专利名称：一种无铬高硼铁基铸造合金及制备方法
技术领域：
本发明涉及金属铸造技术领域，特别是一种无铬高硼铁其铸造合金及其制备方 法。
背景技术：
铬是提高钢铁材料性能的常用元素。近年来，由于资源匮乏，价格飞涨，含铬铁基 铸造合金的应用越来越受到限制。硼作为地壳中富有元素，其在钢铁材料中的作用最近受 到重视。20世纪80年代末，前苏联Egorov和Nevar等先后研究了含硼4. 9 % 5. 1 %、铬 2. 85% 3. 10%、含钴1. 0% 4. 0%的铁碳合金的组织和性能，结果表明，硼元素能有效 提高材料硬度。前苏联专利SU5058116公布的含硼的铁基合金中，含有较多的铬及昂贵的 钴，应用未见报道。上世纪90年代初，澳大利亚Queensland大学材料系的研究人员提出了利用硼在 α -Fe和Y-Fe中的溶解度差异，以高铬合金为基础，开发了耐磨性能优异的铁铬硼合金。 随后，中国的发明专利ZL200410089538. 0公开了一种高硼铸造铁基耐磨合金，其主要化学 成分是(重量％ ) 0. 15 0. 70C，0. 3 1· 9Β，0· 3 0. 8Cr,0. 4 0. 8Si，0. 6 1· 3Mn, 0. 05 0. 20Ce，0. 02 0. IOLa, 0. 005 0. 018Ca，0. 04 0. 18K，0. 08 0. 25A1，S<0. 04， P < 0. 04，其余为Fe。该合金性能优于常用的高锰钢、高铬铸铁和低合金钢，但是合金中含 有Cr、Ce、La等，热处理工艺复杂，生产成本较高。中国发明专利ZL200610105251. 1公开了一种高硼耐磨铸钢及其制备方法，其 化学成分重量百分比为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 < 1. 5%;Ti ；0. 08% 0. 20%;Ce :0· 04% 0· 12%； Mg :0. 02% 0. 18% ；N 0. 06% 0. 18% ；S < 0. 05% ；P < 0. 05% ；余量为 Fe 和不可避免 的微量杂质。其制备方法采用电炉熔炼，钢水熔清后加入锰铁和硼铁，然后加入铝脱氧，而 后出炉。用稀土镁合金和含氮物质对钢水进行复合变质处理，经高温奥氏体化后快速冷却， 随后进行低温回火消除应力。这种高硼铸钢具有较好的力学性能，但铬依然是其中不可缺 的合金元素，制备工艺较为复杂、成本高。中国发明专利申请公开说明书200810049365. 8公开了一种高碳高硼耐磨合金及 其制备方法，其公开的合金成分为c 1. 0 1. 8%,B 3. 8 6. 5%, Mo 0. 3 0. 8%, Ni 0. 3 1. 0%，Cr :0. 3 2. 0%，Mn :0. 5 1. 0%，Si :0. 5 1. 0%，S<0. 05%，P<0. 05%，
余量为铁。该种合金依然使用较多的Cr、Ni、Mo合金元素。中国发明专利ZL200810104992. 7公开了高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法，其 公开的合金成分重量百分比为0. 15 0. 30C, 1. 5 2. 5Β，2· 6 3. OSi, 1. 4 1. 8Cr, 0. 5 0· 8Μη，0· 05 0. 12Ce，0. 03 0. 15V,0. 03 0. 15Ti, P < 0. 05，S < 0. 05，余量为
Fe。仍加入大量的Cr以及V、Ti等元素。可见，目前高硼铁基铸造合金实际上均是在铸造铁铬合金基础上发展而来，均含有较多的铬、镍、钼、钒等合金元素，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型低成本无铬的高硼铁基铸造合金及制备方法。该合 金通过控制硼和碳的含量及硼碳比，可以在较大范围方便的调节其性能，以满足不同工况 条件的性能要求，其生产工艺简单，成本低廉。本发明是通过调节硼、碳含量及硼碳比实现性能大范围可调的无铬高硼铸造合金 及制备方法。无铬高硼铸造合金的化学成分为(重量百分比)0.2 1.0C;1.0 4.5B; 0. 20 0. 70Si ；0. 20 0. 8Mn ；S < 0. 1 ;P < 0. 1 ；其余为Fe以及不可避免的微量杂质；无铬高硼铁基合金制备方法如下1)将废钢、硼铁、硅铁、锰铁、增碳剂按照上述的合金成分进行配料；配料时，根据 原材料的中各元素的含量及收得率进行。