CN100478478C - 一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法，属于金属耐磨材料技术领域。高碳高铬铸铁化学组成成分是(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，其余为Fe和不可避免的微量杂质，且5.0≤铬碳比(Cr/C)≤5.6。本发明铸态高碳高铬铸铁可电炉生产，铸铁出炉温度1440-1480℃，出炉时用钒铁颗粒孕育，并用稀土镁合金和钠盐进行复合变质处理，铁水浇铸温度为1350-1380℃。本发明高碳高铬铸铁在200-280℃下进行去应力退火处理后可直接使用，不需要高温热处理，能耗低，生产周期短，且铸造性能好，还具有高硬度和优异的耐磨性。

Description

一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法

技术领域

本发明为一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法，特别涉及一种碳含量高的铸态高碳高铬铸铁及其制备方法，属于金属耐磨材料技术领域。

背景技术

高铬白口铸铁显微组织中存在着硬度较高且分布孤立的M₇C₃型碳化物，因而与其他普通白口铸铁相比，具有较高的硬度和韧性，使其在大量消耗抗磨材料的冶金、机械、矿山、建材、电力及化工等行业中得到推广应用。但目前在工业中应用的大部分为亚共晶高铬铸铁，而碳含量较高的过共晶高铬铸铁应用较少，这主要是由于碳含量超过共晶点后，初生M₇C₃型碳化物的形态粗大而使韧性大幅度降低的缘故。

在低应力磨料磨损条件下，基体中碳化物的体积分数和分布对高铬铸铁的力学性能和耐磨性起着重要作用[Sare I R.Abrasion Resistance and FractureToughness of White Cast Irons，Metals Technology，1979，6(11)：412-419]。一般来说，随碳化物数量增加，耐磨性提高但冲击韧性下降[Gahr，Karl-Heinz Zumand Scholz，William G.Fracture Toughness of White Cast Irons，Journal of Metals，1980，32(10)：38-44]，特别是出现粗大的初晶碳化物时韧性急剧下降，为了保持足够韧性主张采用含碳量较低的高铬铸铁而不采用过共晶高铬铸铁[BerezaJ M，Wear and Impact Resistant White Cast Irons，British Foundryman.1981，74(10)：205-211]。

由于过共晶高铬铸铁具有优异的耐磨性，韩国专利KR97043232-A和KR256368-B1报道了将过共晶高铬铸铁采用堆焊方法沉积于钢铁制品表面，可以明显提高低应力磨损条件下耐磨部件的耐磨性。专利WO8404760-A1和EP147422-A1公开了一种耐磨铸造过共晶高铬铸铁，其主要成分(wt.％)是：C＞4.0；Cr 25-45；Mn 0-15；Mo 0-10；Ni 0-10；B 0-2；Ti，W，Ta，V和Nb至少加入一种，每种元素加入量＜5.0且Ti，W，Ta，V和Nb的总量小于15.0。这种合金采用低温浇注，浇注温度不超过液相线温度100℃。获得的初生碳化物尺寸约为75μm。由于这种材料需要较低的浇注温度，在浇注薄壁件时成形困难，且加入了价格昂贵的钼、镍元素，导致铸铁生产成本过高。为了改善碳化物形态和分布，目前主要采用变质处理方法。

中国发明专利CN1042193公开了一种耐磨耐热的高铬合金铸铁及其独特的热处理工艺，并将该材料用于制造轧管机顶头。发明材料的成分为(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，余量为铁。进行两次热处理，第一次的温度为1100-1300℃，出炉后空冷；第二次的温度为1000-1250℃，缓冷。该发明根据轧管机顶头、穿孔机导板等工具、机件的特殊要求合理设计了成分和工艺、发挥了稀土的良好作用。该发明高铬合金铸铁含有较多价格昂贵的镍元素，导致生产成本高，另外，该发明的淬火工艺复杂，且淬火温度高，导致生产周期长，能耗高。中国发明专利CN1252455公开了一种超高铬抗磨白口铸铁及生产工艺，其特征在于各材料成分的含量(重量百分比)为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％。工艺：配料、冶炼、铸造、退火、淬火、回火、冷却。该发明仅加入稀土元素细化碳化物，效果并不太好，且该发明热处理包括退火、淬火和回火，周期长，能耗高，生产效率低。中国发明专利CN1769508则公开了一种过共晶高铬铸铁及其制造方法，过共晶高铬铸铁的主要成分为：C：3.5-4.5％，Mn：1.0-3.0％，Cr：17-30％，Si：0.5-1.5％，Cu：1.0-2.0％，P：≤0.06％，S：≤0.06％，Ni：≤1％，余量为铁。其制备方法是采用二次孕育变质处理的方法细化初生碳化物，包内孕育剂的中间合金含有的TiN、NbN等颗粒作为促进初生碳化物形核的基体，增加初生碳化物的形核数量。稀土、镁和钾等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化。随流孕育剂的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物来不及长大，从而达到细化初生碳化物的目的。该发明通过预加含TiN、NbN等颗粒的中间合金在包内孕育，作为促进初生碳化物形核的基体，存在TiN、NbN在铁水中易团聚，导致分布均匀性差，使铸件中碳化物形态和分布的均匀性也差，铸件性能波动较大，另外，该发明需要高温淬火处理，由于碳化物多，高温热处理时易变形和开裂。

