專利名稱：一種原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料，屬于耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鐵基材料具有熔煉工藝簡便、生產(chǎn)成本低廉等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、電力等行業(yè)。但是，單一鐵基材料硬度低，耐磨性差，使用壽命短。在鐵基材料中，添加高硬度顆粒，是改善鐵基材料耐磨性的有效途徑。中國發(fā)明專利CN1438347公開了一種含稀土元素金屬間化合物顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，包括增強(qiáng)體和基體合金，其增強(qiáng)體占總體積的5 45%，余量為基體合金，增強(qiáng)體為含稀土元素的YAl系、CeAl系、LaAl系金屬間化合物顆粒，基體合金為Mg及Mg合金。該發(fā)明利用了金屬間化合物合金所具有的高比強(qiáng)度、比剛度和較陶瓷材料優(yōu)異的可塑性以及限制了金屬間化合物塊材應(yīng)用的室溫脆性等特性，制備含稀土元素金屬間化合物顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。金屬間化合物既具有增強(qiáng)作用又具備一定的微應(yīng)變協(xié)調(diào)作用，在提高基體合金強(qiáng)度的同時(shí)，保持了金屬基復(fù)合材料較好的塑性，明顯改善金屬基復(fù)合材料的綜合性能。中國發(fā)明專利CN1180383也公開了 TB2顆粒陶瓷增強(qiáng)鋁合金金屬基復(fù)合材料，該發(fā)明描述了兩種陶瓷增強(qiáng)Al合金金屬基復(fù)合材料的制備方法，第一種方法包含的步驟是 在鋁或鋁合金液中分散一種陶瓷相(二硼化鈦相)，該陶瓷相與冰晶石或其它氟化物熔劑粉末混合，并將該混合物與鋁或鋁合金相一起在700°C到1000°C之間的溫度下熔化。第二種方法中，氟化物熔劑被熔融鋁或者其合金元素(Mg，Ca)原位還原生成不同晶粒尺寸和尺寸分布的TiB2微晶，通過確定熔劑和合金組成及工藝溫度可預(yù)先確定微晶的尺寸和尺寸分布。中國發(fā)明專利CN1281053還公開了陶瓷相彌散強(qiáng)化合金及顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方法。它利用機(jī)械合金化法，在增強(qiáng)相陶瓷顆粒表面粘結(jié)一層在基體合金冶煉溫度下可發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)的金屬粉末。將陶瓷和金屬混合粉末冷壓成塊狀。在基體合金冶煉的后期，將塊狀混合粉末加入到液態(tài)合金中，待陶瓷顆粒均勻進(jìn)入到液態(tài)合金中后，立即澆鑄，便可得到陶瓷相彌散強(qiáng)化合金或陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。該方法大大降低了該類材料的制備成本，對(duì)復(fù)雜構(gòu)件可近終形成形。中國發(fā)明專利CN1381604則公開了液態(tài)法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)漿體中顆粒的加入法，具體為液態(tài)法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)漿體中顆粒的加入法。該發(fā)明首先對(duì)顆粒進(jìn)行酸洗、加熱、保溫處理，接著對(duì)基體金屬鋁或鋁合金熔化、精煉、扒渣，降溫至半固態(tài)，然后直接將顆粒加入到半固態(tài)金屬表面，用無級(jí)調(diào)速攪拌器進(jìn)行攪拌，形成漿體。該發(fā)明解決了基體金屬鋁或鋁合金與顆粒之間的潤濕性問題，為顆粒增強(qiáng)鋁基(鋁或鋁合金基)復(fù)合材料的制備提供了良好的漿體。中國發(fā)明專利CN101177742則公開了一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的原位制備TiB2顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的方法，步驟為^K2TiF6, KBF4和Na3AlF6粉末混合均勻，放入烘干爐中烘干，得到無水粉末，在電阻爐中將Al錠熔化，并保溫均勻化；將經(jīng)過烘干的無水粉末分批加入得到熔融Al熔體液面上，并用石墨圓盤攪拌，攪拌結(jié)束后靜置，除去熔體表面的浮渣，得到TB2-Al中間合金；鎂合金在SF6和(X)2混合氣體的保護(hù)下熔煉，并加入阻燃元素鈹；將TB2-Al中間合金緩慢加入到得到的鎂合金熔液中，攪拌，靜置，澆注。該發(fā)明工藝相對(duì)簡單，成本低，TiB2/Mg復(fù)合材料密度在1. 8-2. Og/cm3之間，其抗拉強(qiáng)度比基體合金增加了 60%以上。中國發(fā)明專利CN1865479則公開了原位合成顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料軋輥及其制造方法，其化學(xué)成分是(重量％ ) :C :1. 5 3. 0，W :3. O 8. 0，Mo 3. O 8. 0，V :3. O 8. 0，Cr 4. O 6. 0，Ni :1. O 3. 0，Ce :0. 10 0. 25，La :0. 10 0. 25，Ti :0. 08 0. 20， Mg 0. 06 0. 18，Al 0. 10 0. 30，Si < 1. 5，Mn < 1. 5，P < 0. 05，S < 0. 05 ；其余為 Fe
