專利名稱：一種低成本高耐磨性的過共晶高鉻鑄鐵及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種鑄鐵及其制備方法，特別是一種低成本高耐磨性的過共晶高鉻鑄鐵及其制造方法，該過共晶高鉻鑄鐵適用于制造輸送具有強烈磨損性漿料的渣漿泵過流件，如葉輪、護板和護套等。
背景技術：
高鉻鑄鐵是一類應用非常廣泛的重要耐磨材料，由于組織中大量存在的高硬度M7C3型碳化物而具有優良的耐磨性，同時由于共晶碳化物形貌呈桿狀分布而較其它白口鑄鐵的韌性有所改善。因此廣泛用于冶金、礦山、水利、電力、化工等領域的各類磨損部件以及各種輸送含固體顆粒流體泵的過流件(葉輪、護套和護板)。高鉻鑄鐵中的鉻不僅可有效提高材料在漿料中的腐蝕抗力，同時大量存在的含鉻M7C3型碳化物有力地提高了材料的磨損抗力，提高了過流件的使用壽命。高鉻鑄鐵中碳化物數量的增加對過流件沖蝕磨損抗力的提高具有重要的影響。但碳化物數量提高到一定程度，在高鉻鑄鐵中將會出現粗大的初生碳化物，導致高鉻鑄鐵的韌性急劇下降，從而使過共晶高鉻鑄鐵失去使用價值。因而，目前用于這一類過流件高鉻鑄鐵的碳當量通常以不超過共晶點為上限的亞共晶高鉻鑄鐵，如我國耐磨材料國家標準中的KMTBCr26和KMTBCr15Mo3等鑄鐵。
含碳量較高的過共晶高鉻鑄鐵的耐磨性能優于工業上常用的亞共晶高鉻鑄鐵，而且成本與亞共晶高鉻鑄鐵相當，所以性價比高。但由于過共晶高鉻鑄鐵中脆硬、粗大的碳化物存在而導致強度和韌性低，易產生裂紋等鑄造缺陷，限制了其在耐磨部件上的應用。既要保持過共晶材料的高硬度特點，又要提高其強度及韌性，最好的辦法就是細化其初生碳化物。所以細化碳化物、改變其分布形態，是提高過共晶高鉻鑄鐵韌性的重要手段。
通常，人們分別采用孕育與變質的手段改善鑄件的性能。孕育處理是加入有利于形核的元素，從而達到細化組織的一種工藝；而變質處理則是通過加入能改變組織中第二相生長的合金元素來改變第二相形態與分布的一種工藝。這兩種工藝都能夠不同程度的改善組織、提高性能。
專利公開號CN86108485A公開的一種“鉻26系白口鑄鐵復合變質處理劑”，主要是利用Cu、Ti、Si、Mg等合金元素來對白口鑄鐵凝固過程中起變質作用改善其性能。但由于該幾種元素價格較高，成本較高，且不適于過共晶高鉻鑄鐵。再如專利號為CN1046195A公開的“鉻錳系白口鑄鐵強效孕育劑”，它是利用Cr、C、Fe三種元素在白口鑄鐵凝固過程中對生核孕育的一下來改善鑄鐵的性能，但該技術僅限于應用在鉻錳系白口鑄鐵中，不適于過共晶高鉻鑄鐵。專利號為CN94112406.1公開的“鉻系白口鑄鐵復合孕育劑”專利，選用Si、Mg、Re三種變質元素，它的應用范圍也僅適于共晶或亞共晶高鉻鑄鐵。專利號為CN92114598.5提供了一種高溫耐磨合金及其制造技術，該合金以Cr為主要元素，并加入Ni、Mo、W、Cu、N、C、Si、Mn等元素，采用稀土和堿金屬制成的中間合金進行變質處理。中間合金的成分為wt％RE3.00～20.00，Ca3.00～10.00，Ba5.00～20.00，Si20.00～35.00，余為Fe。該合金僅適于孕育亞共晶的高鉻鑄鐵。專利CN93107390.1公開了一種“復合孕育變質劑”，它是灰鑄鐵件澆注前澆包中熔融金屬液處理用的添加劑。它是以氮化劑為主，又含有稀土鎂硅鐵、鋁、鈦鐵等多組元的復合孕育變質劑。對于高碳當量、高碳的近共晶的亞共晶、共晶或過共晶成分的灰鑄鐵，復合孕育變質劑具有孕育和變質的雙重作用。沒有提到氮化物對高鉻鑄鐵的孕育作用。專利CN03114581.7公開了一種“多元高鉻耐磨鑄鐵篩板及其制造方法”。在該專利中，在包底放置硅鈣合金、鈮鐵、鎂鎳合金、鈰基稀土、鈦鐵等孕育物質，采用沖入法細化法細化該高鉻鑄鐵，提到了NbC等細化高鉻鑄鐵的作用，但鈮鐵和鈦鐵等的加入量過高，成本較高。