发明内容

本发明目的是提供一种铸态高碳高铬铸铁的化学组成及其制备方法。其主要特点是在高铬铸铁中提高碳含量，增加初生碳化物数量，改善其耐磨性，另外，在高碳高铬铸铁中提高钒含量，促使铸态下获得马氏体基体，高铬铸铁只需进行消除应力低温热处理，省出了高温热处理时易出现的变形和开裂，还简化了热处理工艺，节省能源，缩短了生产周期。为了细化初生碳化物组织，除了在浇包内加入稀土、镁、铌、钛和钠盐等变质元素外，在铁水出炉过程中还加入钒铁孕育，促使凝固组织明显细化，消除了高碳高铬铸铁生产中易出现的缩孔、缩松、热裂、初生碳化物剥落和耐磨性降低等缺陷，明显改善了高铬铸铁的使用效果。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明铸态高碳高铬铸铁的化学组成成分是(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，其余为Fe和不可避免的微量杂质，并且5.0≤铬碳比(Cr/C)≤5.6。

本发明铸态高碳高铬铸铁可电炉生产，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁和碳素铬铁混合加热熔化，钢水熔清后，加入锰铁脱氧和合金化，然后加入部分钒铁，钒铁加入量占钒铁总加入量的70-80％；

②炉前调整成分合格后将温度升至1440-1480℃，而后出炉，出炉前在炉内加入铌铁和钛铁；

③铁水出炉时，将钒铁总加入量的30-20％破碎至粒度小于15mm的小块，并随铁水冲入浇包内；

④将稀土镁合金和钠盐破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；

④用普通铸型浇注铸件，铁水浇铸温度为1350-1380℃；

⑤高碳高铬铸铁在200-280℃下进行去应力退火处理后可直接使用，退火保温时间6-10小时。

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：碳增加碳化物体积分数，提高耐磨性，碳加入量过多，碳化物数量太多，材料的强度和韧性明显下降，且碳含量过高，材料熔炼比较困难，铸造性能恶化，合适的碳加入量是4.5-5.5％。

铬：铬是形成高硬度M₇C₃型碳化物的基础，铬部分进入碳化物，部分进入基体，铬加入量过少，不易获得高硬度的M₇C₃型碳化物，材料耐磨性较低，加入量过多，基体中溶解的铬较多，而铬是缩小γ相区的元素，基体组织中易出现低硬度的铁素体，反而降低材料耐磨性。另外，铬在凝固过程中能产生成分过冷作用，对细化初生碳化物有好处，因此，合适铬加入量是22.5-30.8％，且5.0≤铬碳比(Cr/C)≤5.6。

钒：钒是强碳化物形成元素，形成的VC硬度高，可以提高高铬铸铁耐磨性，另外，部分钒溶于基体，在铸态条件下能使奥氏体析出二次碳化物，导致基体中碳量降低，而Ms点提高，使部分基体转变成马氏体，导致高碳高铬铸铁在铸态下易获得高硬度的马氏体基体组织，含钒量过少，基体中钒含量也少，因此铸态下基体转变成马氏体的数量也少，含钒量过高，铸铁熔炼困难，且增加铸铁成本，合适钒加入量是3.0-5.0％。

锰：高铬白口铸铁中加入适量锰，除了起脱氧和净化铁水作用外，还可阻止碳化物生长，使碳化物细化，但锰是扩大γ相区，稳定奥氏体元素，加入量过多，铸态基体组织中易形成较多的奥氏体，不利于改善高铬铸铁耐磨性，合适锰加入量是0.7-1.2％。

硅：硅使共晶点左移，使初生碳化物粗大化，为防止碳化物粗化，选择硅含量小于1.0％。

铌：铌是强碳化物形成元素，铌加入高铬铸铁中优先形成弥散的NbC颗粒，硬度达到HV2400左右，比M₇C₃型碳化物硬度高，能更有效地提高耐磨性，并使更多的铬固溶在基体中，提高了基体的强度和韧性，更好发挥基体对碳化物的支撑作用。铁水凝固过程中，NbC微小颗粒可促使碳化物形核，并阻碍M₇C₃棒长大，导致组织细化，促使碳化物均匀分布。另外，NbC区有硫的富集，可减弱硫对基体的有害影响。铌加入量过多，NbC会出现粗化，对细化组织效果不明显，且铌加入量过多，将提高铸铁成本，合适的铌加入量是0.2-0.5％。

