CN103060668A

CN103060668A - 一种含碳化物球铁及其制备方法

Info

Publication number: CN103060668A
Application number: CN2013100049598A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋志强; 马跃; 冯锡兰; 雷永平; 魏永强; 刘建伟
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-07
Also published as: CN103060668B

Abstract

一种含碳化物球铁及其制备方法，其化学组成质量百分比％为：3.40～3.65C,2.35～2.80Si,2.80～3.15Mn,1.60～1.85Cr,0.04～0.06Mg,0.03～0.05K,0.008～0.016Ca,0.018～0.035Ba,0.03～0.06Ti,0.025～0.050V，0.012～0.018N,<0.10P，<0.02S,余量为Fe及不可避免的杂质。可以用电炉或冲天炉熔炼，经铸造成形后，再经等温淬火，可获得优异的性能，且成本低廉，推广应用，效果良好。

Description

一种含碳化物球铁及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种球铁制备方法，特别涉及一种含碳化物球铁及其制备方法，属于铸造技术领域。

背景技术

耐磨材料在冶金、矿山、水泥、火力发电等工业领域的能量消耗和经济成本中占有相当大的比例。2009年中国工程院咨询研究报告显示，2006年全国消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金为9500亿元，占国民生产总值GDP的4.5%。据不完全统计，仅破碎设备及挖掘机斗齿、渣浆泵等损失，每年不少于200亿，其中，磨球不少于100亿，衬板不少于40亿，锤头不少于40亿，斗齿不少于30亿。按照材料消耗重量讲，国内每年消耗金属耐磨材料约达400万吨以上，其中，磨球消耗近250万吨，而冶金矿山消耗的磨球占各行业磨球消耗总量的70%以上；球磨机和各种破碎机衬板消耗近50万吨。为了提高抗磨材料的耐磨性，科学工作者对抗磨材料进行了大量的研究。耐磨材料发展可分为三个阶段：第一为普通白口铸铁和高锰钢，第二为镍硬铸铁，第三为高铬白口铸铁。上述耐磨材料在不同发展阶段对降低单位材料消耗起到了非常大的作用，但是材料性能也存在某些问题，如普通白口铸铁韧性较低，高锰钢在低冲击载荷下加工硬化能力差，高铬铸铁在腐蚀性介质的湿磨条件下耐磨性优势不大，同时韧性也显不足。由于韧性的不足，常常导致研磨体介质破碎和剥落，这使得粉磨工序球磨机的生产率降低、研磨效率下降、能耗增加以及磨矿闭环回路的辅助设备磨损严重。因此，人们希望研制更强韧的抗磨材料。

一般情况下，提高耐磨合金的性能是建立在增加合金元素的基础上，但目前全世界范围内，各种铁合金的价格猛涨，导致耐磨材料制造成本节节攀升。目前我国使用的抗磨材料种类主要是铬系抗磨材料，如低铬铸铁、高铬铸铁等。而我国是一个铬资源贫穷国家，大部分铬铁需要进口，因此，开发适合我国国情的耐磨材料，科学、合理的利用现有资源，为了国民经济可持续发展，应该珍惜宝贵的战略资源，开发少用铬或不用铬的材料，代替铬系耐磨材料。以我国富有且廉价的锰、硅为主要元素发展起来的含碳化物等温淬火球墨铸铁，是一种强韧性优异耐磨材料，有望为冶金、矿山、建材、电力、农机等行业提供一种优质的抗磨材料。

