专利名称：一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属耐磨材料技术领域，主要涉及的是一种高碳高硼耐磨合金及其 制备方法。
背景技术：
目前广泛4顿的金属耐磨材料有高锰钢；中、低合金钢；高铬織；高速钢。 这些材料都不同程度的解决了金属不耐磨的问题，但又各自存在着不同程度的缺 陷
;0^f周知，高锰钢只有在高硬度磨料强冲击、高应力作用下才具有高的耐磨性， 并且韧性好，安全性能好。但在中低硬度磨料、低应力作用下，高锰钢并不耐磨， 因此使用上受到限制。
中、低合金钢具有舰的韧性，在低应力下比高锰钢耐磨，但其淬透性差，因 而耐磨性较差。
高铬铸铁是国内外公认的耐磨性较好的材料，也是使用比较普遍的耐磨材料。 但高铬铸铁合金元素含量高，因而其成本也较高，而且存在韧性不足的缺限。
高速钢中含有大量硬度更高的碳化物，耐磨性可比高铬铸铁的提高3 5倍。 但由于成本高，希IJ紅艺复杂， 一般只用于制造刀具车L辊等割牛，因此，很难大范 围推广。
以硼化物为硬质相的金属耐磨材料的研究主要有
(1)前苏联专利号为SU1， 447， 926的一种"高强度和高冲击韧性高硼合金 制造方法"，其成分为0. 2-0. 5%C， 2.1-3.5%B， 0.15-0. 60%Si， 0. 25-0. 8%Mn，0. 2-0. 8%Sb，该合金组成中含有较多的锑，将显著增加高硼合金的生产成本。
(2) 前苏联专利号为SU1， 581， 771的"一种高硼合金"，它是具有高硬度和高 耐磨性还保留有较好韧性的用于铸造的高硼合金，其成分为0. 2-0. ，2.1-3. 5%B， 0.15-0.60Si， 1.5-6.0%Mn， L0-4.0%Co，余量为Fe。这种合金尽管具有优异的耐 磨性能，但加入1.0-4.Wo昂贵的Co，使合金生产成本大幅度提高，含撤多的锰, 会导致淬火组织中残留奥氏体增加。
(3) 前苏联专利号为SU5058116的"一种,高硼铸造合金"，它是用于磨损和 摩擦工况的铁基高硼铸造合金，其成分为0.8-1.2%C， 4,0-4.5%B， 0.15-0.6%Si， 4. 0-6. 0%Mn， 1.0-4.0%Co， 5. 0-7. 0%Cr，余量为Fe。这种合金尽管具有优异的耐磨 性能，但加入1. 0-4. 0%昂贵的Co，使生产成本大幅度提高。
(4) 日本专利号为JP10219386的"具有高强度和高韧性的结构高硼合金"，它 的主要合金元素含量为0.03-0.24%C， 0.02-0.50%B， 0.005%N， 0.4Ni， 0.9Cr， 0. 5Mo， 0. 3V， 0. 3Nb， 0. 3Ti和0.1Zr。其抗拉强度达到510-550Mpa。由于C、 B 含量较低，耐磨硬质相硼化物数量少，合金耐磨性差。
(5) 中国专利号为CN624180的"高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法"，其 特征在于高硼铸造條耐磨合金的主要成分是(重*%): 0.15~0. 70% C， 0. 3-1. 9B， 0. 3-0. 8%Cr ， 0.4-0. 8%Si ， 0.6-1. 3Q/Q Mn ， 0.05-0. 20Ce ， 0. 02-0. l(FoLa ， 0.005-0.018%Ca， 0. 04—0.18%K， 0. 08-0. 25%A1， S〈0. 04， P<0. 04，余量为Fe。热 处理后可以获得板条马氏体加高硬度硼化物组成的复合组织，使材料具有较好的综 合性能。但C、 B含量低且硼化物呈连续网状分布，使材料的脆性较大。
(6) 中国专利公开号为CN100999803公开了"一种高硼耐磨辦PI及其制备方法" 其化学成分及其重量百分比为c: 0.10-0.50%, B: 0.8-5.0%， Cu: 0.3-0.6%， Mn: 0.8-2.0%, Cr: 1. 0-2. 5%， Si〈l. 5%, Ti:0.08-0. 20%, Ce: 0. 04—0,12%,Mg:O. 02-0.18%,N: 0. 06-0.18%, S〈0. 05%, P<0. 05%，余量为铁。其中C含量为0.1-0. 5%使基体硬 度较低，因而耐磨性不足。
