髙韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝的制作方法

專利名稱：髙韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬耐磨材料制造領域，涉及一種含有高硼化物含量的耐磨鋼，特別是高韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝。
背景技術：
目前廣泛應用的耐磨材料主要有三大類①高錳鋼；②低、中合金耐磨鋼；③高鉻鑄鐵。高錳鋼自1882年問世以來，已有100多年的歷史，成為傳統的耐磨材料，得到廣泛的應用。但在使用實踐中發現，高錳鋼的耐磨性是有條件的，只有在沖擊大、應力高、磨料硬的情況下，高錳鋼才耐磨，而且其屈服強度低、易于變形。因此，在許多領域已逐漸為其它耐磨材料所代替。
低、中合金耐磨鋼是以硅、錳為基礎，加入鉻、鉬、鎳以及其它微量元素而發展起來的。其合金系統由成分簡單的單一錳系、硅系、鉻系、鉻錳系到成分復雜的鉻-錳-硅-鉬-鎳-其他微量元素的多元復合系統，該材料具有較好的強韌性，低、中沖擊載荷下的耐磨性優于高錳鋼，但存在淬透性和淬硬性低的不足，因此，其耐磨性較低。
高鉻鑄鐵組織中含有超過20%的高硬度共晶碳化物，具有優異的耐磨性，但存在合金元素含量高，生產成本高，以及高溫熱處理易變形和開裂的不足。普通白口鑄鐵和低合金白口鑄鐵碳化物硬度低，碳化物呈連續狀分布，脆性大，使用中易剝落甚至開裂。開發生產工藝簡單、生產成本低、強度和韌性高、淬透性和淬硬性好的新一代鋼鐵耐磨材料，減少金屬磨損，是耐磨材料產業所一直致力于研究開發的長期課題，對國民經濟具有重要的意義。在目前國內外所開發的金屬耐磨材料中，為了提高材料的強韌性和耐磨性，通常都要加入鎳、鉬、鉻、釩、鎢等合金元素，隨著鉻、鉬、鎳、鎢、釩等合金元素在鋼鐵材料中使用量的不斷增加，價格飛速上漲，供應日趨緊張，導致普通鋼鐵耐磨材料生產成本不斷攀升。
硼是地殼中含量相對豐富的一種元素，是我國富產元素，總貯量占世界第五位。硼元素價格低而且穩定。將其作為合金元素來應用，可以大量節省貴重元素，對工業生產和國防建設都有積極的意義。大量研究發現，微量硼可以顯著增加結構鋼的淬透性，對耐熱鋼有提高高溫強度和蠕變性能的作用，加入不銹鋼和耐熱鋼中可以改善熱加工性能。在白口鑄鐵中加入微量硼還可以細化共晶碳化物，改善碳化物的形態和分布，提高白口鑄鐵力學性能。在工程應用中已經證實，硼加入結構鋼中可以代替一部分或全部鎳、鉻、錳、鉬等，在汽車工業中用硼鋼代替40Cr鋼，其使用壽命不低于鉻鋼，在軋輥中以硼代替部分鎳、鉻、錳、鉬等所
3制造的軋輥其使用壽命比球墨鑄鐵軋輥提高8倍，達到與高鉻鑄鐵相當的壽命，而成本卻低于高絡鑄鐵。近年來，利用硼化物的高硬度和良好的熱穩定性，以硼化物為主要耐磨硬質相的耐磨材料的研究日益受到國內外材料研究工作者的重視，中國發明專利CN1086471報道了以硼為主要合金元素的耐磨堆焊焊條，該焊條采用H08低碳鋼為焊芯，在藥皮中添加大量的碳化硼和少量的釩、鎢、鈮、稀土合金元素，其重量系數為50 100%，堆焊層的硬度可達65 70服C，耐磨性為淬火65Mn鋼的17.38倍。主要用于刮板機中部槽、水輪機葉片、高爐料鐘、螺旋輸送機葉片、鉆桿、擠磚機、挖掘機斗齒等。中國發明專利CN1065689公開了一種鋼鐵表面的滲硼工藝，該滲硼工藝以碳氮共滲液為基鹽，采用以滲硼為主的硼一碳一氮三元共滲工藝。在硼化物層下有較寬的碳氮共滲過渡層，顯微硬度梯度變化緩，鹽浴流動性好，硼化物形成速度快，本工藝可廣泛應用于鋼鐵材料的表面強化處理，使鋼材表面采用滲硼工藝獲得的含硼化物的表面具有有良好的耐磨性。在上述工藝中，由于采用堆焊工藝獲得的含硼化物耐磨層與基體材料結合強度較低，在沖擊磨損工況下已碎裂甚至剝落，且工件在堆焊過程中易產生變形，采用表面滲硼處理工藝獲得的硼化物耐磨層厚度較薄，難以抵抗重載高應力磨料磨損，且僅適用與小型工件。
