一种高温力学性能优异的耐磨铁硼复合材料及应用

本发明属于新型材料开发与应用，具体涉及一种高温力学性能优异的耐磨铁硼复合材料及应用。

背景技术：

1、在镁合金和铝合金压铸生产过程中，料管、鹅颈管等金属零部件处于交变的高温温度场和严苛的摩擦条件中，不仅会造成金属零部件的快速失效，还会降低产品质量，严重影响了企业的生产效率。

2、目前国内外普遍应用于压铸机和注塑机中的料管等零部件的热作模具钢是h13钢和din1.2888。与h13钢相比，din1.2888的高温力学更加优异，以及耐磨损性能更佳，常被应用于服役环境更加恶劣的料管中。然而，din1.2888在高温下软化严重，并且耐磨损性能一般，这严重制约了其使用寿命。此外，din1.2888添加了大量的合金元素，这使得生产成本显著提升。因此，开发一种高温力学性能优异的耐磨材料，且价格低廉的材料尤为重要。

3、高硼合金由于由硼化物组成，被公认为是一种优异的耐磨损材料。此外，申请号cn201911247606.4公布了一种添加ti元素的铁硼复合材料，该材料具有优异的耐磨损性能，同时还兼具良好的耐铝液腐蚀和高温抗氧化性能。然而，由于b含量较高，材料含有大量尺寸较大的块状或长条状的初生硼化物(如图1(c)和图1(d))，初生硼化物具有硬脆的特性，并且与基体割裂严重，对铁硼复合材料的力学性能造成了巨大的破坏。此外，过高的si元素会固溶在基体中会增大材料的脆性。这会严重制约了铁硼复合材料在高温领域的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种高温力学性能优异的耐磨铁硼复合材料及应用。

2、本发明的目的可以通过以下方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种高温力学性能优异的耐磨铁硼复合材料，包括如下质量分数的各组分：b：1.0-3.0wt％，si：0.5-2.0wt％，cr：10-14wt％，ti：0.5-2.1％wt％，c：0.3-0.6wt％，ni：0.3-0.7wt％，余量为fe以及不可避免的杂质。

4、其中，杂质包括p和s，为熔炼过程中引入的不可避免的杂质，p：<0.05wt％，s：<0.05wt％。

5、所述耐磨铁硼复合材料中的金相组织包括α-fe基体、硼化物、陶瓷颗粒；其中，α-fe呈枝晶状，硼化物呈网状或长条状分布在α-fe基体中，陶瓷颗粒分布在硼化物的周围以及弥散分布在α-fe基体中。si元素固溶在基体中；cr元素会部分固溶在基体中，形成α-(fe,cr)固溶体，另一部分可以溶解在硼化物中，形成富cr硼化物。

6、所述硼化物包括fe2b。所述陶瓷颗粒包括tic、tib2，陶瓷颗粒的尺度为微米级别(<10μm)和纳米级别(<100nm)。

7、第二方面，本发明提供了一种所述耐磨铁硼复合材料的制备方法，包括如下熔炼步骤：

8、s1、将原料生铁、铁镍合金、铁铬合金在保护气氛下，加热熔炼；再加入硼铁合金、硅铁合金、石墨和钛铁合金，升温熔炼，得合金混合液；

9、s2、待合金混合液降温，浇铸，即得所述耐磨铁硼复合材料。

10、步骤s1中，保护气包括氩气、氮气中的一种或多种。保护气氛的压力范围为5×103pa11.5×104pa。通入保护气步骤为：抽真空至20130pa，通入保护气至设定气压。通保护气并控制气压的作用为防止冶炼过程中合金元素的烧损。

11、步骤s1中，加热熔炼的温度为1540℃11560℃，保温时间为10112min。

12、步骤s1中，升温熔炼的温度为1570℃11510℃，保温时间为20130min。

13、步骤s2中，降温的温度为153011550℃。降温浇筑可避免出现缺陷。

14、步骤s2中，在浇铸之前，铸铁模具需要预热处理，预热温度为3001400℃。

15、第三方面，本发明还提供了一种上述的耐磨铁硼复合材料在压铸、注塑领域中的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、(1)本发明在耐磨铁硼复合材料调控了b元素和si元素的含量，使组织变为α-fe基体和硼化物，同时还保留了微米级和纳米级的陶瓷颗粒(tic和tib2)。硼化物具有硬度高、耐磨损的特点。同时弥散分布在基体中的纳米颗粒可以起到承担部分载荷的作用，保证了材料优异的耐磨损性能。

18、(2)由于改善了硼化物的形貌和降低了硼化物的尺寸，降低了块状硼化物的数量，由长条状和网状硼化物取代，降低了与基体的割裂程度，并且陶瓷颗粒分布在硼化物的周围和弥散分布在基体中，起到了弥散强化的效果。因此在保留了铁硼复合材料的耐磨损性能的基础上，还进一步提高了高温力学性能。

技术特征：

1.一种耐磨铁硼复合材料，其特征在于，包括如下质量分数的各组分：b：1.0-3.0wt％，si：0.5-2.0wt％，cr：10-14wt％，ti：0.5-2.1％wt％，c：0.3-0.6wt％，ni：0.3-0.7wt％，余量为fe以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐磨铁硼复合材料，其特征在于，所述耐磨铁硼复合材料中的金相组织包括α-fe基体、硼化物、陶瓷颗粒；其中，α-fe呈枝晶状，硼化物呈网状或长条状分布在α-fe基体中，陶瓷颗粒分布在硼化物的周围以及弥散分布在α-fe基体中。

3.根据权利要求1所述的耐磨铁硼复合材料，其特征在于，杂质包括p和s，p：<0.05wt％，s：<0.05wt％。

4.一种如权利要求1所述的耐磨铁硼复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，保护气包括氩气、氮气中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，加热熔炼的温度为1540℃～1560℃，保温时间为10～12min。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，升温熔炼的温度为1570℃～1590℃，保温时间为20～30min。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，降温的温度为1530～1550℃。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，在浇铸之前，铸铁模具需要预热处理，预热温度为300～400℃。

10.一种如权利要求1所述的耐磨铁硼复合材料在压铸、注塑领域中的应用。

技术总结本发明提供了一种高温力学性能优异的耐磨铁硼复合材料及其应用。该耐磨铁硼合金的主要成分以铁硼复合材料为基体，包括1.0‑3.0wt％的硼，0.5‑1.0wt％的硅。本发明通过在铁基合金中调控硼元素和硅元素的含量，制备的耐磨铁硼复合材料由α‑Fe和硼化物组成，并且含有纳米和微米陶瓷颗粒，分布在硼化物周围和弥散分布在基体中。在硼化物和陶瓷颗粒共同作用下，合金在保留耐磨性能的基础上，高温力学性能显著提升。经过调控硼元素和硅元素的耐磨铁硼复合材料具有优异的高温力学性能，在750℃时的抗拉强度为265.5MPa。技术研发人员：王奎,甄云乾,韩富年,沈亚肇,陈祥,蒋海燕受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5