一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金的制作方法
【专利摘要】一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，属于铸造【技术领域】。该合金由质量分数40～45%的1Cr13不锈钢废料、12～15%的硼铁、8～10%的碳素铬铁、6～8%的氮化铬铁、4～5%的金属铝、0.5～0.8%的稀土硅铁合金、0.5～0.8%的硅钙钡合金和20～24%的Q235废钢冶炼、铸造和热处理而成，具有硬度高，高温抗磨性好和制造成本低的优势，推广应用具有良好的经济效益。
【专利说明】—种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金
【技术领域】
[0001]本发明为一种高温抗磨合金及其制备方法，特别涉及一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金及其制备方法，属于铸造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]高温磨损是一种严酷的磨损工况，对材料要求极高，不仅要求高硬度，还要有良好的抗氧化性以及基体抗高温软化能力，普通材料难以满足要求。为了提高材料的抗高温磨损能力，中国发明专利CN102851569A公开了一种耐高温抗磨白口铸铁件及生产方法，用于解决白口铸铁的硬度问题。其特别之处是，所述白口铸铁件的化学成分按照质量分数百分比计为:C3.0-3.5% ；Cr30-36% ；Mol.8-2.5% ；Si ( 1% ；Nil.0-2.0% ；Mnl.05-1.5% ；B0.5-1.0% ；P ( 0.10%; S ( 0.08%,余量为Fe，所述白口铸铁的铬碳比值需满足Cr/C=8.5-12。该发明方法包括熔炼、浇注、保温冷却。该发明铸铁件铸态保温慢冷状态硬度:HRC≥61 ;淬火回火后硬度:HRC≥66，在700°C温度下仍可以保持硬度HRC≥61，其耐腐蚀性也优于现有白口铸铁件，特别适合用作高温条件下工作的耐磨工件。中国发明专利CN101037762还公开了一种高温抗磨合金，该发明的目的是提供一种高温抗磨合金，其高温抗磨性能好，使用寿命长。该发明的技术方案是，一种高温抗磨合金，各成分及其重量百分比为:C 为 0.13-0.28%,Si 为 0.5-2.2%,Mn 为 0.7-1.6%,P 为≥ 0.04%,S 为≥ 0.03%,Cr 为 21-25 %、Ni 为 6-8 %、Mo 为 0.8-1.2 %、V 为 0.4-0.7 %、N 为 0.15-0.3 %、Re 为
0.6-0.8%、余量为Fe。该发明用于窑口护铁和中心筒。中国发明专利CN1908219还公开了一种耐高温抗磨抗氧化合金钢及其制备方法，该发明是由N、C、S1、Mn、P、S、Cr、N1、Mo、V、W、Co组成，该材料配比的化学成分按重量百分比计含有:1-3%N，0.1-0.3%C, 28-30%Cr, 10 -12%Ni, 1.6 -1.8%Mo, 3 -5%W, 0.4 -0.5%V, 0.2 -0.5%Co。长期在 1300 O高温环境下，抗弯曲强度高，无高温蠕变现象，高温强度不变；流动介质为20%的石英砂、云石，80%的煤在25.4米/秒流速及1100-1200°C的温度下，每100小时磨损率为0.002毫米；长期在SO2或高含量O2气氛下，由于氮的加入在材料表面不断形成氮化层，因此防止了金属的晶间腐蚀；可焊性好。采用该发明上述比例，冶炼制成。该产品具有较强的耐高温、抗磨、抗氧化性能，广泛应用于电力、水泥、石化、航天、航空多个领域。中国发明专利CN1603446还公开了一种碳化物强化镍铝基复合高温抗磨材料。该发明属于Ni3Al基复合高温抗磨材料的制备领域。更适用于采用碳化物来强化Ni3Al基的复合型抗高温氧化和抗磨损的合金材料。组成该材料的特征在于高温抗磨材料的成分重量％为:A16-14% ；Fel-15% ；B0.01-0.1% ;碳化物15-35% ;余量为Ni。采用该发明高温抗磨材料与现有技术的Stellite合金相比较具有材料成本低，而且在高温下使用具有良好的抗磨性和抗氧化性能等特点，其使用温度要比Stellite合金高200°C左右。
[0003]但是，上述高温抗磨材料中含有价格昂贵的镍、钥、鹤等合金元素,生产成本高,市场竞争力差。
【发明内容】
[0004]本发明针对市场上现有高温抗磨材料中存在的上述问题，以廉价的铬、硼、铝为主要合金元素，开发一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，为了进一步提高Fe-Cr-B-Al的性能，还加入了稀土、氮、硅、钙、钡等元素。
[0005]本发明的目的可以通过以下措施来实现:
[0006]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金由质量分数40?45%的ICr 13不锈钢废料、12?15%的硼铁、8?10%的碳素铬铁、6?8%的氮化铬铁、4?5%的金属铝、0.5?0.8%的稀土硅铁合金、0.5?0.8%的硅钙钡合金和20?24%的Q235废钢冶炼而成。
[0007]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金用电炉熔炼，其制造工艺步骤是:
[0008]①采用质量分数40?45%的lCrl3不锈钢废料、12?15%的硼铁、8?10%的碳素铬铁、6?8%的氮化铬铁、4?5%的金属铝、0.5?0.8%的稀土硅铁合金、0.5?0.8%的硅钙钡合金和20?24%的Q235废钢配料。
[0009]②将质量分数40?45%的lCrl3不锈钢废料、20?24%的Q235废钢、8?10%的碳素铬铁和6?8%的氮化铬铁混合加热熔化，当金属熔液温度升至1520?1550°C时，依次加入4?5%的金属铝和12?15%的硼铁，然后将温度升至1560?1580°C，依次加入0.5?
0.8%的硅钙钡合金和0.5?0.8%的稀土硅铁合金，保温2.0?2.5分钟后出炉。
[0010]③当金属熔液温度降至1420?1450°C时浇入铸型，铸件浇注3?6小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
[0011]④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1030?1050°C，保温2?3h后，风冷至温度低于200°C后，继续入炉加热至200?230°C，保温8?IOh后，炉冷至温度低于100°C后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。
[0012]如上所述的lCrl3不锈钢废料的化学成分质量分数为:0.10?0.15%C, 11.50?13.50%Cr, ( 1.00%Si, ( 1.00%Mn, ( 0.025%S, ( 0.030%P, ( 0.60%Ni, ( 0.30%Cu,余量Fe。
[0013]如上所述的硼铁的化学成分质量分数为:19.0-21.0%B, ( 0.5%C, ( 2%Si, ( 0.5%A
1,( 0.01%S, ( 0.1%P,余量 Fe。
[0014]如上所述的碳素铬铁的化学成分质量分数为:62.0?68.0%的Cr，7.0?8.5%的C，2.0?3.5%的Si，余量为Fe。
[0015]如上所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为:60?63%Cr，5.0?6.5%N, C≤0.1%，Si≤ 2.5%, P ≤ 0.03%, S ≤ 0.04%,余量 Fe。
[0016]如上所述的稀土硅铁的化学成分质量分数为:27.0?30.0%RE, 38.0?42.0%Si, <3.0%Μη, <5.0%Ca, <3.0%Ti，余量为 Fe。
[0017]如上所述的硅钙钡合金的化学成分质量分数为:40?45%的S1、10?12%的Ca、10?12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe。
[0018]如上所述的Q235废钢的化学成分质量分数为:0.14?0.22%的C，0.30?0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe。
[0019]合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明材料组成是这样确定的:
[0020]本发明以铬、硼和铝为主要合金元素，为了降低材料生产成本，铬主要靠廉价的lCrl3不锈钢废料来补充，其加入量高达40-45%。另外加入8-10%的碳素铬铁，主要是为了增加合金中的铬含量和碳含量，得到高硬度碳化物前提下，提高基体硬度。加入6-8%的氮化铬铁主要是为了增加合金中的铬含量和氮含量，氮的加入可以与硼铁中硼结合生成硬度高、热稳定性好的BN，有利于改善Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性。此外加入4-5%的金属铝，主要是利用铝进入基体，提高基体高温稳定性，有利于改善Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性。加入0.5-0.8%的稀土硅铁合金，主要是利用稀土改善Fe-Cr-B-Al合金高温下氧化膜的致密性以及氧化膜和基体的附着力，对改善Fe-Cr-B-Al铸造合金的高温抗磨性非常有效。加入0.5-0.8%的硅钙钡合金主要是为了改善Fe-Cr-B-Al合金中夹杂物的形态和分布，提高Fe-Cr-B-Al合金的力学性能。