專利WO2004/103608介紹了一種用消失模生產過共晶鑄鐵的方法，可用于生產渣漿泵、旋流器和破碎機等設備的部件。該方法的缺點是模具投資大，不適于單件小批的渣漿泵部件的生產；其能加入的孕育劑的最大量受到限制(一般不超過1％，最大不超過2％)；孕育劑的粒度較小，一般不超過100um，其表面的氧化物等雜質相對較多，而在該發明條件下，這些雜質都殘留在鑄件里，對材料的韌性有不利的影響。
美國專利5803152介紹了一種細化初生相方法，該方法適于所以有共晶相的合金(鋁/硅，銅/銀，特別針對白口鑄鐵)。該工藝是在澆注鑄件的同時向金屬液里加入孕育劑。其缺點是孕育劑的加入量偏高，其表面的氧化物等雜質一般都殘留在鑄件里，對對材料的韌性有不利的影響；澆注溫度偏低，合金液的流動性不好，不大適合于生產渣漿泵過流件之類的復雜件。
在論文《變質處理對M2高速鋼組織和性能的影響》中，凡定勝、符寒光等選用Y-K-Na復合變質劑，用包內沖入法對M2高速鋼進行復合變質處理。
R.J.Llewellyn等人發表的一篇題名為《Scouring erosion resistance ofmetallic materials used in slurry pump service》論文。該論文介紹了一種用常規鑄造生產的含鉻5C-35Cr％具有細化初生碳化物的過共晶高鉻鑄鐵的耐腐蝕沖刷性能，但該論文并沒有介紹細化初生碳化物晶粒的方法。
在論文《高碳高鉻白口鑄鐵材料及其應用》中，張山綱，張劍波等采用鉻鐵礦面砂、包內加入細化劑合金、低溫澆注和向鐵水流中加入1％左右的0.2～0.3mm合金鐵丸等一系列工藝措施細化了4.0～6.0％C-30.0～40.0Cr％的過共晶合金，并用于生產渣漿泵過流件。但該文沒有介紹其細化劑的成分，且因采用低溫澆注(合金液充型時的溫度比其液相線低約10℃左右)，合金液的充型能力差，冷隔等廢品率較高，鑄件的成品率低，質量不穩定。另外，由于加入2～3％左右的價格昂貴鉬，原料成本約是KMTBCr26的3.5倍以上，所以該材料用于制造渣漿泵過流件時的價格偏高。
由以上分析可知，由于渣漿泵過流件的形狀復雜，為了保證澆注出合格鑄件，合金液的充型溫度不應太低；僅僅包內孕育變質，不能達到細化過共晶高鉻鑄鐵的目的，而僅僅隨流孕育(澆注的同時向合金液加孕育劑)，即使能達到細化過共晶高鉻鑄鐵的目的，也使合金的流動性變得很差；要選用適宜的化學成分，即要發揮過共晶高鑄鐵耐磨性好的優勢，又要降低材料的成本。而以上檢索到的論文或專利都沒有給出適宜于“生產渣漿泵過流件”的低成本高耐磨性的過共晶高鉻鑄鐵的生產方法。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種過共晶高鉻鑄鐵及其制造方法，該過共晶高鉻鑄鐵適用于制造輸送具有強烈磨損性漿料渣漿泵過流件。
為了實現上述任務，本發明采取如下的技術方案一種低成本高耐磨性的過共晶高鉻鑄鐵，其特征在于，該過共晶高鉻鑄鐵含有以下重量比的化學成分C3.5～4.5％，Mn1.0～3.0％，Cr17～30％，Si0.5～1.5％，Cu1.0～2.0％，P≤0.06％，S≤0.06％，Ni≤1％，余量為鐵。