為了獲得建有良好韌性和耐磨性的金屬耐磨材料，中國發明專利CN1624180公開了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，其特征在于其主要化學成分是(重量％): 0.15 0. 70C，0. 3 1.9B， 0. 3 0.8Cr， 0. 4 0. 8Si， 0. 6 1.3Mn， 0. 05 0. 20Ce， 0. 02 0. 10La， 0. 005 0.018Ca， 0. 04 0. 18K， 0.08 0.25A1， S<0. 04， P<0. 04，其余為Fe;它的熱處理方法是珠光體化預處理、淬火和回火，珠光體化預處理加熱溫度760 820°C，爐冷至小于50(TC后爐冷或空冷；淬火加熱溫度為960 1050°C，隨后以冷卻速度不小于5XVmin快速冷卻，回火加熱溫度為1S0 40(TC，隨后爐冷或空冷；該發明的優點是大幅度提高了合金耐磨性、大幅度減少了鉻合金加入量、生產成本顯著降低、生產工藝簡單、設備通用性強、其綜合性能優于常用的高錳鋼、高鉻鑄鐵和低合金鋼，具有極高的性能價格比。但由于該材料通過熱處理后所獲得的板條馬氏體加高硬度硼化物組成的復合組織中，硼化物呈連續網狀分布，使材料的脆性較大。為了提高高硼耐磨材料的的韌性，中國發明專利CN1804091公開了鑄造高硼耐磨合金的韌化方法，該專利中材料的化學成分為0.30 0.35C， 1.0 1.5B， 0.6 0.8Si， 0.8 1.0 Mn， S<0.04， P<0. 04，其余為Fe、 Ti，其中Ti是由變質劑鈦鐵帶入的。通過在高硼合金中加入鑄造高硼耐磨合金重量的0. 75 1%變質劑鈦鐵合金進行變質處理，然后在通過熱處理工藝進行韌化。韌化熱處理工藝為工件加熱溫度1020 1050°C，保溫時間2 3小時，然后進行淬火或正火，最后回火。經韌化處理后的高硼耐磨合金的共晶硼化物呈
4孤立狀分布于基體中，由于硼化物仍然呈塊狀分布，因此高硼合金的脆性仍然較大，韌性不太高，僅為2.5J，無法滿足重載、沖擊磨損工況下應用。
高硼低碳耐磨模具鋼具有優異的耐磨性能，但由于其韌性的不足使其在重載、高沖擊工況下的應用受到了限制。改善硼化物的形態和分布是改善其韌性的有效手段，與此同時，提高金屬熔體純凈度、細化晶粒，對高硼低碳耐磨模具鋼進行純凈化處理和細化凝固組織的微合金變質處理，使其達到高的強韌性和耐磨性，是實現高硼鋼在重載、沖擊磨損工況下應用的關鍵，對高硼鋼的推廣應用具有重要的意義。

發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術中不足，提供一種高韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝，在低合金鋼中加入較高的硼元素，并加入適量的鈦，使其在金屬基體中合成1.5%一6%的高含量TiB2+Fe2B+ BN+TiN顆粒，加入微量稀土鎂合金和金屬鈰、S^N4和K、 Na堿金屬所組成的復合變質孕育劑對合金進行變質處理，改善硼化物的形態和分布，得到顆粒狀TiB2+Fe2B均勻分布在板條馬氏體基體上的復合組織，為減少金屬熔體中氣體和非金屬夾雜物含量，采用中間包底部吹入惰性氣體攪拌工藝對硼化物耐磨金屬材料精煉，從而獲得高純凈度的金屬材料，可以降低硼化物耐磨金屬材料的脆性，提高其強度和韌性。為提高基體淬透性，還加入適量的銅和猛。為提高和改善硼化物耐磨金屬材料的抗回火穩定性，在材料中加入了適量的鉻，并通過韌化熱處理工藝，使硼化物耐磨金屬材料具有高強度、高硬度和較好的韌性和耐磨性，尤其是韌性得到大幅度提高，滿足了高硼鋼在重載、沖擊磨損工況下的應用。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案是-
本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料中，強化相(TiB2、 Fe2B和BN、 TiN)的體積百分數為15—20%，而各元素的化學成分設計按重量百分比為0.10-0.40。％， 1.90-2.6%B, 0.7-1.4%Ti,1.0-1.6%Cu， 0.5-2.8%Cr， 0.05-0.08%Mg, 0.03-0.25%Ce， 0.04-0.13%K， Si<0.5%, Mn<0.5-1.30%，0.02-0.15 %Ca， 0.02-0.18% N， S<0.03%, P0.04。/o，余量為Fe和不可避免的雜質元素。
