CN110257695B

CN110257695B - 一种含铜cadi耐磨材料及其热处理工艺

Info

Publication number: CN110257695B
Application number: CN201910608449.9A
Authority: CN
Inventors: 南榕; 符寒光; 李国禄; 刘金海; 杨鹏辉; 赵雪勃; 林健; 李辉
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: CN110257695A

Abstract

一种含铜CADI耐磨材料及其热处理工艺，属于耐磨材料技术领域。生产出如下化学成分的球墨铸铁(wt.％)：3.34～3.58C，2.47～2.70Si，0.43～0.57Mn，1.02～1.19Cr，1.01‑1.08Cu，0.006～0.01Ce，P≤0.040，S≤0.03，余量Fe。其热处理加工工艺采用分级等温淬火，得到含铜CADI材料耐腐蚀性能良好，硬度和韧性得到更好的提升，耐磨性能提升15％以上。

Description

一种含铜CADI耐磨材料及其热处理工艺

技术领域

本发明公开了一种新型耐磨材料及其制备方法，特别涉及一种含铜CADI耐磨材料及其制备方法，属于铸造技术领域。

背景技术

耐磨材料在国民经济发展中有着重要的作用。20世纪40年代，英国科学工作者莫罗(Morrogh)及美国国际镍公司(INCO)的加格奈宾(Gagnebin)发现，在铁碳合金和镍碳合金中加入铈、镁等元素可使铸件中的石墨成为球状，自此开始了球墨铸铁的开发和应用过程。球墨铸铁作为一种优良的结构材料在机械、冶金、汽车、矿山等工业部门都受到了重视。其具有类似铸钢的强度和韧性，但生产工艺比铸钢简便，且成本低廉，因此球墨铸铁的应用范围在不断扩大。等温淬火球墨铸铁(Austempered ductile iron，简称为ADI)是一定成分的球墨铸铁经等温淬火热处理后得到的铸铁材料。目前，ADI已经成为21世纪人们选用的热点材料之一。1992年，在ADI的基础上，美国率先发展了CADI(Carbidic austemperedductile iron，亦称含碳化物等温淬火球墨铸铁)，通过添加适量的碳化物形成元素，形成均匀分布的硬质碳化物，然后通过热处理获得含有球状石墨、奥铁体(即针状铁素体和高碳奥氏体的机械混合物)及一定量碳化物的组织。作为一种新型的耐磨材料，CADI具有更高的硬度、耐磨性、低的成本以及优良的韧性，在球磨机中的磨球制造应用较多，同时在其他的应用场合，CADI的耐磨性可以与高铬耐磨铸铁相媲美。随着研磨破碎技术的快速发展，球磨机规格趋于大型化，球磨机磨球直径也在逐渐增加，导致了大尺寸磨球综合性能要求的提高。因此，研制综合机械性能更为优良的新型CADI材料，为我国制造大型球磨机磨球奠定基础。

