CN100519804C - 一种高铬耐磨铸铁磨片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高铬耐磨铸铁磨片及其制造方法，属于造纸技术领域。其化学成分是(重量%)：2.0-3.5 C，22.0-28.0 Cr，1.5-2.5 Mn，＜1.0 Si，0.25-0.60 W，0.03-0.12Nb，0.01-0.04 Ta，0.10-0.25 V，0.08-0.15 Ti，0.05-0.20 RE，0.02-0.10 B，0.04-0.10Mg，其余为Fe和不可避免的微量杂质。本发明磨片利用电炉便可生产，覆膜砂型铸造，磨片组织细小，强度高、韧性好，具有良好的耐磨性和耐蚀性。磨片生产工艺简单，成本低廉，主要原材料是铬铁，并加入廉价的钨渣铁合金和钒渣铁合金作为辅助合金元素。使用本发明磨片，可提高磨浆机生产效率，降低磨浆成本，改善成品纸的物理性能，具有良好的经济和社会效益。

Description

一种高铬耐磨铸铁磨片及其制造方法

技术领域

本发明为各类磨浆机磨片及其制造方法，特别涉及一种高铬耐磨铸铁磨片及其制造方法，属于造纸技术领域。

背景技术

磨浆工艺是制浆造纸过程中一个非常重要的环节，它对提高纸张的各项物理指标有着极其重要的作用。磨浆机能耗大，几乎占去整个制浆造纸厂总能耗的20％。在制浆中，磨片是非常重要的零件并且易损坏。它的寿命直接影响到纸浆的生产效率、质量及能耗。因此，在材料选取上，磨片必须具备良好的耐磨性和比较好的韧性。磨片的磨损大致可以分成两种形式，第一种是由磨片的正常功能引起的磨损称之为正常磨损；第二种是由非功能性引起的磨损称之为非正常磨损。这两者本身也不是完全孤立的，对于磨浆机打浆来说，正常的磨损主要包括摩擦疲劳磨损、冲蚀磨损和磨粒磨损，非正常的磨损主要为磨片大面积断齿及磨片的碎裂。在早期，镍硬铸铁作为磨片材料被广泛地应用，但这种材料由于其韧性太差而且耐腐蚀性不好已逐渐淘汰。目前国外磨片材料主要采用的是不锈钢和高铬铸铁，而国内主要以不锈钢为主。尽管不锈钢拥有好的韧性和耐蚀性，但其耐磨性较低，且熔炼操作及制造工艺相对复杂且不易控制，另外还含有价格昂贵的镍、钼等合金元素，导致造价昂贵(Xiang Hong-liang et al.，Study on the new materials for fiberboardrefiner plate of defibrator，Journal of Forestry Research，2003，14(1)：89-92 and M.Scholl et al.，Deterioration behavior of thernomechanical refiner plates，Wear，1997，203-204：65-76)。高铬铸铁具有更好的耐磨性，但其韧性比不锈钢差，直接用普通高铬铸铁制作磨片，工作时受到浆料中的硬粒子的持续冲击，使磨片齿发生冲蚀磨损或折断，这些脱落下来的金属粒子混合在浆料中，加剧了磨片的早期失效。在非正常工作条件下，磨片还会发生相互间的直接接触和碰撞，易引起磨片基体的碎裂，导致磨片使用寿命短。

