一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁
阅读说明：本技术 一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁 (High-toughness high-wear-resistance boron-containing white cast iron ) 是由 易艳良 李卫 涂小慧 周圣丰 郑宝超 刘洋赈 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁,属于抗磨金属材料技术领域。该铸铁的化学成分,以质量分数计,包括：0.35％～0.4％C,1.9％～2.2％B,5.0％～5.5％Cr,0.7％～1.0％Mn,3.0％～5.0％Mo,0.5％～1.0％V,0.8％～1.01％Si,S<0.04％,P<0.04％,余量为Fe。本发明的含硼白口铸铁经电炉熔炼成形,正火和去应力退火后,具有高强度、冲击韧性和耐磨性等特点,且硼化物尺度小、粒化且均匀分布,可显著提高耐磨部件的使用寿命,具有很好的应用前景。(The invention discloses high-toughness and high-wear-resistance boron-containing white cast iron, and belongs to the technical field of wear-resistant metal materials. The cast iron comprises the following chemical components in percentage by mass: 0.35 to 0.4 percent of C, 1.9 to 2.2 percent of B, 5.0 to 5.5 percent of Cr, 0.7 to 1.0 percent of Mn, 3.0 to 5.0 percent of Mo, 0.5 to 1.0 percent of V, 0.8 to 1.01 percent of Si, less than 0.04 percent of S, less than 0.04 percent of P, and the balance of Fe. The boron-containing white cast iron has the characteristics of high strength, impact toughness, wear resistance and the like after being smelted and formed by an electric furnace, normalized and stress-relief annealed, and boride is small in size, granulated and uniformly distributed, so that the service life of a wear-resistant part can be obviously prolonged, and the boron-containing white cast iron has a good application prospect.)
技术领域
本发明属于抗磨金属材料技术领域，涉及一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁。
背景技术
有工业就有磨损，每年磨损消耗值约占总能源的1/3至1/2，且约有60％的机械零部件发生故障或失效是由磨损引起的。据不完全统计，我国每年因摩擦磨损造成的损失约为9500亿元，占GDP的4.5％。如何提高机械零部件的耐磨性与使用寿命，始终是科研工作者最关注的问题，这些在本质上都依赖于对耐磨材料的研究与控制。随着现代机械制造业的服役条件越来越苛刻，以及对高精度、长寿命和高可靠性方面的要求不断提高，耐磨材料开发对高新技术的发展起着重要推动和支撑作用，是新世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，是世界各国高新技术发展中战略竞争的热点。
为了能有效提高耐磨零部件使用寿命、降低生产成本，材料科学家们一直致力于新型、环保和节能型耐磨材料的研究。目前，工业上应用较多的耐磨材料有耐磨涂层材料、耐磨陶瓷材料、耐磨复合材料、耐磨金属材料等。由于具有制备工艺简单、成本低及零件形状灵活性高等优点，目前耐磨金属材料是工程应用较广的耐磨材料之一。现阶段，耐磨金属材料主要有锰系耐磨钢、铬系耐磨合金钢和抗磨白口铸铁等，它们均具有各自的特点。其中，白口铸铁是应用较早也是比较广泛的一类耐磨金属材料。由于比普通白口铸铁具有更优的性能，现高铬白口铸铁已成为应用较广泛的耐磨金属材料，在电力、采矿、工程机械和水泥等领域已广泛应用。由Fe-C-Cr相图三元相图可知，高铬铸铁中的碳化物有Fe23C6、Cr7C3和Fe3C三种类型，在高碳低铬时易出现Fe3C型碳化物，而在低碳高铬时易形成Fe23C6型碳化物，只有在碳与铬配比适当时才可获得Fe7C3型碳化物。相比而言，Fe7C3型碳化物的硬度较高，且呈孤立六角形杆状或片状分布于基体中，使碳化物对基体的割裂程度大为降低，进而极大提高了基体连续性，因此高铬铸铁的韧性和耐磨性较镍硬白口铸铁均显著提高。另一方面，Cr/C比越高，高铬铸铁的淬透性也越好。在高铬铸铁制备过程中，为了得到较优性能将会消耗大量的Cr元素进而加大了生产成本，而且基体中碳处于过饱和状态无法通过降低碳含量来控制基体韧性。因此，研究出一种耐磨性较好、可在较宽范围内调控韧性、成本较低的耐磨金属材料将具有重要的学术价值和应用前景。
由于B在地壳中的储存量约为3×10-4％，在我国储量丰富，且价格低廉。而且根据Fe-B二元相图可知，在高温1149℃下B在γ-Fe中的溶解度仅为0.02wt.％，超过此值后将发生共晶反应L→γ-Fe+Fe2B；而在低温700℃以下B在α-Fe中的极限溶解度为0.0004wt.％，可知加入合金中的B几乎全与Fe结合形成Fe2B。相比碳化物(Fe3C，Cr7C3)，Fe2B(1400～1800HV)具有更高的硬度和热稳定性，更适宜于在合金中作为耐磨相。由于B具有不固溶于Fe的特点，因此可以单独调控B和C含量来分别控制合金中Fe2B的体积分数和基体的性能，最终达到不同磨损工况下不同类型成分设计的要求。基于这一特点，在高铬白口铸铁基础上，降C和Cr元素而加B元素，研制出含有大量Fe2B相的硼白口铸铁，为耐磨金属材料发展开拓了一条新路。相比高铬白口铸铁，硼白口铸铁具有制备工艺简单、成形性好和成本低等优点，使其在磨损领域具有较大的市场竞争力，有望成为新一代耐磨金属材料。
然而，硼白口铸铁中Fe2B呈网状连续分布于基体中，这一结构不仅极大降低了基体连续性，而且还为裂纹扩展提供便利，加大了裂纹扩展速率，进而导致材料韧性大幅降低。因此，对硼白口铸铁中Fe2B形态、分布和尺寸进行改善，从而实现Fe2B尺度减小以及颗粒化且均匀分布，是改善硼白口铸铁韧性和耐磨性的关键，亦将是硼白口铸铁今后发展的主要研究方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁，该铸铁硬度高、冲击韧性好及耐磨性优，且制备方法工艺简单、生产周期短、能耗低。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁，该铸铁的化学成分，以质量分数计，包括：0.35％～0.4％C，1.9％～2.2％B，5.0％～5.5％Cr，0.7％～1.0％Mn，3.0％～5.0％Mo，0.5％～1.0％V，0.8％～1.01％Si，S<0.04％，P<0.04％，余量为Fe。
所述的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的制备方法，包括以下步骤：