和不可避免的微量雜質(zhì)。該發(fā)明軋輥強(qiáng)度和硬度高，韌性好，耐磨性和抗氧化性優(yōu)良，抗激冷激熱性能好，但貴重合金加入量多，材料生產(chǎn)成本高。中國發(fā)明專利CN1396291公開了局部原位內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料制備方法， 涉及金屬基復(fù)合材料的制備工藝，特別是涉及鋼基復(fù)合材料及局部復(fù)合耐磨材料的制備工藝。其工藝過程包括制備反應(yīng)預(yù)制塊預(yù)制塊由粉末狀的 50% Al、C和Ti組成，C 與Ti的原子比0. 6 1. 4，粒度范圍為0. 1 μ m 200 μ m ；將上述配制好的原材料裝入攪拌機(jī)中攪拌4 48小時(shí)，混合均勻；然后放入模具中，在室溫下以200 SOOMpa的壓力范圍壓制成型；將壓制好的預(yù)制塊放入真空加熱裝置內(nèi)進(jìn)行真空處理。型內(nèi)自蔓延原位合成反應(yīng) 型內(nèi)自蔓延原位合成顆粒增強(qiáng)相在鑄件需增強(qiáng)的部位放置已真空出氣處理的Al-Ti-C預(yù)制塊；鑄型含水量<4%，透氣性>100 ；澆鑄溫度在1450°C以上的基體鋼液，存在符合層厚度淺好閱讀均勻性較差的不足。中國發(fā)明專利CN1537963公開了原位合成(TiW)C顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料及制備方法，是用鎢原子部分替代碳化鈦中的鈦原子，形成了(TiW)C顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其重量百分比化學(xué)組成為 C 0. 566-2. 397%, Ti :2. 264-4. 758%, W :4. 383-18. 267% ；該種材料可用粉末壓型電弧熔煉工藝，也可以采用塊體原料真空感應(yīng)電爐熔煉工藝，以真空感應(yīng)電爐熔煉為佳；由于生成的(TiW)C顆粒比重與鐵基體比重相近，而且界面相溶性好，結(jié)合力強(qiáng)，大大減少了(TiW)C在熔體中的偏析程度，解決了高溫下顆粒加入難的問題，便于制備； 大幅度地提高了耐磨材料的耐磨性能，但鎢元素加入量多，且價(jià)格高，導(dǎo)致符合材料成本增加。中國發(fā)明專利CN101235465還公開了一種原位合成硼化物/鐵基復(fù)合材料，其特征在于強(qiáng)化相是TW2和!^e2B,其體積百分?jǐn)?shù)為15-20%，且各元素的化學(xué)成分按重量百分比為0. 08-0. 25C，2. 0-2. 5Β，0· 8-1. 2Ti, 1. 2-1. 6Cu，0. 05-0. 08Mg，0. 4-0. 8Ce，0. 05-0. 12K, Si < 0. 5, Mn < 0. 5, S < 0. 03, P < 0. 04, Fe余量，但是，上述原位合成硼化物/鐵基復(fù)合材料由于基體碳含量低，基體硬度低，導(dǎo)致復(fù)合材料的宏觀硬度不超過57HRC，復(fù)合材料的耐磨性較差，另外，上述復(fù)合材料中還含有較多價(jià)格昂貴的銅，導(dǎo)致原位合成硼化物/鐵基復(fù)合材料的生產(chǎn)成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目是針對(duì)現(xiàn)有抗磨復(fù)合材料存在的不足，提供一種以顆粒狀!^e2B為強(qiáng)化相
4的原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料。其主要特點(diǎn)是在中碳鋼中，加入適量硼，獲得高硬度的I^e2B強(qiáng)化相。在此基礎(chǔ)上，加入適量鋁，以改善硼化物形態(tài)。加入適量鉻，提高基體淬透性。同時(shí)還加入少量鈦、稀土、鉀，進(jìn)一步細(xì)化和凈化組織，并促使硼化物顆粒實(shí)現(xiàn)均勻分布，有利于獲得高硬度、韌性好的。本發(fā)明的目的可以通過以下措施來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料的化學(xué)組成成分是(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％ ) 0. 3-0. 5C, 1. 0-2. 0B, 1. 0-1. 5A1, 2. 5-3. OCr, 0. 1-0. 3Ti,0. 05-0. 20RE,0. 08-0. 