一種Fe?W?Mo?Cr?B系耐磨耐蝕合金及其制備方法

一種Fe?W?Mo?Cr?B系耐磨耐蝕合金及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于合金材料技術領域，公開了一種Fe?W?Mo?Cr?B系耐磨耐蝕合金，其各合金元素及其含量為：6.0?8.0％W，4.0?6.0％Mo，3.0?4.0％Cr，3.0?3.5％B，余量為Fe；合金的晶型為體心立方結構，其晶胞參數為本發明還公開了一種Fe?W?Mo?Cr?B系耐磨耐蝕合金的制備方法，包括以下步驟：步驟1，按照相應的比例取純度大于99.99％的W粉，Mo粉，Cr粉，B粉和Fe粉，混合均勻；步驟2，將步驟1得到的混合粉末同時進行攪拌、熔煉，得到合金熔體；步驟3，當合金熔體溫度達到1600?1620℃時，將合金熔體進行澆鑄、冷卻，合金熔體冷卻速率為5?10K s?1；步驟4，當合金熔體冷卻至1100℃時保溫3?5h后淬火，再加熱至220?260℃后保溫6?8h，之后自然冷卻至室溫，得到成品，步驟1?3都是在惰性氣體條件下進行的。本發明制備的Fe?W?Mo?Cr?B系耐磨耐蝕合金硬度高、強度高、沖擊韌性好。
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于合金材料技術領域，具體涉及一種Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金及其 制備方法。 一種Fe-W-Mo-Gr-B系耐磨耐蝕合金及其制備方法
【背景技術】
[0002] 鋼基材料具有熔煉工藝簡便，生產成本低廉等特點，受到了廣大用戶的青睞，但 是，單一的鋼鐵材料硬度低，耐磨性差，使用壽命短。金屬硼化物具有高熔點、高硬度、耐磨 性、化學穩定性和耐磨蝕性能等優異的綜合性能，是繼金屬碳化物和氮化物之外很具有應 用前景的硬質耐磨材料。將金屬硼化物引入鋼基材料中，是改善鋼基材料耐磨損性和耐腐 蝕性的有效途徑。
[0003] 目前的研究主要是將硼元素加入低合金元素含量的Fe-C或Fe-Cr-C合金中，生成 Fe2B或(Fe，Cr)3(B，C)等硼碳化物強化相，但其制備出的合金性能還是偏低，其宏觀硬度最 高只能達到66HRC，抗拉強度最高只能達到730Mpa，沖擊韌性最高只能達到22J/cm 2。而且根 據檢索，對于鋼基材料而言，66HRC的宏觀硬度已經是極限值，要想增加一個微小的數值都 極其困難。
[0004] 公開號為CN103643134A的中國發明專利公開了一種硼化物顆粒強化Fe-B-C合金 及其制備方法，其化學組成及其質量分數是:0.28~0.50%C，0.8~1.8%B，0.3~0.5%Al， 0.5~1.0%510.6~1.0%]?11，1.2~1.5%〇,5〈0.04%，？〈0.05%，余量卩6，最后形成的合 金硬度最高只能達到61.7HRC，抗拉強度最多只能達到755Mpa，沖擊韌性最多只能達到 16.9J/cm 2。公開號為CN104593700A的中國發明專利公開了一種原位合成硼碳化物顆粒增 強鋼基抗磨的復合材料，其成分及質量分數為:〇. 6-0.7%C，0.5-0.6 %B，1.0-1.2 % V，1. 丁〇，111〈0.5%，3〈0.03%，？〈0.04%^6余量，最后形成的合金硬度最高只能達到61邢(：，沖擊 韌性最多只能達到21.9 J/cm2。公開號為CN104975218A的中國發明專利公開了一種鑄造含 鉻Fe-B合金及其制備方法，采用質量分數88~90%的Q235廢鋼、8~10%的氮化錳鐵、1.2~ 1.5%的鈦鐵和0.5~0.8%的金屬鋁等原材料熔煉、鑄造而成，最后形成的合金硬度最高只 能達到65.7HRC，抗拉強度最多只能達到735Mpa，沖擊韌性最多只能達到16.5J/cm 2。
[0005] 上述方法都僅是采用粉末冶金法或者制備局部增強鋼鐵復合材料，對于高鉻、鉬、 鎢合金含量的高硼鋼及其制備還未見報道。

【發明內容】

[0006] 本發明意在提供一種Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金及其制備方法，以解決現有鋼 鐵合金硬度低、強度低、沖擊韌性差的技術問題。
[0007] 本發明提供的基礎方案一，一種Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，其各合金元素及 其含量為:6.0-8.0%W，4.0-6 ·0%Μ〇,3· 0-4.0%Cr，3.0-3.5%B，余量為 Fe;合金的晶型為 體心立方結構，其晶胞參數為a=t)=c^:2:.8:00-3.1001。
