一种高抗磨定向Fe2B致密块体及其制备方法
阅读：247发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种高抗磨定向Fe2B致密块体及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种高抗磨定向Fe2B致密 块 体及其制备方法，以纯 铁 块和 硼 铁颗粒为原料，Fe：B按 质量 比91.2:8.8进行配料；将配好的混合原料置入 坩埚 中；将坩埚置于 真空 感应熔炼炉内进行真空感应熔炼；熔炼完成后，将金属熔体浇入 水 玻璃砂型腔内，随炉冷却至室温后获得定向Fe2B块体。本发明制备的高抗磨定向Fe2B块体兼具较好的纯度和致密性，且Fe2B晶粒呈现沿 凝固 方向定向排列的均匀柱状晶形态特征，可充分发挥其横截面的高硬度优势，表现在优异的抗磨性能。，下面是一种高抗磨定向Fe2B致密块体及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种高抗磨定向Fe2B致密块体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以纯铁块和硼铁颗粒为原料，Fe：B按质量比91.2:8.8进行配料；
S2、将配好的混合原料置入坩埚中；
S3、将坩埚置于真空感应熔炼炉内进行真空感应熔炼；
S4、步骤S3熔炼完成后，将金属熔体浇入水玻璃砂型腔内，随炉冷却至室温后获得定向Fe2B块体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，纯铁中Fe的含量高于99.8％；硼铁中B含量为10％～25％，剩余杂质元素含量低于1.2％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，纯铁放置在刚玉坩埚的中心位置处，四周填充硼铁颗粒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3熔炼前，将刚玉坩埚在真空环境下烘烤8小时以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，熔炼参数为：升温速度为20～50℃/min，熔炼温度为1600℃，保温时间大于15min。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，升温加热前，连通循环水并对炉腔抽真空至气压低于10-2Pa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，水玻璃砂型的底部设置有水冷铜块，当金属熔体的温度降至1370～1430℃时，将金属熔体浇入水玻璃砂型中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，水玻璃砂型为圆柱型通孔，并在型腔顶部预制冒口，水冷铜块的底部和周围均通有循环冷却水，水玻璃砂型的内表面涂刷有石墨粉脱模剂，并在浇注前对砂型烘烤24小时。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，水冷铜块的直径高于所浇注圆柱型高抗磨定向Fe2B块体的直径的3倍。
10.一种高抗磨定向Fe2B致密块体，其特征在于，利用权利要求1所述方法制备而成，定向Fe2B致密块体的柱状晶宽度为30～70μm，横截面显微硬度为1741～1870HV，纵截面硬度为1670～1782HV。
一种高抗磨定向Fe2B致密块体及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于抗磨材料技术领域，具体涉及一种高抗磨定向Fe2B致密块体及其制备方法。
背景技术
[0002] 金属硼化物通常是由过渡金属与硼元素组成的金属间化合物，具有较高的硬度和高温稳定性，广泛应用于耐磨涂层及复合材料增强相等领域。Fe2B金属间化合物是一种常见的硼化物,其通常作为Fe-B耐磨合金的硬质相和钢铁材料表面渗硼层被熟知，具有较高的耐磨性和耐高温锌液腐蚀性能。因此，Fe2B块体可用作抗磨和抗腐蚀工况下的关键部件材料。
[0003] 通过粉末冶金和合金熔炼的技术方法，均可获得抗磨性能良好的Fe2B块体。然而，之前方法制备的Fe2B块体中晶粒的取向呈现随机性，不同取向Fe2B晶粒的抗磨效果差异较大，导致整体的耐磨性并不理想。此外，此前报道方法制备工艺复杂，且成本相对较高。研究表明，Fe2B晶体具有沿[002]取向择优生长的特征，且其(002)晶面的硬度和断裂韧性均优于其垂直晶面，可在磨损过程中表现出最优的抗磨能力。因此，制备定向Fe2B块体，选择定向Fe2B块体中高抗磨的(002)晶面作为对磨工作表面，对于新型耐磨材料的开发利用具有重要的应用价值。然而，目前关于高抗磨定向Fe2B块体制备的详细方法尚没有专利报道。