(7) 中国专利公开号为CN101016603公开了 "一种含颗粒状硼化物的高硼辦冈 及其制备方法"，其化学成分及重量百分比为C: 0.15-0.45%， B: 0.75-2.7%， Ti: 0. 34-1. 50%， Cr: 0.80-1. 20%, Si: 0. 50-1. 50%， Mm 0. 50-1. 50%, Ce: 0. 04-0.12%， Al: 0.08-0.20%， Ca: 0.03-0.10%， N: 0.01-0.06%， P<0.05%， S〈0.05%，余量为 Fe:其中，B/C二5.0"6.0， B/Ti二L 8-2. 2。其中C含量为0.15-0. 45%使基体硬度较 低，因而耐磨性不足。
(8) 中国专利号为CN1804091公开了 "铸造高硼耐磨合金的韧化方法"其特征 在于铸造高硼耐磨合金的化学成分是0.3-0.35%C， 1.0-1.5%B， 0.6-0.8%Si， 0, 8-1. 0%Mn， S<0. 04%， P<0. 04，余量为Fe。其中B含量仅为1. 0-1. 5%，高硬度的 硼化物数量不足，从而使材料不耐磨。
(9) 东北大学学报，2004， 25(3): 247-249刘常升，崔虹雯，陈岁元的"高硼 钢的组织与性能"，它报道了用真空感应炉制备硼分布均匀的高硼合金钢，确定了
高硼钢热轧成形的合理工艺参数。其研制的材糊朋^S小于i. o%， m量很低，静
态力学性能指标o b、 o s、 S 、 W、 Ak可分别达到670MPa、 540 MPa、 23%、 25%和150J。 这种合金采用压力加工方法成形，工艺錢倉撫高，而且硬度值很低，主要用做辐 射屏蔽材料，无法用于制造耐磨材料。
(10) 北京机械工业出版社2002， 510-512张伯明主编的,手册，,巻第2 版报道了一种"以硼为主要合金元素的含硼白口铸铁"，合金成分为2. 2-2. 4%C， 0.4-0.55%B， 0. 5-0. 7%Mo， 0. 8-1. 2Cu， 0.9-1.6Si， 0. 5-1. 2Mn。这种合金中含有较 多的碳和硼，合金组织中含有很多碳化物和硼化物，因此硬度高达到63-65HRC,耐 磨性好，但脆性大，韧性低，冲击韧性仅有3. 3-4. lj/cm2，而且这种合金中价格昂贵的钼和铜含量较高，生产成本高。
发明内容
本发明目的在于公开一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法。解决金属耐磨材料 耐磨性的问题，在提高材料硬度的同时保证其韧性，并有效降低制造成本。
本发明实1U:述目的采取的技术方案是高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重 量百分比为C: 1. 0-1. 8%， B:3.8-6. 5%， Mo:O. 3-0. 8%， Ni:O. 3-1. 0%， Cr:O. 3-2.0%， Mn:0.5-1.0%, Si :0.5-1.0%, S<0. 05%， P<0. 05%,余量为铁。
高碳高硼耐磨合金的制备方法是
(1) 用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉 中熔化，然后加入A1(0.1-0.3%)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；
(2) 为了解决硼化物网状分布导致韧性差的问题，对合金液进行变质处理。 针对合金特点，选彌土、钒和铌(或稀土和钒、稀土和铌的组合)作为顿剂， 预先在浇包中方M占合金液重量0.2-0. 8%的变质剂，对合金自行变质处理，然后 出炉浇注。出炉温度1540-1600°C，浇注温度1420-148(TC。