15K, < 0. 6Si，< 0. 8Mn，< 0. 04S, < 0. 04P，余量 Fe。本發(fā)明原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料中，加入適量硼元素是為了獲得高硬度的I^e2B強(qiáng)化顆粒，但是!^e2B強(qiáng)化相在普通凝固條件下易呈粗大的連續(xù)網(wǎng)狀，導(dǎo)致材料韌性降低。為此加入鋁和少量的鈦、稀土、鉀，可促使!^e2B強(qiáng)化相呈顆粒狀均勻分布于鐵基體中。另外，加入鉻元素，可以提高基體淬透性。含0. 3-0. 5%的碳，可保證鐵基體具有良好的淬硬性。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)①本發(fā)明的原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料，F(xiàn)e2B強(qiáng)化顆粒在鐵基體中分布均勻(見圖片1)，復(fù)合材料硬度高，大于62HRC，還具有較好的韌性，大于15J/cm2。②本發(fā)明的原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料，用普通電爐熔煉，工藝簡便，便于規(guī)?；苽?，且不含價(jià)格昂貴的銅、鉬、鎳等合金元素，生產(chǎn)成本低廉。③本發(fā)明的原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料，在模具、軋輥等領(lǐng)域使用，使用壽命比Crl2MoV鋼提高100 150%，且生產(chǎn)成本比Crl2MoV鋼降低以上。


圖1是實(shí)施例所制備原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料掃描電靜照片
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述實(shí)施例本發(fā)明材料在中頻感應(yīng)電爐中熔煉，熔煉過程中，先將廢鋼、生鐵、鉻鐵混合加熱熔化，然后加入鋁、鈦鐵和硼鐵。爐前調(diào)整元素化學(xué)成分合格后，將稀土和鉀用紙包裹嚴(yán)實(shí)， 金屬熔體出爐過程中直接仍入澆包，然后直接澆注成鑄件。最后將鑄件加熱至1050°C，保溫 4小時(shí)后油冷，并在200°C進(jìn)行回火處理，回火保溫時(shí)間8小時(shí)。本發(fā)明材料的化學(xué)組成成分見表1，本發(fā)明材料的力學(xué)性能見表2。表1復(fù)合材料的化學(xué)組成成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％ )
爐號(hào)CBAlCrTiREKSiMnSPFeNo. 10. 312. 001. 462. 520. 100. 200. 130. 370. 620. 0200. 038余量No. 20. 481. 031. 332. 740. 150. 180. 080. 440. 710. 0270. 036余量No. 30. 441. 551. 282. 970. 290. 060. 110. 500. 590. 0320. 041余量
權(quán)利要求
1. 一種原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料，其特征在于該材料的化學(xué)組成成分是(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ) 0. 3-0. 5C, 1. 0-2. 0B, 1. 0-1. 5A1，2. 5-3. OCr,0. 1-0. 3Ti, 0. 05-0. 20RE，0. 08-0. 15K, < 0. 6Si, < 0. 8Mn, < 0. 04S, < 0. 04P，余量 Fe。
全文摘要
一種原位合成硼化物顆粒增強(qiáng)鐵基抗磨復(fù)合材料，其特征在于該材料的化學(xué)組成成分是(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)0.3-0.5C，1.0-2.0B，1.0-1.5A1，2.5-3.0Cr，0.1-0.3Ti，0.05-0.20RE，0.08-0.15K，＜0.6Si，＜0.8Mn，＜0.04S，＜0.04P，余量Fe。本發(fā)明材料利用電爐便可生產(chǎn)，具有硬度高、韌性好等特點(diǎn)，用于生產(chǎn)模具和軋輥，代替合金鋼，能明顯提高使用壽命，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。使用本發(fā)明材料可為制造和使用企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C22C38/32GK102409243SQ20111035880
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者丁剛, 丁家偉, 符寒光, 郭偉 申請(qǐng)人:江蘇盛偉模具材料有限公司