专利名称：一种无铬高硼耐磨合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钢铁耐磨材料领域，特别是一种无铬高硼耐磨合金及其制备方法。
背景技术：
铬系白ロ铸铁，是应用最为成熟的钢铁耐磨材料之一。然而，近年来，由于资源匮乏，价格飞涨，含铬耐磨合金的应用越来越受到限制。硼作为地壳中富有元素，以硼代铬，具
有重要意义。 上世纪90年代初，澳大利亚Queensland大学材料系的研究人员在高铬合金的基础上，添加部分硼，开发了铁铬硼合金。随后，ー些研究者基于铬系合金，开发了含硼铬系耐磨合金，例举如下
中国发明专利ZL200410089538. O公开了ー种高硼铸造铁基耐磨合金，其主要化学成分是(重量％) :0· 15 O. 70C，0. 3 I. 9Β，0· 3 O. 8Cr，0. 4 O. 8Si，0. 6 I. 3Μη，0· 05 O. 20Ce，O. 02 O. IOLa, O. 005 O. 018Ca, O. 04 O. 18K, O. 08 O. 25A1，S〈0. 04，Ρ〈0· 04，
其余为Fe。该合金中含有Cr、Ce、La等，生产成本较高。中国发明专利ZL200610105251. I公开了ー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% O. 50 % ；B 0. 8% 5. O % ；Cu :0. 3% O. 6% ；Mn O. 8% 2. 0% ；Cr 1. 0% 2. 5% ；Si<l. 5% ；Ti ；0. 08% O. 20% ；Ce :0. 04% O. 12% ；Mg O. 02% O. 18% ；N 0. 06% O. 18% ；S<0. 05% ;Ρ〈0· 05% ;余量为Fe和不可避免的微量杂质。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，成本高。中国发明专利申请公开说明书200810049365.8公开了ー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. O I. 8%，B :3. 8 6. 5%，Mo :0. 3 O. 8%，Ni O. 3 I. O %，Cr 0. 3 2. 0%, Mn 0. 5 I. 0%, Si 0. 5 I. 0%, S〈0. 05%, Ρ〈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 O. 30C，1·5 2·5Β，2. 6 3. OSi，I. 4 I. 8Cr，O. 5 O. 8Μη，0· 05 O. 12Ce，0. 03 O. 15V, O. 03 O. 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，目前含硼耐磨合金实际上均是在铬系合金基础上发展而来，均含有较多的铬、镍、钥、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无铬高硼耐磨合金及其制备方法。该合金以硼代铬，且能够通过控制硼碳和稀土变质处理，有效调节性能，能够使合金同时保持很高的硬度和韧性，以满足不同エ况条件的性能要求，其生产エ艺简单，成本低廉。本发明的技术方案是无铬高硼耐磨合金的化学成分重量百分比为C O. 53 O. 68%, B I. O 4. 5%, Si O. 75 I. 0%, Mn O. 45 I. 0%, Ce O. 01 O. 20%, S O. 03 O. 06%，P O. 05 O. 08%，其余为Fe以及不可避免的微量杂质，硬度为45HRC 58HRC，冲击韧性为20J IOJ0其制备エ艺如下
(1)将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、铈铁、增碳剂等炉料按上述合金 成分及各元素的收得率进行配料；
(2)熔炼钢液前先将硼铁与铈铁粉碎成直径为Imm 5_的颗粒并完全烘干，然后将干燥后的硼铁颗粒置于干燥的浇包底部，铈铁颗粒先不放入浇包中；
(3)废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、生铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁，熔炼合金液；将熔清脱氧后的合金液升至1530°C 1560°C，然后再次插铝脱氧扒渣后出炉，出炉温度1530°C 1560°C，浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化(合金液在烧包内先后与硼铁及铺铁颗粒反应)，反应完毕后，金属液在烧包中静置2 5min后加入除渣剂除渣，待温度降至1400°C 1430°C，浇入铸型，凝固冷却后即得到合金钢； (4)将步骤(4)中得到的合金钢在温度为900°C 1050°C条件下奥氏体化后，出炉后投入淬火油槽中油淬，油淬后的エ件，在250°C 350°C进行去应カ退火处理，最终得到无铬高硼耐磨合金。所述增碳剂为含碳量80wt%的石墨增碳剂颗粒。所述除渣剂为珍珠岩颗粒，加入量根据具体熔炼时的渣量调节。所述淬火采用的油为常规淬火用油。所述奥氏体化保温时间按公式(2. O 2. 5) X δ +10分钟进行控制，其中δ为エ件厚度，单位为mm。所述去应力退火保温时间按公式(I. 5 2. O) X δ +30分钟进行控制，其中δ为エ件厚度，单位为mm。本发明的无铬高硼耐磨合金各元素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，铈的收得率50%，硫和磷在本发明中属于有害元素，不限定收得率。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45HRC 65HRC之间和冲击韧性在20J 4J之间范围调节，以满足不同エ况条件的要求。本发明确定的合金成分及生产エ艺的原理如下