上述過共晶高鉻鑄鐵的制備方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先按照權利要求1的組分配料，然后在500kg酸性中頻感應電爐熔煉，溫度升至1650℃時，加入鋁作為脫氧劑，脫氧后立即將熔化的合金液到入澆包內；2)在澆包內采用二次孕育的方法進行細化初生碳化物，二次孕育是指孕育變質和隨流孕育，孕育變質所用的孕育變質劑為的粒度10mm～13mm，由中間合金，鉀鹽，鈰稀土鎂合金組成，其中中間合金占處理合金液重量的0.5～2.0％，鉀鹽占處理合金液重量的1.0～3.0％，鈰稀土鎂合金占處理合金液重量的0.5～3.0％；隨流孕育是通過在澆注的同時向金屬液中加入粒度為70～140目的鐵合金顆粒；隨流孕育的鐵合金顆粒的加入量為所處理過的過共晶高鉻鑄鐵重量的1.2％～4.0.％；加入的方法為先將包內孕育變質劑按要求量放入澆包的底部，用沖入法將過共晶高鉻鑄鐵液迅速沖入；在澆注過程中，隨流孕育的鐵合金顆粒按要求量在澆口杯處均勻加入共晶高鉻鑄鐵液中；3)然后進行熱處理，其方法是淬火緩慢升溫至900℃～1050℃，保溫4～6小時，然后空氣冷卻至室溫；回火經淬火后的共晶高鉻鑄鐵在溫度300℃條件下保溫2～4小時，即可得到硬度在64HRC以上，沖擊韌性在5J/cm2以上的過共晶高鉻鑄鐵材料。
本發明的過共晶高鉻鑄鐵有以下特點1.采用C3.5～4.5％，Cr17～30％的化學成分，只含有1％左右的銅和小于1％的鎳，不含鉬等貴重元素，成本與KMTBCr26相當；2.采用中間合金的方法加入的Nb(C，N)、TiC、硼化物等促進形核的物質，不僅孕育效果顯著，而且降低了成本；3.采用包內孕育(中間合金+鉀鹽+稀土鎂)+隨流孕育(合金粉)方法，細化效果顯著；4.由于包內的孕育效果較好，合金液可以在較高的溫度下澆注，合金液的充型溫度高于其液相線60℃左右，合金液的流動性較好，能夠鑄造出合格的渣漿泵過流件。
圖1為未處理的過共晶高鉻鑄鐵金相組織圖；圖2是經過本發明方法的二次孕育處理后的金相組織圖。
以下對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
合金材質的性能是由金相組織決定的，而于化學成分、熱處理工藝和制備過程(孕育、造型、澆注等)都對材料的組織和性能有決定性的影響。
①化學成分的確定C在磨損工況下，希望材料具有優異的抗磨性，而優異的抗磨性來源于組織中存在的高硬度共晶碳化物，而C對碳化物數量影響最大，C、Cr和碳化物(K％)含量之間可按下式計算K％＝12.33(C％)+0.55(Cr％)-15.2％式中，C也并非愈高愈好，因為碳化物數量過多，增大了材質的脆性，考慮其利弊，將C含量控制在3.5％～4.5％。
CrCr除部分形成碳化物，增加耐磨性外，其主要作用是溶于基體，增大基體的淬透性和抗腐蝕性。當Cr/C＞5時，鑄鐵中的碳化物為M7C3型。故將Cr含量控制在17％～30％。
SiSi是熔煉脫氧元素，加適量的Si，可防止其它合金元素氧化，但Si又是非碳化物形成元素，主要溶于基體，降低淬透性，故將Si含量控制在0.5％～1.5％。
MnMn能提高高鉻鑄鐵的淬透性，但增加殘余奧氏體的含量，因此Mn含量控制在1.0％～3.0％。
NiNi能提高高鉻鑄鐵的淬透性和材料的耐腐蝕性，但我國Ni資源缺乏，Ni價格高，綜合考慮將Ni含量控制在≤1.0％。
CuCu能提高高鉻鑄鐵的淬透性和材料的耐腐蝕性，但銅在奧氏體中的溶解度只有2％左右，因此Cu含量控制在1.0％～2.0％。
不可避免的微量雜質是原料中帶入的，其中有P和S，均是有害元素，為了保證材料的強度、韌性和耐磨性，將P含量控制在0.06％以下，S含量控制在0.06％以下。
因此，最終的化學成分為(wt.％)