[0021]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0022]I)本发明Fe-Cr-B-Al铸造合金，以lCrl3不锈钢废料和Q235废钢为主要原料，另外还加入适量碳素铬铁、氮化铬铁、硼铁、金属铝、稀土硅铁合金和硅钙钡合金，不单独加入价格昂贵的钥、钨、钒、铌、钴等昂贵合金元素，具有较低的生产成本，比常用的高速钢降低50%以上。
[0023]2)本发明Fe-Cr-B-Al铸造合金具有硬度高，高温耐磨性好等特点，其硬度达到64-66HRC，抗弯强度达到2400-2600MPa，由于显微组织中高硬度BN的存在，其500°C下的高温抗磨性能优于高速钢，比高速钢提高20%以上。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例对本发明做进一步详述: [0025]实施例1
[0026]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，采用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是:
[0027]①采用质量分数40%的lCrl3不锈钢废料、15%的硼铁、8%的碳素铬铁、8%的氮化铬铁、4%的金属铝、0.8%的稀土硅铁合金、0.5%的硅钙钡合金和23.7%的Q235废钢配料。
[0028]②将质量分数40%的lCrl3不锈钢废料(lCrl3不锈钢废料的化学成分质量分数为:0.10 -0.15%C, 11.50 -13.50%Cr, ( 1.00%Si, ( 1.00%Μη,≤ 0.025%S,≤ 0.030%P,≤ 0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe)、23.7%的Q235废钢(Q235废钢的化学成分质量分数为:0.14-0.22% 的 C，0.30 -0.65% 的 Mn，( 0.30% 的 Si，≤ 0.050% 的 S，( 0.045% 的 P，余量为 Fe)、8%的碳素铬铁(碳素铬铁的化学成分质量分数为:62.0-68.0%的Cr，7.0-8.5%的C，
2.0-3.5%的Si，余量为Fe)和8%的氮化铬铁(氮化铬铁的化学成分质量分数为:60-63%Cr, 5.0 -6.5%N, C ≤ 0.1%, Si ( 2.5%, P ≤ 0.03%, S ≤ 0.04%,余量 Fe)混合加热熔化，当金属熔液温度升至1522°C时，依次加入4%的金属铝和15%的硼铁(硼铁的化学成分质量分数为:19.0-21.0%B,≤ 0.5%C, 2%Si,≤ 0.5%A1,≤ 0.01%S,≤ 0.1%P,余量Fe)，然后将温度升至1564°C，依次 加入0.5%的硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学成分质量分数为:40-45% 的 S1、10 -12% 的 Ca、10 -12% 的 Ba、( 0.8% 的 C、( 0.04% 的 P、≤ 0.06% 的 S，余量为Fe)和0.8%的稀土硅铁合金(稀土硅铁的化学成分质量分数为:27.0-30.0%RE, 38.0-42.0%Si, <3.0%Μη, <5.0%Ca, <3.0%Ti，余量为 Fe)，保温 2.5 分钟后出炉。
[0029]③当金属熔液温度降至1424°C时浇入铸型，铸件浇注3小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
[0030]④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1030°C，保温3h后，风冷至温度低于200°C后，继续入炉加热至230°C，保温8h后，炉冷至温度低于100°C后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。合金性能见表I。
[0031]实施例2
[0032]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，采用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是:
[0033]①采用质量分数45%的lCrl3不锈钢废料、12%的硼铁、10%的碳素铬铁、6%的氮化铬铁、5%的金属铝、0.5%的稀土硅铁合金、0.8%的硅钙钡合金和20.7%的Q235废钢配料。
