专利名称：铸造高硼耐磨合金的韧化方法
技术领域：
本发明涉及高硼合金材料领域，特别是铸造高硼耐磨合金的韧化方法。
背景技术：
众所周知，硬度和韧性是影响材料耐磨性能的两个主要因素，在保证硬度的情况下，材料的韧性越高，则耐磨性越好。在高冲击磨损工况下，工件除要承受磨损外，还要承受大能量的冲击而不发生断裂失效，因此提高韧性不仅能提高材料的耐磨性能和使用寿命，而且能提高材料的可靠性。此外，韧性的提高还能扩大一些材料的使用范围。
高硼铸造耐磨合金因其较低的制造成本、某些优良的性能而逐渐得到人们的重视。中国专利申请号为CN200410089538.0的发明专利公开了一种高硼铸造铁基耐磨合金，澳大利亚专利号为AU9525571-A的发明专利公开了一种高硼高铬的高硼钢，这两种高硼材料分别具有较高的硬度和较好的抗热冲击性能，但是冲击韧性都较低，限制了工业化应用。分析其韧性低的原因，可以发现都是因为在凝固组织中存在脆性的连续网状共晶硼化物。如何改善高硼合金材料的组织形态以提高冲击韧性是当前急需攻克的技术难点。
当前对含有类似网状共晶组织的材料如白口铸铁，中、高铬白口铸铁的韧化处理方法有以下几种1.塑性加工该方法是将材料加热到奥氏体化以后，进行塑性变形加工。在反复的锻打、轧制过程中，使网状的共晶组织断裂，从而使基体的连续性加强，提高材料的冲击韧性。在高铬白口铁的研究中，姜振雄等人发现锻造后高铬铸铁的冲击值提高5～10倍。孙逊在研究中指出高铬白口铁在850～1150℃经热塑性变形后，共晶碳化物被破碎并在基体中均匀分布，使塑性大幅度增加，由铸态的5J/cm2提高到12～18J/cm2。对于该类材料，塑性加工是可以提高材料的冲击韧性的，但是该法只适合于形状简单的铸件，并且工艺复杂，还消耗大量的能量。对于一般使用的耐磨件，如磨球、衬板、锤头等都不适合采用该种方法。
2.热处理热处理是提高金属材料性能非常有效的方法，它不仅可以强化基体组织，还能改变网状共晶组织的形态。北京科技大学的研究表明白口铁铸经高温热处理时，网状共晶碳化物的粒化包括断网、团聚和团球化三个阶段。共晶组织粒化后的白口铸铁冲击韧性明显提高。
3.合金化合金化也是改变共晶组织形态的一种有效的方法。在白口铸铁的研究中，通过增加铬的含量，在当铬含量大于12％时，白口铸铁中原来连续的M3C型碳化物，转变为断续的、块状的M7C3型。这种碳化物不但硬度高，而且在冲击条件下不易碎裂。高铬白口铸铁的冲击韧性比低铬或普通白口铸铁可以提高一倍以上，而且硬度也提高，其关键是共晶碳化物形态的改变。但是高合金的加入会消耗日益紧张的贵重金属资源，增加材料的成本。从材料设计的目标来讲，不符合低成本、高性能的原则。
4.变质处理变质处理也是提高材料性能的非常有效的方法。对铸铁、铝硅合金等材料的变质处理都取得了非常好的效果。变质机理有多种，但最基本的有两种，一种是变质元素促进形核或阻止晶粒长大从而达到细化晶粒的作用，另一种是变质元素改变晶体生长方式从而改变组织形态。有效的变质处理可以显著提高材料的综合性能。
目前，铸造高硼耐磨合金的韧化方法还未见报道。
发明内容
本发明的目的就是针对铸造高硼耐磨合金冲击韧性低的这一缺点，发明一种可有效提高其冲击韧性的韧化方法。
本发明的技术路线是应用变质和韧化热处理相结合的方法，使铸造高硼耐磨合金的网状共晶组织断开并粒化，从而大幅度提高冲击韧性。
本发明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0.3～0.35wt％C，1～1.5wt％B，0.6～0.8wt％Si，0.8～1.0wt％Mn，S＜0.04wt％，P＜0.04wt％，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，其中Ti是由变质剂钛铁带入的；具体制备步骤为先进行钢液熔炼，钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，加入变质剂钛铁合金进行变质处理，待化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，韧化热处理温度为1020～1050℃，保温时间为2～3小时，然后进行淬火或正火，最后回火；变质剂钛铁合金用量满足其中钛的用量为铸造高硼耐磨合金的0.75～1.0wt％；钢液加硼采用硼铁合金，硼铁合金在钢液熔炼时加入或者在变质剂钛铁加入之后再加入，其中硼铁合金在变质剂钛铁加入之后再加入有利于减少硼的损耗。