钛：钛是强碳化物形成元素，加入高铬铸铁中易形成细小且均匀分布的TiC，TiC可作为初生M₇C₃型碳化物的形核核心，可阻碍碳化物的长大，细化初生M₇C₃型碳化物，有利于改善高铬铸铁的抗铸造开裂性能和提高高铬铸铁的强度和韧性，加入量1.0％以后，碳化物进一步细化的趋势不明显，合适的钛加入量是0.5-1.0％。

镁：变质元素镁加入高碳高铬铸铁中，不仅造成热力学过冷，而且镁易吸附于碳化物择优长大的晶面上，起到阻碍碳化物片状长大的作用，使碳化物趋于细小、孤立，且边部钝化，有利于改善高碳高铬铸铁的强度和韧性，合适的镁加入量是0.08-0.20％。

钠：钠可降低高铬铸铁的初晶结晶温度和共晶结晶温度，初晶结晶温度和共晶结晶温度的下降，有助于铁水在液相线和共晶区过冷，而合金的结晶过冷度增大，会使形核率大大增加，因此，钠使初晶碳化物晶核增多，初晶碳化物得以细化，初晶碳化物的细化导致共晶反应时残留钢液相互被隔开的趋势增强，进而导致共晶组织的细化。此外，钠在结晶时选择性地吸附在碳化物择优生长方向的表面上，形成吸附薄膜，阻碍钢液中的Fe、Cr、C等原子长入碳化物晶体，降低了碳化物择优方向的长大速度，促进碳化物变成不规则的团块状。钠加入量过少，对高铬铸铁的组织和性能影响不大，加入量过多，导致合金中夹杂物数量增多，对机械性能也有不良影响，综合考虑，将钠含量控制在0.05-0.20％。

稀土：稀土加入高铬铸铁中具有脱硫、除气的作用，同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，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，阻碍了液体内的铬继续进入碳化物，有利于促进碳化物的细化，提高高碳高铬铸铁的强度和韧性。稀土加入量过多，使稀土夹杂物增多，反而降低高铬铸铁的性能，因此稀土含量控制在0.05-0.20％为宜。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

(1)本发明铸态高碳高铬铸铁基体组织由马氏体+残留奥氏体组成，基体硬度超过750HV，本发明铸态高碳高铬铸铁不需要高温淬火，只需要在200-280℃下进行去应力退火处理，工艺简单、能耗低、生产周期短、生产效率高。

(2)本发明铸态高碳高铬铸铁显微组织细小，碳化物呈小块状分布，初生碳化物尺寸小于40μm。

(3)本发明铸态高碳高铬铸铁中碳化物体积分数为42-55％，高铬铸铁具有高硬度和优良的强韧性和耐磨性，其中硬度在66 HRC以上，抗弯强度大于500MPa，冲击韧性在5.5J/cm²以上。在低应力磨损条件下，其耐磨性比Cr15Mo3高铬铸铁提高2-2.5倍。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

用500公斤中频感应电炉熔炼高碳高铬铸铁，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁和碳素铬铁混合加热熔化，钢水熔清后，加入锰铁脱氧和合金化，然后加入部分钒铁，钒铁加入量占钒铁总加入量的76％；

②炉前调整成分合格后将温度升至1467℃，而后出炉，出炉前在炉内加入铌铁和钛铁；

③铁水出炉时，将钒铁总加入量的24％破碎至粒度小于15mm的小块，并随铁水冲入浇包内；

④将稀土镁合金和钠盐破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；

④用普通铸型浇注渣浆泵过流部件护套、叶轮，铁水浇铸温度为1363℃；

⑤高碳高铬铸铁在250℃下进行去应力退火处理后可直接使用，退火保温时间8小时。

本发明高碳高铬铸铁的化学成分见表1，其力学性能见表2。

表1高碳高铬铸铁的化学成分(重量％)

元素	C	Cr	V	Mn	Si	Nb	Ti
								成分	5.13	27.84	4.63	0.98	0.77	0.37	0.82
元素	Mg	Na	Ce	S	P	Fe
								成分	0.14	0.09	0.11	0.02	0.04	余量

表2高碳高铬铸铁的力学性能

硬度(HRC)	抗弯强度(MPa)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
			67.2	528.6	5.8

实施例2：

用750公斤中频感应电炉熔炼高碳高铬铸铁，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁和碳素铬铁混合加热熔化，钢水熔清后，加入锰铁脱氧和合金化，然后加入部分钒铁，钒铁加入量占钒铁总加入量的73％；

