铸造含铬Fe-B合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种铸造 Fe - B合金及其制备方法，特别涉及一种铸造含铬Fe - B 合金及其制备方法，属于铸造技术领域。
【背景技术】
[0002] 冶金、矿山、电力、水泥、石化等行业中大量金属零部件都因磨损而失效，耐磨金属 零部件的配件消耗量巨大，据不完全统计，每年全国各种金属耐磨配件消耗量在500万吨 以上，用传统高合金耐磨材料制造耐磨零部件，不仅生产成本很高，而且脆性大，使用受到 严重限制。
[0003] 铸造 Fe-B合金中，因硼元素的大量加入，凝固过程中易生成高硬度的Fe2B相，从 而提高铸造 Fe-B合金耐磨性，但是，Fe2B相脆性大，且在凝固组织中呈连续网状分布，导致 铸造 Fe-B合金韧性低，脆性大，使用过程中极易脆断。为了提高铸造 Fe-B合金强度和韧性， 中国发明专利CN102517504公开了一种以低价硼为主要合金元素，可制造球磨机衬板的 高硼耐磨铸钢，其所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C :< 0. 4 ;Si :0. 40 - 0. 8 ;Mn : 0· 5 - I. 2 ;Cr :0· 5 - L 2 ;B :1· 2 - 3. 0 ;Re :< 0· 2 ;V :< 0· I ;Ti :< 0· 1，所述铸钢先进 行950 - 980°C X2h+水冷的淬火工艺，再在200 - 250°C X4h+空冷回火处理，其硬度大于 58HR C，冲击韧性大于12J/cm2,淬透层深度大于40mm。中国发明专利CN101016603还公开 了一种含颗粒状硼化物的高硼铸钢及制备方法，其化学成分及重量百分比为：C :0. 15%~ 0· 45 % ;B :0· 75 % ~2. 70 % ;Ti :0· 34 % ~L 50 % ;Cr :0· 80 % ~L 20 % ;Si :0· 50 % ~ L 50 % ;Mn :0· 50 % ~L 50 % ;Ce :0· 04 % ~0· 12 % ;A1 :0· 08 % ~0· 20 % ;Ca :0· 03 % ~ 0· 10%;N :0· 01%~0· 06 ;P < 0· 05%，S < 0· 05%，余量为 Fe ;其中，B/C = 5. 0 ~6· 0，B/ Ti = 1. 8~2. 2。制备采用电炉熔炼，先将普通废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，然后加入 硅铁和锰铁，出炉前加入硼铁和钛铁，炉前调整成分合格后升温，加入硅一钙合金预脱氧， 而后用铝终脱氧和微合金化，用铈和氮进行炉外复合变质处理。经保温后油冷淬火、低温回 火即可。中国发明专利CN 101177762还公开了一种耐液态锌腐蚀的高硼铸钢及其制备方 法，其化学成分是（重量％ ) :C < 0· 15, Si < 0· 40, Mn < 0· 40, B :5. 0 - 7. 0, Ce :0· 05 - 0. 15, Cr :1. 5 - 3.0, Al :0.80 - 1.50,其余为Fe和不可避免的微量杂质。该发明的高硼 铸钢利用电炉便可生产，其金相显微组织由网状硼化物和铁素体与少量珠光体构成的金属 基体组成，耐液态锌腐蚀性能优良，其抗拉强度大于400MPa，冲击韧性大于6J/cm2。中国 发明专利CN 102676954还公开了一种无铬高硼耐磨合金及其制备方法，合金的化学成分 为（重量百分比）为：CO. 53 ~0· 68%，BI. 0 ~4. 5%，SiO. 75 ~1. 0%，MnO. 45 ~1. 0%， Ce0.0 1~0. 20 %，S0. 03~0. 06 %，P0.0 5~0. 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。中国发明专利CN 103526106还公开了一种高性能无铬高硼铸铁复合材料及其制备方 法，合金的化学成分为（重量百分比）为：CO. 43~0.58%，BI. 1~4. 6%，SiO. 65~0.9%， MnO. 55 ~I. l%，Ce0.0 2 ~0· 21%，S0. 02 ~0· 05%，Ρ0· 04 ~0· 09%，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~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。中国发明专利CN 101979695还公开了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~L0C;L0~4·5Β;0·20~0.70Si ; 0. 20~0. 8Mn ;< 0.1 S ;< 0.1 P ;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。