硼硼储量丰富，价格低廉。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(HV 1400-1500)、Fe3(C，B)(HV1100 1400)、Fe23(C，B)6 (HV1000 1300)的硬度远高于 Fe3C (HV800-900)，与铬的碳化物Cr7C3(HV1300-1500)相当，合金中添加硼，可明显提高合金的硬度和耐磨性。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。根据不同的エ况条件的要求，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。根据耐磨材料的エ况条件，碳含量选择在O. 53 O. 68%，通过控制硼碳比，可以使合金的硬度在45HRC 58HRC之间、冲击韧性在20J IOJ之间大范围可调。锰促进奥氏体形成，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 O. 45 I. 0%。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O. 75 I. 0%。铺铺能脱氧，同时改善碳化物的分布形态,提高合金性能,但铺价格较高,添加过多对材料硬度有不利影响，其含量控制在O. 01 O. 2%。硫和磷硫磷降低机械性，在鋳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，硫控制在O. 03 O. 06%，磷控制在O. 05 O. 08%。 硼和铈性质活泼，易于氧化。直接加入电炉中熔炼，收得率低且不稳定。按照本发明提出的エ艺，能有效提高元素吸收率，控制合金成分，成功制备无铬高硼耐磨合金。本发明提出的油淬和去应カ退火处理，能在保证获得高性能的前提下，减少应力，防止开裂。本发明的优点和积极效果
本发明提出的合金中不添加铬、钥等贵重元素，而以硼为主要合金元素，依靠硼在钢中形成的高硬度的硼化物及含硼碳化物为耐磨骨架，获得高耐磨性能。微量的铈，改善硬质相在基体中的分布形态，进ー步提高了合金的性能。与传统添加Cr、Ni、Mo等多种合金成分的合金钢相比，韧性和硬度相当，但是成本低廉，加工エ艺简単。但硼和铈都比较活泼，传统的添加方法难以保证其有效吸收，加入量很难稳定控制。本专利提出的硼和铈复合包内添加エ艺，能保证硼的吸收率稳定在80%左右、铈的吸收率稳定在50%左右，获得的耐磨合金，具有成本低廉、性能优良的特点，可用于制造冶金、矿山、电力、机械等行业广泛应用的磨球、锤头、泵壳等耐磨件，具有广阔的应用前景。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进ー步描述，但本发明不限于以下所述范围。实施例I :
本实施例中的无铬高硼耐磨合金，其化学成分为(重量百分比)为C O. 53%,B I. 3%, SiO. 75%,Mn O. 46%,Ce O. 05%,P O. 05%, S O. 04%，余量为铁和杂质，硬度在45HRC，冲击韧性为12J。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
硼铁B 20%, Si O. 6%，P O. 03%, C O. 2%，S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁C 3. 8%, Si 2. 2%, Mn 2. 8%, P O. 06%, S O. 06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢C O. 2%，Si O. 2%，Mn O. 5%，P O. 08%, S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁Mn 65%，C 2. 0%，P O. 06%, S O. 03%, Si 3. 4%，余量为铁及不可避免杂质；
硅铁Si 75%，余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂=C 80%，余量为灰分。兀素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，铈的收得率50%，硫和磷在本发明中属于有害元素，不限定收得率。本实施例的无铬高硼耐磨合金的制备步骤如下
(1)将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、铈铁、增碳剂等炉料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；
(2)硼铁与铈铁粉碎成直径为1_ 5_的颗粒并完全烘干，然后将干燥后的硼铁颗粒置于干燥的烧包底部，铺铁颗粒先不放入烧包中；
(3)废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、生铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁，熔炼合金液；· (4)将熔清脱氧后的合金液升至1530°C，然后再次插铝脱氧扒渣后出炉，出炉温度1530°C，浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化(合金液在烧包内先后与硼铁及铺铁颗粒反应)，反应完毕后，金属液在烧包中静置5min后加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1430°C，浇入铸型。(5)合金完全凝固冷却后，获得壁厚30mm的エ件。エ件在热处理炉中1000°C奥氏体化，奥氏体保温时间70分钟，然后油淬。最后将油淬后的エ件在300°C保温90分钟去应力退火处理。エ件性能测试结果表明，硬度和冲击韧性分别为45HRC和12J。实施例2:
本实施例中的无铬高硼耐磨合金，其化学成分为(重量百分比)为C O. 66%, B 4.0%，Si O. 8%，Mn O. 7%，Ce O. 15%，P O. 06%, S O. 06%，余量为铁和杂质，硬度和冲击韧性分别为58HRC 和 10J。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