[0008] 本發明中的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金是以硼化鉻、硼化鎢和硼化鉬等做為強 化相，硼化鉻、硼化鎢和硼化鉬相比于鐵硼碳化合物而言，具有更好地耐磨性、化學穩定性 和耐磨蝕性能。此外，媽硼化合物在高溫環境下還可以原位生成自潤滑相WO 3、B2O3，WO3、B2O 3 具有優異的減磨耐磨性能。因此將鉻、鉬和鎢的硼化物在鋼鐵中原位生成對增強鋼鐵的性 能有較大的促進作用，再加上特定的配比，使得本發明的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中 硼化物陶瓷顆粒與鋼鐵界面結合良好，顆粒增強相組織致密，體積百分數高，具有較高的硬 度、強度和沖擊韌性，實驗證明，本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的硬度可突破66HRC 的極限值，最高可達68HRC，而抗拉強度最高可達1250Mpa，沖擊韌性最高可達26J/cm2。
[0009] 優選方案一:基于基礎方案一，其各合金元素及其含量為:7.6 % W，4.9 %Mo，3.5 % Cr，3.2%B，余量為 Fe。
[0010] 優選方案二:基于基礎方案一，其各合金元素及其含量為:6.8 % W，5.5 %Mo，3.2 % Cr，3.1%B，余量為 Fe。
[0011] 優選方案三:基于基礎方案一，其各合金元素及其含量為:6.2 % W，5.8 %Mo，3.8 % Cr，3.5%B，余量為 Fe。
[0012] 本發明提供的基礎方案二，一種Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的制備方法，包括 以下步驟：
[0013]步驟1，按照相應的比例取純度大于99.99 %的W粉，Mo粉，Cr粉，B粉和Fe粉，混合均 勻；
[0014] 步驟2,在惰性氣體條件下，將步驟1得到的混合粉末同時進行攪拌、熔煉，得到合 金熔體；
[0015] 步驟3,在惰性氣體條件下，當合金熔體溫度達到1600-1620°C時，將合金熔體進行 澆鑄、冷卻，合金熔體冷卻速率為5-10K S+1;
[0016] 步驟4，在惰性氣體條件下，當合金熔體冷卻至1100 °C時保溫3_5h后淬火，再加熱 至220-260 °C后保溫6-8h，之后自然冷卻至室溫，得到成品。
[0017]采用上述基礎方案，步驟1采用純度大于99.99%的原料粉末，避免引入過多的C元 素，形成碳化物，降低硼化物的比例，碳化物的性能比硼化物的性能要低，如果攝入過多的C 元素會影響整個合金的性能。
[0018]步驟2在惰性條件下進行熔煉，由于粉末粒度較細，比表面積較大，表面能較大，在 高溫環境下遇空氣容易氧化，甚至燒損變質，導致無法制備出合格的合金產品，而在惰性條 件下進行熔煉，則可避免這種情形的發生；在熔煉的過程中進行攪拌，一方面可以細化組 份，另一方面可避免偏析。
[0019]步驟3合金熔體冷卻的速率控制在5-10K s-1，以保證結晶晶粒細化、均勻。
[0020]步驟4合金熔體經過淬火和回火后，性能更優異。
[0021 ]采用本發明制備方法制備出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金具有較高的硬度、強 度和沖擊韌性。
[0022]以下是基于基礎方案二的優選方案：
[0023]優選方案一:基于基礎方案二，所述步驟1中各粉末的粒度為200-300目。粉末粒度 過大，熔體到粉末內部的距離長，粉末不易熔化，熔煉所需的時間更長，能耗更大;而由于粉 末表面在熔煉之前本身吸附有一定的氧分子，若粉末粒度過小，粉末會因為這些氧分子氧 化、燒損。
[0024] 優選方案二:基于優選方案一，所述步驟1中粉末混合采用行星式球磨機混合，其 中球料比為10-15:1，球磨時間至少2h。采用球磨的方式進行混合，在混合的同時，還可以細 化粉末顆粒。
[0025] 優選方案三:基于優選方案一或優選方案二，所述步驟3中采用水冷銅模澆鑄。水 冷降溫速率快，而銅模的導熱系數大，兩者協同能實現5-10K ?Γ1的冷卻速率。
【附圖說明】：
[0026]圖1是本發明實施例一制備的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的微觀組織圖；
