CN104060157B - 一种过共晶高铬白口铸铁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种过共晶高铬白口铸铁其成分及质量百分为：C:3.2~4.5%，Cr:25~30%，Si:0.4~1.0%，Mn:0.4~1.0%，Ti:1.5~3.0%，W:3.5~5.0%，P、S≤0.04%，Al:0.02~0.05%，Y:0.1~0.3%，余量为Fe。所述过共晶高铬白口铸铁的制备方法步骤如下：将废钢、生铁、高碳铬铁加入带有真空系统的中频感应炉熔炼，用硅铁、锰铁预脱氧，再用铝丝终脱氧；加入钨铁和钛铁，抽真空；将钇置于浇包底，将铁水倒入浇包，除渣；当铁水温度降低浇入砂型，即得到过共晶高铬白口铸铁；淬火，回火，出炉空冷。本发明制备的过共晶高铬白口铸铁硬度HRC64~68，冲击韧性大于7 J/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸铁及其制备方法。
背景技术
高铬铸铁作为耐磨耐蚀材料的生产和应用有很快的发展，由于高铬铸铁中含有大量的高硬度M7C3型碳化物，而具有优良的耐磨性，同时固溶于基体中的铬元素可以提高材料的抗腐蚀能力，迄今为止已成为世界上工业应用最为广泛的一种耐磨耐蚀铸铁。工业应用中高铬铸铁常采用铬含量15~25%，碳含量2.0~3.0%的亚共晶或近共晶成分。由于碳化物含量少，在许多耐磨耐蚀工况，如立磨磨辊、浆料输送杂质泵、球磨机衬板等明显耐磨性不足。为此，科研工作者为了提高高铬铸铁耐磨耐蚀性，开展了大量的研究开发工作，采用提高高铬铸铁中的碳、铬以增加碳化物数量，可使耐磨性大幅提高，但过高的碳和铬使高铬铸铁出现粗大的初生碳化物而使材料韧性急剧下降，同时粗大的初生碳化物在磨损过程中极易破碎，而使得无法实现大规模的工业化应用。因此，控制和改善过共晶高铬铸铁中初生碳化物形态和粒度，即获得细小、均匀分布的初生碳化物是实现过共晶高铬白口铸铁规模化工业应用的关键。
CN101302597B公开了一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其成分为C:3.0~4.5%，Cr:15~35%，Ti:0.5~1.5%，Mn:0.5~2.5%，B:0.001~0.5%，Si:0.5~1.5%，P、S≤0.06%，余量为Fe，可实现初生碳化物细化。将钛块放入中频炉炉底，再将熔炼好的过共晶高铬铸铁铁水倒入炉中，进一步熔炼，采用这种方式熔炼，由于钛活性大，钛烧损严重，收得率低；在热处理过程中升温速度300℃/h，过共晶高铬铸铁件易开裂。
CN102925783A公开了一种过共晶高铬铸铁的制备方法，其主要成分为C:3.0~4.5%，Cr:15~35%，Mn:0.5~1.5%，Si:0.5~1.5%，P、S≤0.06%，余量为Fe。其制备方法采用锻造成形方法，可打碎粗大的初生碳化物而细化，但粗大的初生碳化物打碎后必然有裂纹，一方面工艺复杂，再者对形状复杂以及大型耐磨构件难以成形。
CN1769508A公开了一种低成本高耐磨的过共晶高铬铸铁及其制备方法，其主要成分为C:3.5~4.5%，Mn:1.0~3.5%，Cr:17~30%，Si:0.5~1.5%，Cu:1.0~2.0%，P、S≤0.06%，Ni≤1%，余量为Fe。其制备方法是通过加TiN、NbN等颗粒中间合金，在包内孕育，作为初生碳化物异质形核基底，而达到细化初生碳化物的目的。但外加TiN、NbN等颗粒在铁水中易团聚，分布均匀性差，使初生碳化物的形态和分布均匀性差，铸件波动性大，而且采用外加形核剂，铁液易污染，纯净度差。
