一种高强耐磨FeB材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种高强耐磨FeB材料的制备方法，首先取工业纯铁和硼铁并进行打磨除锈处理；然后将工业纯铁装入熔炼炉中加热熔化；之后加入预处理的硼铁；在砂型模具中浇注成型，待冷却后获得高强耐磨FeB材料。本发明中原材料价格低廉，材料制备过程简单，生产成本低，所获得的FeB材料组织致密，并且具有高的强度、硬度以及显著的耐磨性，将其应用耐磨零部件中，可提高其使用寿命。

权利要求

1.一种高强耐磨FeB材料的制备方法，其特征在于，分别取工业纯铁和硼铁并进行打磨除锈处理，分别按重量0.909kg，9.091kg称重，考虑硼元素10%的烧损率，然后将工业纯铁装入熔炼炉中加热熔化，加热熔化过程中，当熔炼炉温度升至1650℃时，加入铝丝对铁熔液进行脱氧处理；将硼铁敲碎，硼铁碎块的粒径为5 15mm，在60℃下保温12h真空烘干，待炉内工~业纯铁完全熔化后加入硼铁碎块；当熔融金属液温度为1750℃，保温10min，在砂型模具中浇注成型，待冷却后获得高强耐磨FeB材料，其中，工业纯铁的化学成分，以质量分数计，包括：≥99.8%的Fe，其他元素成分≤0.003%的C，≤0.02%的Si，≤0.15%的Mn，≤0.012%的P，≤

0.01%的S，硼铁的化学成分，以质量分数计，包括：19.5% 20%的B，0.6% 0.8%的Si，0.3%~ ~ ~

0.35%的C，0.1% 0.15%的Al，≤0.04%的P，≤0.01%的S，余量为Fe，硼元素的最终质量分数为~

13.44%，微观组织的平均晶粒度为187μm，材料的平均显微硬度值为2071HV，FeB材料的磨损失重为8.13mg。

说明书

一种高强耐磨FeB材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种高强耐磨FeB材料的制备方法。

背景技术

[0002] 磨损是机械设备、零部件的重要失效方式，不仅导致工件频繁更换维修，降低设备工作效率，而且消耗大量的能源和材料，对国民经济造成巨大的损失。据统计，我国每年消耗金属耐磨材料就达300万吨以上。在耐磨材料的大量需求下，国内出现的钢铁耐磨材料已规模化生产耐磨奥氏体锰钢、耐磨白口铸铁、耐磨合金钢、耐磨球铁和耐磨钢铁基复合材料等耐磨材料，它们都有各自的使用特点。，而研究和发展新型耐磨材料，减少材料磨损，对国民经济具有重要的作用。

[0003] FeB一般是钢铁材料渗硼层中的耐磨相，具有高的强度、耐磨性和抗腐蚀性能。但钢铁渗硼处理工艺要求较高，渗硼时间相对较长，并且获得的渗硼层较薄，在长时间的工程应用中容易开裂、剥落，从而引起及其零件的失效。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高强耐磨FeB材料的制备方法,制备得到的FeB材料组织致密，并且具有高的强度、硬度以及显著的耐磨性。

[0005] 本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种高强耐磨FeB材料的制备方法，分别取工业纯铁和硼铁并进行打磨除锈处理；然后将工业纯铁装入熔炼炉中加热熔化；之后加入预处理的硼铁；在砂型模具中浇注成型，待冷却后获得高强耐磨FeB材料。

[0007] 具体的，工业纯铁的化学成分，以质量分数计，包括：≥99.8％的Fe，其他元素成分≤0.003％的C，≤0.02的Si，≤0.15的Mn，≤0.012％的P，≤0.01％的S。

[0008] 具体的，加热熔化过程中，当熔炼炉温度升至1550～1650℃时，加入铝丝对铁熔液进行脱氧处理。

[0009] 具体的，将硼铁敲碎，真空烘干，待炉内工业纯铁完全熔化后加入硼铁碎块。

[0010] 具体的，硼铁碎块的粒径为5～15mm，在50～60℃下保温10-15h烘干。

[0011] 具体的，硼铁的化学成分，以质量分数计，包括：19.5～20％的B，0.6～0.8％的Si，0.3～0.35％的C，0.1～0.15％的Al，≤0.04％的P，≤0.01的S，余量为Fe。

