富TiN铁合金及其制备方法与流程

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种富tin铁合金及其制备方法。

背景技术：

铁是地球上分布最广、最常用的金属之一，约占地壳质量的5.1％，冶炼制得的各种铁合金被广泛应用于各行各业。在现有技术中，高铬铸铁具有较好耐磨性能，常用于对摩擦磨损性能要求较高的机械零部件上。

随着现代科技的高速发展，冶金、矿山等行业机械对铁合金的耐摩擦磨损性能提出了更加苛刻的要求。而现有高耐磨铸铁零部件在承受冲击载荷的摩擦磨损环境中长期服役时容易出现表面层剥落现象，进而导致服役失效。据统计，我国机械行业每年由金属材料摩擦磨损失效引发的经济损失可达400亿美元。在耐磨材料的应用场景中，由于物料黏粘导致工作效率降低的现象时有发生，因此，新型高耐磨防黏铁合金是耐磨行业目前研究开发和应用的重点方向之一，对我国国民经济的发展也有着重要的意义。在材料表面构建具有特殊的纳微结构可有效减小材料表面的摩擦力。

中国专利cn105665855a公开一种铝合金不修饰的仿生超疏水、低粘附表面的制备方法，采用仿生学理念，提取具有超疏水特性的植物叶片表面几何纹理与数学分布关系，不采用任何化学修饰，直接在铝合金表面构筑多尺度的仿生几何纹理，应用于铝合金表面超疏水、低粘附制备技术中，实现植物叶片超疏水功能的工程仿生高效再现。此专利利用电火花微纳米线切割法在铝合金表面构建了具有仿生疏水结构的纳微结构，但该法只适用于硬度低的金属材料，对高硬度的钢铁合金不能适用，并且由于表面粗糙度提高，其摩擦系数可能会显著增大。

高沙沙，平超凡，wc颗粒对高铬铸铁基高频感应堆焊层耐磨性的研究，材料开发与应用，2020，35(02)：57-61，公开一种添加wc颗粒的高铬铸铁基堆焊层的制备方法，通过高频感应加热技术制备添加wc颗粒的高铬铸铁基堆焊层，并对堆焊层的硬度、显微组织、物相进行表征。该技术对材料表面并未进行处理，因此其防黏性能较差。

目前，亟需提供一种耐磨性能和防黏性能优异的富tin铁合金。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种富tin铁合金，耐磨性能优异，疏水和防黏性能好；本发明同时提供了富tin铁合金的制备方法。

本发明所述的富tin铁合金是由铁合金基体、tin粉体颗粒和碳化钨微球制成。

所述的铁合金基体的组成成分如下，以质量百分比计：

所述的tin粉体颗粒的纯度≥99.5％，平均颗粒度为30-50纳米。

所述的tin粉体颗粒的质量为铁合金基体质量的10-20％。

所述的碳化钨微球的直径为5-500μm。

所述的碳化钨微球的质量为铁合金基体质量的0.2-5％。

本发明所述的富tin铁合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)铁合金基体熔炼：铁合金基体原料混合均匀后进行熔炼，浇注，冷却，得到铁合金基体铸锭；

(2)铁合金基体成分的均匀化处理：将步骤(1)得到的铁合金基体铸锭进行均匀化退火，保温后随炉冷却至室温，获得成分均匀的铁合金基体；

(3)富tin铁合金的熔炼：将步骤(2)得到的铁合金基体切割成板材，将板材叠放，并将tin粉体颗粒均匀放置在板材之间，熔炼，得到富tin铁合金溶液；

(4)富tin铁合金的浇注：将步骤(3)得到的富tin铁合金溶液进行浇注，冷却，获得富tin铁合金铸锭；

(5)富tin铁合金成分的均匀化处理：在步骤(4)得到的富tin铁合金铸锭一侧表面喷洒碳化钨微球后进行均匀化退火，保温后随炉冷却至室温，获得成分均匀的富tin铁合金。