②孕育劑和孕育方法的確定本發明中，采用二次孕育(包內孕育變質和隨流孕育)的方法。包內孕育劑的組成為(占處理合金液重量wt％)0.5～2.0中間合金+1.0～3.0鉀鹽+0.5～3.0％鈰稀土鎂合金。中間合金的成分為C1.0～4.0％，Mn1～5％，Cr2～4，Nb0.5～4％，V0.2～1％，Si05～1.0％，N0.04～0.12％，Ti0.1～1.0，B0.1～1.0％，其余為Fe和不可避免的雜質。中間合金中含有的TiC、NbN、VN、NbC、VN和硼化物等顆粒可以作為促進初生碳化物形核的基體，可以增加初生碳化物的形核數量。加入的稀土、鎂和鉀鹽等富集在初生碳化物的表面，使其細化、團球化，有利于高鉻鑄鐵力學性能尤其是韌性大幅度提高。隨流孕育劑的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物來不及長大，從而達到細化初生碳化物的目的。
③鑄造工藝和熱處理工藝的確定過共晶高鉻鑄鐵的性能還與鑄造工藝和熱處理工藝有直接關系，其制訂依據是渣漿泵過流件的工作面在非機械加工下直接機使用，鑄件尺寸精度和表面光潔度對其效率和使用壽命都有較大的影響，故應選用冷硬樹脂砂鑄型生產渣漿泵過流件。并選用醇基鋯英涂料。
本發明選用的熱處理工藝是淬火(緩慢升溫至900～1050℃×(4～6)小時，空氣冷卻至室溫)+回火(300℃×(2～4)小時)。熱處理后的金相組織為初生碳化物+共晶碳化物+二次碳化物+馬氏體+殘余奧氏體。
材料最終硬度在64HRC以上，沖擊韌性在5J/cm2以上，綜合性能優良。
采用本發明的過共晶高鉻鑄鐵，能夠制造渣漿泵過流件，其生產工藝簡便，金相組織中含有30％～48％高硬度碳化物，導致宏觀硬度高，達到≥64HRC，高出普通的亞共晶高鉻鑄鐵KMTBCr26約4～6HRC，具有優良的耐磨性。
渣漿泵過流件經二次變質處理后，基體組織明顯細化，初生碳化物由條、帶狀變成小塊狀和團球狀，導致其力學性能大幅度提高，沖擊韌性達到5J/cm2～8J/cm2。
過共晶高鉻鑄鐵具有較好的鑄造性能，澆注渣漿泵過流件時的工藝出品率達到60％～80％，廢品率約為10％，與亞共晶高鉻鑄鐵KMTBCr26相當。
采用本發明的過共晶高鉻鑄鐵制備的渣漿泵過流件的生產成本比普通的亞共晶高鉻鑄鐵KMTBCr26高約5～10％，而使用壽命是KMTBCr26的1.8～2.5倍。
下面是發明人給出的實施例。
實施例采用高碳鉻鐵、普通廢鋼、生鐵、錳鐵、廢銅、鎳板各種物料的用量按本發明的技術方案配料(wt％)；在500kg酸性中頻感應電爐熔煉。溫度升至1650℃時，加入鋁作為脫氧劑，脫氧后立即出鐵水到澆包內；澆包內預先放置有粒度為10mm～13mm的并經焙燒和烘干過的中間合金、鉀鹽(高錳酸鉀)、鈰稀土鎂合金(包內處理時要采用防護措施)；澆包內孕育劑的組成為(占處理合金液重量wt％)0.5～2.0中間合金+1.0～3.0鉀鹽+0.5～3.0％鈰稀土鎂合金。
中間合金的成分為C1.0～4.0％，Mn1～5％，Cr2～4，Nb0.5～4％，V0.2～1％，Si05～1.0％，N0.04～0.12％，Ti0.1～1.0％，B0.1～1.0％，其余為Fe和不可避免的雜質。
中間合金中含有的TiC、NbN、VC、NbC、VN和硼化物等顆粒可以作為促進初生碳化物形核的基體，可以增加初生碳化物的形核數量。加入的稀土、鎂和鉀等富集在初生碳化物的表面，使其細化、團球化，有利于高鉻鑄鐵力學性能尤其是韌性大幅度提高。隨流孕育劑的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物來不及長大，從而達到細化初生碳化物的目的。
澆注溫度為1440℃，在澆注的同時隨流加入鑄件重量的1.5～2.5％的合金鐵粉進行二次孕育處理。該合金液的液相線約為1370℃，故合金液具有較好的充型能力。
