[发明专利]一种钼元素偏聚韧化高硬合金及其铸造与热处理方法

说明书

一种钼元素偏聚韧化高硬合金及其铸造与热处理方法，合金各元素的质量含量为Cr：9.0～13.0，B：2.6～2.9，C：0.7～0.9，Mo：1.0～2.0％，Nb：0.4～0.8，V：0.4～0.8，Mn的含量小于0.3，Si的含量小于0.07，余量为Fe；其中C和B：3.3～3.6；C/Cr含量比：0.06～0.08；Nb和V：0.5～1.0。熔化温度1500～1550℃，在1230～1280℃浇铸合金；950～1050℃淬火，200～250℃回火。本发明铸锭硬度为66.2～68HRC，冲击韧性14.6～17.5J/cm²，抗弯强度1496～1600MPa。

技术领域

本发明属于高硬度耐磨铸铁领域，涉及一种难熔金属钼元素韧化硬质相和过饱和固溶体、马氏体基体相的耐磨耐蚀铸铁的合金及其铸造、热处理方法，可广泛用于电力、冶金、机械、化工等行业中机械耐磨件制造。

技术背景

Fe-Cr-B-C耐磨铸造合金是以Fe₂B或M₂B硬质相为硬质相，具有良好的韧性和高硬度、高耐蚀性，熔炼-铸造工艺性好，具有十分广阔的应用前景。

Fe-B合金中的硬质相M₂B(M代表溶入硼化物中的Fe、Cr、V、Nb等合金元素)呈连续网状分布，完全破坏了基体的连续性，导致合金的韧性较低，很难应用到受冲击力较大的恶劣工作条件中，故使其应用范围受到限制。采用高温热处理、稀土变质，合金化等手段，改善硼化物的连续网状分布形态对Fe-B合金进行强韧化处理，扩大其使用范围，充分发挥其耐磨潜力是一项十分重要的课题，但目前所做的研究还没有取得实质性突破。

将Fe-B合金基体相的强度进一步提高，并保留一定量Fe₂B或M₂B硬质相，则可实现高硬度、高韧性。非晶/纳米晶、过饱和固溶体、马氏体等都具有很高的强度和硬度，韧性良好，并且耐蚀性好，由此，可通过基体相的非晶/纳米晶化，形成新的高硬度、高耐蚀性合金。

专利文献1：授权公告号CN 105695884B，制备的耐磨合金硬度为HRC66～70，冲击韧性4～9J/cm²。该方法在制备大尺寸规格(厚度大于30mm)和形状复杂铸件时，会出现热应力裂纹，并且有硬度分布不均匀的现象。在大型雷蒙磨床、矿石破碎机、渣浆泵等设备中使用的磨球、衬板、锤头、齿板、过流件、叶轮等耐磨件，体积庞大，形状复杂，因此专利文献1所采用的工艺方法限制了该合金的应用。

该类合金的硬度较高，但冲击韧性不足，强度指标较低，抗弯强度较低，在346～477MPa范围，因此限制了该合金应用于一些外部载荷大、需要耐冲击力作用的场合。

Ti(C,N)基金属陶瓷起源于上世纪七十年代。1971年，Kieffer发现在TiC基金属陶瓷中引入N时，只要在粘结相中加入适当的Mo或Mo₂C就可获得比TiC基金属陶瓷更好的性能。随着对其合金化作用认识的加深，烧结技术和设备的不断改进，此类材料不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数，而且还有一定的韧性和强度。

Ti(C,N)基金属陶瓷的主要成分是TiC、TiN或Ti(C,N)，以W或Ni为粘结剂，以其它碳化物为添加剂，如WC，Mo₂C，(Ta,Nb)C，Cr₃C₂，VC，AlN等。它们形成了(Ti,W,Mo,Cr,V)(C,N)固溶体，通过固溶强化机制而强化硬质相。其微观结构特征一般是：TiC或Ti(C,N)硬质相为核心，边缘为(Ti,Mo)C或(Ti,Mo)(C,N)固溶体组成的环形结构(SS相)及Ni、W和溶入其中的Ti、Mo、C、N等组成的粘结相(r相)三部分组成。如添加WC、TaC也同样可生成SS相。这是由于Mo₂C、TiC、WC、TaC向液相中溶解，并在TiC或Ti(C,N)粗颗粒上析出的结果。在硬质相周围生成SS相，改善了Ni对Ti(C,N)的润湿性，抑制了Ti(C,N)晶粒长大，有利于碳化物晶粒细化。