中国发明专利CN101876026A公开了一种高韧性兼高强度的ADI件及其制造方法，该ADI件中各元素的质量百分含量为：C3.6～3.9％、Si2.5～2.7％、Mn0.2～0.3％、P≤0.03％、S≤0.012％、Mo0.2～0.25％、Cu0.6～0.8％、Ni0.5～0.8％，余量为Fe，其伸长率为12.5～14.5％，冲击韧度为125～140J/cm²，抗拉强度为990～1080MPa。用中频电炉熔炼炉料，将铁液预处理使其脱硫磷及净化，再进行球化孕育处理，浇入铸型得到铸件毛坯，于905～915℃保温1.5～2h使毛坯奥氏体化，再迅速淬入350～370℃的盐浴等温淬火1～1.5h，冷却后清洗得到ADI件。该发明的ADI件具有高的伸长率、冲击韧度和较高的抗拉强度，铁液预处理无需添加新设备，工艺参数设计合理，制造成本低。中国发明专利CN105886712A公开了一种在密封多用炉内采用两步法等温淬火球铁热处理工艺，其特征在于：是在密封多用炉内设有低温淬火盐槽、高温淬火盐槽的两个等温淬火用盐槽，经奥氏体化加热的球铁件先经低温淬火盐槽淬火保温，再经高温淬火盐槽淬火保温的两步法等温淬火热处理。其工艺规范为：低温淬火盐槽淬火温度235～250℃，保温时间2～5分钟；高温淬火盐槽淬火温度240～370℃，保温时间1～2小时。该发明解决了对淬火介质淬火烈度要求高、质量不稳定的问题；铸件内可以少用和不用昂贵的合金元素，大大降低了生产成本；显著提高了等温淬火球铁件的力学性能。一种在密封多用炉内采用两步法等温淬火球铁热处理工艺，其特征在于：是在密封多用炉内设有低温淬火盐槽、高温淬火盐槽的两个等温淬火用盐槽，经奥氏体化加热的球铁件先经低温淬火盐槽淬火保温，再经高温淬火盐槽淬火保温的两步法等温淬火热处理。中国发明专利CN103320674A公开了一种带碳化物等温淬火球铁及其淬火工艺，在Mn、Si合金基础上加Cr和B，适当增加碳化物量、并用RE-B进行孕育变质处理，使碳化物成细小均匀分布的团块状，以提高硬度、抗磨性、淬透性和韧性；加Sn及增加Si量，提高基体电极电位，并与Cr共同形成表面钝化膜，以提高抗腐蚀性。该带碳化物等温淬火球铁的淬火工艺是分级等温淬火，关键是将奥氏体化处理后的工件用分级淬火油进行第一级等温淬火，避免珠光体产生后，在空气等温炉中用适当温度进行第二级等温淬火，以获得适量细针下贝氏体基础上，增加回火马氏体量，进一步提高硬度和抗磨性，从而获得强度硬度高、韧性恰当、抗磨抗腐蚀性强、加工性能良好、精度易保证、成本低的带碳化物等温淬火球铁。一种带碳化物等温淬火球铁，其特征在于：包括以下百分比含量：C3.3～3.8％、Re0.015～0.03％、Mn0.2～0.3％、P0.01～0.05％、S0.005～0.02％、Mg0.025～0.045％、Sn0.1～0.8％、Si2.8～3.6％，Mn1.5～2.8％，Cr0.2～0.8余量为Fe。中国发明专利CN105886713A还公开了一种奥铁体球墨铸铁的热处理方法，涉及黑色金属的热处理方法中的等温淬火，是一种采用分两阶段对奥铁体球墨铸铁进行等温淬火热处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：①高温奥氏体化处理：首先，将球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件，根据所需处理的球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件的总量，分批放置到连续的高温炉中进行高温奥氏体化，每批球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件的重量为300～500公斤，奥氏体化温度为900～930℃，保温60～180分钟之后，转移到下一步的硝盐溶液等温盐浴炉中进行第一阶段等温淬火热处理；②第一阶段等温淬火热处理：将第一步高温奥氏体化处理好的球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件放置在重量为8～12吨、温度为210～300℃的硝盐溶液等温盐浴炉中，根据球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件的壁厚或者模数大小，确定盐浴炉内等温时间为10～25分钟，即完成球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件在盐浴炉中的第一阶段等温淬火热处理；③第二阶段等温淬火热处理：将完成上述在盐浴炉中的第一阶段盐浴等温淬火热处理的球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件从硝盐溶液等温盐浴炉中取出，经过5～15分钟的沥盐处理，转移到连续低温回火炉内进行等温淬火热处理，等温温度为210～300℃，连续低温回火炉内等温时间为40～230分钟，完成球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件在连续低温回火炉内的第二阶段等温淬火热处理；④冷却、水洗和烘干处理：将完成上述在连续低温回火炉内的第二阶段等温淬火热处理的球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件出炉冷却至80℃，进行水洗，清除球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件表面的硝盐，然后烘干，至此完成该球墨铸铁件的奥铁体球墨铸铁的热处理，获得含奥铁体基体组织的球墨铸铁件或含有碳化物的球墨铸铁件。

