阅读说明：本技术 一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法 (Preparation method of TiC particle reinforced high-chromium cast iron alloy material ) 是由 肖平安 顾景洪 吕蓉 肖利洋 石管华 肖雨桐 古思敏 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法,包括：(1)合金配比设计：TiC增强颗粒粉末的添加量为5wt％～35wt％,粒度为200～3000nm；高铬铸铁预合金粉末的添加量为65wt％～95wt％；(2)球磨混料：采用干混或者湿混的方式实现TiC增强颗粒粉末的均匀分布；(3)压坯烧结致密化：向混合好的原料粉末中加入适量成型剂,先模压成坯,然后实现合金的烧结致密化；(4)淬火处理：淬火温度为880℃～1100℃,保温时间为1h～6h；(5)回火处理：回火温度为150～500℃,保温时间为1h～6h。本发明产品合金的硬度为HRC75～HRC65,抗弯强度为2500～1000MPa,冲击韧性在20～4J/cm<Sup>2</Sup>；与WC-Co硬质合金相比,该类新型合金不仅硬度和强韧性优异,而且由于使用廉价的TiC颗粒为强化相和高铬铸铁为基体,使得合金的原料成本和比重显著降低。(The invention discloses a preparation method of a TiC particle reinforced high-chromium cast iron alloy material, which comprises the following steps: (1) alloy proportioning design: the addition amount of the TiC reinforced particle powder is 5-35 wt%, and the particle size is 200-3000 nm; the addition amount of the high-chromium cast iron prealloying powder is 65-95 wt%; (2) ball milling and mixing: the TiC reinforced particle powder is uniformly distributed in a dry mixing or wet mixing mode; (3) and (3) compact sintering densification: adding a proper amount of forming agent into the mixed raw material powder, and firstlyPressing into a blank, and then realizing sintering densification of the alloy; (4) quenching treatment: the quenching temperature is 880-1100 ℃, and the heat preservation time is 1-6 h; (5) tempering treatment: the tempering temperature is 150-500 ℃, and the heat preservation time is 1-6 h. The alloy of the invention has the hardness of HRC 75-HRC 65, the bending strength of 2500-1000 MPa and the impact toughness of 20-4J/cm 2 (ii) a Compared with WC-Co hard alloy, the novel alloy has excellent hardness and obdurability, and because the cheap TiC particles are used as a strengthening phase and the high-chromium cast iron is used as a matrix, the raw material cost and the specific gravity of the alloy are obviously reduced.)

一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法

技术领域

本发明属于耐磨合金材料领域，涉及一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，特别涉及一种TiC颗粒强化的含11％～30％Cr的烧结高铬铸铁合金材料的制备方法。

背景技术

含11％～30％Cr的烧结高铬铸铁是第三代金属耐磨材料中性能卓越的合金系列之一，与硬质合金(WC-Co硬质合金)相比，硬度稍逊，但其抗冲击韧性和合金比重等指标远优于大多数硬质合金，成本显著低于硬质合金。TiC是一种显微硬度十分突出，摩擦系数很小，减摩和耐磨能力都十分优秀的硬质碳化物。

铸造高铬铸铁因其中存在花瓣状碳化物，使得十分容易发生强烈的应力集中，极易导致合金在淬火急冷和冲击力作用下开裂，而烧结高铬铸铁中碳化物为圆钝的细小短杆状，且分布均匀，在淬火急冷和冲击力作用过程中均表现出良好的承受能力。此外，TiC颗粒通常与铁基类合金润湿性较差，难以实现有效烧结致密化。

发明内容

针对现有技术中铸造高铬铸铁中存在花瓣状碳化物，极易导致合金在淬火急冷和冲击力作用下开裂，TiC颗粒通常与铁基类合金润湿性较差，难以实现有效烧结致密化的技术问题，本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、生产流程短的TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，制备出与WC-Co硬质合金耐磨性能相当的TiC颗粒增强高铬铸铁合金，显著降低生产成本。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合金配比设计：TiC增强颗粒粉末的添加量为5wt％～35wt％，粒度为200～3000nm；高铬铸铁预合金粉末的添加量为65wt％～95wt％；