[0034]②将质量分数45%的lCrl3不锈钢废料(lCrl3不锈钢废料的化学成分质量分数为:0.10 -0.15%C, 11.50 -13.50%Cr, ( 1.00%Si, ( 1.00%Μη,≤ 0.025%S,≤ 0.030%P,≤ 0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe)、20.7%的Q235废钢(Q235废钢的化学成分质量分数为:0.14-0.22% 的 C，0.30 -0.65% 的 Mn, ( 0.30% 的 Si，≤ 0.050% 的 S，( 0.045% 的 P,余量为 Fe)、10%的碳素铬铁(碳素铬铁的化学成分质量分数为:62.0-68.0%的Cr，7.0-8.5%的C，
2.0-3.5%的Si，余量为Fe)和6%的氮化铬铁(氮化铬铁的化学成分质量分数为:60-63%Cr, 5.0 -6.5%N, C ≤ 0.1%, Si ( 2.5%, P ≤ 0.03%, S ≤ 0.04%,余量 Fe)混合加热熔化，当金属熔液温度升至1549°C时，依次加入5%的金属铝和12%的硼铁(硼铁的化学成分质量分数为:19.0-21.0%B, ( 0.5%C, ( 2%Si, ( 0.5%A1, ( 0.01%S, ( 0.1%P,余量Fe)，然后将温度升至1577°C，依次加入0.8%的硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学成分质量分数为:40-45% 的 S1、10 -12% 的 Ca、10 -12% 的 Ba、( 0.8% 的 C、( 0.04% 的 P、≤ 0.06% 的 S，余量为Fe)和0.5%的稀土硅铁合金(稀土硅铁的化学成分质量分数为:27.0-30.0%RE, 38.0-42.0%Si, <3.0%Μη, <5.0%Ca, <3.0%Ti，余量为 Fe)，保温 2.0 分钟后出炉。
[0035]③当金属熔液温度降至1448°C时浇入铸型，铸件浇注6小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
[0036]④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1050°C，保温2h后，风冷至温度低于200°C后，继续入炉加热至200°C，保温IOh后，炉冷至温度低于100°C后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。合金性能见表I。
[0037]实施例3
[0038]本发明高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，采用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是:
[0039]①采用质量分数43%的lCrl3不锈钢废料、13%的硼铁、9%的碳素铬铁、7%的氮化铬铁、4.5%的金属铝、0.7%的稀土硅铁合金、0.7%的硅钙钡合金和22.1%的Q235废钢配料。
[0040]②将质量分数43%的lCrl3不锈钢废料(lCrl3不锈钢废料的化学成分质量分数为:0.10 -0.15%C, 11.50 -13.50%Cr, ( 1.00%Si, ( 1.00%Μη,≤ 0.025%S,≤ 0.030%P,≤ 0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量Fe)、22.1%的Q235废钢(Q235废钢的化学成分质量分数为:0.14-
0.22% 的 C，0.30 -0.65% 的 Mn，( 0.30% 的 Si，≤ 0.050% 的 S，( 0.045% 的 P，余量为 Fe)、9%的碳素铬铁(碳素铬铁的化学成分质量分数为:62.0-68.0%的Cr，7.0-8.5%的C，
2.0-3.5%的Si，余量为Fe)和7%的氮化铬铁(氮化铬铁的化学成分质量分数为:60-63%Cr, 5.0 -6.5%N, C ≤ 0.1%, Si ( 2.5%, P ≤ 0.03%, S ≤ 0.04%,余量Fe)混合加热熔化，当金属熔液温度升至1537°C时，依次加入4.5%的金属铝和13%的硼铁(硼铁的化学成分质量分数为:19.0-21.0%B,≤ 0.5%C, ≤2%Si,≤ 0.5%A1,≤ 0.01%S,≤ 0.1%P,余量Fe)，然后将温度升至1570°C，依次加入0.7%的硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学成分质量分数为:40?45% 的 S1、10 ?12% 的 Ca、10 ?12% 的 Ba、( 0.8% 的 C、( 0.04% 的 P、≤ 0.06% 的 S，余量为Fe)和0.7%的稀土硅铁合金(稀土硅铁的化学成分质量分数为:27.0?30.0%RE, 38.0?42.0%Si, <3.0%Μη, <5.0%Ca, <3.0%Ti，余量为 Fe)，保温 2.2 分钟后出炉。
[0041]③当金属熔液温度降至1435°C时浇入铸型，铸件浇注5小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺。