炉料烘干后，先将称量好的废钢与增碳剂加入感 应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，并依次加入锰铁、硅铁及硼铁；2)将炉温升至1550°C，然后再次插铝脱氧拔渣后出炉，出炉温度1520°C 1550 0C ；3)合金液在浇包中静置一段时间，待温度降至1420°C 1450°C，浇入铸型，凝固 冷却后即得到所述无铬高硼铸造合金铸件；4)合金的热处理850°C 1050°C奥氏体化后水淬处理，淬火时奥氏体化保温时 间(分钟)按照公式(1. 2 1. 4) δ +20进行控制，或在淬火处理后根据铸件结构复杂程度， 在200°C 300°C进行去应力退火处理，去应力退火保温时间(分钟)按按照公式(1. 2 1.3) δ+50进行控制，其中δ为工件厚度，单位为mm;本发明公开的合金成分中不含铬，通过改变合金中硼、碳含量及硼碳比，可以实现 合金硬度在30HRC 65HRC之间和冲击值在80J 4J之间大范围调节，以满足不同工况条 件的要求。本发明确定的合金成分及生产工艺的原理如下硼硼是我国储量丰富，价格低廉的合金元素，硼在铁中的溶解度很小，加入铁 中的硼大部分以硼化物或含硼碳化物的形式存在。硼与铁生成的FeB(HV1800-2000)、 Fe2B (HV1400-1500)、Fe3 (C, B) (HVl 100 1400)、Fe23 (C, B) 6 (HV 1300)的硬度远高于 Fe3C(HV800-900)，也高于铬的碳化物Cr7C3 (HV1300-1500)或与之相当，用合金硼化物代替 合金碳化物，可明显提高合金的硬度和耐磨性。而硼化物和含硼碳化物的量与硼的含量有 直接的关系，通过控制硼含量，可以控制硬质相的量，从而控制合金的硬度。根据不同的工 况条件的要求，B含量可以选择在1. 0 4. 5%之间。碳碳主要决定碳化物的数量、基体组织的类型及合金的韧性。碳含量高，经过淬 火后，基体会获得高硬度的马氏体，但韧性较低。碳含量低，合金组织中将有较多的铁素体、 奥氏体等韧性相，能提高合金韧性。根据不同的工况条件，碳含量选择在0. 2 1. 0%，通过 控制硼碳比，可以使合金的硬度在30HRC 65HRC之间、冲击值在80J 4J之间大范围可调。锰锰是强奥氏体形成元素，它既可溶于基体，提高合金的淬透性，又可溶于碳化物，降低碳化物硬度，少量锰还可以降低临界冷却速度，促进马氏体的形成。锰含量过高，会 导致淬火组织中残留奥氏体增多；过量的锰溶于碳化物中使碳化物变得更脆，易产生裂纹。 因此锰在本合金中的含量应受到限制，控制在0. 2 0. 8%。硅硅在熔炼时能起到一定的脱氧作用，改善合金的凝固特性，另外，可以增加基 体的强度。但硅含量过高，合金的韧性大大降低，因此硅控制在0. 2 0. 7%。硫和磷硫磷降低机械性，在铸造和热处理过程中促进裂纹的形成，因此硫磷含量 严格控制，S < 0. ;P < 0. 1%。合金成分确定后，使用中频感应电炉进行熔炼，考虑硼元素易于烧损，因此应在其 他炉料熔清后加入。考虑其熔点后，确定熔炼出炉温度为出炉温度1520°C 1550°C。浇铸 温度为1420°C 1450°C。出炉前通过插铝脱氧。无铬高硼铁基铸造合金的铸态组织主要由铁素体、珠光体和共晶硼化物或含硼碳 化物组成。经过850°C 1050°C奥氏体化后水淬，可以一定程度上改善硼化物或含硼碳化 物形貌，同时提高基体组织性能。对于复杂铸件，可以通过200°C 300°C低温去应力退火 处理，进一步改善使用性能。该合金不含铬，价格低廉，综合性能良好，能通过控制硼和碳的 比例方便实现合金性能大范围可控，以满足不同工况条件的需求。生产成本低、工艺简单、 操作性强。
具体实施例方式实施例1本实施例中的无铬高硼铁基铸造合金，其化学成分为(重量百分比)为0. 47C， 3. 0B, 0. 36Si，0. 42Mn，0. 03P，0. 04S，余量为铁。熔炼时，采用IOOkg中频感应电炉，配料时根据原材料的中各元素的含量及收得 率进行。使用的原材料的成分(重量百分比)如下工业硼铁17.59B，0. 65Si，0. 028Ρ，0· 12C，0. 003S，余量为铁；废钢0.15C，0. 16Si，0. 5Μη，0· 08Ρ，0· 03S，余量为铁；增碳剂80C，余量为灰分。