La(s,l)+3CO(g)+6Mo由于Mo2C的作用，生成单质La的还原反应自由焓变化小了很多，从而反应产物La和CO的平衡分压也高了10几个数量级。当温度高于1673K时，即1400℃，CO分压低于E-9atm时，反应式会自动向右进行，即还原生成单质La。专利文献2：授权公告号CN105695884B，制备的耐磨合金硬度为HRC66～70，冲击韧性4～9J/cm2。该类合金的硬度较高，但冲击韧性不足，强度指标较低，抗弯强度较低，在346～477MPa范围，限制了该合金应用于一些外部载荷大、需要耐冲击力作用的场合。文献3：共晶Fe-Cr-B-C合金的快冷组织与性能，铸造，2017，66(10):1053～1056。铸态Fe-Cr-B-C合金的快冷组织由马氏体+残余奥氏体基体和沿晶界连续网状分布的(Fe,Cr)2(B,C)+(Fe,Cr)23(B,C)6硬质相组成。快冷组织基体相的显微硬度为800～880HV,硬质相显微硬度为1150～1400HV,宏观硬度为HRC68，冲击韧性达到13.6J/cm2；而经960℃@2h退火后，基体组织转变为铁素体和粒状渗碳体，硬质相(Fe,Cr)2(B,C)和(Fe,Cr)23(B,C)6少量溶解，局部区域出现断网，出现新相(Fe,Cr)3(B,C)，退火后基体相显微硬度为330～400HV，硬质相为850～1250HV，宏观硬度降低为HRC46，冲击韧性减少到3.4J/cm2。文献3所得结果反映出基体相的硬度对该类材料的硬度和冲击韧性起重大作用；采用高温固溶淬火-低温回火处理，有提高基体相的固溶度和硬度的可能，参考专利文献2，该类合金经过热处理后，在冲击韧性等性能方面还有提升的可能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳酸镧增韧高硬合金及其铸造和热处理方法。该方法采用碳酸镧为变质剂，在高温熔化状态Fe-Cr-B-C合金中的碳化物、硼化物具有促使高活性La元素形成的热力学条件，并于C、B形成含La化合物，使得铸造合金组织细化，碳硼化物出现断网状和呈现颗粒状分布；经热处理后，基体为高硬度的多元过饱和固溶体、马氏体等非平衡相，使得合金具有良好的韧性、高硬度和较高的强度指标。由于碳酸镧粉末密度很低，直接加入到熔体会随炉渣上浮而造成La元素流失，从而失去变质效果，因此本专利技术采用碳酸镧粉末与铁粉混合均匀后，模压成粉末压块，再与Fe-Cr-B-C铸造合金一起熔化。碳酸镧粉与铁粉的重量比大致为1:4～19，即形成Fe-3.04～12.16wt.％La的混合压块。La含有量过低则Fe的含量过高，会影响配料计算；而La含量过高则压坯成形困难。其中碳酸镧为白色无定形粉末，其碳酸镧含量超过99.0％，因此对其纯度和粒度不做严格要求。由于碳酸镧为水合化合物，因此在配料前要做干燥、脱水处理。Fe粉为还原Fe粉或水雾化Fe粉，Fe粉中可以含有变质铸铁中的合金元素或杂质范围内的元素，如Ni、V、Cr等，以不影响压块成形和影响配料计算为准。本专利技术选用的专利文献2的高耐磨性、高耐蚀性Fe-Cr-B-C合金为基础合金，再添加0.03～0.7％La元素变质。形成含Fe、Cr、B、C、Nb、V、La等元素的多元共晶合金，各元素的质量百分含量为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，La：0.03～0.7，S、P：≤0.01，余量为Fe。其中C、B总和：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb、V的总和为0.5～1.0。参照专利文献2，在具体制备合金时，可采用铬铁(高碳、中碳、微碳)、硼铁、铌铁、钒铁、纯铁、等按照成分要求配料。表1中列举了原材料及其成份。表1可应用于制备专利技术合金的原料及成份表1的原料成分并非唯一的，具体成分由实际可获得的原材料来确定。其中铬铁、金属铬、硼铁、铌铁和钒铁提供专利技术合金的Cr、B、Nb和V的含量，高碳铬铁用来平衡C含量。纯铁可以是电工纯铁、电磁纯铁或工业纯铁。所述方法具体包括如下步骤：(1)Fe-碳酸镧粉末压块准备采用铁粉与碳酸镧粉混合均匀后，模压成粉末压块。碳酸镧粉与铁粉的重量比大致为1:4～19，即形成Fe-3.06～12.16％La的Fe-碳酸镧混合压块。做为稀土La变质的载体。(2)合金配料、熔炼与变质处理按照Fe-Cr-B-C合金的成分要求配比称量好相应原材料后，再添加0.03～0.7％La元素变质。首先将Fe-碳酸镧粉末压块放置于炉底，然后放入铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁。可采用感应炉、真空感应炉等来熔炼制备合金。熔化温度高于1550～1650℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300～1360℃后，用配料总量0.1～0.15％的纯铝脱氧；继续保温静置约5～10分钟。(3)浇铸浇铸温度范围为1260～1320℃。所设计的合金具有深度共晶成分，在普通砂模铸造条件下都能形成非平衡基体组织，如非晶、纳米晶或马氏体组织。由于所设计的合金为共晶成分，熔体具有很好本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳酸镧增韧高硬合金，其特征在于：合金各元素的质量百分含量为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，La：0.03～0.7，S、P：≤0.01，余量为Fe；其中C、B总质量百分含量为：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb、V的总总质量百分含量为：0.5～1.0。

【技术特征摘要】
1.一种碳酸镧增韧高硬合金，其特征在于：合金各元素的质量百分含量为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，La：0.03～0.7，S、P：≤0.01，余量为Fe；其中C、B总质量百分含量为：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb、V的总总质量百分含量为：0.5～1.0。2.如权利要求1所述的碳酸镧增韧高硬合金的铸造和热处理方法，其特征在于所述方法具体包括如下步骤：(1)Fe-碳酸镧粉末压块准备采用铁粉与碳酸镧粉混合均匀后，模压成粉末压块，碳酸镧粉与铁粉的重量比为1:4～19，即形成Fe-3.06～12.16％La的Fe-碳酸镧混合压块，做为稀土La变质的载体；(2)合金配料、熔炼与变质处理按照Fe-Cr-B-C合金的成分要求配比称量好相应原材料后，再添加0.03～0.7％La元素变质：首先将Fe-碳酸镧粉末压块放置于炉底，然后放入铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁，采用感应炉熔炼制备合金，熔化温度为1550～1650℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300～1360℃，用配料总量0.1～0.15％的纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，吴若晴，熊落保，袁佩，刘浪飞，卢静，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43