專利名稱：：一種鑄態高碳高鉻鑄鐵及其制備方法
技術領域：
：本發明為一種鑄態高碳高絡鑄鐵及其制備方法，特別涉及一種碳含量高的鑄態高碳高鉻鑄鐵及其制備方法，屬于金屬耐磨材料
技術領域：
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背景技術：
：高鉻白口鑄鐵顯微組織中存在著硬度較高且分布孤立的M7C3型碳化物，因而與其他普通白口鑄鐵相比，具有較高的硬度和韌性，使其在大量消耗抗磨材料的冶金、機械、礦山、建材、電力及化工等行業中得到推廣應用。但目前在工業中應用的大部分為亞共晶高鉻鑄鐵，而碳含量較高的過共晶高鉻鑄鐵應用較少，這主要是由于碳含量超過共晶點后，初生M7C3型碳化物的形態粗大而使韌性大幅度降低的緣故。在低應力磨料磨損條件下，基體中碳化物的體積分數和分布對高鉻鑄鐵的力學性能和耐磨性起著重要作用[SareIR.AbrasionResistanceandFractureToughnessofWhiteCastI麵s，MetalsTechnology,1979,6(11):412-419]。一般來說，隨碳化物數量增加，耐磨性提高但沖擊韌性下降[Gahr,Karl-HeinzZumandScholz,WilliamG.FractureToughnessofWhiteCastIrons,JournalofMetals:1980,32(10):38-44]，特別是出現粗大的初晶碳化物時韌性急劇下降，為了保持足夠韌性主張采用含碳量較低的高鉻鑄鐵而不采用過共晶高鉻鑄鐵[BerezaJM,WearandImpactResistantWhiteCastIrons,BritishFoundryman.1981，74(10):205-211]。由于過共晶高鉻鑄鐵具有優異的耐磨性，韓國專利KR97043232-A和KR256368-B1報道了將過共晶高鉻鑄鐵采用堆焊方法沉積于鋼鐵制品表面，可以明顯提高低應力磨損條件下耐磨部件的耐磨性。專利WO8404760-A1和EP147422-A1公開了一種耐磨鑄造過共晶高鉻鑄鐵，其主要成分(wt.。/。)是C>4.0;Cr25—45;Mn0—15;Mo0—10;NiO—10;B0—2;Ti,W,Ta,V和Nb至少加入一種，每種元素加入量<5.0且Ti,W,Ta，V和Nb的總量小于15.0。這種合金采用低溫澆注，澆注溫度不超過液相線溫度100°C。獲得的初生碳化物尺寸約為75(im。由于這種材料需要較低的澆注溫度，在澆注薄壁件時成形困難，且加入了價格昂貴的鉬、鎳元素，導致鑄鐵生產成本過高。為了改善碳化物形態和分布，目前主要采用變質處理方法。中國發明專利CN1042193公開了一種耐磨耐熱的高鉻合金鑄鐵及其獨特的熱處理工藝，并將該材料用于制造軋管機頂頭。發明材料的成分為(重量百分比):C2.85—3.40、Si0.80—1.50、Mn0.30—0,40、S<0.02、P<0.03、Cr25—38、Ni3—8、RE0.08—0.15，余量為鐵。進行兩次熱處理，第一次的溫度為1100—1300。C，出爐后空冷；第二次的溫度為1000—1250。C，緩冷。該發明根據軋管機頂頭、穿孔機導板等工具、機件的特殊要求合理設計了成分和工藝、發揮了稀土的良好作用。該發明高鉻合金鑄鐵含有較多價格昂貴的鎳元素，導致生產成本高，另外，該發明的淬火工藝復雜，且淬火溫度高，導致生產周期長，能耗高。中國發明專利CN1252455公開了一種超高鉻抗磨白口鑄鐵及生產工藝，其特征在于各材料成分的含量(重量百分比)為C:3.2—4,2%，Cr:29—32%，Si:1.0—2.5%，Mn:1.0—2.5%，Mo:0.3—1.0%，Ni:0.2—2.0%，Cu:0.2—0.8%，Re(稀土)0.01—0.1%,Fe:55—65%。工藝配料、冶煉、鑄造、退火、淬火、回火、冷卻。該發明僅加入稀土元素細化碳化物，效果并不太好，且該發明熱處理包括退火、淬火和回火，周期長，能耗高，生產效率低。