1)取废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁及纯铁按质量比例37～44:7.7～9:0.9～1.5:6.2～10.3:1～3:32.2～48.5混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)将硼铁粉碎、烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入硼铁；
3)将熔炼炉温度升至1500～1580℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入纯铜棒和镍棒；
4)当钢水温度达1400～1480℃时，浇注成铸件，然后将铸件正火处理，空气冷却至室温，随后去应力退火，制得高强韧高耐磨含硼白口铸铁。
进一步的，步骤2)中，是将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200～300℃下烘干。
进一步的，步骤4)所述正火处理，是将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，随后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。
进一步的，所用各炉料的化学成分，以质量分数计，如表1所示：
表1各炉料化学成分
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁基体组织几乎全为马氏体，硬度高，达到61～63HRC；
2、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁冲击韧性高，可达到8.5～9.5J/cm2；
3、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁Fe2B刚度高，可达到24～26GPa；
4、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁Fe2B弹性模量高，可达到240～260GPa；
5、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁两体耐磨性优，较Cr15高铬铸铁提高30～40％。
附图说明
图1为实施例1的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的组织形貌；
图2为实施例2的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的组织形貌；
图3为实施例3的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的组织形貌；
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明硼白口铸铁，其制造工艺步骤是：
1)将40.4％废钢、8.3％铬铁、1.3％锰铁、1.5％钒铁和48.5％纯铁混合加热融化；
2)将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；
3)将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后拔除炉渣；
4)钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，随后将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，最后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。
经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，其宏观硬度达到60±1HRC，冲击韧性达到6J/cm2，两体耐磨性较Cr15高铬铸铁提高20％。此外，Fe2B的刚度达到18GPa,其弹性模量达到200GPa。
实施例2
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明硼白口铸铁，其制造工艺步骤是：
1)将39％废钢、7.9％铬铁、1.1％锰铁、6.2％钼铁、1.3％钒铁和44.5％纯铁混合加热融化；
2)将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；
3)将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后拔除炉渣；
4)钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，随后将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，最后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。
经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，其宏观硬度达到61±1HRC，冲击韧性达到7.5J/cm2，两体耐磨性较Cr15高铬铸铁提高28％。此外，Fe2B的刚度达到20GPa,其弹性模量达到230GPa。
实施例3
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明硼白口铸铁，其制造工艺步骤是：
1)将37％废钢、7.7％铬铁、0.9％锰铁、9.3％钼铁、1.1％钒铁和44％纯铁混合加热融化；
2)将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；
3)将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后拔除炉渣；
4)钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，随后将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，最后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。
经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，其宏观硬度达到63±1HRC，冲击韧性达到9.5J/cm2，两体耐磨性较Cr15高铬铸铁提高35％。此外，Fe2B的刚度达到25GPa,其弹性模量达到260GPa。
表2硼白口铸铁的化学成分(质量分数，wt％)
图1，2和3分别表示实施例1，2和3。可见，实施例1～3制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁组织由硼化物和马氏体基体组成，马氏体基体起到支撑和固定硬质相硼化物的作用，反过来硼化物起到保护基体被磨耗的作用。从图1可见，硼化物呈网状、鱼骨状和杆状连续分布于金属基体中，可预见裂纹一旦形成，会快速沿着硼化物扩展，因此实施例1制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的冲击韧性和两体耐磨性低。然而，实施例2和3制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁中的硼化物尺度减小、粒化且均匀分布，并随着Mo含量增加，这种现象愈发明显，此时铸铁的冲击韧性和两体耐磨性也随之提高。相比之下，实施例3制得的硼白口铸铁的耐磨性高于实施例1和2的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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