中国发明专利CN1067072公开了一种含稀土的抗磨损抗腐蚀抗气蚀的铸钢。其成分范围：0.15～0.40％C、7.2～13.5％Cr、1.5～6.0％Mn、0.60～0.80Si、0.02～0.2％RE、0.2～0.4％Mo、0.2～0.5％Cu、0.04～0.08％Al、钒或钛占0.1％，余为铁。该发明的铸钢，具有高强度、高韧性和良好的抗腐蚀、抗气蚀性能，特别适于铸造生产大型形状复杂的要求抗磨损、抗腐蚀、抗气蚀的构件，如大型磨纸浆机的磨盘。该铸钢中所含的高硬度碳化物数量较少，耐磨性较差。中国发明专利CN1748913还公开了磨片铸造生产方法，材料配比(重量％)：碳2.8-3.6、铬0.6-1.2、锰0.5-1.0、硅1.6-2.0、镍0.1-0.5、钼0.1-0.2、铜0.5-0.8、铁余量。通过冶炼、浇铸、对齿面撒水激冷处理工艺过程完成。但该发明中所含的碳化物是连续网状分布的M₃C型碳化物，硬度低，耐磨性差，而且使用中易断裂和剥落。我们选用具有优良耐磨性和耐蚀性的高铬耐磨铸铁制作磨片，为提高磨片的力学性能，确保磨片使用中不发生断裂，还加入含有钨、锰、铌、钽和钛等元素的钨渣铁合金以及含有钒、钛等元素的钒渣铁合金，并用RE、B和Mg对高铬铸铁进行复合变质处理。

发明内容

本发明目的是提供一种高铬耐磨铸铁磨片的化学成分及其制造方法。本发明是采用一种高铬耐磨铸铁制作磨片，为了改善磨片的强度、韧性和耐磨性，并降低磨片生产成本，磨片中不含价格昂贵的钼、镍等合金元素，除了加入铬铁外，还加入价格低廉的钨渣铁合金和钒渣铁合金作为辅助合金元素，并用RE、B和Mg对高铬铸铁进行复合变质处理，使其组织细化，有利于高铬铸铁磨片使用性能的提高。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明磨片的化学组成成分是(重量％)：2.0-3.5C，22.0-28.0Cr，1.5-2.5Mn，<1.0Si，0.25-0.60W，0.03-0.12Nb，0.01-0.04Ta，0.10-0.25V，0.08-0.15Ti，0.05-0.20RE，0.02-0.10B，0.04-0.10Mg，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明磨片用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，铁水熔清后先加入锰铁，然后加入钨渣铁合金和钒渣铁合金；

②炉前调整成分合格后将温度升至1550～1580℃，加入占铁水重量0.08％—0.12％Al脱氧，而后出炉；

③将稀土镁合金破碎至粒度小于15mm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，另外，将粒度小于5mm的硼铁用薄钢片包覆，当铁水出炉1/3至1/2时，将已包覆的硼铁扔入铁水包内；

④磨片用覆膜砂型铸造，浇注温度1450～1480℃；

⑤磨片浇注1～2小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在950—1020℃进行风冷正火处理，保温时间2—4小时，然后在300—360℃进行去应力退火处理，退火保温时间4—8小时，最后磨削加工至规定尺寸。

磨片材料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，本发明磨片化学成分是这样确定的：

C：高铬铸铁优异的耐磨性来源于组织中存在的高硬度M₇C₃型碳化物，而C对碳化物数量影响最大，C、Cr和碳化物(K％)含量之间可按下式计算[郝石坚，高铬耐磨铸铁，北京：煤炭工业出版社，1993]：

K％＝12.33(C％)+0.55(Cr％)-15.2               (1)

显然，C增加导致碳化物数量明显增加，有利于改善高铬铸铁耐磨性，但过高C将导致碳化物数量过多，增大了材质的脆性，考虑其利弊，将C含量控制在2.0-3.5％。

Cr:Cr在高铬铸铁中，除了形成高硬度M₇C₃型碳化物外，部分Cr溶于基体，可以改善高铬铸铁淬透性，溶于基体中的Cr，还可以明显改善高铬铸铁的耐蚀性，当Cr含量很高时，容易形成M₂₃C₆型碳化物，它不仅降低耐磨性而且消耗大量的合金，因此，Cr含量控制在22.0-28.0％之间。

Si:Si是非碳化物形成元素，主要溶于基体，降低淬透性，将Si含量控制在1.0％以下。

Mn：高铬铸铁中加入适量Mn，除了具有脱氧作用外，还具有提高淬透性作用，但Mn是扩大γ相区元素，Mn加入量过多，淬火组织中残留奥氏体增多，反而降低高铬铸铁耐磨性，因此Mn含量控制在1.5-2.5％。