本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料的制造工藝步驟是
(1) 將普通廢鋼、銅板、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清后加入硅鐵、錳鐵，爐前調整成
分合格后，將熔體溫度升高至1600—1650。C，插鋁脫氧，然后加入硼鐵和鈦鐵熔化。
(2) 當硼鐵和鈦鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈽、Si3N4和K、 Na堿金屬所組成的復合變質孕育劑用薄鐵皮包好，經200。C以下烘烤后放在鋼水包的底部，將爐內的鋼水倒入鋼水包內進行變質孕育處理。(3) 對將經過包內變質孕育處理過的金屬熔體通過安裝在鋼水包底的透氣磚吹入氬氣對鋼水進行攪拌，以去除夾雜物和氣體，凈化金屬熔體，氬氣吹入壓力為8MPa 20MPa，氬氣流量為8L / min 35 L / min，吹氬時間為3 min 10min，或直接吹入氮氣，使氮與金屬熔體中的鈦、硼、鋁元素反應，生成細小的TiN、 BN、 A1N顆粒，從而可以進一步細化金屬凝固組織，提高金屬材料性能，氮氣吹入壓力為8MPa 20MPa，氮氣流量為10L/min 35 L/min ，吹氮時間為5 min 12min 。
(4) 將經過包內變質孕育處理和吹氬或吹氮處理過的金屬熔體澆注成鑄件，熔體澆注溫度1430—1460。C;
(5) 鑄件清理后，在920—980'C保溫2—4小時，油冷，然后在180—22(TC進行回火處理，回火保溫時間6—10小時，隨爐空冷至室溫。
有益效果
本發明與現有技術相比，具有以下顯著的優點
1) 本發明的高韌性硼化物耐磨金屬材料，增強顆粒相是TiB2、 Fe2B和BN、 TiN顆粒增強相，硬度分別達到2960—3110Hv和1430—1480Hv，且熱穩定性好，高溫熱處理后不軟化、不分解。
2) 本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料，用普通電爐熔煉，工藝簡便，材料中不含價格昂貴的W、 V、 Ni、 Mo等合金元素，生產成本低。
3) 本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料經熱處理后，基體轉變為強韌性好的板條馬氏體，材料具有硬度高，強度、韌性和耐磨性好等特點，其中硬度大于55HRC,抗拉強度大于650Mpa，沖擊韌性大于20 J/cm2。
4) 本發明的高韌性硼化物耐磨金屬材料，在抗磨材料領域使用，使用壽命比高錳鋼提高2—4倍，與高鉻白口鑄鐵相當，生產成本比高鉻鑄鐵降低30%以上，具有良好的經濟效益。
具體實施例方式
下面結合本發明的高韌性硼化物耐磨金屬材料及各元素的化學成分制定依據和發明人給出的實施例對本發明作進一步詳述。
由于TiB2、 Fe2B和BN、 TiN，顆粒增強相硬度高，分別達到2960—3110 Hv和1430—1480 Hv，且熱穩定性好，高溫熱處理后不軟化、不分解。因此本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料選用TiB2、 Fe2B和BN、 TiN為增強相顆粒，且增強相顆粒體積分數控制在15—22% 。
為了保證增強相顆粒為TiB2、 Fe2B和BN、 TiN，且體積分數為15—20%，因此，將B加入少量碳是為了熱處理后獲得強韌性的板條馬氏體基體；加入鉻可以部分進入硼化物，提高硼化物的穩定性，部分進入基體，改善硼化物耐磨金屬材料的淬透性和回火穩定性；加入適量銅是為了改善基體淬透性；加入N是為了與鋼中的Ti、 B化合生成高熔點的TiN和BN，且TiN與Y -Te晶格間具有很低的錯配度，因此強烈的促進形核，可成為結晶核心，使鑄態金屬晶粒細化，有利于硼
化物的細化和均勻分布，本工藝采用Si3N4作為含氮材料，利用Si3N4在高溫中分解時所產生的氮氣作為主要氮源，同時還可以通過鋼水包內吹入氮氣作為氮源，對材料進行加氮；加入微量元素鈰有利于改善鑄態結晶組織，細化晶粒、凈化晶界、去除有害雜質，提高鑄鋼的韌性；鋼中加入適量的鈣可增強脫氧能力，鈣對鋼鐵溶液中夾雜物的變質具有顯著作用，可將硼化物耐磨金屬材料中的長條狀硫化物夾雜轉變為球狀的CaS夾雜，可作為共晶硼化物的異質核心，促進硼化物顆粒的形成，并可顯著降低硫在晶界的偏聚；加入微量的鉀可以明顯降硼化物耐磨金屬材料的初晶結晶溫度和共晶結晶溫度，有助于鋼水在液相線和共晶區過冷，使形核率大大增加；加入微量元素稀土鎂是為了細化組織，改善硼化物形態和分布，提高硼化物耐磨金屬材料的綜合性能。