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，提供一种高抗磨定向Fe2B致密块体及其制备方法，工艺简单、低成本、生产效率高。
[0005] 本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种高抗磨定向Fe2B致密块体制备方法，包括以下步骤：
[0007] S1、以纯铁块和硼铁颗粒为原料，Fe：B按质量比91.2:8.8进行配料；
[0008] S2、将配好的混合原料置入坩埚中；
[0009] S3、将坩埚置于真空感应熔炼炉内进行真空感应熔炼；
[0010] S4、步骤S3熔炼完成后，将金属熔体浇入水玻璃砂型腔内，随炉冷却至室温后获得定向Fe2B块体。
[0011] 具体的，步骤S1中，纯铁中Fe的含量高于99.8％；硼铁中B含量为10％～25％，剩余杂质元素含量低于1.2％。
[0012] 具体的，步骤S2中，纯铁放置在刚玉坩埚的中心位置处，四周填充硼铁颗粒。
[0013] 具体的，步骤S3熔炼前，将刚玉坩埚在真空环境下烘烤8小时以上。
[0014] 具体的，步骤S3中，熔炼参数为：升温速度为20～50℃/min，熔炼温度为1600℃，保温时间大于15min。
[0015] 进一步的，升温加热前，连通循环水并对炉腔抽真空至气压低于10-2Pa。
[0018] 进一步的，水冷铜块的直径高于所浇注圆柱型高抗磨定向Fe2B块体的直径的3倍。
[0019] 本发明的另一个技术方案是，一种高抗磨定向Fe2B致密块体，利用所述方法制备而成，定向Fe2B致密块体的柱状晶宽度为30～70μm，横截面显微硬度为1741～1870HV，纵截面硬度为1670～1782HV。
[0020] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0021] 本发明一种高抗磨定向Fe2B致密块体制备方法，制备工艺简单，纯度较高；材料中Fe2B晶粒具有较好的取向性，充分发挥Fe2B高硬度(002)晶面的抗磨性。
[0022] 进一步的，原料硼铁中B含量高于8.8％是成功制备纯Fe2B块体的基本条件，选取B含量高于10％的硼铁便于配料设计，且控制硼铁中杂质元素含量较低水平是保证Fe2B块体高纯度的关键因素。
[0023] 进一步的，纯铁块置于坩埚中间位置有利于其熔化后快速向四周扩散，可有效提高熔炼效率。
[0024] 进一步的，在熔炼前需在真空环境下烘烤8小时以上，以除去水分及气体。
[0025] 进一步的，在1600℃下进行熔炼，可保证金属熔体良好的流动性，有利于感应熔炼过程中原料元素的均匀化。
[0026] 进一步的，在1400℃左右进行浇注，可保证金属熔体流动性的同时降低铸件的缩孔缺陷；选择充分烘干的水玻璃砂型，可保证金属熔体相对平衡的凝固过程；设置水冷铜块体的直径为Fe2B块体的3倍，可保证其导热效率，以控制凝固过程中的单一热流传导，从而保证Fe2B晶粒较好的定向效果。
[0027] 本发明一种高抗磨定向Fe2B致密块体，横截面具有较高的硬度和耐磨性。
[0028] 综上所述，本发明制备的高抗磨定向Fe2B块体兼具较好的纯度和致密性，且Fe2B晶粒呈现沿凝固方向定向排列的均匀柱状晶形态特征，可充分发挥其横截面的高硬度优势，表现在优异的抗磨性能。
附图说明
[0031] 图2为本发明制备的高抗磨定向Fe2B块体材料的横截面XRD图谱；
[0032] 图3为本发明制备的高抗磨定向Fe2B块体材料的横截面断口显微图片；
[0033] 图4为本发明制备的高抗磨定向Fe2B块体材料的纵截面断口显微图片。
具体实施方式
[0034] 本发明提供了一种高抗磨定向Fe2B致密块体制备方法，利用纯铁和硼铁为原料，按照质量比为Fe:B＝91.2:8.8进行配料，通过真空感应熔炼加定向凝固的方法制备得到致密高抗磨定向Fe2B块体材料。本发明制备的Fe2B块体材料中Fe2B具有良好的取向性，其定向凝固横截面具有更高的硬度和耐磨性，且该方法制备的材料致密性好、纯度高，制备工艺简单，可应用于高温耐磨及腐蚀等严酷工况。
[0035] 本发明一种高抗磨定向Fe2B致密块体制备方法，包括以下步骤：
[0036] S1、配料
[0037] 纯铁和硼铁按照质量比Fe:B＝91.2:8.8进行配料；
[0039] S2、装料
[0040] 将纯铁块和硼铁颗粒依次放入刚玉坩埚中，保证硼铁颗粒填充纯铁块周围空隙且紧实分布；
[0041] 纯铁块放置在刚玉坩埚的中心位置处，四周填充硼铁颗粒。
[0042] S3、熔炼
[0043] 将装有原料的坩埚置于真空感应熔炼炉中，进行真空熔炼，熔炼参数为：升温速度为20～50℃/min，熔炼温度为1600℃，保温时间大于15min；
[0044] 升温加热前，需连通循环水，并对炉腔抽真空至气压低于10-2Pa，利用红外测温监测原料的温度，在熔炼前需在真空环境下烘烤8小时以上，以除去水分及气体。
[0045] S4、浇注
[0046] 浇注温度为1370～1430℃，将金属熔体浇入底部置有水冷铜块的水玻璃砂型中，随炉冷却至室温，获得定向Fe2B块体。