中國發明專利CN1769508則公開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C:3.5—4.5%，Mn:1.0—3.0%,Cr:17—30%，Si:0.5—1.5%，Cu:1.0—2.0%，P:蘭0.06%，S:Ni:Sl%，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。該發明通過預加含TiN、NbN等顆粒的中間合金在包內孕育，作為促進初生碳化物形核的基體，存在TiN、NbN在鐵水中易團聚，導致分布均勻性差，使鑄件中碳化物形態和分布的均勻性也差，鑄件性能波動較大，另外，該發明需要高溫淬火處理，由于碳化物多，高溫熱處理時易變形和開裂。
發明內容本發明目的是提供一種鑄態高碳高鉻鑄鐵的化學組成及其制備方法。其主要特點是在高鉻鑄鐵中提高碳含量，增加初生碳化物數量，改善其耐磨性，另外，在高碳高鉻鑄鐵中提高釩含量，促使鑄態下獲得馬氏體基體，高鉻鑄鐵只需進行消除應力低溫熱處理，省出了高溫熱處理時易出現的變形和開裂，還簡化了熱處理工藝，節省能源，縮短了生產周期。為了細化初生碳化物組織，除了在澆包內加入稀土、鎂、鈮、鈦和鈉鹽等變質元素外，在鐵水出爐過程中還加入釩鐵孕育，促使凝固組織明顯細化，消除了高碳高鉻鑄鐵生產中易出現的縮孔、縮松、熱裂、初生碳化物剝落和耐磨性降低等缺陷，明顯改善了高鉻鑄鐵的使用效果。本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵的化學組成成分是(重量％):4.5—5.5C,22.5一30.8Cr，3.0—5.0V，0.7—1.2Mn,0.2—0.5Nb,0.5—1.0Ti,0.08—0.20Mg，0.05一0.20Na，0.05—0.20RE,Si<1.0，其余為Fe和不可避免的微量雜質，并且5.0^鉻碳比(Cr/C)蕓5.6。本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵可電爐生產，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和碳素鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后，加入錳鐵脫氧和合金化，然后加入部分釩鐵，釩鐵加入量占釩鐵總加入量的70—80%;②爐前調整成分合格后將溫度升至1440—1480。C，而后出爐，出爐前在爐內加入鈮鐵和鈦鐵；③鐵水出爐時，將釩鐵總加入量的30—20%破碎至粒度小于15mm的小塊，并隨鐵水沖入澆包內；將稀土鎂合金和鈉鹽破碎至粒度小于12mm的小塊，經200°C以下烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鐵水進行復合變質處理；④用普通鑄型澆注鑄件，鐵水澆鑄溫度為1350—138(TC;高碳高鉻鑄鐵在200—28(TC下進行去應力退火處理后可直接使用，退火保溫時間6—10小時。合金材質的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學成分及熱處理工藝，本發明化學成分是這樣確定的碳碳增加碳化物體積分數，提高耐磨性，碳加入量過多，碳化物數量太多，材料的強度和韌性明顯下降，且碳含量過高，材料熔煉比較困難，鑄造性能惡化，合適的碳加入量是4.5—5.5%。鉻鉻是形成高硬度M7C3型碳化物的基礎，鉻部分進入碳化物，部分進入基體，鉻加入量過少，不易獲得高硬度的M7C3型碳化物，材料耐磨性較低，加入量過多，基體中溶解的鉻較多，而鉻是縮小Y相區的元素，基體組織中易出現低硬度的鐵素體，反而降低材料耐磨性。另外，鉻在凝固過程中能產生成分過冷作用，對細化初生碳化物有好處，因此，合適鉻加入量是22.5—30.8%，且5.0^鉻碳比(Cr/C)^5.6。