3、過流件的鑄造①用呋喃樹脂冷硬樹脂砂型鑄造，涂料選用醇基鋯英粉涂料；②澆注24小時后開箱空冷，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺；4、熱處理在箱式電阻爐中進行熱處理，其處理工藝是淬火(緩慢升溫至1010℃×5小時，空氣冷卻至室溫)+回火(300℃×3小時)在過流件實體上切取20mm薄片測試硬度為65HRC。
同爐澆注的20mm×20mm×110mm無缺口試樣，測試過共晶高鉻鑄鐵的沖擊韌性為6.2J/cm2。
本發明的過共晶高鉻鑄鐵硬度高，韌性好，耐磨性優良，生產成本較低，具有很好的經濟效益。
權利要求
1.一種低成本高耐磨性的過共晶高鉻鑄鐵，其特征在于，該過共晶高鉻鑄鐵含有以下重量比的化學成分C3.5～4.5％，Mn1.0～3.0％，Cr17～30％，Si0.5～1.5％，Cu1.0～2.0％，P≤0.06％，S≤0.06％，Ni≤1％，余量為鐵。
2.一種過共晶高鉻鑄鐵的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟1)首先按照權利要求1的組分配料，然后在酸性中頻感應電爐熔煉，溫度升至1650℃時，加入鋁作為脫氧劑，脫氧后立即將熔化的合金液沖入放有孕育劑的澆包內；2)采用二次孕育的方法進行細化初生碳化物，二次孕育是指包內孕育變質和隨流孕育，包內孕育變質所用的孕育變質劑為的粒度10mm～15mm，由中間合金，鉀鹽，鈰稀土鎂合金組成，其中中間合金占處理合金液重量的0.5～2.0％，鉀鹽占處理合金液重量的1.0～3.0％，鈰稀土鎂合金占處理合金液重量的0.5～3.0％；隨流孕育是通過在澆注的同時向金屬液中加入粒度為70～140目的鐵合金顆粒；隨流孕育的鐵合金顆粒的加入量為所處理的過共晶高鉻鑄鐵重量的1.2％～4.0.％；加入的方法為先將包內孕育變質劑放入澆包的底部，用沖入法將過共晶高鉻鑄鐵液迅速沖入；在澆注過程中，將隨流孕育的鐵合金顆粒按要求量在澆口杯處均勻加入共晶高鉻鑄鐵液中；3)然后進行熱處理，其方法是淬火緩慢升溫至900℃～1050℃，保溫4～6小時，然后空氣冷卻至室溫；回火經淬火后的共晶高鉻鑄鐵在溫度300℃條件下保溫2～4小時，即可得到硬度在64HRC以上，沖擊韌性在5J/cm2以上的過共晶高鉻鑄鐵材料。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述的中間合金含有下列重量百分比的化學成分C1.0～4.0％，Mn1～5％，Cr2～4，Nb0.5～4％，V0.2～1％，Si05～1.0％，N0.04～0.12％，Ti0.1～1.0％，B0.1～1.0％，其余為Fe和不可避免的雜質。
全文摘要
本發明提供了一種過共晶高鉻鑄鐵及其制造方法，過共晶高鉻鑄鐵的主要成分為C3.5～4.5％，Mn1.0～3.0％，Cr17～30％，Si0.5～1.5％，Cu1.0～2.0％，P≤0.06％，S≤0.06％，Ni≤1％，余量為鐵。其制備方法是采用二次孕育變質處理的方法細化初生碳化物，包內孕育劑的中間合金含有的TiN、NbN等顆粒作為促進初生碳化物形核的基體，增加初生碳化物的形核數量。稀土、鎂和鉀等富集在初生碳化物的表面，使其細化、團球化。隨流孕育劑的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物來不及長大，從而達到細化初生碳化物的目的。用過共晶高鉻鑄鐵制造的渣漿泵過流件，生產工藝簡便、成本低，鑄造性好，具有優良的耐磨性和高的使用壽命。
文檔編號C21D1/18GK1769508SQ20051009633
公開日2006年5月10日 申請日期2005年11月10日 優先權日2005年11月10日
發明者智小慧, 邢建東, 高義民, 周會永 申請人:西安交通大學