硼化物耐磨金屬材料的熱處理主要是為了獲得耐磨性好的馬氏體基體，高溫熱處理有利于促進硼化物的顆粒化，并使共晶硼化物的尖角鈍化，促進奧氏體轉變，從而提高材料的韌性。淬火溫度過高，淬火組織中易出現低硬度的殘留奧氏體，并且增加了能耗，延長了熱處理周期，增加了生產成本。硼化物耐磨金屬材料選擇920—980'C保溫2—4小時后，可以獲得馬氏體基體上鑲嵌顆粒狀硼化物的復合組織，使材料具有良好的強韌性和耐磨性。硼化物耐磨金屬材料油冷淬火后，然后在180—22(TC進行回火處理，回火保溫時間6—10小時，隨爐空冷至室溫，主要是為了穩定組織，消除淬火應力，防止材料開裂，同時，通過調整回火溫度，可以獲得綜合性能良好的硼化物耐磨金屬材料。
下面結合發明人給出的實施例對本發明作進一步詳細描述-
實施例
(1) 將普通廢鋼、銅板、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清后加入硅鐵、錳鐵，爐前調整成分合格后，將熔體溫度升高至1600—165(TC，插鋁脫氧，然后加入硼鐵和鈦鐵熔化。
(2) 當硼鐵和鈦鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4和K、 Na堿金屬所組成的復合變質孕育劑用薄鐵皮包好，經20(TC以下烘烤后放在鋼水包的底部，將爐內的鋼水倒入鋼水包內進行變質孕育處理。
G)對將經過包內變質孕育處理過的金屬熔體通過安裝在鋼水包底的透氣磚吹入氬氣對鋼水進行攪拌，以去除夾雜物和氣體，凈化金屬熔體，氬氣吹入壓力為8MPa 20MPa，氬氣流量為8L / min 35 L / min，吹氬時間為3 min 10min，亦可直接吹入氮氣使氮與金屬熔體中的鈦、硼、鋁元素反應，生成細小的TiN、 BN、 AIN顆粒，從而可以進一步細化金屬凝固組織，提高金屬材料性能，氮氣吹入壓力為8MPa 20MPa，氮氣流量為10L / min 35 L /min ，吹氮時間為5 min 12min 。
(4) 將經過包內進行變質孕育處理和吹氬、吹氮處理過的金屬熔體澆注成鑄件，熔體澆注溫度1430—1460。C;
(5) 鑄件清理后，在920 — 980。C保溫2 — 4小時，油冷，然后在180 — 22(TC進行回火處理，回火保溫時間6 — 10小時，隨爐空冷至室溫。
高韌性硼化物耐磨金屬材料中各元素的化學成分見表l，其中S〈0.030,P〈0.04,材料性能見表2。
表1硼化物耐磨金屬材料中各元素的化學成分(重量百分比％)
實施 例CBTiCrCuSiMnMgCeKNCaFe
10.092.491.080.551.570.270.330.080.400.060.040.02余量
20.281.92U90.761.200.240.350.050.590.080.060.05余量
30.172.350.861.51.290290.240.070.650.120.100.07余量
40.252.280.972.81.440.320.280.060.480.130.130.12余量
表2硼化物耐磨金屬材料力學性能
實施例硬度，HRC抗拉強度，MPa沖擊韌性，J/cm2
156.9674.821.9
255.7688.323.5
355.5680.623.9
456.2677.522.7
取本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料制作的錘頭和襯板，在破碎機和球磨機上，進行裝
機使用，結果如下本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料制作的錘頭和襯板，其使用壽命比高
錳鋼提高2 — 4倍，與高鉻白口鑄鐵相當，但生產成本比高鉻鑄鐵降低30%以上。本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料生產工藝簡單，原料來源豐富，不含貴重合金元素，生產成本低廉，推廣應用具有很好的經濟和社會效益。