CN101173340A公开了一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法，其主要成分为C:4.5~5.5%，Cr:22.5~30.8%，V:3.0~5.0%，Mn:0.7~1.2%，Nb:0.2~0.5%，Ti:0.5~1.0%，Mg:0.08~0.2%，Na:0.05~0.2%，RE:0.05~0.2%，Si≤1.0%，余量为Fe和不可避免的微量杂质。该发明不需要热处理，成本低，采用镁和钠难进行复合变质处理而细化初生碳化物，但高碳高铬铸铁液温度高，反应不稳定，而且在高温下易燃烧和挥发，造成污染。
CN101497966B公开了高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料及其应用，其主要成分C:3.05~5.5%，Si:0.3~2.0%，Cr:35.5~40%，Mn:0.3~1.5%，Mo:0.1~3.5%，W:0.1~3.5%，P、S≤0.1%，余量为Fe，其中还包含如下一种或至少两种化学成分：Cu:0.1~2.0%，W:0.1~2.0%，Ti:0.01~1.0%，Zr:0.01~1.0%，V:0.01~1.0%，Nb:0.01~1.0%，Al:0.01~1.0%，N:0.01~0.03%，B:0.001~0.03%，稀土元素:0.01~0.4%。在专利的权利要求中还包含以下质量百分含量的化学成分的混合物：N:0.01~0.3%，Nb:0.01~1.0%，B:0.001~0.03%和稀土元素:0.01~0.4%。该材料采用钨和氮、铌、硼、稀土元素协同作用实现细化碳化物，但钨加入量小于3.5%，以固溶形式存在于基体和M7C3碳化物中，过共晶高铬铸铁并没有新的相，如WC、W2C相的存在，说明钨小于3.5%对过共晶高铬铸铁组织细化作用有限，加入氮高铬铸铁韧性低，同时铸件中易产生气孔。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击韧性和硬度高的过共晶高铬白口铸铁。
本发明的另一个目的在于提供一种所述过共晶高铬白口铸铁的制备方法。
本发明所述的过共晶高铬白口铸铁的成分及质量百分为：C:3.2~4.5%，Cr:25~30%，Si:0.4~1.0%，Mn:0.4~1.0%，Ti:1.5~3.0%，W:3.5~5.0%，P、S≤0.04%，Al:0.02~0.05%，Y:0.1~0.3%，余量为Fe。
本发明优选的过共晶高铬白口铸铁成分及质量百分：C:3.7%，Cr:29%，Si:0.6%，Mn:0.6%，Ti:1.9%，W:3.8%，P、S≤0.04%，Al:0.025%，Y:0.2%，余量为Fe。
本发明过共晶高铬白口铸铁成分设计思路如下：
碳是过共晶高铬白口铸铁中的基本元素，碳一部分是与合金元素铬、钨、钛形成高硬度碳化物，提高耐磨性；另一部分固溶于基体中，通过热处理获得马氏体为主的组织。但碳如果太低，高铬铸铁中的碳化物含量少，基体固溶量少，高铬铸铁硬度低，耐磨性差；碳如果太高，高铬铸铁初生碳化物粗大、脆性大，同时基体含量高，热处理后获得的高碳马氏体脆性大，残余奥氏体多，在铸件使用过程中转变成马氏体，组织应力大，铸件易断裂。因此本发明选用碳含量范围3.2~4.5%，在保证与钨、钛形成碳化物后，剩余碳能保证与所加的铬含量形成至少共晶高铬白口铸铁，因此，碳含量保证比所加铬形成共晶高铬白口铸铁所需碳含量再增加至少0.8%。
铬也是高铬铸铁的基本元素，一部分形成M7C3型碳化物，高铬铸铁获得高的耐磨性；另一部分固溶于基体，提高高铬铸铁淬透性和高的耐腐蚀和耐热性，从而实现高铬铸铁耐磨耐蚀性能。但铬太高会导致成本增加，本发明铬含量选择范围25~30%。
硅和锰的主要作用是脱氧，保证铸铁熔体净化。
