一种Al增韧高硬度耐磨合金及其铸造方法技术

一种Al增韧高硬度耐磨合金及其铸造方法合金，元素含量为Cr：9.0～13.0，B：2.6～2.9，C：0.7～0.9，Al：0.6～1.5％，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn小于0.3，Si小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe。C、B总含量为：3.3～3.6；C/Cr质量比：0.06～0.08；Nb、V的总含量为0.5～1.0。按成分配比称量原料，在1550～1650℃熔炼，降温至1300～1350℃，用纯铝脱氧；1280～1320℃，加入纯铝，浇铸合金。本发明专利技术制备的铸锭硬度HRC68.9～70.2，冲击韧性达到11.6～14.2J/cm2，抗弯强度达到814～966MPa。

【技术实现步骤摘要】
一种Al增韧高硬度耐磨合金及其铸造方法
本专利技术属于高硬度耐磨铸铁领域，涉及一种含超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耐磨铸造合金是以Fe2B或M2B硬质相为硬质相，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。专利文献1：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，因此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2：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2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；对比专利文献1，该类合金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Al增韧高硬度耐磨合金及其铸造方法，该合金以Fe2B或M2B为硬质相，基体为Al元素增韧的高硬度多元过饱和固溶体、马氏体等非平衡相，具有良好的韧性、高硬度和较高的强度指标，熔炼、铸造与热处理工艺性好，具有十分广阔的应用前景。本专利技术选用的高耐磨性、高耐蚀性Fe-Cr-B-C合金为基础合金，再添加0.6～1.5％Al元素。形成含Fe、Cr、B、C、Nb、V、Al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，Al：0.6～1.5％，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn小于0.3，Si小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe。其中C、B的总质量百分含量为：3.3～3.6；C/Cr质量比：0.06～0.08；Nb、V的总质量百分含量为0.5～1.0。Al是钢铁冶炼的终脱氧剂，生产镇静钢时，Al元素的加入量多在0.005～0.05％，通常为0.01～0.03％。Al加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素，Al与N元素反应形成微细的AlN，起到晶界钉扎作用而细化晶粒。Al与Fe元素有很强的结合力，固溶在Fe基体中的Al替代Fe原子的点阵位置，倾向于形成Fe-Al健；少量Al能够稳定高温奥氏体相，降低临界冷却速率而促进马氏体的形成。不过，Al是铁素体形成元素，即在Fe中单独加Al到一定量时会封闭奥氏体相区而形成单一铁素体相区；继续增加会出现L12结构的Fe3Al超结构相或B2结构FeAl相。因此，引入Al元素韧化合金时，Al的含量不宜过高。由于本专利技术中存在大量的Fe2B或M2B为硬质相，其基体相所占的体积比约为50～60％，而加入的Al主要溶于基体相中，因此Al含量应控制在0.6～1.5％，以防形成Fe3Al或FeAl金属间化合物而导致基体脆化。参照专利文献1，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、金属铝和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。具体的熔炼与铸造工艺为：按照成分要求配比称量好相应原材料后，可采用感应炉、真空感应炉等来熔炼制备合金。首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度为1500～1600℃，使得纯铁和金属铬充分熔化；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300～1350℃后，用配料总量0.1～0.15％的纯铝脱氧；继续保温约5～10分钟，待熔体温度为1280～1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250～1300℃。由于所设计的合金为共晶成分，熔体具有很好的流动性很很好，可通过各种方法铸造成型，如普通砂型模铸造或者熔模铸造、消失模铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造、压铸、离心铸造等特殊铸造方法。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。为了促进基体发生非平衡转变，从凝固温度到600℃之间的冷却速度应不低于60℃/分钟，可通过水冷、铁模、模具中放置冷铁等手段实现。但由于发生非平衡转变会造成体积变化，制备大型铸件时由于温度不一致而导致应力开裂现象，因此，铸件应在600～800℃之间解除模具的约束。铸锭后续可采用低于600℃的去应力退火工艺和必要的机加工工序。本专利技术的主要特点是通过多元合金化，形成深度共晶成分，熔点低、流动性好，铸造工艺要求简单。铸锭组织的基体相为具有高硬度的Cr、B、C、Al强化的非平衡组织，硬质相为高硬度的硼、碳化合物，由于Al对基体相的进一步固溶强化作用和晶粒细化作用，铸锭组织更加细密，从而使得硬质相与基体相之间的应力-应变得以协调，在硬度略有提高的前提下，合金的冲击韧性和抗弯强度提高。铸锭平均硬度达到HRC68.9～70.2，冲击韧性达到11.6～14.2J/cm2，抗弯强度达到814～966MPa。附图说明图1本专利技术实例1铸造组织图；图2本专利技术实例4铸件硬质相的EDS图谱及成分；图3本专利技术实例4铸件基体相的EDS图谱及成分。具体实施方式本专利技术的各种熔炼方法、铸造方法不受下述实例的限制，任何在本专利技术的权利要求书要求保护的范围内的改进和变化都在本专利技术的保护范围之内。选用高碳铬铁、微碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁、工业纯铁、纯铝等为原料，在专利技术要求的成分范围内配制成合金。实施例1.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁、纯铝和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr:10.0wt.％；B:2.9wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.4wt.％；V:0.2wt.％；Al:0.6wt.％；杂质元素控制见表2。按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应熔炼和砂型模铸造。具体步骤为：首先将高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁、钒铁和工业纯铁，熔化温度为1600℃；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1300℃后，用配料总量0.15％的纯铝脱氧；继续保温约5分钟，待熔体温度为1320℃时，加入称量好的纯铝；待完全熔化后，迅速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al增韧高硬度耐磨合金，其特征在于：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，Al：0.6～1.5％，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn小于0.3，Si的含量小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe，其中C、B的总质量百分含量为：3.3～3.6；C/Cr质量比：0.06～0.08；Nb、V的总质量百分含量为0.5～1.0。

【技术特征摘要】
1.一种Al增韧高硬度耐磨合金，其特征在于：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，Al：0.6～1.5％，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn小于0.3，Si的含量小于0.07，S、P：≤0.01，余量为Fe，其中C、B的总质量百分含量为：3.3～3.6；C/Cr质量比：0.06～0.08；Nb、V的总质量百分含量为0.5～1.0。2.如权利要求1所述的一种Al增韧高硬度耐磨合金的铸造方法，其特征在于：按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应炉熔炼制备合金，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，闵小兵，严淑群，卢静，刘浪飞，王哲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43