所述的变质剂钛铁合金为FeTi30，用量为铸造高硼耐磨合金的2.5～3.3wt％。
钛铁合金中的钛元素作为变质元素的作用如下钛在铸造高硼耐磨合金中可以和硼生成二硼化钛，二硼化钛的熔点为2980℃，而且二硼化钛的生成自由能低于硼化铁，所以二硼化钛在熔体凝固以前就已经生成，在发生共晶反应时，可以作为共晶硼化物的形核核心，从而细化共晶硼化物。此外，研究发现只有经过适量钛铁合金变质的铸造高硼合金在1020～1050℃保温后共晶硼化物才能发生断开并孤立化，在钛含量低于该量时，即使韧化热处理也不能打断网状共晶硼化物，在钛含量超过该量时容易产生铸造缺陷。此外，钛还可以和钢中的氮和碳生成TiN和TiC，对初生奥氏体有一定的细化作用，有利于提高冲击韧性。
韧化热处理的作用1020℃以上的韧化热处理可以使共晶硼化物优先在网状结构的薄弱处发生断开，并使共晶硼化物的尖角钝化，进而得到粒状的硼化物。研究还发现，韧化热处理温度低于1020℃以后，无论变质与否都不能使网状共晶硼化物断开。韧化热处理温度高于1050℃以后，共晶硼化物能虽能更好地断开并粒化，但奥氏体晶粒会发生长大，严重时出现过热组织，大大降低材料的力学性能，包括冲击韧性的明显降低。
与现有技术相比，本发明的优点在于经过变质和韧化处理后的砂型铸造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立状分布于基体中，10mm×10mm×55mm标准冲击试样的吸收功Ak可高达12.5J，冲击韧性明显提高。
图1是未经FeTi30变质但经1025℃保温3小时后水淬的砂型铸造高硼合金的金相组织；图2是用3.2％FeTi30变质，经1000℃保温3小时后水淬的砂型铸造高硼合金的金相组织；图3与图2同样的试样，但经1040℃保温3小时(韧化热处理)后水淬的砂型铸造高硼合金的金相组织。
具体实施例方式
以下结合实施例和对比例对本发明作进一步详细描述本发明的实施例及对比例均以普通废钢和硼铁为主要原料，采用中频感应电炉熔炼，浇注砂型标准基尔试块。且铸造高硼耐磨合金的化学成分均满足0.3～0.35wt％C，1～1.5wt％B，0.6～0.8wt％Si，0.8～1.0wt％Mn，S＜0.04wt％，P＜0.04wt％，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，其中Ti是由变质剂钛铁带入的。具体制备步骤为先进行钢液熔炼，钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，加入变质剂钛铁合金FeTi30进行变质处理，待化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，韧化热处理温度为1020～1050℃，保温时间为2～3小时，然后进行淬火或正火，最后回火；变质剂FeTi30用量为铸造高硼耐磨合金的2.5～3.3wt％；钢液加硼采用硼铁合金，硼铁合金在钢液熔炼时加入或者在变质剂钛铁加入之后再加入。
以下为各实施例和对比例的具体化学组成和具体制备工艺，各实施例中未提及的内容参见前段内容。
实施例1化学成分为0.31wt％C，1.0wt％B，0.66wt％Si，0.82wt％Mn。用2.5wt％FeTi30变质，试块经1020℃保温3小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为8.5J，硬度为51HRC。
实施例2化学成份为0.32wt％C，1.0wt％B，0.80wt％Si，0.85wt％Mn。用3.2wt％FeTi30变质，试块经1020℃保温3小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为8J，硬度为52HRC。
实施例3化学成份为0.32wt％C，1.0wt％B，0.80wt％Si，0.85wt％Mn。用3.2wt％FeTi30变质，试块经1040℃保温3小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物完全断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为10J，硬度为51.5HRC。
实施例4化学成份为0.32wt％C，1.0wt％B，0.80wt％Si，0.85wt％Mn。用3.0wt％FeTi30变质，试块经1050℃保温3小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物完全断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为12.5J，硬度为50HRC。