硼铁B 22%，Si O. 4%，P O. 05%, C O. 2%，S O. 02%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁C 4%，Si 2. 2%，Mn 4%，P O. 06%, S O. 06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢C O. 3%，Si O. 2%，Mn O. 54%，P O. 08%, S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁Mn 62%，C 2. 0%，P O. 06%, S O. 03%, Si 3. 4%，余量为铁及不可避免杂质；
娃铁Si 72%,余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂=C 80%,余量为灰分。兀素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，铈的收得率50%，硫和磷在本发明中属于有害元素，不限定收得率。本实施例的无铬高硼耐磨合金的制备步骤如下
(1)将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、铈铁、增碳剂等炉料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；
(2)硼铁与铈铁粉碎成直径为1_ 5_的颗粒并完全烘干，然后将干燥后的硼铁颗粒置于干燥的烧包底部，铺铁颗粒先不放入烧包中；
(3)废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、生铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁，熔炼合金液；
(4)将熔清脱氧后的合金液升至1540°C，然后再次插铝脱氧扒渣后出炉，出炉温度1540°C，浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化(合金液在烧包内先后与硼铁及铺铁颗粒反应)，反应完毕后，金属液在烧包中静置3min后加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1420°C，浇入铸型。(5)合金完全凝固冷却后，获得壁厚50mm的エ件。エ件在热处理炉中1050°C奥氏体化，奥氏体保温时间110分钟，然后油淬。最后将油淬后的エ件在350°C保温120分钟去应カ退火处理。エ件性能测试结果表明，硬度和冲击韧性分别为58HRC和10J。实施例3
本实施例中的无铬高硼耐磨合金，其化学成分为(重量百分比)为c O. 68%，BI. 0%，Si1.0%，Mn O. 45%, Ce O. 01%, P O. 08%, S O. 05%，余量为铁和杂质，硬度和冲击韧性分别为56HRC 和 10J。 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
硼铁B 18%，Si O. 4%，P O. 03%, C O. 2%，S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁C 3. 3%, Si 2. 2%, Mn 2. 8%, P O. 06%, S O. 06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢C O. 1%，Si O. 2%，Mn O. 5%，P O. 08%, S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁Mn 65%，C 2. 0%，P O. 06%, S O. 03%, Si 3. 4%，余量为铁及不可避免杂质；
娃铁Si 80%,余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂=C 79%，余量为灰分。兀素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，铈的收得率50%，硫和磷在本发明中属于有害元素，不限定收得率。本实施例的无铬高硼耐磨合金的制备步骤如下
(1)将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、铈铁、增碳剂等炉料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；
(2)硼铁与铈铁粉碎成直径为1_ 5_的颗粒并完全烘干，然后将干燥后的硼铁颗粒置于干燥的烧包底部，铺铁颗粒先不放入烧包中；
(3)废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、生铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁，熔炼合金液；
(4)将熔清脱氧后的合金液升至1560°C，然后再次插铝脱氧扒渣后出炉，出炉温度1560°C，浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化(合金液在烧包内先后与硼铁及铺铁颗粒反应)，反应完毕后，金属液在烧包中静置2min后加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1400°C，浇入铸型。(5)合金完全凝固冷却后，获得壁厚50mm的エ件。エ件在热处理炉中900°C奥氏体化，奥氏体保温时间110分钟，然后油淬。最后将油淬后的エ件在250°C保温120分钟去应カ退火处理。エ件性能测试结果表明，硬度和冲击韧性分别为56HRC和10J。实施例4:
本实施例中的无铬高硼耐磨合金，其化学成分为(重量百分比)为c O. 59%, B4. 5%,Si O. 9%，Mn I. 0%，Ce O. 20%, P O. 05%, S O. 03%，余量为铁和杂质，硬度和冲击韧性分别为54HRC 和 20 J。
