一种钨元素偏聚韧化合金及其铸造与热处理方法技术

一种钨元素偏聚韧化合金及其铸造与热处理方法，合金各元素的质量含量为Cr：9.0～13.0，B：2.6～2.9，C：0.7～0.9，W：1.5～2.8，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，余量为Fe；其中C和B：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb和V：0.5～1.0。将原料在1540～1680℃熔化，再降至1300～1350℃，用纯铝脱氧；保温5～10分钟，在1250～1320℃浇铸合金。本发明专利技术铸锭平均硬度为HRC66.2～71.0，冲击韧性达到12.2～17.9J/cm

A Tungsten Segregation Toughening Alloy and Its Casting and Heat Treatment Method

【技术实现步骤摘要】
一种钨元素偏聚韧化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，涉及一种难熔金属钨元素韧化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铸造、热处理方法，可广泛用于各行业的机械耐磨件制造。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
一种钨元素偏聚韧化合金及其铸造与热处理方法，该合金以Fe2B或M2B为硬质相，添加W元素，在硬质相中偏聚形成SS相，抑制了硬质相晶粒长大，并阻碍硬质相形成连续网状结构；通过热处理，形成多元素过饱和固溶体、马氏体等非平衡相为基体组织。使得合金在保持高硬度的同时，韧性和强度得以大幅度提高，从而具有更广阔的应用前景。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1.2～2.5wt.％W元素。形成含Fe、Cr、B、C、Nb、V、W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，W：1.2～2.5，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn的含量小于0.3，杂质元素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。W是强碳化物形成元素，即W与C的亲和力较大。与Ti(C,N)基金属陶瓷中SS相形成机制相似，W元素会在以Fe2B为主的硬质相中间或附近偏聚，形成化学式类似于(W,Fe)x(B,C),x＝2～3的过渡组织，从而细化硬质相，阻止硬质相形成连续网状结构，或部分隔断硬质相与基体相的直接连接，从而提高合金的韧性和强度。由于W元素比重较大，在熔炼时容易产生宏观偏析，在引入W元素强韧化合金时，W的含量不宜过高，本专利技术W含量应控制在1.2～2.5wt.％范围内。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、钨铁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、钨铁、铌铁和钒铁提供专利技术合金的Cr、B、W、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，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、钨铁和纯铁熔化，熔化温度高于1540～1680℃，使得纯铁、钨铁和金属铬充分熔化；然后降低电炉功率，将熔体温度降至1320～1380℃后，用配料总量0.1～0.15％的纯铝脱氧；继续保温约5～10分钟，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1260～1320℃。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、模具中放置冷铁等手段实现快速冷却。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。所得Fe-Cr-W-B-C合金铸锭硬度达到HRC68.0～71.0，冲击韧性达到12.2～15.6J/cm2，抗弯强度达到1310～1520MPa。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、离心铸造等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。加热温度为950～1050℃，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-W-B-C合金硬度为66.2～67.5HRC，冲击韧性155～17.9J/cm2，抗弯强度1460～1615MPa。步骤(2)所述的铸造完后随模具冷却，从凝固温度到600℃之间铸件表面冷却速度低于3℃/分钟。本专利技术的主要特点是利用W元素与C元素结合力强的特点，从而在高硬度的硼、碳化合物析出的过程中，在这些化合物中间出现形成W元素的偏聚，从而使得连续网状结构得以中断，晶粒细化。使得合金在保持高硬度的同时，冲击韧性和抗弯强度得以提升。附图说明图1本专利技术实例1低倍铸造组织图；图2本专利技术实例2高倍铸造组织图；图3本专利技术实例4铸件金相组织中偏聚相的EDS分析；图4本专利技术实例9低倍铸造组织图；图5本专利技术实例10高倍铸造组织本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种难熔金属偏聚韧化高硬度合金，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，W：1.5～2.8，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总质量百分含量：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。

【技术特征摘要】
2018.06.08 CN 201810588902X;2018.06.08 CN 201810581.一种难熔金属偏聚韧化高硬度合金，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，W：1.5～2.8，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总质量百分含量：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。2.如权利要求1所述的钨元素偏聚韧化合金的铸造与热处理方法，其特征在于：(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，采用感应炉熔炼制备合金，首先将铬铁、金属铬、硼铁、铌铁、钒铁、钨铁和纯铁熔化，熔化温度高于1540～1680℃，使得纯铁、钨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，迅速浇铸合金，浇铸温度范围为1250～1300℃；(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，王冠，刘浪飞，温家飞，黄明初，高翔，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43