(2)球磨混料：将高铬铸铁预合金粉末、TiC增强颗粒粉末进行合金配制，采用干混或者湿混的方式实现TiC增强颗粒粉末的均匀分布，防止TiC增强颗粒粉末发生团聚或者偏聚现象；

(3)压坯烧结致密化：向混合好的原料粉末中加入适量成型剂，先模压成坯，然后实现合金的烧结致密化；

(4)淬火处理：将烧结制备的合金制品加热后进行淬火热处理，淬火温度为880℃～1100℃，保温时间为1h～6h，冷却方式为空冷或室温水淬；

(5)回火处理：将淬火后的合金制品进行回火处理，回火温度为150～500℃，保温时间为1h～6h，回火次数可选择为1～5次；淬火后的合金制品进一步进行回火处理以达到设计要求的硬度。

优选的方案，步骤(1)中，所述高铬铸铁预合金粉末为商业常用成分，其组成成分为：Cr 11～30％，C 2.0～3.5％，Si 0.5～2.0％，Mn 0.5～2.0％，Ni 0.8～2.0％，Mo 1.0～3.5％，W 1.0～3％，V 1～3％，B 0.005～0.10％，P和S均小于0.10％，余量为Fe，各成分质量之和为100％。

优选的方案，步骤(1)中，TiC增强颗粒粉末的添加量为8wt％～30wt％，粒度为350～2500nm；高铬铸铁预合金粉末的添加量为70wt％～92wt％。

优选的方案，步骤(3)中，压坯压制力控制在200～280MPa。

较优选的方案，步骤(1)中，TiC增强颗粒粉末的添加量为8wt％～25wt％，粒度为450～1800nm；高铬铸铁预合金粉末的添加量为75wt％～92wt％；步骤(3)中，压坯压制力控制在220～280MPa。

更优选的方案，步骤(1)中，TiC增强颗粒粉末的添加量为8wt％～20wt％，粒度为450～1200nm；高铬铸铁预合金粉末的添加量为80wt％～92wt％；步骤(3)中，压坯压制力控制在250～280MPa。

优选的方案，步骤(3)中，采用真空烧结、热压烧结或者热等静压方法中的任意一种，实现合金的烧结致密化。

优选的方案，步骤(3)中，烧结致密化后，要求烧结制品相对致密度达97％以上。

优选的方案，步骤(4)中，淬火温度为合金奥氏体化温度以上50℃～100℃，保温时间及升温速率随实际试样尺寸和形状而定。

优选的方案，步骤(4)中，淬火处理过程中，升温速率为4～8℃/min。

其中，将所得到的合金制品进行室温洛氏硬度测试和室温冲击韧性测试，测试方法采用国标GB/T 6884-1986。

实验表明，TiC颗粒强化烧结高铬铸铁经淬火强硬化热处理后，其合金由分布均匀的TiC增强颗粒和高铬铸铁基体构成，高铬铸铁基体由分布均匀的短杆状铬的碳化物、马氏体和少量奥氏体组成。

本发明制备一种具有高硬度与高耐磨性的含11～30％Cr的TiC颗粒增强烧结高铬铸铁，TiC增强颗粒粉末与铸铁类低熔点和低粘度合金相互润湿性很好，能够有效实现二者的全致密烧结，因此可以细化合金组织和有效提升合金硬度。TiC颗粒强化烧结高铬铸铁类复合材料，经硬质碳化物微粒增强和淬火-回火热处理能够实现合金硬度和耐磨性的明显提升，合金的韧性和宏观硬度均能与WC-Co硬质合金相媲美。

本发明的机理：TiC颗粒在高铬铸铁压坯烧结致密化过程中不仅能作为异质硬质点阻止晶粒合并长大，细化组织的同时还能作为高硬度和减摩效果好的硬质相，进一步提升合金硬度和耐磨性；再经过淬火强硬化热处理，该类合金的强硬度可以媲美昂贵的高比重WC-Co硬质合金，而制备成本和合金的比重大幅度下降。从而可以在要求高耐磨性的产品生产中替代部分WC-Co硬质合金，不但能够节约我国的W、Co战略金属资源，而且会产生显著的经济效益。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：