步骤(1)中所述的熔炼温度为1450-1600℃，熔炼时间为20-90分钟。

步骤(1)中所述的熔炼次数为4-6次。

步骤(2)中所述的均匀化退火温度为900-1050℃。

步骤(2)中所述的保温时间为4-8小时。

步骤(3)中所述的板材的厚度为3mm。

步骤(3)中所述的熔炼温度为1500-1800℃，熔炼时间为30-120分钟。

步骤(3)中所述的熔炼次数为5-7次。

步骤(4)中所述的浇注温度为1400-1500℃。

步骤(4)中所述的冷却是先将浇注后的富tin铁合金冷却至150-200℃，再破壳取出冷却至室温。

步骤(5)中所述的碳化钨微球之间的间距为1-100μm。

步骤(5)中所述的均匀化退火温度为900-1100℃。

步骤(5)中所述的保温时间为4-8小时。

本发明所述的富tin铁合金的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)铁合金基体熔炼：将铁合金基体原料按比例混合均匀，置入中频感应熔炼炉内进行熔炼，熔炼温度为1450-1600℃，熔炼时间为20-90分钟，熔炼完成后，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼4-6次以确保铁合金基体成分均匀，得到铁合金基体铸锭；

(2)铁合金基体成分的均匀化处理：将步骤(1)得到的铁合金基体铸锭放入马弗炉中加热到900-1050℃进行均匀化退火，保温4-8小时后随炉冷却至室温，获得成分均匀的铁合金基体；

(3)富tin铁合金的熔炼：将步骤(2)得到的铁合金基体利用线切割切成若干厚度为3mm的板材，在中频感应熔炼炉中将其叠放，并将tin粉体颗粒均匀布置在板材之间，tin粉体颗粒的布置示意图见图1；开启熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为1500-1800℃，熔炼时间为30-120分钟，熔炼完成后，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼5-7次以确保富tin铁合金成分均匀，最后一次熔炼完成后得到富tin铁合金溶液；

(4)富tin铁合金的浇注：将步骤(3)得到的富tin铁合金溶液浇入到金属型模具中，浇注温度为1400-1500℃，浇注后将富tin铁合金冷却至150-200℃，破壳取出冷却至室温，获得富tin铁合金铸锭；

(5)富tin铁合金成分的均匀化处理：在步骤(4)得到的富tin铁合金铸锭一侧表面均匀喷洒一层直径为5-500μm碳化钨微球，微球与微球之间的间距为1-100μm，使其具有疏水性，且有效降低摩擦系数，然后放入马弗炉中加热到900-1100℃进行均匀化退火，保温4-8小时后随炉冷却至室温，获得成分均匀的富tin铁合金。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种高硬度、高耐磨的富tin铁合金及其制备方法。tin是一种nacl型结构的陶瓷化合物，具有熔点高、密度低、耐热性好、高硬度、高耐磨等优异性能。本发明是在基体中加入质量分数在10-20％的tin陶瓷粉体颗粒，再通过熔炼及相应的热处理方法即可获得具有高硬度、高耐磨的富tin铁合金，在退火时通过颗粒布洒器在表面均匀撒布光滑的碳化钨微球，利用特殊的微纳结构达到疏水的目的，并且减小物料与合金的接触面积，从而降低合金表面的摩擦系数，提高合金板的防黏性能。

本发明在铁合金基体中引入高含量的tin粉体颗粒，一方面在合金熔炼过程中tin颗粒可作为形核点，从而抑制合金基体中的晶粒生长，获取细小的基体组织，从而形成细晶强化，提高合金硬度及耐磨性；另一方面，通过多次熔炼协同均匀化热处理，使得tin粒子在铁合金基体中能够均匀分布，依靠tin粒子的高熔点、高硬度、高耐磨性特点，提升铁合金整体的耐磨性能。富tin铁合金表面喷洒碳化钨微球进行防黏处理，使其表面摩擦系数小，具有强疏水性。