中国发明专利CN101589661公开了一种带有碳化物的等温淬火球铁犁铧，该犁铧以等温淬火球墨铸铁为原料，该球墨铸铁包括下列重量百分比的化学成份：C 3.40～3.80，Si 2.20～2.80，Mn 0.20～0.50，P≤0.03，S≤0.02，Mg 0.03～0.04，Re 0.01～0.02，Cr 0.25～0.50，其余为铁；所述的球墨铸铁中的石墨金相组织为：球化率2级以上，石墨大小6级以上，石墨数量＞100个/mm2；所述球墨铸铁的基体是：马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物；所述碳化物＜20wt％；该发明具有如下有益效果：该发明改变了过去采用低合金钢精铸犁铧的传统工艺；其使用寿命是低合金钢材料犁铧的3倍以上；价格比精铸低合金钢犁铧降低三分之一，大大降低农业生产成本。中国发明专利CN102330012A还公开了一种含铌贝氏体球铁及其生产工艺。材料配方（wt%）：C3.5～3.8，Si2.4～2.8，Mn1.5～2.2，Mo0.2～0.5，Cu0.5～0.8，Nb0.2～0.6。组织特征为贝氏体+马氏体+奥氏体+碳化物和球状石墨，力学特征为HRC47～49，Ak13～15J/cm²。其生产工艺包括：（1）铸造工艺，按配方配料后熔炼；出炉温度为1450～1500℃，浇注温度为1400±20℃；采用冲入法球化，球化剂为FeSiMg8RE7，用量为1.8wt%；采用75SiFe孕育，用量为1.0wt%；（2）热处理工艺，900℃奥氏体化，保温3h，空冷到300℃进行中温转变，保温2h。该材料用于耐磨性铸件，生产成本低，生产工艺简单易行，采用铌的合金化后提高了材料的力学性能和耐磨性。中国发明专利CN1045280还公开了贝氏体马氏体麻口球铁磨球，该发明采用普通合金元素Ｃu、Cr、Ｍn对球铁进行低合金化，利用铸造余热淬火，其最终组织为以贝氏体为主，加少量马氏体、残留奥氏体和碳化物，硬度为42～56HRC。该球铁磨球生产成本低，使用寿命长，且生产技术简便易行，宜于在砂型铸造流水线生产和金属型铸造时推广。中国发明专利CN1107392还公开了一种合金球铁连轧组合辊，由下贝氏体合金球铁的辊套和锻钢的辊轴组装而成，辊套外侧有半圆形深孔型，在浇注辊套时孔型周围围有一圈冷却铁块以加快冷速，该辊套的组织为针状下贝氏体基体上分布着细小圆整的球状石墨和少量的残余奥氏体及微量碳化物与磷共晶，力学性能为σ_b≥1000MPa，σ_-1≥320MPa,δ>3%,α_K≥50J/cm²,HRC=43～47,最大限度地减少了碳化物这一裂纹源,组合辊每次车削的使用寿命比现有整体合金球铁辊高50%以上。中国发明专利CN1033197还公开了一种水泥工业中贝氏体钒钛球墨铸铁磨球，用钒钛等微合金铁水，加入1.0～2.0%稀土镁球化剂，0.8～1.5%的75Si-Fe为孕育剂处理后浇注，不用冒口，利用结晶时共晶膨胀，实现磨球自身补缩；由于石墨成球状对基体割裂程度低，钒钛等元素固溶于金属基体中形成固溶强化，钒钛碳化物硬度极高等因素，使这种磨球致密耐磨，冲击韧性高（α_K=3kg.m/cm²），抗破碎性好，是水泥工业中一种价廉物美的新型磨球。中国发明专利CN101906565A还公开了含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法，该磨球化学元素组成的质量百分比为：3.3～3.7％C、2.4～3.3％Si、2.5～3.6％Mn、0.6～1.5％Cr、P＜0.08％、S＜0.025％、0.03～0.05％Mg、0.02～0.04％Re和其余为Fe，其制备方法是：(1)原料配制和熔炼，(2)球化处理和孕育处理，(3)等温淬火热处理。该方法利用覆砂金属型铸造工艺，在磨球铸态组织中形成一定数量的碳化物和石墨球，然后，通过等温淬火工艺，获得综合力学优良的奥铁体基体，由于奥铁体基体中分布着一定数量的碳化物，因此，含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球具有高的耐磨性和韧性。

但是，目前所开发的含碳化物球铁普遍存在碳化物呈连续网状分布，且碳化物组织粗大，导致含碳化物球铁的强度和韧性偏低，难以在重载和高可靠性的磨损环境下推广应用。

发明内容

本发明目的是提供一种碳化物呈断网状和孤立状分布，且碳化物尺寸细小的含碳化物球铁制造方法，本发明是在硅、锰合金化球铁基础上，加入微量钾、钙、钡、氮、钒和钛等细化碳化物，并使碳化物呈网状和孤立状分布，在此基础上，采用镁球化处理，实现石墨的球化，从而得到铸造性能好、强韧性高和耐磨性好的含碳化物球铁。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明含碳化物球铁，其特征在于，化学组成按质量百分比％为：3.40～3.65C,2.35～2.80Si,2.80～3.15Mn,1.60～1.85Cr,0.04～0.06Mg,0.03～0.05K,0.008～0.016Ca,0.018～0.035Ba,0.03～0.06Ti,0.025～0.050V，0.012～0.018N,<0.10P，<0.02S,余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明含碳化物球铁可用电炉或冲天炉生产，其制造工艺步骤是：