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
硼铁B 23%，Si O. 6%，P O. 03%, C O. 2%，S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁C 3. 8%, Si 2. 2%, Mn 2. 8%, P O. 06%, S O. 06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢C O. 1%，Si O. 2%，Mn O. 5%，P O. 08%, S O. 03%，余量为铁及不可避免杂质；锰铁Mn 69%，C 2. 0%，P O. 06%, S O. 03%, Si 3. 4%，余量为铁及不可避免杂质；
硅铁Si 75%，余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂=C 80%,余量为灰分。兀素收得率碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，铈的收得率50%，硫和磷在本发明中属于有害元素，不限定收得率。本实施例的无铬高硼耐磨合金的制备步骤如下
(1)将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、铈铁、增碳剂等炉料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；
(2)硼铁与铈铁粉碎成直径为1_ 5_的颗粒并完全烘干，然后将干燥后的硼铁颗粒置于干燥的烧包底部，铺铁颗粒先不放入烧包中；
(3)废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、生铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁，熔炼合金液；
(4)将熔清脱氧后的合金液升至1540°C，然后再次插铝脱氧扒渣后出炉，出炉温度1540°C，浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化(合金液在烧包内先后与硼铁及铺铁颗粒反应)，反应完毕后，金属液在烧包中静置3min后加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1420°C，浇入铸型。(5)合金完全凝固冷却后，获得壁厚50mm的エ件。エ件在热处理炉中1000°C奥氏体化，奥氏体保温时间110分钟，然后油淬。最后将油淬后的エ件在300°C保温120分钟去应カ退火处理。エ件性能测试结果表明，硬度和冲击韧性分别为54HRC和20J。
权利要求
1.一种无铬高硼耐磨合金，其特征在于无铬高硼耐磨合金的化学成分重量百分比为C O. 53 O. 68%, B I. O 4. 5%, Si O. 75 I. 0%, Mn O. 45 I. 0%, Ce O. 01 O. 20%, SO.03 O. 06%, P O. 05 O. 08%，其余为Fe以及不可避免的杂质，硬度为45HRC 58HRC，冲击韧性为20J IOJ。
2.一种如权利要求I所述的无铬高硼耐磨合金的制备方法，其特征在于具体制备步骤包括如下 (1)将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、铈铁、增碳剂按权利要求I所述的 合金成分及各元素的收得率进行配料； (2)先将步骤(I)中硼铁与铈铁粉碎成直径为I 5_的颗粒并烘干，然后将干燥后的硼铁颗粒置于干燥的浇包底部，铈铁颗粒先不放入浇包中； (3)按照常规エ艺熔炼步骤(I)中除去硼铁和铈铁合金配料的钢液，将熔清脱氧后的合金液升至1530°C 1560°C，然后再次插铝脱氧扒渣后出炉，出炉温度1530°C 1560°C，浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化，合金液在浇包中静置2 5min后加入除渣剂除渣，待温度降至1400°C 1430°C，浇入铸型，凝固冷却得到合金钢； (4)将步骤(4)中得到的合金钢在温度为900°C 1050°C条件下奥氏体化后，出炉后投入淬火油槽中油淬，油淬后的エ件，在250°C 350°C进行去应カ退火处理，最终得到无铬高硼耐磨合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述增碳剂为含碳量80wt%的石墨增碳剂颗粒。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述除渣剂为珍珠岩颗粒，加入量根据具体熔炼时的渣量调节。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述奥氏体化保温时间按公式(2. O 2. 5) X δ +10分钟进行控制，其中δ为エ件厚度，单位为mm。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述去应力退火保温时间按公式(I. 5 2. O) X δ +30分钟进行控制，其中δ为エ件厚度，单位为mm。
全文摘要
本发明公开一种无铬高硼耐磨合金及其制备方法，属于钢铁耐磨材料领域。合金的化学成分为(重量百分比)为C0.53～0.68%，B1.0～4.5%，Si0.75～1.0%，Mn0.45～1.0%，Ce0.01～0.20%，S0.03～0.06%，P0.05～0.08%，其余为Fe以及不可避免的杂质，硬度在45HRC～58HRC，冲击韧性为20J～10J。合金利用电炉生产，熔炼浇铸后经过热处理使用。合金不含铬，价格低廉，综合性能良好，生产成本低、工艺简单、操作性强。
文档编号C22C38/04GK102676954SQ201210181418
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者何正员, 刘美红, 周荣, 岑启宏, 董云菊, 蒋业华, 黎振华 申请人:昆明理工大学