(1)产品合金的硬度在HRC 75～HRC 65，冲击韧性在10～3J/cm²(采用10×10×55mm无缺口冲击试样)；其中，硬度与抗弯强度、冲击韧性的关系为，硬度越高，则抗弯强度和冲击韧性相应越低。与WC-Co硬质合金相比，该类新型合金不仅硬度和强韧性优异，而且由于使用廉价的TiC颗粒为强化相和高铬铸铁为基体，使得合金的原料成本和比重显著降低。

(2)TiC颗粒增强烧结高铬铸铁的可能应用范围：滑动磨损/磨粒磨损、滚动磨损/磨粒磨损、冲刷磨损和冲击功在1J/cm²以下的低冲击磨粒磨损，以及耐磨密封等要求高硬度和/或者耐磨性工况的零件制造；兼具超高硬度和低廉成本的TiC颗粒强化烧结高铬铸铁耐磨材料对矿山冶金、基建交通等领域的耐磨产品生产有重大意义，适于工业化应用。

附图说明

图1为实施例1所得含10％D₅₀＝400nmTiC颗粒增强烧结高铬铸铁金相图。

图2为实施例2所得含15％D₅₀＝400nm TiC颗粒增强烧结高铬铸铁金相图。

图3为实施例3所得含20％D₅₀＝400nm TiC颗粒增强烧结高铬铸铁金相图。

图4为实施例4所得含15％D₅₀＝700nm TiC颗粒增强烧结高铬铸铁金相图。

图5为对比例1所得高铬铸铁金相图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下是发明人在试验中的部分实施例：

实施例1

本发明提供一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合金成分和TiC颗粒添加量配比设计：将高铬铸铁预合金粉末与D₅₀＝400nmTiC颗粒粉末以重量比90:10进行配比设计；

(2)原料混料均匀化混合：将配比设计后的合金粉末置于不锈钢球磨罐中球磨混料，充分球磨混料后获得TiC颗粒分布均匀的合金粉末；

(3)合金压制和烧结制备：往上述混匀合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，采用单向钢模压制，脱模获得压坯，压坯压制力控制在200MPa，后将压坯置于真空烧结炉中进行充分致密化；

(4)合金淬火和回火热处理：对致密化后的烧结样坯进行淬火处理+回火处理(1次)，工艺分别为淬火温度1000℃保温120min(升温速率为6℃/min)，回火温度200℃保温120min，其显微组织如图1所示，所得合金样品的力学性能见表1。

实施例2

本发明提供一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合金成分和TiC颗粒添加量配比设计：将高铬铸铁预合金粉末与D₅₀＝400nmTiC颗粒粉末以重量比85:15进行配比设计；

(2)原料混料均匀化混合：将配比设计后的合金粉末置于不锈钢球磨罐中球磨混料，充分球磨混料后获得TiC颗粒分布均匀的合金粉末；

(3)合金压制和烧结制备：往上述混匀合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，采用单向钢模压制，脱模获得压坯，压坯压制力控制在250MPa，后将压坯置于真空烧结炉中进行充分致密化；

(4)合金淬火和回火热处理：对致密化后的烧结样坯进行淬火处理+回火处理(5次)，工艺分别为淬火温度1000℃保温120min(升温速率为4℃/min)，回火温度200℃保温120min，其显微组织如图2所示，所得合金样品的力学性能见表1。

实施例3

本发明提供一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合金成分和TiC颗粒添加量配比设计：将高铬铸铁预合金粉末与D₅₀＝400nmTiC颗粒粉末以重量比80:20进行配比设计；