（1）将废钢、生铁、铬铁、硅铁和锰铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1430～1480℃，而后出炉；

（2）将颗粒尺寸为1.0～2.5mm钝化颗粒镁和颗粒尺寸为3～8mm含钾物质、钒铁、氮化锰铁、钛铁，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质和球化处理；

（3）铁水温度达到1330～1360℃，将铁水浇入铸型，并在浇注过程中，随流加入占浇注铁水质量分数0.50～0.75%的硅铁孕育剂和1.00～1.20%的硅钡钙孕育剂。

（4）浇铸1～4小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理飞边、毛刺，然后将铸件重新加热至880～930℃，保温2～3小时，直接在温度为260～380℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，等温时间为1～3小时，随后空冷即获得含碳化物球铁。

所述硅钡钙孕育剂的化学元素组成按质量百分比％为65.0～70.0Si,1.5～3.0Ca,4.5～6.0Ba,C<0.20,余量Fe。

所述硅铁孕育剂的化学元素组成按质量百分比％为72～80Si,C<0.1,余量Fe。

本发明的含钾物质为经350℃焙烧过的KMnO₄。加入铁水之前，KMnO₄经过350℃焙烧，由于KMnO₄不稳定，在焙烧过程中会发生如下反应：

式（1）

式（2）

因此，加入到铁水中含钾物质的主要成分其实是MnO₂、Mn₂O₃和K₂O三种物质，而K₂O在铁水高温作用下，又会发生如下反应：

式（3）

本发明中所述的钝化颗粒镁的颗粒尺寸为1.0～2.5mm，所述的钝化层的厚度0.10～0.15mm。所述的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，氯化钠：30-40％，氯化钾：25-35％，氯化镁：20-30％和氯化钡：5-10％。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

碳、硅、锰：本发明加入适量的碳是为了保证合金组织中具有一定数量的碳化物，改善球铁的耐磨性，另外，碳含量高时，铁水流动性好，且铁水易于熔化。加入适量硅和锰，主要是为了得到强韧性好的奥贝基体组织，合适的碳含量为3.40～3.65%，合适的硅含量为2.35～2.80%，合适的锰含量为2.80～3.15%。

铬：铬是强碳化物形成元素，加入球铁中，主要是为了得到硬度高，耐磨性好的碳化物，铬含量过高，碳化物数量太多，球铁脆性过大，合适的铬含量为1.60～1.85%。

镁：加入适量镁，主要是起球化作用，促使石墨变成球状，有利于提高球铁强韧性，镁加入量过多，冶炼操作安全性差，合适的镁含量为0.04～0.06%。

钡和钙：铁水中加入适量钡和钙，主要起孕育作用，延缓球化衰退，合适的钡加入量为0.018～0.035%，合适的钙加入量为0.008～0.016%。

钾、钛、钒和氮：铁水中加入适量钾、钛、钒和氮，主要起细化晶粒，改善碳化物形态和分布的作用，加入氮还有提高材料淬透性作用，合适的钾加入量为0.03～0.05%，合适的钒加入量为0.025～0.050%，合适的钛加入量为0.03～0.06%，合适的氮加入量为0.012～0.018%。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明不含镍、钼、铜等价格昂贵的合金元素，因此，本发明材料具有较低的生产成本；

（2）本发明含有较高的铬和数量较多的碳化物，因此，本发明材料硬度高，超过60HRC，耐磨性好；

（3）本发明经纯镁球化和钾、钛、钒、氮复合变质处理后，显微组织细化，碳化物呈断网和孤立分布，导致材料强韧性明显提高，其中冲击韧性大于15J/cm²，抗拉强度大于1200Mpa；

（4）本发明用于生产磨球、衬板和锤头等产品，使用效果明显优于低铬铸铁磨球，高锰钢衬板和低合金钢锤头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼含碳化物球铁，其制造工艺步骤是：

（1）将废钢、生铁、铬铁、硅铁和锰铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1478℃，而后出炉；

（3）铁水温度达到1359℃时，将铁水浇入铸型，并在浇注过程中，随流加入占浇注铁水质量分数0.75%的硅铁孕育剂和1.00%的硅钡钙孕育剂。

（4）浇铸4小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理飞边、毛刺，然后将铸件重新加热至880℃，保温3小时，直接在温度为380℃、质量百分比为50%NaNO₃+50%KNO₃硝盐熔液中进行等温淬火，等温时间为3小时，随后空冷即获得含碳化物球铁产品。含碳化物球铁成分见表1，含碳化物球铁力学性能见表2。