钨一部分固溶于基体和M7C3型碳化物中，固溶于基体的钨提高淬透性和热硬性；固溶于M7C3型碳化物中提高其碳化物硬度（可达到Hv900）和韧性。另一部分钨形成钨的高硬度碳化物（＞Hv1200），作为铬的初生碳化物的异质形核基底，细化初生M7C3型碳化物。但如果钨低于3.5%，则钨会主要以固溶形式存在，对细化初生碳化物作用弱；钨含量高于3.5%，则会形成钨的碳化物，可以成为M7C3型初生碳化物的结晶核心，细化初生碳化物，同时钨的碳化物硬度高（＞Hv2000），对提高高铬铸铁的耐磨性有利。但钨的碳化物形态各异，有条状、多角状、骨骼状等，作为结晶核心影响M7C3型碳化物形态良好性，影响高铬铸铁韧性，尤其是钨含量＞5.0%时更是如此；同时钨太高，高铬铸铁的成本太高。因此本发明的钨含量为3.5~5.0%，钨的优选含量为3.8~4.6%。
钛在高铬铸铁中主要以钛的碳化物形式存在，形成高硬度TiC（可达到Hv3000），提高材料耐磨性。作为高铬铸铁中M7C3型初生碳化物和共晶相中奥氏体形核核心，细化M7C3型初生碳化物和共晶奥氏体，细化球化初生M7C3相；钛含量太低，效果不明显；太高，钛的碳化物易团聚，同时形成树枝状钛化物形态。本发明的钛含量为1.5~3.0%，钛的优选含量为1.9~2.3%。
W和Ti协同作用，前面讲到W的碳化物形态有条状、多角状、骨骼状，作为M7C3型碳化物的结晶核心，会造成M7C3型碳化物形态各异。从热力学角度，TiC比WC形成温度高，当TiC形成时，即可作为WC型碳化物的结晶核心，同时改善WC形态，提高WC数量，相应可改善M7C3型碳化物形态。因此Ti、W协同作用，可实现大幅度细化M7C3型初生碳化物和改善其形态。
铝主要作为脱氧元素加入，提高后期真空熔炼效率。铝加入太低，则冶金质量不好，太高，会恶化高铬铸铁性能，本发明的铝含量为0.02~0.05%。
过共晶高铬白口铸铁熔体在真空熔炼后倒入浇包和后续浇注过程中，不可避免地发生二次氧化，加入钇，可降低二次氧化作用，同时钇富集在初生碳化物表面，降低碳化物生产速度，使初生碳化物细化、团球化。钇加入量太低，效果不明显，太高，则会增加成本，本发明的钇含量为0.1~0.3%。
本发明所述的过共晶高铬白口铸铁制备方法步骤如下：
1）将废钢、生铁、高碳铬铁加入带有真空系统的中频感应炉熔炼到1500℃时用硅铁、锰铁预脱氧，再用铝丝终脱氧；
2）加入钨铁和钛铁，抽真空并保持在80~100Pa；
3）将粒度1~3mm的钇置于大于800℃的浇包底，将铁水倒入浇包，除渣；
4）当铁水温度降至1350~1400℃时，浇入砂型，即得到过共晶高铬白口铸铁；
5）淬火：以小于50℃/h的升温速度升至650℃保温1~3小时，随后以小于80℃/h的升温速度升至980~1050℃保温，保温时间以铸件厚度每20mm保温1小时另加2小时，然后出炉空冷至450~500℃后转入500℃回火炉中，在此温度下保温1~2小时，炉冷至100℃，出炉空冷至室温；
6）回火：铸件放入回火炉中，以小于50℃/h的升温速度升至250~320℃，保温6~8小时，出炉空冷。
本发明制备的过共晶高铬白口铸铁硬度HRC64~68，冲击韧性大于7J/cm2。
由于钨和钛元素活性大，如采用常规的大气环境下熔炼，在熔炼过程中易发生氧化，严重影响过共晶高铬白口铸铁冶金质量，而且钨、钛烧损严重，收得率低，故本发明采用真空中频感应炉熔炼。为降低熔炼成本，在熔炼高碳、高铬阶段将真空炉盖打开，采用在大气环境下熔炼，在这一环节造渣三次，并采用硅铁、锰铁脱氧，铝丝脱氧为后期真空熔炼提供良好的初始条件，提高真空熔炼的效率。