W，Nb，Ta，V和Ti：W，Nb，Ta，V和Ti是强碳化物形成元素，形成的碳化物硬度高，可以提高高铬铸铁耐磨性，另外，溶于基体的部分W，Nb，Ta，V和Ti，可以提高基体强度，基体强度的提高，可以使基体对碳化物提供良好的支撑和保护，使碳化物在磨损中不易断裂和剥落，有利于改善高铬铸铁磨片的耐磨性。另外，W，Nb，Ta，V和Ti具有良好的细化凝固组织和碳化物的作用，有利于提高高铬铸铁的强度和韧性。另外，含W，Nb，Ta，V和Ti的高铬铸铁使碳化物细化、间距减小、断续、均匀分布，减轻基体被磨粒刺入的倾向，增加对显微切削的阻力，可提高高铬铸铁磨片的使用寿命。合适的W加入量是0.25-0.60％，合适的Nb加入量是0.03-0.12％，合适的Ta加入量是0.01-0.04％，合适的V加入量是0.10-0.25％，合适的Ti加入量则是0.08-0.15％。

RE：RE是表面活性元素，可以在共晶碳化物上选择吸附，共晶凝固时，它主要聚集于共晶碳化物优先生长的方向上，阻止铁液中Fe、Cr、C等原子正常长入共晶碳化物的晶体中，从而降低了共晶碳化物领先相在这个方向的生长速度，迫使共晶碳化物变小、变钝。RE还能改善夹杂物的性质、形态和分布，强烈脱氧和脱硫而明显净化铁液，净化晶界，减少共晶碳化物的聚集，因此，适量RE的加入可以提高高铬铸铁的强度和韧性，加入量过多，稀土夹杂物增多，反而降低高铬铸铁力学性能，合适的RE加入量是0.05-0.20％。

B：B对亚共晶高铬白口铸铁碳化物形貌和尺寸的影响不太明显，而对其分布的影响则较为突出。在普通高铬铸铁磨片中，共晶碳化物的分布带有明显的方向性和偏聚性，即集中分布在γ枝晶间的区域中。加B变质后可消除这种方向性，碳化物分布非常均匀，有利于改善高铬铸铁的力学性能和提高其耐磨性，合适的B加入量为0.02-0.10％。

Mg：表面活性元素Mg，在共晶凝固时有选择地偏聚在共晶碳化物择优长大方向前沿的液相铁水中，阻碍液相铁水中的Fe，C，Cr原子正常长入共晶碳化物晶体。降低了共晶领先相碳化物[0001]择优长大方向上的长大速度，共晶γ则伸入液相中的过冷区生长并逐渐形成包围[0001]方向择优长大的碳化物外壳，阻碍并降低[0001]方向共晶碳化物长大速度，迫使碳化物在其它方向增长成块状或分枝。另外，Mg沸点低，约为1105℃，加入铁水后，迅速汽化，汽化的Mg原子在铁水中可各自成为大量的原子集团。在铁水凝固过程中，一些原子集团可造成碳化物点阵上的空位，由于空位的存在，在高温下喜爱于晶体内发生运动。按空位机理扩散时，铁、碳原子跳动频率较高，扩散较快，因此，空位的存在加速了碳化物的溶解和扩散，致使其形态得到改善。所以镁的加入，能改善高铬铸铁中碳化物形态，由长条状转变为细小的短块状和团球状，碳化物形态的改善可提高高铬铸铁的强度和韧性，合适的Mg加入量为0.04-0.10％。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有P和S，均是有害元素，为了保证磨片的强度、韧性和耐磨性，将P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.05％以下。