[0042]④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1040°C，保温3h后，风冷至温度低于200°C后，继续入炉加热至220°C，保温9h后，炉冷至温度低于100°C后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。合金性能见表I。
[0043]表I合金力学性能和高温耐磨性能
[0044]
【权利要求】
1.一种高温抗磨Fe -Cr -B -Al铸造合金，其特征在于，由质量分数40-45%的lCrl3不锈钢废料、12-15%的硼铁、8-10%的碳素铬铁、6-8%的氮化铬铁、4-5%的金属铝、0.5-0.8%的稀土硅铁合金、0.5-0.8%的硅钙钡合金和20-24%的Q235废钢冶炼而成，铸造合金用电炉熔炼，其制造工艺步骤包括如下: ①采用质量分数40-45%的lCrl3不锈钢废料、12-15%的硼铁、8-10%的碳素铬铁、6-8%的氮化铬铁、4-5%的金属铝、0.5-0.8%的稀土硅铁合金、0.5-0.8%的硅钙钡合金和20-24%的Q235废钢配料； ②将质量分数40-45%的lCrl3不锈钢废料、20-24%的Q235废钢、8-10%的碳素铬铁和6-8%的氮化铬铁混合加热熔化，当金属熔液温度升至1520-1550°C时，依次加入4-5%的金属铝和12-15%的硼铁，然后将温度升至1560-1580°C，依次加入0.5-0.8%的硅钙钡合金和0.5-0.8%的稀土硅铁合金，保温2.0-2.5分钟后出炉； ③当金属熔液温度降至1420-1450°C时浇入铸型，铸件浇注3-6小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺； ④铸件粗加工后进行热处理，具体工艺是铸件随炉加热至1030-1050°C，保温2-3h后，风冷至温度低于20(TC后，继续入炉加热至200-230°C，保温8-IOh后，炉冷至温度低于100°C后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。
2.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr -B -Al铸造合金,其特征在于,所述的lCrl3不锈钢废料的化学成分质量分数为:0.10-0.15%C, 11.50-13.50%Cr, ≤1.00%Si,≤1.00%Mn, ≤0.025%S,≤0.030%P, ≤0.60%Ni,≤0.30%Cu,余量 Fe。
3.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，其特征在于，所述的硼铁的化学成分质量分数为:19.0-21.0%B, ≤0.5%C,≤2%Si,≤0.5%A1,≤0.01%S, ≤0.1%P,余量Fe。
4.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，其特征在于，所述的碳素铬铁的化学成分质量分数为=62.0-68.0%的Cr，7.0-8.5%的C，2.0-3.5%的Si，余量为Fe。
5.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金，其特征在于，所述的氮化铬铁的化学成分质量分数为:60-63%Cr, 5.0-6.5%N, C≤0.1%, Si≤2.5%, P≤.03%, S (0.04%,余量 Fe。
6.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr -B -Al铸造合金，其特征在于，所述的稀土硅铁的化学成分质量分数为:27.0 -30.0%RE, 38.0 -42.0%Si, <3.0%Μη, <5.0%Ca, <3.0%Ti,余量为Fe。
7.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金,其特征在于,所述的娃钙钡合金的化学成分质量分数为:40-45%的S1、10-12%的Ca、10-12%的Ba≤0.8%的C≤0.04%的P≤0.06%的S，余量为Fe。
8.按照权利要求1的一种高温抗磨Fe-Cr-B-Al铸造合金,其特征在于，所述的Q235废钢的化学成分质量分数为:0.14-0.22%的C，0.30-0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe。
【文档编号】C22C33/06GK103436769SQ201310316396
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】符寒光, 郑开宏, 张锦红, 高义民, 邢建东, 皇志富, 马胜强 申请人:北京工业大学