②炉前调整成分合格后将温度升至1472℃，而后出炉，出炉前在炉内加入铌铁和钛铁；

③铁水出炉时，将钒铁总加入量的27％破碎至粒度小于15mm的小块，并随铁水冲入浇包内；

④将稀土镁合金和钠盐破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；

④用普通铸型浇注渣浆泵过流部件前护板、后护板，铁水浇铸温度为1358℃；

⑤高碳高铬铸铁在260℃下进行去应力退火处理后可直接使用，退火保温时间7小时。

本发明高碳高铬铸铁的化学成分见表3，其力学性能见表4。

表3高碳高铬铸铁的化学成分(重量％)

元素	C	Cr	V	Mn	Si	Nb	Ti
								成分	4.84	26.7	3.88	1.13	0.79	0.40	0.89
元素	Mg	Na	Y	S	P	Fe
								成分	0.11	0.13	0.08	0.03	0.04	余量

表4高碳高铬铸铁的力学性能

硬度(HRC)	抗弯强度(MPa)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
			66.5	557.1	5.9

实施例3：

用1000公斤中频感应电炉熔炼高碳高铬铸铁，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁和碳素铬铁混合加热熔化，钢水熔清后，加入锰铁脱氧和合金化，然后加入部分钒铁，钒铁加入量占钒铁总加入量的79％；

②炉前调整成分合格后将温度升至1479℃，而后出炉，出炉前在炉内加入铌铁和钛铁；

③铁水出炉时，将钒铁总加入量的21％破碎至粒度小于15mm的小块，并随铁水冲入浇包内；

④将稀土镁合金和钠盐破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；

④用普通铸型浇注渣浆泵过流部件前护板、后护板，铁水浇铸温度为1373℃；

⑤高碳高铬铸铁在200℃下进行去应力退火处理后可直接使用，退火保温时间9小时。

本发明高碳高铬铸铁的化学成分见表5，其力学性能见表6。

表5高碳高铬铸铁的化学成分(重量％)

元素	C	Cr	V	Mn	Si	Nb	Ti
								成分	4.53	25.2	3.17	0.76	0.64	0.50	0.55
元素	Mg	Na	Ce	S	P	Fe
								成分	0.08	0.19	0.19	0.02	0.04	余量

表6高碳高铬铸铁的力学性能

硬度(HRC)	抗弯强度(MPa)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
			66.1	583.7	6.1

取本发明铸态高碳高铬铸铁制作的渣浆泵过流部件护套、叶轮、前护板、后护板，在铁矿选厂用于输送渣浆，渣浆中因含有很多腐蚀性强的硬质矿粒，对渣浆泵过流部件护套、叶轮、前护板、后护板产生高速冲刷，切削摩擦和腐蚀磨损作用而使其失效。本发明铸态高碳高铬铸铁中含有较多的高硬度碳化物，且基体组织由马氏体+残留奥氏体组成，基体硬度超过750HV，因此具有优良的耐磨性，其使用寿命比Cr15Mo3(主要组成如下：3.1％C，15.7％Cr，2.89％Mo)高铬铸铁提高2-2.5倍。

本发明铸态高碳高铬铸铁制备工艺简单，不需要进行高温热处理，能耗低，制造周期短，生产效率高。另外，本发明铸态高碳高铬铸铁显微组织细小，碳化物分布均匀，且铸造中不易出现缩孔、缩松、裂纹及浇不足、皱皮、夹渣等缺陷，明显改善了铸件外观质量和内在质量，保证了铸件的质量，使铸件使用性能，特别是耐磨性明显提高。使用本发明铸态高碳高铬铸铁，不含镍、钼等贵重合金元素，生产成本低廉，可以明显提高材料耐磨性，具有很好的经济效益。

Claims (2)

1、一种铸态高碳高铬铸铁，其特征在于，其化学组成成分重量百分比为：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，其余为Fe和不可避免的微量杂质，并且5.0≤铬碳比≤5.6。

2、如权利要求1所述的一种铸态高碳高铬铸铁的制备方法，其特征在于用电炉生产，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、碳素铬铁、混合加热熔化，钢水熔清后，加入锰铁脱氧和合金化，然后加入部分钒铁，钒铁加入量占钒铁总加入量的70-80％；

②炉前调整成分合格后将温度升至1440-1480℃，而后出炉，出炉前在炉内加入铌铁和钛铁；

③铁水出炉时，将钒铁总加入量的30-20％破碎至粒度小于15mm的小块，并随铁水冲入浇包内；

④将稀土镁合金和钠盐破碎至粒度小于12mm的小块，经200℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；

④用普通铸型浇注铸件，铁水浇铸温度为1350-1380℃；

⑤高碳高铬铸铁在200-280℃下进行去应力退火处理后直接使用。