[0047] 玻璃砂型内表面需涂刷石墨粉脱模剂，在浇注前需对砂型烘烤24小时以除去水分；砂型底部水冷铜块周围及底部连通循环冷却水，直至试样冷却至室温，以控制熔体凝固热量沿单一方向传导。
[0048] 请参阅图1和图2，采用本发明方法制备的定向生长Fe2B柱的状晶宽度为30～70μm，如图1为本发明所制备的定向Fe2B块体纵截面显微组织，Fe2B晶粒呈定向生长的柱状晶形态，平均柱状晶宽度约为30μm；图2为高抗磨定向Fe2B块体横截面的X射线衍射图谱，仅有特征(002)晶面的衍射峰，以上两图说明了本发明制备的Fe2B块体具有良好的定向效果，从而可发挥高硬度(002)晶面的抗磨优势。
[0049] 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。
[0050] 实施例1
[0051] 以工业纯铁(Fe含量为99.8wt％)和硼铁(B含量为19.8wt％)为原料，根据重量比Fe:B＝91.2:8.8进行配料，分别称量纯铁111.34g和硼铁88.89g；然后，将称好的纯铁和硼铁依次置入熔炼坩埚中，保证纯铁在坩埚的中间位置，而硼铁填充纯铁块周围空隙并压实；将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10-2Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为50℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温15min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至1370℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的高抗磨定向Fe2B块体材料。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1870HV，纵截面硬度为1759HV。
[0052] 实施例2
[0053] 以工业纯铁(Fe含量为99.8wt％)、硼铁(B含量为19.8wt％)和高纯Cr颗粒(Cr含量为99.9wt％)为原料，根据重量比Fe:Cr:B＝89.2:2:8.8进行配料，分别称量纯铁107.34g、硼铁88.89g和高纯Cr颗粒4g；然后，将称好的纯铁、硼铁和高纯Cr颗粒依次置入熔炼坩埚中，保证纯铁在坩埚的中间位置，而硼铁和高纯Cr颗粒填充纯铁块周围空隙并压实；将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10-2Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为35℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温20min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至1390℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的掺Cr量为2wt％的高抗磨定向Fe2B块体材料，其横、纵截面断口显微图片分别如图3和4所示。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1861HV，纵截面硬度为1782HV。
[0054] 实施例3
[0055] 以工业纯铁(Fe含量为99.8wt％)、硼铁(B含量为19.8wt％)和高纯Mo颗粒(Cr含量为99.9wt％)为原料，根据重量比Fe:Mo:B＝89.2:2:8.8进行配料，分别称量纯铁107.34g、硼铁88.89g和高纯Cr颗粒4g；然后，将称好的纯铁、硼铁和高纯Mo颗粒依次置入熔炼坩埚中，保证纯铁在坩埚的中间位置，而硼铁和高纯Mo颗粒填充纯铁块周围空隙并压实；将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10-2Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为50℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温20min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至1400℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的掺Mo量为2wt％的定向Fe2B块体材料。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1741HV，纵截面硬度为1670HV。
[0056] 实施例4