实施例5化学成份为0.33wt％C，1.0wt％B，0.77wt％Si，0.84wt％Mn。用3.0wt％FeTi30变质，试块经1025℃保温3小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为9J，硬度为52HRC。
实施例6化学成份为0.30wt％C，1.5wt％B，0.60wt％Si，0.80wt％Mn。用3.3wt％FeTi30变质，试块经1029℃保温2小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为8.5J，硬度为54HRC。
实施例7化学成份为0.35wt％C，1.3wt％B，0.66wt％Si，1.0wt％Mn。用3.0wt％FeTi30变质，试块经1029℃保温2.5小时水淬，再经200℃回火2小时，共晶硼化物断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为8J，硬度为55HRC。
实施例8化学成份为0.32wt％C，1.0wt％B，0.80wt％Si，0.85wt％Mn。用2.6wt％FeTi30变质，试块经1029℃保温3小时水淬，再经200℃回火2小时，其砂型铸造高硼合金的金相组织参见图3，可见共晶硼化物断开，呈孤立块状和粒状。线切割10mm×10mm×55mm标准试样冲击功Ak为9J，硬度为51HRC。
对比例1化学成份为0.32wt％C，1.0wt％B，0.80wt％Si，0.85wt％Mn。未经FeTi30变质但经1025℃保温3小时后水淬，其砂型铸造高硼合金的金相组织参见图1，可见共晶硼化物没有断开，仍成连续网状，冲击韧性较低，10mm×10mm×55mm标准试样冲击吸收功Ak仅为3.5J。
对比例2
化学成份为0.32wt％C，1.0wt％B，0.80wt％Si，0.85wt％Mn。用2.6％FeTi30变质，经1000℃保温3小时后水淬，其砂型铸造高硼合金的金相组织参见图2，可见共晶硼化物形态稍有改善，但仍为连续网状，冲击韧性较低，10mm×10mm×55mm标准试样冲击吸收功Ak为4.5J。
权利要求
1.一种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0.3～0.35wt％C，1～1.5wt％B，0.6～0.8wt％Si，0.8～1.0wt％Mn，S＜0.04wt％，P＜0.04wt％，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，其中Ti是由变质剂钛铁带入的；具体制备步骤为先进行钢液熔炼，钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，加入变质剂钛铁合金进行变质处理，待化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，韧化热处理温度为1020～1050℃，保温时间为2～3小时，然后进行淬火或正火，最后回火；变质剂钛铁合金用量满足其中钛的用量为铸造高硼耐磨合金的0.75～1.0wt％；钢液加硼采用硼铁合金，硼铁合金在钢液熔炼时加入或者在变质剂钛铁加入之后再加入。
2.根据权利要求1所述的铸造高硼耐磨合金的韧化方法，其特征在于所述的变质剂钛铁合金为FeTi30，用量为铸造高硼耐磨合金的2.5～3.3wt％。
全文摘要
一种铸造高硼耐磨合金的韧化方法，其用2.5～3.3wt％FeTi30合金作变质剂，变质处理工艺是在钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，加入钛铁合金FeTi30，待化清扒渣后即进行浇注；韧化热处理温度为1020～1050℃保温2～3小时，然后淬回火或正火。经过韧化处理后的砂型铸造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立状分布于基体中。10mm×10mm×55mm标准冲击试样的吸收功A
文档编号C22C37/00GK1804091SQ20061004909
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者刘仲礼, 胡开华 申请人:宁波浙东精密铸造有限公司