本发明高铬耐磨铸铁磨片除了加铬铁作为主要合金化元素外，另外加入价格低廉的钨渣铁合金和钒渣铁合金作为辅助合金元素，可降低磨片生产成本，改善磨片力学性能和耐磨性。另外，根据磨片平面大、薄壁、齿多等特点，选择覆膜砂造型，不仅保证了砂型的强度而且又能保证齿形的光洁度和尺寸精度。磨片铸造后，采用950—1020℃风冷正火处理，可确保高温热处理后的基体组织主要为马氏体，提高磨片硬度和耐磨性，在300—360℃进行去应力退火处理，可消除磨片内应力，防止磨片使用中出现变形和开裂。

本发明效果：

①用本发明高铬耐磨铸铁制造的磨片，生产工艺简便，主要原材料是铬铁，并加入廉价的钨渣铁合金和钒渣铁合金作为辅助合金元素，不含价格昂贵的镍、钼等合金元素，因此，生产成本低廉。

②本发明用RE、B和Mg对高铬铸铁进行复合变质处理，组织明显细化，碳化物为细小的短块状和团球状，有利于高铬铸铁磨片力学性能的明显提高，其硬度为52—56HRC，抗拉强度为580—640MPa，冲击韧性为12—14J/cm²。

③本发明高铬耐磨铸铁磨片使用安全、可靠，使用中不断裂、不剥落，使用寿命比不锈钢磨片提高50—80％，比普通高铬铸铁磨片提高40—60％，比镍硬铸铁磨片提高100—120％。

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：

高铬铸铁磨片用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，铁水熔清后先加入锰铁，然后加入钨渣铁合金和钒渣铁合金；

②炉前调整成分合格后将温度升至1572℃，加入占铁水重量0.11％Al脱氧，而后出炉；

③将稀土镁合金破碎至粒度小于15mm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，另外，将粒度小于5mm的硼铁用薄钢片包覆，当铁水出炉1/3至1/2时，将已包覆的硼铁扔入铁水包内；

④磨片用覆膜砂型铸造，浇注温度1466℃；

⑤磨片浇注1.5小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在980℃进行风冷正火处理，保温时间3小时，然后在350℃进行去应力退火处理，退火保温时间6小时，最后磨削加工至规定尺寸。磨片成分见表1，磨片力学性能见表2。

表1 磨片成分(重量％)

 

C	Cr	Mn	Si	W	Nb	Ta	V
								2.58	24.60	1.89	0.74	0.49	0.09	0.03	0.21
Ti	Ce	B	Mg	S	P	Fe
								0.12	0.07	0.05	0.08	0.03	0.04	余量

表2 磨片力学性能

 

硬度HRC	抗拉强度MPa	冲击韧性J/cm<sup>2</sup>
			53.8	618.5	13.4

实施例2：

高铬铸铁磨片用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，铁水熔清后先加入锰铁，然后加入钨渣铁合金和钒渣铁合金；

②炉前调整成分合格后将温度升至1564℃，加入占铁水重量0.09％Al脱氧，而后出炉；

③将稀土镁合金破碎至粒度小于15mm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，另外，将粒度小于5mm的硼铁用薄钢片包覆，当铁水出炉1/3至1/2时，将已包覆的硼铁扔入铁水包内；

④磨片用覆膜砂型铸造，浇注温度1463℃；

⑤磨片浇注1小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在1010℃进行风冷正火处理，保温时间2.5小时，然后在350℃进行去应力退火处理，退火保温时间7小时，最后磨削加工至规定尺寸。磨片成分见表3，磨片力学性能见表4。

表3 磨片成分(重量％)

 

C	Cr	Mn	Si	W	Nb	Ta	V
								3.38	26.91	2.07	0.85	0.36	0.05	0.02	0.18
Ti	Ce	B	Mg	S	P	Fe
								0.11	0.17	0.09	0.04	0.02	0.04	余量

表4 磨片力学性能

 

硬度HRC	抗拉强度MPa	冲击韧性J/cm<sup>2</sup>
			55.3	601.8	12.7

实施例3：

高铬铸铁磨片用750公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，铁水熔清后先加入锰铁，然后加入钨渣铁合金和钒渣铁合金；