[0004] 但是，普通Fe-B合金中硼化物是脆性极大的Fe2B，且冶炼过程中硼烧损极大，还存 在淬透性低，常需要水淬处理，淬火过程中易出现裂纹。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是通过加铬来提高Fe-B合金淬透性，并降低Fe2B脆性，此外，改进 Fe-B合金冶炼工艺，提高硼的回收率，并稳定Fe-B合金质量。
[0006] 本发明目的可以通过以下工艺来实现。
[0007] (1)采用质量分数88~90%的Q235废钢、8~10%的氮化锰铁、1.2~1.5%的 钛铁和0. 5~0. 8%的金属铝配料，先将质量分数88~90%的Q235废钢在电炉内加热至 1580~1600°C，然后加入质量分数8~10%的氮化锰铁，保温5~8分钟后，继续加入质量 分数0. 5~0. 8%的金属铝，继续保温5~8分钟后，加入质量分数1. 2~1. 5%的钛铁后 升温，升温至1630~1650°C时，加入颗粒尺寸为12~25_、并经650~800°C烘烤60~ 90分钟的Cr-B-C中间铁合金，钢水保温10~15分钟，出炉到浇包；其中Cr-B-C中间铁合 金的加入量占炉内钢水质量的20~25%，Cr-B-C中间铁合金的化学组成及其质量分数为 40 ~45% Cr、6 ~8% Β、4· 5 ~5. 0% C、〈1. 5% Si、〈0· 04% S、〈0· 04% P、余量 Fe ;
[0008] (2)将步骤（1)浇包内的钢水扒渣，当其温度降至1450~1480°C时，将钢水浇入 铸型，钢水浇铸完4~6小时后，开箱清理铸件，随后继续将铸件入炉加热至250~280°C， 保温12~15小时，然后出炉空冷至室温，即可获得含铬Fe - B合金。
[0009] 优选所述Q235废钢的化学成分及质量分数为：0. 14~0.22%的C，0. 30~0.65% 的Mn，彡0· 30%的Si，彡0· 050%的S，彡0· 045%的P，余量为Fe。
[0010] 优选所述氮化锰铁的化学成分及质量分数为：60~63% Mn, 5. 0~6. 5% N，C彡0 ? 5%，Si 彡 I. 0%，P 彡 0· 08%，S 彡 0· 04%，余量 Fe。
[0011] 优选所述钛铁的化学成分质量分数为：38~42 % Ti,〈5. 0 % Al,〈2. 5 % Si,〈0· 02% P,〈0· 20% Cu,〈0· 10% C,〈0· 02% S,〈2. 5% Mn,余量 Fe。
[0012] 本发明先采用质量分数88~90%的Q235废钢、8~10%的氮化锰铁、1. 2~1. 5% 的钛铁和0. 5~0. 8 %的金属铝配料，其中Q235废钢主要用于补充铁含量，而加入8~10 % 的氮化锰铁，主要是利用锰固溶于基体组织中，可以大幅度提高材料淬透性，而氮可以与钛 和铝在钢水中生成高熔点的TiN和AlN颗粒，可以细化凝固组织，提高材料强韧性，加入铝 可以起脱氧作用和生成AlN颗粒作用。
[0013] 本发明是先将质量分数88~90%的Q235废钢在电炉内加热至1580~1600 °C，合 金元素少，合金烧损量小。然后加入质量分数8~10%的氮化锰铁，这样可确保氮化锰铁的 快速熔化，减少Mn和N元素的烧损。保温5~8分钟后，继续加入质量分数0. 5~0. 8 %的 金属铝，使钢水具有良好的脱氧和净化效果。继续保温5~8分钟后，加入质量分数1. 2~ 1. 5 %的钛铁，升温至1630~1650°C时，加入颗粒尺寸为12~25mm，并经650~800°C烘 烤60~90分钟的Cr-B-C中间铁合金，Cr-B-C中间铁合金的加入量占炉内钢水质量分数的 20~25%，Cr-B-C中间铁合金的化学组成及其质量分数为40~45% Cr、6~8% B、4. 5~ 5. 0% C、〈l. 5% Si、〈0. 04% S、〈0. 04% P、余量Fe，这样可确保硼、铬快速熔入钢水中，大幅 度减少合金元素烧损，且加入的铬部分进入Fe2B,可减低Fe2B的脆性，部分铬固溶于基体， 大幅度提高基体淬透性。钢水保温10~15分钟后出炉到浇包，将浇包内的钢水扒渣，当其 温度降至1450~1480°C时，将钢水浇入铸型，钢水浇铸完4~6小时后，开箱清理铸件，随 后继续将铸件入炉加热至250~280°C，保温12~15小时后，主要用于去铸造应力和稳定 组织，最后出炉空冷至室温，即可获得含铬Fe -B合金，具有良好耐磨性和优良的力学性能。
[0014] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0015] 1)合金中不含镍、钼、钒等贵重合金元素，成本低廉；
[0016] 2)硼、铬以中间高碳铁合金形式加入，确保硼快速熔于钢水中，使硼元素回收率大 于 95% ;
[0017] 3)