元素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按50%计算，Si收得率按95% 计算，Mn收得率按90%计算。配好的各种炉料的重量为废钢65. 1kg，硼铁34. 3kg，增碳剂0. 6Kg，锰铁等其他 铁合金无需加入。配料完毕后，先将称量好的废钢和增碳剂加入感应炉中，待熔清后插铝一 次脱氧后，加入硼铁，熔清造渣扒渣再脱氧后出钢。合金溶液经造渣扒渣后在1530°C出炉， 静置后在1430°C浇入铸型。合金完全凝固冷却后，获得壁厚30mm的铸件。铸件在热处理 炉中1000摄氏度奥氏体化，奥氏体保温时间根据公式(1. 2 1. 4) δ +20，确定为60分钟， 然后水淬。对热处理后的铸件进行性能测试，结果表明，硬度和冲击韧性分别为62. 4HRC和 9. 8J。该合金可以用于需要高硬度、所受冲击较小的零件，如矿山球磨机磨球、小型球磨机 衬板等。实施例2本实施例中的无铬高硼铁基铸造合金，其化学成分为(重量百分比)为0. 27C， 2. 0Β, 0. 33Si，0. 62Μη，0· 06Ρ，0· 06S，余量为铁。
熔炼时，采用250kg中频感应电炉，配料时根据原材料的中各元素的含量及收得 率进行。使用的原材料的成分(重量百分比)如下工业硼铁17.59B，0. 65Si，0. 028Ρ，0· 12C，0. 003S，余量为铁；废钢0.15C，0. 16Si，0. 5Μη，0· 08Ρ，0· 03S，余量为铁；增碳剂80C，余量为灰分。元素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按50%计算，Si收得率按95% 计算，Mn收得率按90%计算。配好的各种炉料的重量为废钢191. 4kg，硼铁58. 1kg，增碳剂0. 5Kg。配料完 毕后，先将称量好的废钢和增碳剂加入感应炉中，待熔清后插铝一次脱氧后，加入硼铁等 铁合金，经熔清造渣扒渣再脱氧后出钢。合金溶液经造渣扒渣后在1540°C出炉，静置后在 1420°C浇入铸型。完全凝固冷却后，获得厚度为50mm的铸件，铸件在热处理炉中1000摄氏 度奥氏体化，奥氏体保温时间根据公式(1.2 1.4) δ+20，确定为90分钟，然后水淬。力学 性能测试结果表明，硬度和冲击韧性分别为38. 4HRC和42. 3J。该合金具有良好的强韧性配
I=I O
权利要求
一种无铬高硼铁其铸造合金，其特征在于无铬高硼铸造合金的化学成分重量百分比为0.2～1.0C；1.0～4.5B；0.20～0.70Si；0.20～0.8Mn；S＜0.1；P＜0.1；其余为Fe以及不可避免的微量杂质。
2.权利要求1所述的无铬高硼铁其铸造合金的制备方法，其特征在于按以下步骤进行1)将废钢、硼铁、硅铁、锰铁、增碳剂按上述合金成分进行配料；配料时，根据原材料的 中各元素的含量及收得率进行，炉料烘干后，先将称量好的废钢与增碳剂加入感应电炉中 进行熔化，熔清后插铝脱氧，并依次加入锰铁、硅铁及硼铁；2)将炉温升至1550°C，然后再次插铝脱氧拔渣后出炉，出炉温度1520°C 1550°C；3)合金液在浇包中静置一段时间，待温度降至1420°C 1450°C，浇入铸型，凝固冷却 后即得到所述无铬高硼铸造合金铸件；4)合金的热处理850°C 1050°C奥氏体化后水淬处理，淬火时奥氏体化保温时间按 公式(1. 2 1. 4) δ +20分钟进行控制，或在淬火处理后根据铸件结构复杂程度，在200°C 300°C进行去应力退火处理，去应力退火保温时间按公式(1. 2 1. 3) δ +50分钟进行控制， 其中S为工件厚度，单位为mm。
全文摘要
本发明是一种不含铬的高硼铁基铸造合金及制备方法。高硼铁基合金的化学成分为(重量百分比)0.2～1.0C；1.0～4.5B；0.20～0.70Si；0.20～0.8Mn；＜0.1S；＜0.1P；其余为Fe以及不可避免的微量杂质。该合金利用感应电炉生产，熔炼浇铸后经过热处理使用。该合金不含铬，价格低廉，综合性能良好，能通过控制硼和碳的比例方便实现合金性能大范围可控，以满足不同工况条件的需求。生产成本低、工艺简单、操作性强。
文档编号C22C33/06GK101979695SQ201010546520
公开日2011年2月23日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者何正员, 刘美红, 周荣, 岑启宏, 蒋业华, 赵国荣, 黎振华 申请人:昆明理工大学