②炉前调整成分合格后将温度升至1577℃，加入占铁水重量0.12％Al脱氧，而后出炉；

③将稀土镁合金破碎至粒度小于15mm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，另外，将粒度小于5mm的硼铁用薄钢片包覆，当铁水出炉1/3至1/2时，将已包覆的硼铁扔入铁水包内；

④磨片用覆膜砂型铸造，浇注温度1479℃；

⑤磨片浇注1.8小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在950℃进行风冷正火处理，保温时间3小时，然后在305℃进行去应力退火处理，退火保温时间8小时，最后磨削加工至规定尺寸。磨片成分见表5，磨片力学性能见表6。

表5 磨片成分(重量％)

 

C	Cr	Mn	Si	W	Nb	Ta	V
								2.05	22.19	1.58	0.70	0.58	0.11	0.04	0.24
Ti	Y	B	Mg	S	P	Fe
								0.14	0.19	0.02	0.09	0.03	0.04	余量

表6 磨片力学性能

 

硬度HRC	抗拉强度MPa	冲击韧性J/cm<sup>2</sup>
			54.9	637.3	13.7

本发明磨片在多家造纸厂的磨浆机上进行了工业装机运行试验，具有以下特点：

(1)使用本发明磨片可提高纤维帚化率及匀整度，原来使用镍硬铸铁磨片时的帚化率一般在6—8％，使用普通高铬铸铁和不锈钢磨片时的帚化率一般在9—11％，纤维出现严重剥离和脱毛，纤维匀整度差。使用本发明磨片后，纤维帚化率达到14—15％，无剥离和脱毛现象，纤维整体性相当完整。

(2)在磨浆温度和提高纤维结合力方面，原使用磨片时的磨浆温度在58—65℃，纤维匀整度差，结合力小，其成纸的物理指标不易达到标准要求。使用本发明磨片磨浆，浆温明显下降，为38—45℃。由于浆温下降，增强了纤维的吸水润胀作用，纤维帚化高，整体匀整，从而提高了纤维的结合力，其成纸物理指标达到甚至超过标准要求。

(3)使用本发明磨片，磨损均匀，使用寿命长，使用安全、可靠，使用中不断裂、不剥落，使用寿命比不锈钢磨片提高50—80％，比普通高铬铸铁磨片提高40—60％，比镍硬铸铁磨片提高100—120％。

本发明磨片生产工艺简单，不含镍、钼等贵重合金元素，主要原材料是铬铁，并加入廉价的钨渣铁合金和钒渣铁合金作为辅助合金元素，并用RE、B和Mg复合变质处理，组织细小，强度高、韧性好，耐磨性好，成本低廉，使用本发明磨片，可提高磨浆机生产效率，降低磨浆成本，改善成品纸的物理性能，具有良好的经济和社会效益。

Claims (2)

1、一种高铬耐磨铸铁磨片，其特征在于，磨片的化学成分重量百分比是：2.0-3.5C，22.0-28.0Cr，1.5-2.5Mn，<1.0Si，0.25-0.60W，0.03-0.12Nb，0.01-0.04Ta，0.10-0.25V，0.08-0.15Ti，0.05-0.20RE，0.02-0.10B，0.04-0.10Mg，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

2、如权利要求1所述的磨片制造方法，其特征在于用电炉生产，其工艺步骤是：

①将废钢、生铁和铬铁混合加热熔化，铁水熔清后先加入锰铁，然后加入钨渣铁合金和钒渣铁合金；

②炉前调整成分合格后将温度升至1550～1580℃，加入占铁水重量0.08％—0.12％Al脱氧，而后出炉；

③将稀土镁合金破碎至粒度小于15mm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，另外，将粒度小于5mm的硼铁用薄钢片包覆，当铁水出炉1/3至1/2时，将已包覆的硼铁扔入铁水包内；

④磨片用覆膜砂型铸造，浇注温度1450～1480℃；

⑤磨片浇注1～2小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在950—1020℃进行风冷正火处理，保温时间2—4小时，然后在300—360℃进行去应力退火处理，退火保温时间4—8小时，最后磨削加工至规定尺寸。