釩釩是強碳化物形成元素，形成的VC硬度高，可以提高高鉻鑄鐵耐磨性，另外，部分釩溶于基體，在鑄態條件下能使奧氏體析出二次碳化物，導致基體中碳量降低，而Ms點提高，使部分基體轉變成馬氏體，導致高碳高鉻鑄鐵在鑄態下易獲得高硬度的馬氏體基體組織，含釩量過少，基體中釩含量也少，因此鑄態下基體轉變成馬氏體的數量也少，含釩量過高，鑄鐵熔煉困難，且增加鑄鐵成本，合適釩加入量是3.0—5.0%。錳高鉻白口鑄鐵中加入適量錳，除了起脫氧和凈化鐵水作用外，還可阻止碳化物生長，使碳化物細化，但錳是擴大Y相區，穩定奧氏體元素，加入量過多，鑄態基體組織中易形成較多的奧氏體，不利于改善高絡鑄鐵耐磨性，合適錳加入量是0.7—1.2%。硅硅使共晶點左移，使初生碳化物粗大化，為防止碳化物粗化，選擇硅含量小于1.0%。鈮鈮是強碳化物形成元素，鈮加入高絡鑄鐵中優先形成彌散的NbC顆粒，硬度達到HV2400左右，比M7C3型碳化物硬度高，能更有效地提高耐磨性，并使更多的鉻固溶在基體中，提高了基體的強度和韌性，更好發揮基體對碳化物的支撐作用。鐵水凝固過程中，NbC微小顆粒可促使碳化物形核，并阻礙M7C3棒長大，導致組織細化，促使碳化物均勻分布。另外，NbC區有硫的富集，可減弱硫對基體的有害影響。鈮加入量過多，NbC會出現粗化，對細化組織效果不明顯，且鈮加入量過多，將提高鑄鐵成本，合適的鈮加入量是0.2—0.5%。鈦鈦是強碳化物形成元素，加入高鉻鑄鐵中易形成細小且均勻分布的TiC，TiC可作為初生M7C3型碳化物的形核核心，可阻礙碳化物的長大，細化初生M7C3型碳化物，有利于改善高鉻鑄鐵的抗鑄造開裂性能和提高高鉻鑄鐵的強度和韌性，加入量1.0%以后，碳化物進一步細化的趨勢不明顯，合適的鈦加入量是0.5—1.0%。鎂變質元素鎂加入高碳高鉻鑄鐵中，不僅造成熱力學過冷，而且鎂易吸附于碳化物擇優長大的晶面上，起到阻礙碳化物片狀長大的作用，使碳化物趨于細小、孤立，且邊部鈍化，有利于改善高碳高鉻鑄鐵的強度和韌性，合適的鎂加入量是0.08—0.20%。鈉鈉可降低高鉻鑄鐵的初晶結晶溫度和共晶結晶溫度，初晶結晶溫度和共晶結晶溫度的下降，有助于鐵水在液相線和共晶區過冷，而合金的結晶過冷度增大，會使形核率大大增加，因此，鈉使初晶碳化物晶核增多，初晶碳化物得以細化，初晶碳化物的細化導致共晶反應時殘留鋼液相互被隔開的趨勢增強，進而導致共晶組織的細化。此外，鈉在結晶時選擇性地吸附在碳化物擇優生長方向的表面上，形成吸附薄膜，阻礙鋼液中的Fe、Cr、C等原子長入碳化物晶體，降低了碳化物擇優方向的長大速度，促進碳化物變成不規則的團塊狀。鈉加入量過少，對高鉻鑄鐵的組織和性能影響不大，加入量過多，導致合金中夾雜物數量增多，對機械性能也有不良影響，綜合考慮，將鈉含量控制在0.05—0.20%。稀土稀土加入高鉻鑄鐵中具有脫硫、除氣的作用，同時稀土與液態金屬反應生成的細小粒子，加速凝固的形核作用，表面活性稀土元素吸附在初生碳化物表面，阻礙了液體內的鉻繼續進入碳化物，有利于促進碳化物的細化，提高高碳高鉻鑄鐵的強度和韌性。稀土加入量過多，使稀土夾雜物增多，反而降低高鉻鑄鐵的性能，因此稀土含量控制在0.05—0.20%為宜。本發明與現有技術相比具有以下特點(1)本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵基體組織由馬氏體+殘留奧氏體組成，基體硬度超過750HV，本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵不需要高溫淬火，只需要在200一280。C下進行去應力退火處理，工藝簡單、能耗低、生產周期短、生產效率高。(2)本發明鑄態高碳髙鉻鑄鐵顯微組織細小，碳化物呈小塊狀分布，初生碳化物尺寸小于40pm。(3)本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵中碳化物體積分數為42—550%，高鉻鑄鐵具有高硬度和優良的強韌性和耐磨性，其中硬度在66HRC以上，抗彎強度大于500MPa，沖擊韌性在5.5J/cn^以上。在低應力磨損條件下，其耐磨性比Crl5Mo3高鉻鑄鐵提高2—2.5倍。