发明内容

本发明公开一种新型含铜CADI耐磨材料及其热处理工艺。相比传统的等温淬火球墨铸铁，含碳化物等温淬火球磨铸铁(CADI)中加入了适量的碳化物形成元素，将会形成均匀分布的硬质碳化物，然后通过热处理获得含有球状石墨、奥铁体(即针状铁素体和高碳奥氏体的混合物)及一定量碳化物的组织，将会使材料拥有更高的硬度和耐磨性，并且由于加入了1.01-1.08％的Cu元素，材料的腐蚀电位得到提升，耐腐蚀性能也更加优秀，经过新型的分级等温淬火工艺，硬度和韧性得到更好的提升，硬度可以达到50HRC以上，V型缺口冲击韧性可以达到10J/cm²以上，耐磨性能提升15％以上。

本发明采用以下技术方案：

一种含铜CADI耐磨材料，其组成(wt.％)为：3.34～3.58C，2.47～2.70Si，0.43～0.57Mn，1.02～1.19Cr，1.01-1.08Cu，0.006～0.01Ce，P≤0.040，S≤0.03，余量Fe。其热处理加工工艺采用分级等温淬火，得到含铜CADI材料耐腐蚀性能良好，硬度和韧性得到更好的提升，耐磨性能提升15％以上。

一种含铜CADI耐磨材料的热处理加工工艺，其特征在于，采用分级等温淬火，具体包括以下步骤：

①首先采用中频感应电炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt.％)：3.34～3.58C，2.47～2.70Si，0.43～0.57Mn，1.02～1.19Cr，1.01-1.08Cu，0.006～0.01Ce，P≤0.040，S≤0.03，余量Fe；加热到1482～1505℃，加入0.15wt.％纯铝脱氧，然后转入浇包中；往浇包内用喂丝机喂入镁丝，镁丝直径

镁丝外涂覆钝化层，钝化层厚度0.8-1.0mm，钝化层的化学组成及其质量分数为30-35％Fe₂O₃,20-25％MgO,30-35％CaO,10-12％CuO,钝化层使用水玻璃做粘结剂，钝化层中水玻璃加入量占钝化层质量分数的3.9-4.3％；含钝化层的镁丝加入量占浇包内铁水质量分数的0.25-0.40％；镁丝全部加入铁水5-6分钟后，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣；待温度到达1351～1377℃，浇入型腔，铁水浇注过程中，随铁水流加入FeSi75(含75％Si)孕育剂，孕育剂加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.7-0.8％，铁水浇注完毕，待冷却后，开箱、清理、打磨后得到铸件；

②将步骤①获得的铸件表面涂抹抗氧化剂后，放入热处理炉，进行高温奥氏体化，加热到940℃，并保温100min，迅速取出后进行分级等温淬火处理，首先放入温度为260℃的硝酸盐熔液中，并保温5min，迅速取出，然后再放入温度为280℃～300℃的硝酸盐熔液中，保温2h，最后在空气中冷却至室温，可获得强韧性、耐磨性、耐腐蚀性较好的含碳化物的等温淬火球墨铸铁。

所述的硝酸盐优选由50wt.％KNO₃和50wt.％NaNO₃组成。

本发明采用纯镁丝喂丝球化，因球化处理过程中不增Si，原铁液可放宽Si的控制范围，可多消耗回炉料。原铁液中S在较高含量时，也可直接多加入一定的镁丝，同时进行脱硫及球化处理，在原材料的利用上更方便灵活。

本发明与现有技术相比，具有以下优点:

1)本发明在传统等温淬火球墨铸铁的基础上，加入适量碳化物形成元素，使得材料的硬度和耐磨性得到提升；

2)本发明因加入适量的Cu元素，一方面基体组织起到一定的固溶强化，硬度和耐磨性能也得到提升，另一面材料的腐蚀电位得到很大的提升，也提高了材料的耐腐蚀性能；

3)本发明热处理工艺在处理试件后得到高硬度的同时，也能得到较高的冲击韧性。硬度提高了3-5HRC，冲击韧性提高了28％以上；

4)本发明热处理工艺操作简单，工艺参数容易控制，稳定性较高，成本低。

附图说明

图1为实施例2的扫描组织图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步陈述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

①首先采用500公斤中频感应电炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt.％)：3.34C，2.70Si，0.43Mn，1.19Cr，1.01Cu，0.01Ce，0.038P，0.029S，余量Fe；加热到1482℃，加入0.15wt％纯铝脱氧，然后转入浇包中；往浇包内用喂丝机喂入镁丝，镁丝直径

镁丝外涂覆钝化层，钝化层厚度0.8-0.9mm，钝化层的化学组成及其质量分数为35％Fe₂O₃,25％MgO,30％CaO,10％CuO,钝化层使用水玻璃做粘结剂，钝化层中水玻璃加入量占钝化层质量分数的3.9％；含钝化层的镁丝加入量占浇包内铁水质量分数的0.25％；镁丝全部加入铁水5分钟后，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣；待温度到达1351℃，浇入型腔，铁水浇注过程中，随铁水流加入FeSi75(含75％Si)孕育剂，孕育剂加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.7％，铁水浇注完毕，待冷却后，开箱、清理、打磨后得到铸件；

②将步骤①获得的铸件上表面涂上抗氧化剂，随后将试样放入箱式电炉中加热至940℃奥氏体化100min，然后立即取出，依次放入两个不同温度的盐浴炉(由50wt.％KNO₃和50wt.％NaNO₃组成)中进行分级等温淬火处理，第一个炉子中的硝酸盐溶液温度(一级温度)为260℃，并保温5min，第二个炉子中的硝酸盐溶液温度(二级温度)为280℃，保温2h。最后取出在空气中冷却至室温，得到含铜CADI。力学性能见表1。

实施例2：

①首先采用1000公斤中频感应电炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt.％)：3.58C，2.47Si，0.57Mn，1.02Cr，1.08Cu，0.006Ce，0.033P，0.026S，余量Fe；加热到1505℃，加入0.15wt％纯铝脱氧，然后转入浇包中；往浇包内用喂丝机喂入镁丝，镁丝直径

镁丝外涂覆钝化层，钝化层厚度0.9-1.0mm，钝化层的化学组成及其质量分数为30％Fe₂O₃,25％MgO,33％CaO,12％CuO,钝化层使用水玻璃做粘结剂，钝化层中水玻璃加入量占钝化层质量分数的4.3％；含钝化层的镁丝加入量占浇包内铁水质量分数的0.40％；镁丝全部加入铁水6分钟后，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣；待温度到达1377℃，浇入型腔，铁水浇注过程中，随铁水流加入FeSi75(含75％Si)孕育剂，孕育剂加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.8％，铁水浇注完毕，待冷却后，开箱、清理、打磨后得到铸件；

②将步骤①获得的铸件上表面涂上抗氧化剂，随后将试样放入箱式电炉中加热至940℃奥氏体化100min，然后立即取出，依次放入两个不同温度的盐浴炉中进行分级等温淬火处理，第一个炉子中的硝酸盐溶液温度(一级温度)为260℃，并保温5min，第二个炉子中的硝酸盐溶液温度(二级温度)为290℃，保温2h。最后取出在空气中冷却至室温，得到含铜CADI。力学性能见表1。扫描组织见图1。