[0012] 进一步的，硼元素的最终质量分数为16.2％，并添加硼元素8～10％的烧损率。

[0013] 具体的，浇注前熔融金属液的温度为1650～1750℃。

[0014] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0015] 本发明高强耐磨FeB材料的制备方法，采用廉价的工业纯铁和硼铁作为原料，通过简单的熔炼技术获得了纯度高的FeB块体材料。

[0016] 进一步的，选用纯度高于99.8％的工业纯铁，是对原材料纯度和经济成本的综合考虑。低的材料纯度会引入过多的杂质，进而影响制备的FeB块体纯度；但是过于追求原材料纯度又会带来过高的经济成本。

[0017] 进一步的，当熔炼炉温度升至1550～1650℃时，纯铁块已经熔化，此时向熔池中加入少量铝丝，其作为脱氧剂，能在整个熔池中与熔融金属中的氧化物相互作用，脱氧效果好。且脱氧产物与铁熔融金属在比重和熔点上有较大差别，漂浮在熔融金属液表面，容易除去。

[0018] 进一步的，将硼铁块敲碎成粒径5～15mm碎块，可以避免大块硼铁块加入熔池后不能充分熔化，从而导致成分不均匀。又为了除去硼铁块运输储存过程中的潮气，对硼铁碎块经真空烘干处理。

[0019] 进一步的，硼铁是熔炼生产中的硼元素加入剂。选用高纯度的工业硼铁(B的质量分数为10～20％)，兼顾了原材料纯度和价格成本等因素。

[0020] 进一步的，根据FeB的原子比，计算硼元素的质量分数为16.2％。为获得高纯度FeB块体，就需尽可以地保证Fe和B元素的最终质量分数。另外，由于在熔炼过程中，B元素容易烧蚀，所以在计算原材料配比时需考虑8～10％的硼元素烧蚀率。

[0021] 综上所述，本发明中原材料价格低廉，材料制备过程简单，生产成本低。本发明所获得的FeB材料组织致密，晶界较细，无明显缩孔缺陷，并且具有高的强度、硬度以及显著的耐磨性，作为新型耐磨材料将其应用于耐磨零部件中，可提高零部件的使用寿命。

[0022] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0023] 图1为本发明所制得的高强耐磨FeB材料金相组织图。

具体实施方式

[0024] 本发明提供了一种高强耐磨FeB材料的制备方法，包括以下步骤：

[0025] S1、工业纯铁和硼铁分别进行打磨除锈处理，并按一定的配比计算称量原料；

[0026] 纯铁的化学成分，以质量分数计，包括：≥99.8％的Fe，其他元素成分≤0.003％的C，≤0.02的Si，≤0.15的Mn，≤0.012％的P，≤0.01％的S。

[0027] 硼铁的化学成分，以质量分数计，包括：19.5～20％的B，0.6～0.8％的Si，0.3～0.35％的C，0.1～0.15％的Al，≤0.04％的P，≤0.01的S，余量为Fe。

