一种高硬度FeCrBC合金的铸造与热处理方法技术

一种高硬度FeCrBC合金的铸造与热处理方法，合金元素含量为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小于0.3，余量为Fe，C、B的总含量：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb、V的总含量：0.5～1.0。按元素含量配好原料，采用感应熔炼和铸造，熔炼温度1450～1500℃，浇铸温度1250～1300℃；将铸件加热保温后放入5～15％的盐水或碱水淬火冷却，回火处理。本发明专利技术制备的FeCrBC合金硬度为64～67HRC，冲击韧性7.8～10.2J/cm

A Casting and Heat Treatment Method for High Hardness FeCrBC Alloy

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度FeCrBC合金的铸造与热处理方法
本专利技术属于高硬度的耐磨铸铁领域，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铸铁及其制备方法，可广泛用于电力、冶金、机械、化工、矿山、交通等行业中机械耐磨件制造。技术背景FeCrBC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：(10)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。该方法在制备大尺寸规格(厚度大于30mm)和形状复杂铸件时，会出现热应力裂纹，并且有硬度分布不均匀的现象。在大型雷蒙磨床、矿石破碎机、渣浆泵等设备中使用的磨球、衬板、锤头、齿板、过流件、叶轮等耐磨件，体积庞大，形状复杂，因此专利文献1所采用的工艺方法限制了该合金的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高硬度FeCrBC合金的铸造与热处理方法，该合金以Fe2B或M2B硬质相为硬质相，基体为多元过饱和固溶体、马氏体等非平衡相，具有良好的韧性和高硬度、高耐蚀性，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FeCrBC合金，含Fe、Cr、B、C、Nb、V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，Si的含量小于0.07，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。首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度高于1450～1500℃，使得纯铁、金属铬等添加原料充分熔化；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1250～1300℃时，迅速浇铸合金。为了避免发生热应力开裂，铸造完后开模温度要低于200℃，自然冷却。由于合金主要成分为FeCrBC共晶，熔体的流动性很很好，因此可通过各种方法铸造成型，如通过普通砂型模铸造、熔模铸造或消失模铸造。然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为950～1050℃，保温时间为1～4h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入5～15％的盐水或碱水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。淬火冷却完成后，在200～250℃回火处理2～4h,自然冷却。经过上述淬火后，制备的FeCrBC合金的硬度为64～67HRC，冲击韧性7.8～10.2J/cm2，抗弯强度760MPa～1230MPa。与专利文献1相比，虽然硬度略有降低，但冲击韧性和抗弯强度得以大幅度提升，并可用于生产大尺寸或形状复杂的耐磨铸件。铸造FeCrBC合金的组织主要由硬质相(Fe2B或M2B等)和基体相(α或马氏体相)组成。合金的硬度主要取决于硬质相的体积比，即硬质相越高，材料的硬度越大。但是硬质相过多，基体相的数量不足，强度下降，会导致整体硬度下降、韧性不足。因此，除了硬质相与基体相的比例是决定因素外，基体相的特性也很重要。采用专利文献1的方法制备合金时，当尺寸较大时，凝固过程温度分布不均匀，使得基体相的分布和性质在铸件的不同部位产生差异，因此容易造成热应力开裂和性能不均匀。通过再加热处理，可以使铸件整体温度均匀，再快速淬火，可获得均质高硬度铸件。当淬火温度低于950℃，硬质相会从基体中析出，使得材料硬度下降，冲击韧性等降低。当淬火温度为950～1050℃时，随着淬火温度升高，硬质相有一部分溶解到基体相中，使得基体相体积分数增加，同时基体相中合金元素含量也提高，淬火后可形成更高硬度的马氏体组织。因而保证整体的硬度和综合性能。当淬火温度高于1100℃，会造成铸件中局部过热、过烧、合金韧性下降。本专利技术的主要特点是采用含有硬质相与基体相的多元共晶合金，铸造成大型、复杂结构的耐磨耐蚀铸件。重点在于通过淬火-回火处理，使得基体相的体积分数增加，而硬质相体积分数减少。造成基体相中Cr、B、C等元素含量提高，使得基体相的由于快冷形成的马氏体相硬度超过了普通马氏体相硬度，达到硬质相与基体相之间的协调能力增强的目的。其结果是使合金的冲击韧性和抗弯强度同时得到提高。本专利技术制造合金的铸造和热处理工艺可用于生产在大型雷蒙磨床、矿石破碎机、渣浆泵等设备中使用的磨球、衬板、锤头、齿板、过流件、叶轮等体积庞大、形状复杂的耐磨件。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1铸件经950℃@4h淬火后的组织图；图3本专利技术实例2铸件经1050℃@1h淬火后的组织图。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.％；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和砂型模铸造，熔炼温度为1500℃，浇铸温度约1300℃。浇铸完后开模温度低于200℃。自然冷却。其金相组织照片见图1。然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为950℃，保温时间为4h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入5％的盐水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在200℃回火处理4h,自然冷却。其金相组织见图2，与图1相比，并没有很大的改变。只是一个基体相的均匀化过程。经过上述淬火-回火处理后，制备的FeCrBC合金的硬度为64HRC，冲击韧性10.2J/cm2，抗弯强度1230MPa。实施例2.选用高碳铬铁、金属铬、硼铁、铌铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.7wt.％；C:0.7wt.％；Nb:0.5wt.％；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和消失模铸造熔炼温度为1450℃，铸温度约1250℃。浇铸完后开模温度要低于200℃。自然冷却。然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1050℃，保温时间为1h。加热升温速度不超过10℃/min。保温结束后，快速将铸件入15％的盐水淬火冷却。冷却过程中应不断搅拌，淬火冷却时间≥30min。然后在250℃回火处理2h,自然冷却。其金相组织如图3所示，基体相略有增加，硬质相有细化现象。经过上述淬火-回火处理后，制备的FeCrBC合金的硬度为67HRC，冲击韧性7.8J/cm2，抗弯强度760MPa。实施例3.选用高碳铬铁、微碳铬铁、硼铁、铌铁和工业纯铁为原料，成分范围如下：Cr：10.0wt.％；B：2.7wt.％；C:0.8wt.％；Nb:0.6wt.％；杂质元素控制见表2。采用感应熔炼和熔模铸造，熔炼温度为1480℃，浇铸温度约1280℃。铸造完后开模温度要低于200℃。自然冷却。然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为1000℃，保温时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高硬度FeCrBC合金的铸造与热处理方法，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，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含量比：0.06～0.08；Nb、V的总质量百分含量为：0.5～1.0，其特征在于包括以下具体过程：首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度高于1450～1500℃，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1250～1300℃时，迅速浇铸合金，并冷却到室温；然后将铸件放入到箱式炉加热，加热温度为950～1050℃，保温时间为1～4h，加热升温速度不超过10℃/min；保温结束后，快速将铸件入5～15％的盐水或碱水淬火冷却，冷却过程中应不断搅拌。

【技术特征摘要】
2018.06.08 CN 20181058994261.一种高硬度FeCrBC合金的铸造与热处理方法，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，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含量比：0.06～0.08；Nb、V的总质量百分含量为：0.5～1.0，其特征在于包括以下具体过程：首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁和纯铁熔化，熔化温度高于1450～1500℃，使得纯铁和金属铬充分熔化；然后降低电炉功率，将熔体...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，卢静，王冠，赵甲正，牟楠，王哲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43