附图说明

图1是tin粉体颗粒的布置示意图。

图2是实施例1制得的富tin铁合金的表面金相图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

(1)取工业级纯铁2319.75g、纯碳20g、纯铬125g、纯锰15g、纯硅12.5g、纯镍2.5g、纯钨2.5g、纯钼1.25g、纯硫1.25g和纯磷0.25g，按铁合金基体成分92.79％fe、0.8％c、5％cr、0.6％mn、0.5％si、0.1％ni、0.1％w、0.05％mo、0.05％s和0.01％p(质量百分比)配料。将铁合金基体原料清洗干净，按比例混合均匀，置入中频感应熔炼炉内，熔炼坩埚内壁也要预先做清洁处理并擦拭干净，避免带入其他杂质，熔炼温度为1600℃，熔炼时间为20分钟，熔炼完成后，浇注，冷却，得到铸锭，将铸锭去掉表层氧化皮，随后再次装入中频感应熔炼炉中继续熔炼，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼4次以确保铁合金基体成分均匀，得到铁合金基体铸锭。

(2)将铁合金基体铸锭放入马弗炉(kl-13、天津市凯恒电热技术有限公司)中加热到900℃进行均匀化退火并保温8小时，随炉冷却至室温，获得成分均匀的铁合金基体。

(3)利用线切割将铁合金基体切成8块厚度为3mm的板材，去除氧化皮后在中频感应熔炼炉中将其叠放。称取500g(按铁合金基体重量的20％)粒度为30-50纳米、纯度为99.5％的tin粉体颗粒，并将其均匀布置在板材之间。开启熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为1800℃，熔炼时间为120分钟，熔炼完成后，浇注，冷却，得到铸锭，将铸锭去掉表层氧化皮，随后再次装入中频感应熔炼炉中继续熔炼，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼5次以确保富tin铁合金成分均匀，最后一次熔炼完成后得到富tin铁合金溶液。

(4)随后，将熔炼完成的富tin铁合金溶液浇入到金属型模具中，浇注温度为1500℃，浇注后将富tin铁合金冷却至150℃，破壳取出冷却至室温，获得富tin铁合金铸锭。

(5)在退火开始时，富tin铁合金铸锭表面撒布质量为125g(按铁合金基体重量的5％)、平均直径为15μm的碳化钨微球，微球之间的平均间距为10μm；将撒布碳化钨微球后的富tin铁合金铸锭放入马弗炉(kl-13、天津市凯恒电热技术有限公司)中加热到1100℃进行均匀化退火8小时，后随炉冷却至室温，获得成分均匀的富tin铁合金，富tin铁合金的表面金相图见图2。

耐磨性测试：

利用线切割将富tin铁合金切出5个直径为10mm的圆柱体样品。将切出样品的被测试面用砂纸打磨至2000#后进行抛光，然后清洗并吹干表面，使用回转式磨料磨损试验机进行磨损实验，选用100#氧化铝砂纸作为磨料，载荷为18n，磨损行程2200mm。实验结束后，利用精度为0.1mg的tg328a型光电分析天平称量并计算试样的磨损量，由此获得其平均耐磨性能数据，结果见表1。

疏水性及摩擦系数测试：

富tin铁合金的疏水性用接触角测试仪测定，摩擦系数通过mxd-02摩擦系数测定仪(济南兰光)测定。测定结果见表1。

实施例2

(1)取工业级纯铁2232g、纯碳25g、纯铬187.5g、纯锰22.5g、纯硅18.75g、纯镍5g、纯钨5g、纯钼1.875g、纯硫1.875g和纯磷0.5g，按铁合金基体成分89.28％fe、1.0％c、7.5％cr、0.9％mn、0.75％si、0.2％ni、0.2％w、0.075％mo、0.075％s和0.02％p(质量百分比)配料。将铁合金基体原料清洗干净，按比例混合均匀，置入中频感应熔炼炉内，熔炼坩埚内壁也要预先做清洁处理并擦拭干净，避免带入其他杂质，熔炼温度为1500℃，熔炼时间为50分钟，熔炼完成后，浇注，冷却，得到铸锭，将铸锭去掉表层氧化皮，随后再次装入中频感应熔炼炉中继续熔炼，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼4次以确保铁合金基体成分均匀，得到铁合金基体铸锭。