[0028] 原料配比计算时，硼元素的最终质量分数为16.2％，另外需添加硼元素8～10％的烧损率。

[0029] S2、将纯铁装填入熔炼炉中，加热熔化，当熔炼炉温度升至1550～1650℃时，需加入铝丝对铁熔液进行脱氧处理；

[0030] S3、将硼铁敲碎，真空烘干，待炉内纯铁熔化后加入碎小硼铁块；

[0031] 硼铁被敲碎成粒径5～15mm碎块，在50～60℃下保温10～15h烘干。

[0032] S4、当温度达1650～1750℃时，砂型模具中浇注成型，冷却后，获得高强耐磨的FeB材料。

[0033] FeB材料组织致密，并且具有高的强度、硬度以及显著的耐磨性，作为新型耐磨材料将其应用于耐磨零部件中，可提高零部件的使用寿命。

[0034] 采用本发明方法制备的高强耐磨FeB材料，组织致密，并且具有高的强度、硬度以及显著的耐磨性，应用在输料管道或喷砂器喷嘴中，可有效提高零部件使用寿命。

[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

[0036] 实施例1

[0037] 根据本发明的技术方案，采用10kg中频感应电炉熔炼本发明FeB材料，工艺步骤为：

[0038] (1)将工业纯铁和硼铁进行打磨除锈处理,分别按重量1.107kg，8.893kg称重(考虑硼元素8％的烧失量)；(2)将纯铁装填入熔炼炉中，加热熔化，当熔炼炉温度升至1550℃时，需加入铝丝对铁熔液进行脱氧处理；(3)将硼铁敲碎成粒径5～15mm碎块，在真空干燥箱内60℃下保温10h烘干，待炉内纯铁完全熔化后加入碎小硼铁块；(4)当温度达1650℃时，保温10min，然后倒入砂型模具中浇注成型。冷却后，获得高强耐磨的FeB材料。

[0039] 经本实施例制得的FeB块体Y型试样采用X射线荧光光谱仪测定各元素含量见表1。用Leica倒置显微镜观察显微组织，测算平均晶粒度为129μm；采用HXD-1000TMC型显微硬度仪测量显微硬度，通过多次测量获得平均显微硬度值为2056HV。在ML-100型磨损试验机上进行耐磨性测试，对比本发明FeB材料与KmTBCr8抗磨白口铸铁的磨损失重，结果为FeB材料的磨损失重为8.32mg，而KmTBCr8抗磨白口铸铁的磨损失重为15.41mg。

[0040] 实施例2

[0041] 根据本发明的技术方案，采用10kg中频感应电炉熔炼本发明FeB材料，工艺步骤为：

[0042] (1)将工业纯铁和硼铁进行打磨除锈处理,分别按重量0.909kg，9.091kg称重(考虑硼元素10％的烧失量)；(2)将纯铁装填入熔炼炉中，加热熔化，当熔炼炉温度升至1600℃时，需加入铝丝对铁熔液进行脱氧处理；(3)将硼铁敲碎成粒径5～15mm碎块，在真空干燥箱内50℃下保温15h烘干，待炉内纯铁完全熔化后加入碎小硼铁块；(4)当温度达1700℃时，保温10min，然后倒入砂型模具中浇注成型。冷却后，获得高强耐磨的FeB材料。

[0043] 经检测，经本实施例制得的FeB材料各元素成分含量见表1。微观组织的平均晶粒度为114μm，材料的平均显微硬度值为2034HV。耐磨性对比测试结果为，FeB材料的磨损失重为7.86mg。

[0044] 实施例3

[0045] 根据本发明的技术方案，采用10kg中频感应电炉熔炼本发明FeB材料，工艺步骤为：

[0046] (1)将工业纯铁和硼铁进行打磨除锈处理,分别按重量0.909kg，9.091kg称重(考虑硼元素10％的烧失量)；(2)将纯铁装填入熔炼炉中，加热熔化，当熔炼炉温度升至1650℃时，需加入铝丝对铁熔液进行脱氧处理；(3)将硼铁敲碎成粒径5～15mm碎块，在真空干燥箱内60℃下保温12h烘干，待炉内纯铁完全熔化后加入碎小硼铁块；(4)当温度达1750℃时，保温10min，然后倒入砂型模具中浇注成型。冷却后，获得高强耐磨的FeB材料。

[0047] 经检测，经本实施例制得的FeB材料各元素成分含量见表1。微观组织的平均晶粒度为187μm，材料的平均显微硬度值为2071HV。耐磨性对比测试结果为，FeB材料的磨损失重为8.13mg。

[0048] 表1高强耐磨FeB材料成分表(wt％)

[0049]

[0050]

[0051] 由实施例1、2、3中得到纯度高的FeB块体材料，其耐磨损性能较KmTBCr8抗白口铸铁有了大幅度的提高。另外，对比三个实施例获得的FeB材料成分，实施例2中Fe元素和B元素最接近1:1的原子比，制得的FeB材料纯度最高，且平均晶粒最小，耐磨性优于实施例1和实施例3所制得的FeB材料。

[0052] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。