[0027]圖2是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相(Cr，Fe) 2Β的晶體結 構示意圖；
[0028]圖3是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相(Cr，Fe)B的晶體結構 示意圖；
[0029] 圖4是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相(Cr，Fe)B4的晶體結 構示意圖；
[0030] 圖5是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相Mo2FeB2的晶體結構示 意圖；
[0031] 圖6是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相MoFe2B4的晶體結構示 意圖；
[0032]圖7是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相(Mo，W)B2的晶體結構 示意圖；
[0033]圖8是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相(Mo，W)B的晶體結構 示意圖；
[0034]圖9是本發明Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中硼化物增強相(Mo，W)B4的晶體結構 示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面通過【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明：
[0036]實施例一至實施例十三中各原料含量如表1所示，各工藝參數如表2所示：
[0037]表 1

[0042]以實施例一為例來具體說明本發明一種Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的制備方 法，包括以下步驟：
[0043] 步驟1，按照以下比例取純度大于99.99 %的粉末：7.6 % W粉，4.9 %Mo粉，3.5 % Cr 粉，3.2 % B，80.8 % Fe粉，粉末的粒度為200-300目，將所有粉末放入至球磨罐中用行星式球 磨機進行球磨混合，其中球磨機的轉速為320r/min，球磨機的球料比為10:1，球磨時間為 2h；
[0044] 步驟2,將步驟1得到的混合粉末取出，放入至真空電弧熔煉爐的銅坩堝中，充入氬 氣保護氣體，對混合粉末進行熔煉，在熔煉的同時，通過電磁攪拌對熔體進行處理，使熔體 完全均勻化，同時細化析出相和基體組織，得到合金熔體；
[0045] 步驟3，當合金熔體溫度達到1600°C時，將合金熔體采用水冷銅模進行澆鑄、冷卻， 合金熔體冷卻速率為5K ?Γ1;
[0046]步驟4,當合金熔體冷卻至1100°C時保溫3h后油冷淬火，將油冷淬火后的合金再加 熱至225°C后保溫6h，之后隨爐冷卻至室溫，得到Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金成品。
[0047]實施例二至實施例十三的制備方法的不同之處在于原料粉末的含量和工藝參數， 其余與實施例一相同。
[0048]上述實施例制備出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，晶型結構為體心立方結構， 各個實施例的晶胞參數如表3、表4、表5所不：
[0049]表 3
[0055] 實施例一制備出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，其微觀組織如圖1所示，本發明 制備的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的增強相是鎢、鉬、鉻的硼化物，而現有技術的合金中 都是以鐵硼碳化合物做為增強相，鎢、鉬、鉻的硼化物相較于鐵硼碳化合物而言，具有更好 的耐磨性、化學穩定性和耐磨蝕性能，因此，由鎢、鉬、鉻的硼化物強化的合金性能更好。上 述實施例制備出的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金中，硼化物增強相包括了（Cr，Fe) 2B、（Cr， Fe)B、（Cr，Fe)B4、M〇2FeB2、MoFe2B4、（Mo，W)B2、（Mo，W)B、（Mo，W)B4,各個實施例中各個硼化物 增強相的晶體結構如圖2至圖9所示，晶胞參數如表6、表7所示：