(2)将铁合金基体铸锭放入马弗炉(kl-13、天津市凯恒电热技术有限公司)中加热到1000℃进行均匀化退火并保温6小时，随炉冷却至室温，获得成分均匀的铁合金基体。

(3)利用线切割将铁合金基体切成8块厚度为3mm的板材，去除氧化皮后在中频感应熔炼炉中将其叠放。称取375g(按铁合金基体重量的15％)粒度为30-50纳米、纯度为99.5％的tin粉体颗粒，并将其均匀布置在板材之间。开启熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为1650℃，熔炼时间为70分钟，熔炼完成后，浇注，冷却，得到铸锭，将铸锭去掉表层氧化皮，随后再次装入中频感应熔炼炉中继续熔炼，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼5次以确保富tin铁合金成分均匀，最后一次熔炼完成后得到富tin铁合金溶液。

(4)随后，将熔炼完成的富tin铁合金溶液浇入到金属型模具中，浇注温度为1450℃，浇注后将富tin铁合金冷却至175℃，破壳取出冷却至室温，获得富tin铁合金铸锭。

(5)在退火开始时，富tin铁合金铸锭表面撒布质量为25g(按铁合金基体重量的1％)、平均直径为150μm的碳化钨微球，微球之间的平均间距为55μm；将撒布碳化钨微球后的富tin铁合金铸锭放入马弗炉(kl-13、天津市凯恒电热技术有限公司)中加热到1000℃进行均匀化退火6小时，后随炉冷却至室温，获得成分均匀的富tin铁合金。

耐磨性测试：

利用线切割将富tin铁合金切出5个直径为10mm的圆柱体样品。将切出样品的被测试面用砂纸打磨至2000#后进行抛光，然后清洗并吹干表面，使用回转式磨料磨损试验机进行磨损实验，选用100#氧化铝砂纸作为磨料，载荷为18n，磨损行程2200mm。实验结束后，利用精度为0.1mg的tg328a型光电分析天平称量并计算试样的磨损量，由此获得其平均耐磨性能数据，结果见表1。

疏水性及摩擦系数测试：

富tin铁合金的疏水性用接触角测试仪测定，摩擦系数通过mxd-02摩擦系数测定仪(济南兰光)测定。测定结果见表1。

实施例3

(1)取工业级纯铁2144.25g、纯碳30g、纯铬250g、纯锰30g、纯硅25、纯镍7.5g、纯钨7.5g、纯钼2.5g、纯硫2.5g和纯磷0.75g，按铁合金基体成分85.77％fe、1.2％c、10％cr、1.2％mn、1.0％si、0.3％ni、0.3％w、0.05％mo、0.1％s和0.03％p(质量百分比)配料。将铁合金基体原料清洗干净，按比例混合均匀，置入中频感应熔炼炉内，熔炼坩埚内壁也要预先做清洁处理并擦拭干净，避免带入其他杂质，熔炼温度为1450℃，熔炼时间为90分钟，熔炼完成后，浇注，冷却，得到铸锭，将铸锭去掉表层氧化皮，随后再次装入中频感应熔炼炉中继续熔炼，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼4次以确保铁合金基体成分均匀，得到铁合金基体铸锭。

(2)将铁合金基体铸锭放入马弗炉(kl-13、天津市凯恒电热技术有限公司)中加热到1050℃进行均匀化退火并保温4小时，随炉冷却至室温，获得成分均匀的铁合金基体。

(3)利用线切割将铁合金基体切成8块厚度为3mm的板材，去除氧化皮后在中频感应熔炼炉中将其叠放。称取250g(按铁合金基体重量的10％)粒度为30-50纳米、纯度为99.5％的tin粉体颗粒，并将其均匀布置在板材之间。开启熔炼炉进行熔炼，熔炼温度为1500℃，熔炼时间为30分钟，熔炼完成后，浇注，冷却，得到铸锭，将铸锭去掉表层氧化皮，随后再次装入中频感应熔炼炉中继续熔炼，浇注，冷却；重复上述熔炼、浇注和冷却步骤，反复熔炼5次以确保富tin铁合金成分均匀，最后一次熔炼完成后得到富tin铁合金溶液。