(3) 冷却形成铸件后热处理工艺为淬火900-1100°C (水淬或油淬)，然后 200-550'C空冷回火。得到基体为马氏体的显微组织。
为了提高金属材料的耐磨性，需保证有高强韧性的基体与一定数量的硬质相。 本发明中，高的i^量可以形成良好的高硬度板条状马氏体基体，增加硼含量可以 形成大量的高硬度硼化物硬质相，因此，高碳高硼耐磨合金具有良好的耐磨性。为 了保证其韧性，采用稀土变质处理。加入一定量的稀土可以细化晶粒，提高其韧性。 为了提高淬透性，设计加入了微量的Mo、 V和Nb。采用合理的热处理工艺，可以提 高硬度、韧性等综合性能。
本发明具有以下特点(1)高硬度的硼化物均匀分布在马氏体基体上，具有良好耐磨性及韧性。(2)我国有大量的硼资源，硼铁很廉价，因而高碳高硼耐磨合金 生产成本很低。(3)生产工艺简单，可大量推广应用于各种耐磨件。本发明"高碳高硼耐磨合金"的成分配比依据是C:在金属耐磨材料中C主要用来提高基体硬度，C过低会导致基体硬度不足， 而使耐磨性不足，C过高会导致材料脆性大，而韧性不足，所以本发明C含量设计 为1.0-1.8%。B:高碳高硼耐磨合金的凝固组织是由基体和硼化物组成。硼化物显微硬度范 围为1200-2056HV，由实验得知，随着B含量由0. 72%增加到5. 64%，以硼化物为主 的硬质相的面积分数由14. 5%增加到63%，随着B含量的增加，合金的硬度由27. 9HRC 增加到53HRC,因此本发明B含量设计为3. 8-6. 5%。Mo、 Ni:在金属耐磨材料中Mo、 Ni可以提高淬透性，使材料表层与芯部都具有 良好的硬度。本发明Mo含量设计为0. 3-0. 8%， Ni含量设计为0. 3-1. 0%。Cr:本发明中Cr部分固溶于基体，提高基体硬度，部分置换硼化物中的Fe原 子，形成复合硼化物，稳定硬质相。此外，Cr还可提高材料的淬透性。但Cr含量 过高会使材料脆性加大，综合考虑Cr含量设计为0. 3-2. 0%。Mn:高碳高硼耐磨合金中加AM量的Mn可以提高铸件淬透性，但过量的Mn会 增加基体中奥氏体量，导致基体硬度降低、不耐磨，因此本发明Mn含量设计为 0. 5-1. 0%。Si:高碳高硼耐磨合金中加入适量的Si可以提高基体硬度，但过量的Si会导 致材料脆性大，因此本发明Si含量设计为0. 5-1. 0%。S、 P是铸造中的有害元素，但又不可避免的会带入到合金熔液中，因此只能控 制S〈0.05呢，P<0.05%。稀土、钒、铌由实验得知，加入高质齐IJ顿，可以使细化初顿粒状硼化物， 使共晶硼化物网络状断开，提高材料的韧性。在金属耐磨材料中钒、铌可以提高淬 透性，使材料表层与芯部都具有良好的硬度、但由于钒、铌的价格高，因此，以节 省成本、提高淬透性，仅加入微量的钒、铌。本发明把钒、铌与稀土一剁故为顿剂加入，含量为浇包中合金液重量的0. 2-0. 8%。
具体实施方式
实施例1本实施例所说的高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为C: 1.05%， B:4.0%， Mo:0.5%， Ni:0.5%， Cr:1.5%， Mn:0.8%， Si :0.6%， S<0.05%, P<0.05%， 余量为铁。高碳高硼耐磨合金的帝恪方法是(1)用中z鹏炼炉将配好的材料按顺序靴， 先将除硼铁以夕卜的材料加入炉中熔化，然后加入A1(0.29()占铁水量)脱氧，然后再按 成分配比加入硼铁熔化；(2) 预先在浇包中加入占合金液重量0. 8%的稀土、钒、fgiS行，处理，然 后出炉浇注。出炉温度1540。C,浇注温度1450。C。(3) 冷却形成铸件后热处理工艺为淬火100(TC油淬，然后350'C空冷回火。 实施例2本实施例所说的高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为C: 1.5%， B:5.0%， Mo:0.4%， Ni:0.5%， Cr:1.0%, Mn:O. 7%， Si:0.6%， S<0.05%， P<0.05%，余量为铁。