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權利要求
1、一種高韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝，其特征在于強化相是TiB2、Fe2B和BN、TiN，其體積百分數為15-22％，其金屬材料各元素的化學成分按重量百分比為0.10-0.40C％，1.90-2.6％B，0.7-1.4％Ti，1.0-1.6％Cu，0.5-2.8％Cr，0.05-0.08％Mg，0.03-0.25％Ce，0.04-0.13％K，Si＜0.5％，Mn＜0.5-1.30％，0.02-0.15％Ca，0.02-0.18％N，S＜0.03％，P＜0.04％，余量為Fe和不可避免的雜質元素。
2、 如權利要求1所述的高韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝，其特征在于采用電爐冶煉生產，其工藝步驟是(1) 將普通廢鋼、銅板、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清后加入硅鐵、錳鐵，爐前調整成分合格后，將熔體溫度升高至1600—1650。C，插鋁脫氧，然后加入硼鐵和鈦鐵熔化。(2) 當硼鐵和鈦鐵全部熔化后，將小于12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4 和K、 Na堿金屬所組成的復合變質孕育劑用薄鐵皮包好，經20(TC以下烘烤后放在鋼水包的 底部，將爐內的鋼水倒入鋼水包內進行變質孕育處理。(3) 對將經過包內變威孕育處理過的金屬熔體通過安裝在鋼水包底的透氣磚吹入氬氣對 鋼水進行攪拌，以去除夾雜物和氣體，凈化金屬熔體，氬氣吹入壓力為8MPa 20MPa，氬氣 流量為8L / min 35 L / min，吹氬時間為3 min 10min，亦可直接吹入氮氣使氮與金屬熔體 中的鈦、硼、鋁元素反應，生成細小的TiN、 BN、 AIN顆粒，從而可以進一步細化金屬凝固 組織，提高金屬材料性能，氮氣吹入壓力為8MPa 20MPa，氮氣流量為10L/min 35 L/ min ，吹氮時間為5 min 12min 。(4) 將經過包內變質孕育處理和吹氬、吹氮處理過的金屬熔體澆注成鑄件，熔體澆注溫 度1430—1460。C;(5) 鑄件清理后，在920—980'C保溫2—4小時，油冷，然后在180—220'C進行回火處 理，回火保溫時間6—10小時，隨爐空冷至室溫。
3、 如權利要求1所述的高韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝，其特征在于加氮工藝 采用Si3N4作為材料中的N源材料，或者采用在鋼水包內吹入氮氣作為氮源，以對金屬^^料 進行加氮。
全文摘要
本發明為一種高韌性硼化物耐磨金屬材料及其制造工藝，其強化硬質相是TiB₂、Fe₂B和BN、TiN，強化相的體積百分數為15-22％，其金屬材料各元素的化學成分按重量百分比為0.10-0.40％C，1.90-2.6％B，0.7-1.4％Ti，1.0-1.6％Cu，0.5-2.8％Cr，0.05-0.08％Mg，0.03-0.25％Ce，0.04-0.13％K，Si＜0.5％，Mn＜0.5-1.30％，0.02-0.15％Ca，0.02-0.18％N，S＜0.03％，P＜0.04％，余量為Fe和不可避免的雜質元素。本發明高韌性硼化物耐磨金屬材料利用電爐生產，經熔煉、熔體爐外變質處理和吹氬精煉處理、鑄造和熱處理后，金屬材料的硬度大于55HRC，抗拉強度大于650MPa，沖擊韌性大于20J/cm²，具有優良的綜合性能，用于生產金屬抗磨零件，具有良好的使用效果和良好的經濟效益。
文檔編號C22C38/32GK101624678SQ20091018365
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月14日 優先權日2009年8月14日
發明者剛 丁, 丁家偉, 符寒光 申請人:江蘇新亞特鋼鍛造有限公司