(4)随后，将熔炼完成的富tin铁合金溶液浇入到金属型模具中，浇注温度为1400℃，浇注后将富tin铁合金冷却至200℃，破壳取出冷却至室温，获得富tin铁合金铸锭。

(5)在退火开始时，富tin铁合金铸锭表面撒布质量为5g(按铁合金基体重量的0.2％)、平均直径为300μm的碳化钨微球，微球之间的平均间距为100μm；将撒布碳化钨微球后的富tin铁合金铸锭放入马弗炉(kl-13、天津市凯恒电热技术有限公司)中加热到900℃进行均匀化退火4小时，后随炉冷却至室温，获得成分均匀的富tin铁合金。

耐磨性测试：

利用线切割将富tin铁合金切出5个直径为10mm的圆柱体样品。将切出样品的被测试面用砂纸打磨至2000#后进行抛光，然后清洗并吹干表面，使用回转式磨料磨损试验机进行磨损实验，选用100#氧化铝砂纸作为磨料，载荷为18n，磨损行程2200mm。实验结束后，利用精度为0.1mg的tg328a型光电分析天平称量并计算试样的磨损量，由此获得其平均耐磨性能数据，结果见表1。

疏水性及摩擦系数测试：

富tin铁合金的疏水性用接触角测试仪测定，摩擦系数通过mxd-02摩擦系数测定仪(济南兰光)测定。测定结果见表1。

对比例1

配方：70％高铬铸铁基合金+30％wc

制备方法是按照“wc颗粒对高铬铸铁基高频感应堆焊层耐磨性的研究”中提供的方法制备30％wc颗粒掺杂的高铬铸铁基合金。

30％wc颗粒掺杂的高铬铸铁基合金的耐磨性测试同实施例1，测试结果见表1。

30％wc颗粒掺杂的高铬铸铁基合金的疏水性及摩擦系数测试同实施例1，测试结果见表1。

表1实施例1-3及对比例1的产品性能测试结果

由表1可知：

在同样的性能测试方法条件下，与对比例1中的30％wc颗粒掺杂的高铬铸铁基合金相比，实施例1所获得的富tin铁合金的磨损量降低了24％，所测水接触角为136°，静摩擦系数为0.21(9.35kpa)，滑动摩擦系数为13.5(9.35kpa)。

在同样的性能测试方法条件下，与对比例1中的30％wc颗粒掺杂的高铬铸铁基合金相比，实施例2所获得的富tin铁合金的磨损量降低了18％，所测水接触角为117°，静摩擦系数为0.32(9.35kpa)，滑动摩擦系数为15.4(9.35kpa)。

在同样的性能测试方法条件下，与对比例1中的30％wc颗粒掺杂的高铬铸铁基合金相比，实施例3所获得的富tin铁合金的磨损量降低了10％，所测水接触角为102°，静摩擦系数为0.38(9.35kpa)，滑动摩擦系数为16.8(9.35kpa)。

由上可知，在同样的性能测试方法条件下，本发明所获得的富tin铁合金与对比例1中的30％wc掺杂的高铬铸铁基合金相比，其磨损量降低了10-24％，静摩擦系数降低了15-53％，滑动摩擦系数降低了29-43％，耐磨性能得到显著提高。抗磨损、静摩擦系数及滑动摩擦系数等性能提升的主要原因在于本发明铁合金基体中掺杂了一定比例的硬质tin颗粒陶瓷相，提升了铁合金基体的磨损抗性。从实施例1-3中可以看出，当tin陶瓷颗粒的添加比例从10％逐渐增加到20％时，tin颗粒比例增加，从而使本发明合金的耐磨性增加。从实施例中还可以发现，在合金表面增加碳化钨颗粒之后，改变了合金表面的微-纳构造，使得表面的水接触角增加，润湿性降低，从而提升合金表面的防粘性。