專利名稱：一種原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料的制作方法
技術領域：
本發明為一種原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料，屬于耐磨材料技術領域。
背景技術：
鐵基材料具有熔煉工藝簡便、生產成本低廉等特點，已廣泛應用于冶金、礦山、建材、電力等行業。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。中國發明專利CN1438347公開了一種含稀土元素金屬間化合物顆粒增強金屬基復合材料，包括增強體和基體合金，其增強體占總體積的5 45%，余量為基體合金，增強體為含稀土元素的YAl系、CeAl系、LaAl系金屬間化合物顆粒，基體合金為Mg及Mg合金。該發明利用了金屬間化合物合金所具有的高比強度、比剛度和較陶瓷材料優異的可塑性以及限制了金屬間化合物塊材應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金屬基復合材料。金屬間化合物既具有增強作用又具備一定的微應變協調作用，在提高基體合金強度的同時，保持了金屬基復合材料較好的塑性，明顯改善金屬基復合材料的綜合性能。中國發明專利CN1180383也公開了 TB2顆粒陶瓷增強鋁合金金屬基復合材料，該發明描述了兩種陶瓷增強Al合金金屬基復合材料的制備方法，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先確定微晶的尺寸和尺寸分布。中國發明專利CN1281053還公開了陶瓷相彌散強化合金及顆粒增強金屬基復合材料制備方法。它利用機械合金化法，在增強相陶瓷顆粒表面粘結一層在基體合金冶煉溫度下可發生放熱化學反應的金屬粉末。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合金中，待陶瓷顆粒均勻進入到液態合金中后，立即澆鑄，便可得到陶瓷相彌散強化合金或陶瓷顆粒增強金屬基復合材料。該方法大大降低了該類材料的制備成本，對復雜構件可近終形成形。中國發明專利CN1381604則公開了液態法制備顆粒增強鋁基復合材料時漿體中顆粒的加入法，具體為液態法制備顆粒增強鋁基復合材料時漿體中顆粒的加入法。該發明首先對顆粒進行酸洗、加熱、保溫處理，接著對基體金屬鋁或鋁合金熔化、精煉、扒渣，降溫至半固態，然后直接將顆粒加入到半固態金屬表面，用無級調速攪拌器進行攪拌，形成漿體。該發明解決了基體金屬鋁或鋁合金與顆粒之間的潤濕性問題，為顆粒增強鋁基(鋁或鋁合金基)復合材料的制備提供了良好的漿體。中國發明專利CN101177742則公開了一種復合材料技術領域的原位制備TiB2顆粒增強鎂基復合材料的方法，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。該發明工藝相對簡單，成本低，TiB2/Mg復合材料密度在1. 8-2. Og/cm3之間，其抗拉強度比基體合金增加了 60%以上。中國發明專利CN1865479則公開了原位合成顆粒增強鋼基復合材料軋輥及其制造方法，其化學成分是(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。該發明軋輥強度和硬度高，韌性好，耐磨性和抗氧化性優良，抗激冷激熱性能好，但貴重合金加入量多，材料生產成本高。中國發明專利CN1396291公開了局部原位內生顆粒增強鋼基復合材料制備方法， 涉及金屬基復合材料的制備工藝，特別是涉及鋼基復合材料及局部復合耐磨材料的制備工藝。其工藝過程包括制備反應預制塊預制塊由粉末狀的 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中攪拌4 48小時，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；將壓制好的預制塊放入真空加熱裝置內進行真空處理。型內自蔓延原位合成反應 型內自蔓延原位合成顆粒增強相在鑄件需增強的部位放置已真空出氣處理的Al-Ti-C預制塊；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。中國發明專利CN1537963公開了原位合成(TiW)C顆粒增強鐵基復合材料及制備方法，是用鎢原子部分替代碳化鈦中的鈦原子，形成了(TiW)C顆粒增強復合材料，其重量百分比化學組成為 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電爐熔煉工藝，以真空感應電爐熔煉為佳；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，結合力強，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，且價格高，導致符合材料成本增加。中國發明專利CN101235465還公開了一種原位合成硼化物/鐵基復合材料，其特征在于強化相是TW2和!^e2B,其體積百分數為15-20%，且各元素的化學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/鐵基復合材料由于基體碳含量低，基體硬度低，導致復合材料的宏觀硬度不超過57HRC，復合材料的耐磨性較差，另外，上述復合材料中還含有較多價格昂貴的銅，導致原位合成硼化物/鐵基復合材料的生產成本增加。

發明內容
本發明目是針對現有抗磨復合材料存在的不足，提供一種以顆粒狀!^e2B為強化相
4的原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料。其主要特點是在中碳鋼中，加入適量硼，獲得高硬度的I^e2B強化相。在此基礎上，加入適量鋁，以改善硼化物形態。加入適量鉻，提高基體淬透性。同時還加入少量鈦、稀土、鉀，進一步細化和凈化組織，并促使硼化物顆粒實現均勻分布，有利于獲得高硬度、韌性好的。本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料的化學組成成分是(質量分數，％ ) 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。本發明原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料中，加入適量硼元素是為了獲得高硬度的I^e2B強化顆粒，但是!^e2B強化相在普通凝固條件下易呈粗大的連續網狀，導致材料韌性降低。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。有益效果本發明與現有技術相比，具有以下顯著的優點①本發明的原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料，Fe2B強化顆粒在鐵基體中分布均勻(見圖片1)，復合材料硬度高，大于62HRC，還具有較好的韌性，大于15J/cm2。②本發明的原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料，用普通電爐熔煉，工藝簡便，便于規模化制備，且不含價格昂貴的銅、鉬、鎳等合金元素，生產成本低廉。③本發明的原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料，在模具、軋輥等領域使用，使用壽命比Crl2MoV鋼提高100 150%，且生產成本比Crl2MoV鋼降低以上。


圖1是實施例所制備原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料掃描電靜照片
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步詳述實施例本發明材料在中頻感應電爐中熔煉，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。爐前調整元素化學成分合格后，將稀土和鉀用紙包裹嚴實， 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小時后油冷，并在200°C進行回火處理，回火保溫時間8小時。本發明材料的化學組成成分見表1，本發明材料的力學性能見表2。表1復合材料的化學組成成分(質量分數，％ )
爐號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
權利要求
1. 一種原位合成硼化物顆粒增強鐵基抗磨復合材料，其特征在于該材料的化學組成成分是(質量分數，% ) 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鐵基抗磨復合材料，其特征在于該材料的化學組成成分是(質量分數，％)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。本發明材料利用電爐便可生產，具有硬度高、韌性好等特點，用于生產模具和軋輥，代替合金鋼，能明顯提高使用壽命，降低產品生產成本。使用本發明材料可為制造和使用企業帶來顯著的經濟效益。
文檔編號C22C38/32GK102409243SQ20111035880
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者丁剛, 丁家偉, 符寒光, 郭偉 申請人:江蘇盛偉模具材料有限公司