实施例3：

①首先采用中频感应电炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt.％)：3.46C，2.59Si，0.49Mn，1.14Cr，1.05Cu，0.008Ce，0.033P，0.020S，余量Fe；加热到1493℃，加入0.15wt％纯铝脱氧，然后转入浇包中；往浇包内用喂丝机喂入镁丝，镁丝直径

镁丝外涂覆钝化层，钝化层厚度0.85-0.9mm，钝化层的化学组成及其质量分数为32％Fe₂O₃,24％MgO,33％CaO,11％CuO,钝化层使用水玻璃做粘结剂，钝化层中水玻璃加入量占钝化层质量分数的4％；含钝化层的镁丝加入量占浇包内铁水质量分数的0.35％；镁丝全部加入铁水5分钟后，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣；待温度到达1364℃，浇入型腔，铁水浇注过程中，随铁水流加入FeSi75(含75％Si)孕育剂，孕育剂加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.75％，铁水浇注完毕，待冷却后，开箱、清理、打磨后得到铸件；

②将步骤①获得的铸件上表面涂上抗氧化剂，随后将试样放入箱式电炉中加热至940℃奥氏体化100min，然后立即取出，依次放入两个不同温度的盐浴炉中进行分级等温淬火处理，第一个炉子中的硝酸盐溶液温度(一级温度)为260℃，并保温5min，第二个炉子中的硝酸盐溶液温度(二级温度)为300℃，保温2h。最后取出在空气中冷却至室温，得到含铜CADI。力学性能见表1。

表1含碳化物等温淬火球墨铸铁的力学性能

本发明工艺简便，获得的CADI强度和韧性高，耐磨、耐蚀性好，在矿山行业有良好的推广应用前景。

Claims

1.一种含铜CADI耐磨材料的热处理工艺，其特征在于，所述含铜CADI耐磨材料组成以wt.％计为：3.34～3.58C，2.47～2.70Si，0.43～0.57Mn，1.02～1.19Cr，1.01-1.08Cu，0.006～0.01Ce，P≤0.040，S≤0.03，余量Fe；

采用分级等温淬火，具体包括以下步骤：

①首先采用中频感应电炉熔炼出如下化学成分的铁水以wt.％计为：3.34～3.58C，2.47～2.70Si，0.43～0.57Mn，1.02～1.19Cr，1.01-1.08Cu，0.006～0.01Ce，P≤0.040，S≤0.03，余量Fe；加热到1482～1505℃，加入0.15wt.％纯铝脱氧，然后转入浇包中；往浇包内用喂丝机喂入镁丝，镁丝直径

镁丝外涂覆钝化层，钝化层厚度0.8-1.0mm，钝化层的化学组成及其质量分数为30-35％Fe2O3,20-25％MgO,30-35％CaO,10-12％CuO,钝化层使用水玻璃做粘结剂，钝化层中水玻璃加入量占钝化层质量分数的3.9-4.3％；含钝化层的镁丝加入量占浇包内铁水质量分数的0.25-0.40％；镁丝全部加入铁水5-6分钟后，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣；待温度到达1351～1377℃，浇入型腔，铁水浇注过程中，随铁水流加入FeSi75孕育剂，孕育剂加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.7-0.8％，铁水浇注完毕，待冷却后，开箱、清理、打磨后得到铸件；

②将步骤①获得的铸件表面涂抹抗氧化剂后，放入热处理炉，进行高温奥氏体化，加热到940℃，并保温100min，迅速取出后进行分级等温淬火处理，首先放入温度为260℃的硝酸盐熔液中，并保温5min，迅速取出，然后再放入温度为280℃～300℃的硝酸盐熔液中，保温2h，最后在空气中冷却至室温，即可。

2.按照权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，硝酸盐由50wt.％KNO₃和50wt.％NaNO₃组成。

3.按照权利要求1或2所述的热处理工艺制备得到的含铜CADI耐磨材料。