所述硅钡钙孕育剂的化学组成按质量百分比％为65.0～70.0Si,1.5～3.0Ca,4.5～6.0Ba,C<0.20,余量Fe。

所述硅铁孕育剂的化学组成按质量百分比％为72～80Si,C<0.1,余量Fe。

所述含钾物质是经350℃焙烧过的KMnO₄。

所述的钝化颗粒镁的颗粒尺寸为1.0～2.5mm，所述的钝化层的厚度0.10～0.15mm。所述的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，氯化钠：30-40％，氯化钾：25-35％，氯化镁：20-30％和氯化钡：5-10％。

实施例2：

采用3吨冲天炉熔炼含碳化物球铁，其制造工艺步骤是：

（1）将废钢、生铁、铬铁、硅铁和锰铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1434℃，而后出炉；

（3）铁水温度达到1335℃时，将铁水浇入铸型，并在浇注过程中，随流加入占浇注铁水质量分数0.50%的硅铁孕育剂和1.20%的硅钡钙孕育剂。

（4）浇铸1小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理飞边、毛刺，然后将铸件重新加热至930℃，保温2小时，直接在温度为260℃、质量百分比为45%NaNO₃+55%KNO₃硝盐熔液中进行等温淬火，等温时间为1小时，随后空冷即获得含碳化物球铁产品。含碳化物球铁成分见表1，含碳化物球铁力学性能见表2。

所述含钾物质是经350℃焙烧过的KMnO₄。

实施例3：

（1）将废钢、生铁、铬铁、硅铁和锰铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后将温度升至1451℃，而后出炉；

（3）铁水温度达到1342℃时，将铁水浇入铸型，并在浇注过程中，随流加入占浇注铁水质量分数0.65%的硅铁孕育剂和1.10%的硅钡钙孕育剂。

（4）浇铸3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理飞边、毛刺，然后将铸件重新加热至900℃，保温2.5小时，直接在温度为330℃、质量百分比为55%NaNO₃+45%KNO₃硝盐熔液中进行等温淬火，等温时间为2小时，随后空冷即获得含碳化物球铁产品。含碳化物球铁成分见表1，含碳化物球铁力学性能见表2。

所述含钾物质是经350℃焙烧过的KMnO₄。

表1 含碳化物球铁成分（质量分数，%）

表2 含碳化物球铁力学性能

力学性能	硬度/HRC	冲击韧性(J/cm²)	抗拉强度/Mpa
				实施例1	60.7	16.4	1245
实施例2	61.5	15.2	1280
				实施例3	61.2	15.5	1265

本发明含碳化物球铁具有优良的力学性能、良好的铸造工艺性能以及较低的生产成本，已用于生产球磨机磨球、球磨机衬板和破碎机锤头等产品，其中用做球磨机磨球，其磨耗只有低铬铸铁磨球的1/3，与高铬铸铁磨球相当，用于制造球磨机衬板，使用寿命比高锰钢衬板提高一倍以上，用于制造破碎机锤头，使用寿命比低合金钢锤头提高80%以上。推广应用本发明材料，具有显著的经济和社会效益。

Claims

1.含碳化物球铁，其特征在于，化学组成按质量百分比％为：3.40～3.65C,2.35～2.80Si,2.80～3.15Mn,1.60～1.85Cr,0.04～0.06Mg,0.03～0.05K,0.008～0.016Ca,0.018～0.035Ba,0.03～0.06Ti,0.025～0.050V，0.012～0.018N,<0.10P，<0.02S,余量为Fe及不可避免的杂质。

2.制备权利要求1所述的含碳化物球铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）铁水温度达到1330～1360℃时，将铁水浇入铸型，并在浇注过程中，随流加入占浇注铁水质量分数0.50～0.75%的硅铁孕育剂和1.00～1.20%的硅钡钙孕育剂；

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，所述硅钡钙孕育剂的化学元素组成按质量百分比％为65.0～70.0Si,1.5～3.0Ca,4.5～6.0Ba,C<0.20,余量Fe。

4.按照权利要求2的方法，其特征在于，所述硅铁孕育剂的化学元素组成按质量百分比％为72～80Si,C<0.1,余量Fe。

5.按照权利要求2的方法，其特征在于，含钾物质为经350℃焙烧过的KMnO₄。

6.按照权利要求2的方法，其特征在于，钝化颗粒镁的颗粒尺寸为1.0～2.5mm，钝化层的厚度0.10～0.15mm，钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，氯化钠：30-40％，氯化钾：25-35％，氯化镁：20-30％和氯化钡：5-10％。