[0057] 以工业纯铁(Fe含量为99.8wt％)、硼铁(B含量为25wt％)和高纯锰颗粒(纯度为99.9％)为原料，根据重量比Fe:B:Mn＝89.7:8.8:1.5进行配料，分别称量纯铁128.4g、硼铁
70.4g和高纯锰颗粒3g；然后，将称好的原料依次置入熔炼坩埚中，硼铁和高纯锰颗粒均匀的铺在坩埚底部，纯铁块置于坩埚中央位置；将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将-2
浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10 Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为40℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温25min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至
1420℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的掺Mn高抗磨定向Fe2B块体材料。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1869HV，纵截面硬度为
1768HV。
70.4g和高纯锰颗粒3g；然后，将称好的原料依次置入熔炼坩埚中，硼铁和高纯锰颗粒均匀的铺在坩埚底部，纯铁块置于坩埚中央位置；将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将-2
浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10 Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为40℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温25min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至
1420℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的掺Mn高抗磨定向Fe2B块体材料。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1869HV，纵截面硬度为
1768HV。
[0058] 实施例5
[0059] 以工业纯铁(Fe含量为99.8wt％)和硼铁(B含量为10wt％)为原料，根据重量比Fe:B＝91.2:8.8进行配料，分别称量纯铁26.2g和硼铁176g；然后，将称好的硼铁和纯铁依次置入熔炼坩埚中，硼铁颗粒均匀的铺在坩埚底部，纯铁块置于硼铁上面且位于坩埚中央位置；
将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10-2Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为20℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温18min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至1430℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的高抗磨定向Fe2B块体材料。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1866HV，纵截面硬度为1748HV。
将装有原料的坩埚置入真空感应熔炼炉中，将浇注用水玻璃砂型置于水冷铜块上，随后关闭炉门进行抽真空；待炉腔内真空度低于10-2Pa时，开启加热按钮，控制升温速率为20℃/min，待熔体温度达到1600℃时，调低加热功率，使金属熔体保温18min，随后关闭加热程序，实时观测金属熔体温度；待金属熔体温度降至1430℃时，立即倾倒金属熔体至水玻璃砂型中；冷却30min以后，打开真空阀，待炉腔内气压恢复至大气压时，打开炉门，取出砂型并打磨表面后，即可获得的高抗磨定向Fe2B块体材料。本实验制备的定向Fe2B块体试样中横截面显微硬度约为1866HV，纵截面硬度为1748HV。
[0060] 根据本发明提出的方法，可制备以上实例所述的高抗磨定向Fe2B致密块体，该Fe2B块体具有较高的硬度，且定向块体横截面的硬度显著高于纵截面，可更好的发挥抗磨作用；利用本发明方法，在保证B含量为8.8％不变的情况下，通过添加部分Cr、Mo和Mn等合金元素同时降低相应比例的Fe元素，可成功制得硬度不同的高抗磨定向Fe2B块体，说明本发明方法具有较好的普适性。
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