(2)原料混料均匀化混合：将配比设计后的合金粉末置于不锈钢球磨罐中球磨混料，充分球磨混料后获得TiC颗粒分布均匀的合金粉末；

(3)合金压制和烧结制备：往上述混匀合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，采用单向钢模压制，脱模获得压坯，压坯压制力控制在280MPa，后将压坯置于真空烧结炉中进行充分致密化；

(4)合金淬火和回火热处理：对致密化后的烧结样坯进行淬火处理+回火处理(4次)，工艺分别为淬火温度1000℃保温120min(升温速率为8℃/min)，回火温度200℃保温120min，其显微组织如图3所示，所得合金样品的力学性能见表1。

实施例4

本发明提供一种TiC颗粒增强高铬铸铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合金成分和TiC颗粒添加量配比设计：将高铬铸铁预合金粉末与D₅₀＝700nmTiC颗粒粉末以重量比85:15进行配比设计；

(2)原料混料均匀化混合：将配比设计后的合金粉末置于不锈钢球磨罐中球磨混料，充分球磨混料后获得TiC颗粒分布均匀的合金粉末；

(3)合金压制和烧结制备：往上述混匀合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，采用单向钢模压制，脱模获得压坯，压坯压制力控制在220MPa，后将压坯置于真空烧结炉中进行充分致密化；

(4)合金淬火和回火热处理：对致密化后的烧结样坯进行淬火处理+回火处理(3次)，工艺分别为淬火温度1000℃保温120min(升温速率为6℃/min)，回火温度200℃保温120min，其显微组织如图4所示，所得合金样品的力学性能见表1。对比例1

采用传统的烧结工艺获得的热处理高铬铸铁坯样，包括以下步骤：

(1)合金压制和烧结制备：往预合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，采用单向钢模压制，脱模获得压坯，压坯压制力控制在200MPa，后将压坯置于真空烧结炉中进行充分致密化；

(2)合金淬火和回火热处理：对致密化后的烧结样坯进行淬火处理+回火处理，工艺分别为淬火温度1000℃保温120min(升温速率为6℃/min)，回火温度200℃保温120min，其余参数与实施例1相同，得到高铬铸铁的金相图如图5所示。

由图1～4可知，采用TiC颗粒强化的烧结高铬铸铁中，其金相组织中强化相TiC颗粒(黑色颗粒)与基体组织良好结合，并基体组织中弥散分布，且有效抑制了合金中碳化物的联结生长，碳化物形貌单一呈块状，说明TiC颗粒强化的烧结高铬铸铁制备方法简单、有效，可行性极高。由图5可知，虽传统烧结高铬铸铁中含有较多碳化物，但合金宏观硬度提升有限，相较于高硬度硬质合金，特别是WC-Co硬质合金，传统烧结高铬铸铁硬度较低。

表1为实施例1～4和对比例1所得高铬铸铁的力学性能参数对比

本发明实施例1～4和对比例1所得高铬铸铁的力学性能对比如表1所示，从表1可看出，本发明涉及的TiC颗粒强化的烧结高铬铸铁宏观硬度均远高于传统烧结高铬铸铁，能与高比重WC-Co硬质合金相媲美，而且生产周期短，与硬质合金制备工艺相比，非常有利于工业化生产。通过添加TiC硬质相颗粒烧结制备高铬铸铁，极大提高合金硬度的同时还兼顾优良的冲击韧性。强化高铬铸铁合金宏观硬度和调控基体组织的抗冲击韧性的是提高该合金耐磨性能的核心。本发明所设计的TiC颗粒强化烧结高铬铸铁，其制备工艺能简单、能有效提高高铬铸铁宏观硬度，达到极大提升高铬铸铁耐磨性能的目的。同时本发明所提供的工艺原理适用于所有系列的高铬耐磨铸铁，并不仅限于上述实例高铬铸铁。

本发明中通过TiC颗粒强化显著地提高含11～30％Cr的高铬铸铁的硬度和耐磨性，合金设计和制备工艺步骤简便、流程短、性价比突出，在工业用工模具、耐磨零部件和密封产品等领域的生产制造中具有很大的潜在应用市场，并可预期产生十分可观的经济价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。