高碳高硼耐磨合金的制备方法是(l)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序MI七， 先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入A1 (0.3%占铁水量)脱氧，然后再 按成分配比加入硼铁熔化；(2) 预先在浇包中加入占合金液重量0. 2%的稀土、钒进行变质处理，然后出 炉浇注。出炉温度1550。C，浇注温度1430。C。(3) 冷却形成铸件后热处理工艺为淬火105(TC水淬，然后25(TC空冷回火。 实施例3本实施例所说的高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为C: 1.7%， B:5.5%， Mo:0.5%， Ni:0.8%， Cr:2.0%， Mn:0.5%， Si:0.8%， S<0.05%， P<0.05%，余量为铁。高碳高硼耐磨合金的制备方法是(1)用中频熔炼炉将配好的材料按顺序谢七， 先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1%占铁水量)脱氧，然后再按 成分配比加入硼铁熔化；(2) 预先在浇包中加入占合金液重量0. 5%的稀土、,行，处理，然后出 炉浇注。出炉温度1580。C，浇注温度148(TC。(3) 冷却形成铸件后热处理工艺为淬火900油淬，然后550'C空冷回火。
权利要求
1、一种高碳高硼耐磨合金，其特征在于高碳高硼耐磨合金的化学成分及其重量百分比为C1.0-1.8％，B3.8-6.5％，Mo0.3-0.8％，Ni0.3-1.0％，Cr0.3-2.0％，Mn0.5-1.0％，Si0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。
2、 一种生产如权利要求1所述的高碳高硼耐磨合金的制备方法，其特征在于:(1) 用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉 中熔化，然后加入Al(0.1-0.3Q/。)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；(2) 预先在浇包中方j(A占合金液重量0. 2-0. 8%的，剂，对合金液进行， 处理，然后出炉浇注，出炉温度1540-160(TC，浇注温度1420-1480°C;(3) 冷却形成铸件后热处理工艺为淬火900-110(TC (水淬或油淬)，然后 200-55(TC空冷回火。
全文摘要
本发明公开了一种高碳高硼耐磨合金及其制备方法。高碳高硼耐磨合金的主要成分为C1.0-1.8％，B3.8-6.5％，Mo0.3-0.8％，Ni0.3-1.0％，Cr0.3-2.0％，Mn0.5-1.0％，Si0.5-1.0％，S＜0.05％，P＜0.05％，余量为铁。制备工艺用中频熔炼炉将配好的材料按顺序熔化，先将除硼铁以外的材料加入炉中熔化，然后加入Al(0.1-0.3％)脱氧，然后再按成分配比加入硼铁熔化；预先在浇包中放入占合金液重量0.2-0.8％的变质剂，对合金液进行变质处理，然后出炉浇注，出炉温度1540-1600℃，浇注温度1420-1480℃；冷却形成铸件后热处理工艺为淬火900-1100℃(水淬或油淬)，然后200-550℃空冷回火。本发明具有耐磨性好，成本低，生产工艺简单，可大量推广应用于各种耐磨件。
文档编号C21D1/18GK101240404SQ20081004936
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者刘赛业, 张国赏, 徐流杰, 懂占武, 李保元, 李继文, 赵举峰, 魏世忠 申请人:河南科技大学