一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法技术

一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法，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。称量原料后在1550～1650℃熔炼；降温至1280～1350℃脱氧处理；1280～1320℃时加入纯铝；再浇铸合金。本发明专利技术制备的铸锭硬度HRC65.4～70.2，冲击韧性达到7.8～14.2J/cm

A Al Toughened High Hardness Alloy and Its Casting and Heat Treatment Method

【技术实现步骤摘要】
一种Al增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法
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的铸造及热处理方法，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。并且，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。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增韧高硬度合金及其铸造与热处理方法，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。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的原料成分不是唯一可选的原料成分，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。纯铁包括电工纯铁、电磁纯铁或工业纯铁，甚至是低碳碳素钢及其边角料。具体的熔炼、铸造与热处理工艺为：(1)熔炼与浇铸工艺；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，熔化温度高于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℃。专利技术合金为共晶成分，熔体具有很好的流动性很很好，通过各种方法都能铸造成型，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。(2)铸造后快冷或缓冷和热处理对于小型和形状简单铸件，铸造后采取快冷，获得具有高硬度的非平衡组织，后续不采取热处理。其工艺为：从凝固温度到600℃之间的冷却速度应不低于60℃/分钟，并在600～800℃之间解除模具的约束。通过水冷、铁模或模具中放置冷铁的手段实现快速冷却。后续可采用低于600℃的去应力退火工艺，以及必要的形状、尺寸精度和光洁度需要的机加工处理。获得的Fe-Cr-Al-B-C合金铸锭的硬度达到HRC68.9～70.2，冲击韧性达到11.6～14.2J/cm2，抗弯强度达到814～966MPa。专利技术合金为深度共晶成分，在普通砂模铸造条件下都能形成非平衡基体组织，如过饱和固溶体、非晶、纳米晶或马氏体组织。但由于发生非平衡转变会造成体积变化，铸锭各部分由于冷却速度不一致而导致应力集中，造成开裂现象，因此铸件需要在600～800℃之间解除模具的约束。对于大型和形状复杂铸件，铸造后需要采取缓冷和热处理。其工艺为：采用普通砂型模铸造、熔模铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造或离心铸造这些较慢冷却的铸造方式铸造。铸造完后随模具冷却，开模温度要低于200℃，随后自然冷却，以避免发生热应力开裂。热处理时需要重新加热，将铸件放入到箱式炉加热，随炉升温，升温速率按照加热炉规程，加热升温速度不超过10℃/min，实际加热速度根据铸件大小确定，加热温度为980～1080℃，保温时间为1～4h。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。然后在200～250℃回火处理2～4h,自然冷却。经过上述淬火-回火处理后，制备的Fe-Cr-Al-B-C合金的硬度为65.4～68.2HRC，冲击韧性7.8～10.2J/cm2，抗弯强度11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al增韧高硬度合金，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】
2018.06.08 CN 201810587994X;2018.06.08 CN 201810581.一种Al增韧高硬度合金，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Al增韧高硬度合金的铸造与热处理方法，其特征在于包括以下步骤：(1)熔炼与浇铸工艺；按照成分要求配比称量好相应原材料后，采用感应炉或真空感应炉来熔炼制备合金：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，曹军，李益民，张林祥，秦健春，薛丽珊，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43