[发明专利]髙韧性硼化物耐磨金属材料及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属耐磨材料制造领域，涉及一种含有高硼化物含量的耐磨钢，特别是高韧性硼化物耐磨金属材料及其制造工艺。

背景技术

目前广泛应用的耐磨材料主要有三大类：①高锰钢；②低、中合金耐磨钢；③高铬铸铁。高锰钢自1882年问世以来，已有100多年的历史，成为传统的耐磨材料，得到广泛的应用。但在使用实践中发现，高锰钢的耐磨性是有条件的，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨，而且其屈服强度低、易于变形。因此，在许多领域已逐渐为其它耐磨材料所代替。

低、中合金耐磨钢是以硅、锰为基础，加入铬、钼、镍以及其它微量元素而发展起来的。其合金系统由成分简单的单一锰系、硅系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬-锰-硅-钼-镍-其他微量元素的多元复合系统，该材料具有较好的强韧性，低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢，但存在淬透性和淬硬性低的不足，因此，其耐磨性较低。

高铬铸铁组织中含有超过20％的高硬度共晶碳化物，具有优异的耐磨性，但存在合金元素含量高，生产成本高，以及高温热处理易变形和开裂的不足。普通白口铸铁和低合金白口铸铁碳化物硬度低，碳化物呈连续状分布，脆性大，使用中易剥落甚至开裂。开发生产工艺简单、生产成本低、强度和韧性高、淬透性和淬硬性好的新一代钢铁耐磨材料，减少金属磨损，是耐磨材料产业所一直致力于研究开发的长期课题，对国民经济具有重要的意义。在目前国内外所开发的金属耐磨材料中，为了提高材料的强韧性和耐磨性，通常都要加入镍、钼、铬、钒、钨等合金元素，随着铬、钼、镍、钨、钒等合金元素在钢铁材料中使用量的不断增加，价格飞速上涨，供应日趋紧张，导致普通钢铁耐磨材料生产成本不断攀升。

硼是地壳中含量相对丰富的一种元素，是我国富产元素，总贮量占世界第五位。硼元素价格低而且稳定。将其作为合金元素来应用，可以大量节省贵重元素，对工业生产和国防建设都有积极的意义。大量研究发现，微量硼可以显著增加结构钢的淬透性，对耐热钢有提高高温强度和蠕变性能的作用，加入不锈钢和耐热钢中可以改善热加工性能。在白口铸铁中加入微量硼还可以细化共晶碳化物，改善碳化物的形态和分布，提高白口铸铁力学性能。在工程应用中已经证实，硼加入结构钢中可以代替一部分或全部镍、铬、锰、钼等，在汽车工业中用硼钢代替40Cr钢，其使用寿命不低于铬钢，在轧辊中以硼代替部分镍、铬、锰、钼等所制造的轧辊其使用寿命比球墨铸铁轧辊提高8倍，达到与高铬铸铁相当的寿命，而成本却低于高铬铸铁。近年来，利用硼化物的高硬度和良好的热稳定性，以硼化物为主要耐磨硬质相的耐磨材料的研究日益受到国内外材料研究工作者的重视，中国发明专利CN1086471报道了以硼为主要合金元素的耐磨堆焊焊条，该焊条采用H08低碳钢为焊芯，在药皮中添加大量的碳化硼和少量的钒、钨、铌、稀土合金元素，其重量系数为50～100％，堆焊层的硬度可达65～70HRC，耐磨性为淬火65Mn钢的17.38倍。主要用于刮板机中部槽、水轮机叶片、高炉料钟、螺旋输送机叶片、钻杆、挤砖机、挖掘机斗齿等。中国发明专利CN1065689公开了一种钢铁表面的渗硼工艺，该渗硼工艺以碳氮共渗液为基盐，采用以渗硼为主的硼-碳-氮三元共渗工艺。在硼化物层下有较宽的碳氮共渗过渡层，显微硬度梯度变化缓，盐浴流动性好，硼化物形成速度快，本工艺可广泛应用于钢铁材料的表面强化处理，使钢材表面采用渗硼工艺获得的含硼化物的表面具有有良好的耐磨性。在上述工艺中，由于采用堆焊工艺获得的含硼化物耐磨层与基体材料结合强度较低，在冲击磨损工况下已碎裂甚至剥落，且工件在堆焊过程中易产生变形，采用表面渗硼处理工艺获得的硼化物耐磨层厚度较薄，难以抵抗重载高应力磨料磨损，且仅适用与小型工件。