下面結合實施例對本發明作進一步詳述實施例l:用500公斤中頻感應電爐熔煉高碳高鉻鑄鐵，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和碳素鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后，加入錳鐵脫氧和合金化，然后加入部分釩鐵，釩鐵加入量占釩鐵總加入量的76%;②爐前調整成分合格后將溫度升至1467"C，而后出爐，出爐前在爐內加入鈮鐵和鈦鐵；③鐵水出爐時，將釩鐵總加入量的24%破碎至粒度小于15mm的小塊，并隨鐵水沖入澆包內；④將稀土鎂合金和鈉鹽破碎至粒度小于12mm的小塊，經200°C以下烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鐵水進行復合變質處理；④用普通鑄型澆注渣漿泵過流部件護套、葉輪，鐵水澆鑄溫度為1363。C;⑤高碳高鉻鑄鐵在25(TC下進行去應力退火處理后可直接使用，退火保溫時間8小時。本發明高碳高鉻鑄鐵的化學成分見表1，其力學性能見表2。表l高碳高鉻鑄鐵的化學成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2高碳高鉻鑄鐵的力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>用750公斤中頻感應電爐熔煉高碳高鉻鑄鐵，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和碳素鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后，加入錳鐵脫氧和合金化，然后加入部分釩鐵，釩鐵加入量占釩鐵總加入量的73%;②爐前調整成分合格后將溫度升至1472'C，而后出爐，出爐前在爐內加入鈮鐵和鈦鐵；③鐵水出爐時，將釩鐵總加入量的27%破碎至粒度小于15mm的小塊，并隨鐵水沖入澆包內；將稀土鎂合金和鈉鹽破碎至粒度小于12mm的小塊，經200°C以下烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鐵水進行復合變質處理；④用普通鑄型澆注渣漿泵過流部件前護板、后護板，鐵水澆鑄溫度為1358°C;◎高碳高鉻鑄鐵在26(TC下進行去應力退火處理后可直接使用，退火保溫時間7小時。本發明高碳高鉻鑄鐵的化學成分見表3，其力學性能見表4。表3高碳高鉻鑄鐵的化學成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例3:用IOOO公斤中頻感應電爐熔煉高碳高鉻鑄鐵，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和碳素鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后，加入錳鐵脫氧和合金化，然后加入部分釩鐵，釩鐵加入量占釩鐵總加入量的79%;②爐前調整成分合格后將溫度升至1479'C，而后出爐，出爐前在爐內加入鈮鐵和鈦鐵；③鐵水出爐時，將釩鐵總加入量的21%破碎至粒度小于15mm的小塊，并隨鐵水沖入澆包內；@將稀土鎂合金和鈉鹽破碎至粒度小于12mm的小塊，經20(TC以下烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鐵水進行復合變質處理；④用普通鑄型澆注渣漿泵過流部件前護板、后護板，鐵水澆鑄溫度為1373。C;高碳高鉻鑄鐵在20(TC下進行去應力退火處理后可直接使用，退火保溫時間9小時。本發明高碳高鉻鑄鐵的化學成分見表5，其力學性能見表6。