过共晶高铬白口铸铁需热处理，由于本发明合金元素含量高，因此热处理时升温速度要严格控制，在650℃以下的升温速度不高于50℃/h；650℃左右保温2~3小时，在650℃到淬火温度升温速度可加快，但不可超过80℃/h。在淬火阶段要有足够的时间使铸铁基体成分均匀，保温时间按铸件厚度每20mm保温1小时，总的保温时间还需另加2小时。为保证过共晶高铬白口铸铁基体获得更多的马氏体含量，同时降低组织应力和热应力，因此在铸件淬火空冷阶段到450~500℃之间转入回火炉中，保温1~2小时，目的是使铸件内外温度均匀，在随后的炉冷阶段，奥氏体均匀转变成马氏体，同时已转变的马氏体回火降低组织应力，将已发生马氏体转变的铸件在250~320℃低温回火，进一步消除在淬火低温阶段马氏体转变所产生的应力。
附图说明
图1实施例1加入钨和钛的过共晶高铬白口铸铁扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合具体实施案例，对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
过共晶高铬白口铸铁成分及质量百分：C:3.7%，Cr:29%，Si:0.6%，Mn:0.6%，Ti:1.9%，W:3.8%，P、S≤0.04%，Al:0.025%，Y:0.2%，余量为Fe。
在炉底放入石灰，将废钢、高碳铬铁、生铁按比例加入带真空系统的中频感应炉，打开炉盖送电，当炉中见铁水时，加造渣材料，炉料完全熔化时，扒造渣材料，造新渣，将硅铁、锰铁均按重量百分比1.5%加入炉中预脱氧，等待8min，取炉前样分析，根据炉前样分析结果调整过共晶高铬白口铸铁成分，成分合格后，扒炉渣，同时造新渣，铁水升温至1500℃，加入0.1%的铝线脱氧，同时按成分要求加入粒度为3~5mm的钨铁和钛铁到铁液中，迅速盖上真空炉炉盖，抽真空，真空度为90Pa，保持时间20min。将1~3mm粒度的钇加入烘烤温度大于800℃浇包底，中频炉炉中铁液倒入包中，静置当温度降至1390℃浇入砂型铸型中，即获得过共晶高铬白口铸铁件。
将铸件放入高温电阻炉中，以小于50℃/h的升温速度升至650℃，保温2小时；再以小于80℃/h的升温速度升至1020℃，保温6小时；出炉空冷至480℃，转入500℃回火炉中，保温1.5小时，炉冷至80℃出炉空冷至室温，再转入回火炉中以小于50℃/h的升温速度升至280℃，保温7小时，出炉空冷。
经热处理后的铸件制备成3个20×20×110mm无缺口的试样测试冲击韧性，最后取平均值，同样取热处理后的试样切取20×20×20mm的试样测试3次洛氏硬度，取平均值。经测试，冲击韧性为8.12J/cm2，硬度为HRC65.5。
实施例2
过共晶高铬白口铸铁成分及质量百分：C:4.0%，Cr:28%，Si:0.6%，Mn:0.6%，Ti:2.1%，W:4.2%，P、S≤0.04%，Al:0.025%，Y:0.25%，余量为Fe。
在炉底放入石灰，将废钢、高碳铬铁、生铁按比例加入带真空系统的中频感应炉，打开炉盖送电，当炉中见铁水时，加造渣材料，炉料完全熔化时，扒造渣材料，造新渣，将硅铁、锰铁均按重量百分比1.5%加入炉中预脱氧，等待8min，取炉前样分析，根据炉前样分析结果调整过共晶高铬白口铸铁成分，成分合格后，扒炉渣，同时造新渣，铁水升温至1500℃，加入0.1%的铝线脱氧，同时按成分要求加入粒度为3~5mm的钨铁和钛铁到中，迅速盖上真空炉炉盖，抽真空，真空度为90Pa，保持时间20min，将1~3mm粒度的钇加入烘烤温度大于800℃浇包底，中频炉炉中铁水倒入包中，静置当温度降至1380℃浇入砂型铸型中，即获得过共晶高铬白口铸铁件。
将铸件放入高温电阻炉中，以小于50℃/h的升温速度升至650℃，保温2小时；再以小于80℃/h的升温速度升至1000℃，保温6小时；出炉空冷至480℃，转入500℃回火炉中，保温1.5小时，炉冷至80℃出炉空冷至室温，再转入回火炉中以小于120℃/h的升温速度升至280℃，保温7小时，出炉空冷。