[0056] 表6

[0061] 實驗：
[0062] 將實施例一至實施例十三制得的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金成品在同等的條 件下做力學性能測試，結果如表8所示：
[0063] 表 8

[0066] 綜上所述，本發明制備的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金性能較好，其硬度、強度和 沖擊韌性均比現有鋼鐵合金要強；當W粉含量:Cr粉含量=2:1時，合金性能最好，而且此時 Mo粉的用量少，節約成本。
[0067] 對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以作出若干變 形和改進，這些也應該視為本發明的保護范圍，這些都不會影響本發明實施的效果和專利 的實用性。
【主權項】
1. 一種Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，其特征在于，其各合金元素及其含量為：6.0- 8.0%W，4.0-6.0%Mo,3.0-4.0%Cr，3.0-3.5%B，余量為化；合金的晶型為體屯、立方結構， 其晶胞參數為;-1二!-戶(-:二2. 800-3. 100Λ。2. 根據權利要求1所述的化-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，其特征在于，其各合金元素及 其含量為：7.6%￥，4.9%1〇,3.5%化，3.2%8，余量為化。3. 根據權利要求1所述的化-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，其特征在于，其各合金元素及 其含量為:6.8%￥，5.5%]?〇,3.2%化，3.1%8，余量為化。4. 根據權利要求1所述的化-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金，其特征在于，其各合金元素及 其含量為:6.2%￥，5.8%]?〇,3.8%化，3.5%8，余量為化。5. 根據權利要求1-4所述的任意一 Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的制備方法，其特征 在于，包括W下步驟： 步驟1，按照相應的比例取純度大于99.99 %的W粉，Mo粉，化粉，B粉和化粉，混合均勻； 步驟2,在惰性氣體條件下，將步驟1得到的混合粉末同時進行攬拌、烙煉，得到合金烙 體； 步驟3,在惰性氣體條件下，當合金烙體溫度達到1600-1620°C時，將合金烙體進行誘 鑄、冷卻，合金烙體冷卻速率為5-10K s^; 步驟4，在惰性氣體條件下，當合金烙體冷卻至1050-1150°C時保溫3-化后，油冷澤火， 再加熱至220-260°C后保溫6-化，之后自然冷卻至室溫，得到成品。6. 根據權利要求5所述的化-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的制備方法，其特征在于，所述 步驟1中各粉末的粒度為200-300目。7. 根據權利要求6所述的化-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的制備方法，其特征在于，所述 步驟1中粉末混合采用行星式球磨機混合，其中球料比為10-15:1，球磨時間至少化。8. 根據權利要求6或7所述的Fe-W-Mo-Cr-B系耐磨耐蝕合金的制備方法，其特征在于， 所述步驟3中采用水冷銅模誘鑄。
【文檔編號】C22C33/04GK106086664SQ201610605778
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610605778.4, CN 106086664 A, CN 106086664A, CN 201610605778, CN-A-106086664, CN106086664 A, CN106086664A, CN201610605778, CN201610605778.4
【發明人】馮晶, 種曉宇, 蔣業華, 周榮
【申請人】昆明理工大學