表5高碳高鉻鑄鐵的化學成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>取本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵制作的渣漿泵過流部件護套、葉輪、前護板、后護板，在鐵礦選廠用于輸送渣漿，渣槳中因含有很多腐蝕性強的硬質礦粒，對渣漿泵過流部件護套、葉輪、前護板、后護板產生高速沖刷，切削摩擦和腐蝕磨損作用而使其失效。本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵中含有較多的高硬度碳化物，且基體組織由馬氏體+殘留奧氏體組成，基體硬度超過750HV，因此具有優良的耐磨性，其使用壽命比Crl5Mo3(主要組成如下3.1%C,15.7%Cr，2.89%Mo)高鉻鑄鐵提高2—2.5倍。本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵制備工藝簡單，不需要進行高溫熱處理，能耗低，制造周期短，生產效率高。另外，本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵顯微組織細小，碳化物分布均勻，且鑄造中不易出現縮孔、縮松、裂紋及澆不足、皺皮、夾渣等缺陷，明顯改善了鑄件外觀質量和內在質量，保證了鑄件的質量，使鑄件使用性能，特別是耐磨性明顯提高。使用本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵，不含鎳、鉬等貴重合金元素，生產成本低廉，可以明顯提高材料耐磨性，具有很好的經濟效益。權利要求1、一種鑄態高碳高鉻鑄鐵，其特征在于，其化學組成成分重量百分比為4.5-5.5C，22.5-30.8Cr，3.0-5.0V，0.7-1.2Mn，0.2-0.5Nb，0.5-1.0Ti，0.08-0.20Mg，0.05-0.20Na，0.05-0.20RE，Si＜1.0，其余為Fe和不可避免的微量雜質，并且5.0≤鉻碳比≤5.6。2、如權利要求1所述的一種鑄態高碳高鉻鑄鐵的制備方法，其特征在于可用電爐生產，其制造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和碳素鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后，加入錳鐵脫氧和合金化，然后加入部分釩鐵，釩鐵加入量占釩鐵總加入量的70—80%;②爐前調整成分合格后將溫度升至1440—148(TC，而后出爐，出爐前在爐內加入鈮鐵和鈦鐵；③鐵水出爐時，將釩鐵總加入量的30—20%破碎至粒度小于15mm的小塊，并隨鐵水沖入澆包內；④將稀土鎂合金和鈉鹽破碎至粒度小于12mm的小塊，經200°C以下烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鐵水進行復合變質處理；④用普通鑄型澆注鑄件，鐵水澆鑄溫度為1350—138(TC;⑤高碳高鉻鑄鐵在200—28(TC下進行去應力退火處理后可直接使用，退火保溫時間6—10小時。全文摘要一種鑄態高碳高鉻鑄鐵及其制備方法，屬于金屬耐磨材料
技術領域：
。高碳高鉻鑄鐵化學組成成分是(重量％)4.5-5.5C，22.5-30.8Cr，3.0-5.0V，0.7-1.2Mn，0.2-0.5Nb，0.5-1.0Ti，0.08-0.20Mg，0.05-0.20Na，0.05-0.20RE，Si＜1.0，其余為Fe和不可避免的微量雜質，且5.0≤鉻碳比(Cr/C)≤5.6。本發明鑄態高碳高鉻鑄鐵可電爐生產，鑄鐵出爐溫度1440-1480℃，出爐時用釩鐵顆粒孕育，并用稀土鎂合金和鈉鹽進行復合變質處理，鐵水澆鑄溫度為1350-1380℃。本發明高碳高鉻鑄鐵在200-280℃下進行去應力退火處理后可直接使用，不需要高溫熱處理，能耗低，生產周期短，且鑄造性能好，還具有高硬度和優異的耐磨性。文檔編號C22C37/06GK101173340SQ200710178680公開日2008年5月7日申請日期2007年12月4日優先權日2007年12月4日發明者吳曉俊,智小慧,符寒光,邢建東,雷永平申請人:北京工業大學