测试方法同实施例1。经测试，冲击韧性为7.86J/cm2，硬度为HRC65.3。
实施例3
过共晶高铬白口铸铁成分及质量百分：C:4.3%，Cr:27%，Si:0.6%，Mn:0.6%，Ti:2.3%，W:4.6%，P、S≤0.04%，Al:0.025%，Y:0.25%，余量为Fe。
在炉底放入石灰，将废钢、高碳铬铁、生铁按比例加入带真空系统的中频感应炉，打开炉盖送电，当炉中见铁水时，加造渣材料，炉料完全熔化时，扒造渣材料，造新渣，将硅铁、锰铁均按重量百分比1.5%加入炉中预脱氧，等待8min，取炉前样分析，根据炉前样分析结果调整过共晶高铬白口铸铁成分，成分合格后，扒炉渣，同时造新渣，铁水升温至1500℃，加入0.1%的铝线脱氧，同时按成分要求加入粒度为3~5mm的钨铁和钛铁到中，迅速盖上真空炉炉盖，抽真空，真空度为90Pa，保持时间20min，将1~3mm粒度的钇加入烘烤温度大于800℃浇包底，中频炉炉中铁水倒入包中，静置当温度降至1360℃浇入砂型铸型中，即获得过共晶高铬白口铸铁件。
将铸件放入高温电阻炉中，以小于50℃/h的升温速度升至650℃，保温2小时；再以小于80℃/h的升温速度升至990℃，保温6小时；出炉空冷至480℃，转入500℃回火炉中，保温1.5小时，炉冷至80℃出炉空冷至室温，再转入回火炉中以小于120℃/h的升温速度升至280℃，保温7小时，出炉空冷。
测试方法同实施例1。经测试，冲击韧性为7.26J/cm2，硬度为HRC66.2。
Claims (5)
1.一种过共晶高铬白口铸铁，其特征是成分及质量百分为：C:3.2~4.5%，Cr:25~30%，Si:0.4~1.0%，Mn:0.4~1.0%，Ti:1.5~3.0%，W:3.8~5.0%，P≤0.04%，S≤0.04%，Al:0.02~0.05%，Y:0.1~0.3%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁，其特征是成分及质量百分为：C:3.7%，Cr:29%，Si:0.6%，Mn:0.6%，Ti:1.9%，W:3.8%，P≤0.04%，S≤0.04%，Al:0.025%，Y:0.2%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁，其特征是所述钨的含量为3.8~4.6%。
4.根据权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁，其特征是所述钛的含量为1.9~2.3%。
5.权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征是步骤如下：
1）将废钢、生铁、高碳铬铁加入带有真空系统的中频感应炉熔炼到1500℃时用硅铁、锰铁预脱氧，再用铝丝终脱氧；2）加入钨铁和钛铁，抽真空并保持在80~100Pa；3）将粒度1~3mm的钇置于大于800℃的浇包底，将铁水倒入浇包，除渣；4）当铁水温度降至1350~1400℃时，浇入砂型，即得到过共晶高铬白口铸铁；5）淬火：以小于50℃/h的升温速度升至650℃保温1~3小时，随后以小于80℃/h的升温速度升至980~1050℃保温，保温时间以铸件厚度每20mm保温1小时，总的保温时间还需另加2小时，然后出炉空冷至450~500℃后转入500℃回火炉中，在此温度下保温1~2小时，炉冷至100℃，出炉空冷至室温；6）回火：铸件放入回火炉中，以小于50℃/h的升温速度升至250~320℃，保温6~8小时，出炉空冷。
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