CN100584982C - 含硼高铬耐磨铸铁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

含硼高铬耐磨铸铁及其制备方法属于耐磨金属材料技术领域。现有含硼高铬铸铁韧性差，成本高。本发明铸铁成分及含量wt%为：碳2.5～3.5，铬15～28，硅0.5～1.2，锰0.5～1.2，硼0.15～0.3，钙0.008～0.03，钡0.03～0.08%，锶0.02～0.05%，铝0.03～0.08，钛0.20～0.5，镧0.02～0.06，铈0.02～0.06，硫＜0.04，磷＜0.05，余量为铁，且0.05≤镧+铈≤0.1，6≤铬/碳≤8。本发明将铸件于980～1050℃保温4～6h，再于250～500℃保温8～10h，得到本发明铸铁。本发明有强度和硬度高、韧性和耐磨性好，生产成本低等优点。

Description

含硼高铬耐磨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于耐磨金属材料技术领域，具体涉及一种含硼高铬耐磨铸铁及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，材料与能源的节约日显重要。磨损是降低机器和工具效率、精度甚至使其报废，造成材料损耗和能源消耗的重要原因，也是机械零件三种主要的失效形式(磨损、腐蚀和断裂)之一。自从人类使用机器代替手工劳动以来，如何延长机器的使用寿命，减少零件的损耗，始终是人们关心的问题之一，为此许多人进行了长期的探索和研究。统计资料表明：在失效的机械零件中，大约有75％～80％是属于金属磨损，供给机器的能量大约有30％～50％消耗于摩擦和磨损过程中。

磨损一般分为磨料磨损、粘着磨损、冲刷磨损、微动磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等几种类型。其中磨料磨损约占磨损总量的50％，已成为冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石化、交通、航空、航天和军工等部门设备失效或材料破坏的一个重要原因，带来的危害最为严重。它的广泛存在使工业国家每年经济损失达到国民生产总值的1～4％。因此，研究磨料磨损机理，探索造成机器磨损失效的原因，寻求有效而经济的耐磨材料和抗磨技术，并研究先进的抗磨铸件制备技术，减少材料磨损消耗，对国民经济具有重要意义。

目前广泛应用的耐磨材料主要有三大类：①高锰钢；②低、中合金耐磨钢；③白口铸铁。高锰钢自1882年问世以来，已有100多年的历史，成为传统的耐磨材料，且得到广泛地应用。我国在20世纪50～60年代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料使用。实践中发现，高锰钢制作耐磨件是有条件限制的，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨。而且其屈服强度低、易于变形。因此，在许多领域已逐渐为其它耐磨材料所替代。低、中合金耐磨钢是以硅、锰为基础，加入铬、钼、镍以及其它微量元素而发展起来的。其合金系统由成分简单的单一锰系、硅系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬-锰-硅-钼-镍-其它微量元素的多元复合系统。低、中合金耐磨钢具有较好的强韧性，在低、中冲击载荷下的耐磨性优于高锰钢，但存在淬透性和淬硬性低的不足，其耐磨性较差。在抗磨白口铸铁方面，国内外广泛使用镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁。前者的铸态组织为(Fe，Cr)₃C+马氏体+奥氏体，其中碳化物是呈连续网状分布的渗碳体，显微硬度为840～1100HV，具有较好的抗磨性，但含有较多价格昂贵的镍，生产成本高。后者因为铬的大量加入(大于12％)，碳化物为高硬度的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物(Hv1300～1800)，从而使其具有良好的抗磨性，而且通过简单的热处理使高铬白口铸铁得到所需要的基体组织，以适应不同的磨损工况。

此外，高铬铸铁还具有淬透性较好，回火稳定性高，耐腐蚀磨损性能好以及耐高温氧化性良好等优点。因此，高铬铸铁自问世以来，一直被认为是较为理想的抗磨材料之一，目前已在国内外广泛使用。但在载荷较大和工件较厚的场合，仍显韧性低和淬透性差等不足。为了改善高铬铸铁淬透性，通常加入镍、钼等昂贵合金元素，导致高铬铸铁生产成本急剧上升。加入锰元素也具有改善淬透性的作用，但会导致淬火组织中残留奥氏体增多，损害高铬铸铁耐磨性，且以锰代钼后将引起碳化物粗化，因而其韧性及抗磨性均低于高Cr-Mo白口铸铁。

钢中加入微量硼(0.0005％～0.005％)能够显著提高淬透性并改善韧性，从而可以替代大量的合金元素和降低生产成本。中国发明专利CN1884605公开了一种高铬锰多元微量合金耐磨材料及其制造方法，它的终产品中含有如下成分：碳：0.3～1％、铬：6～26％、锰：6～26％、硅：0.3～1.2％、铜：0.07～0.1％、硼：0.001～0.002％、硫：0.01～0.04％、磷：0.02～0.05％。该发明是以碳含量为杠杆来调节铬和锰两种元素，将铬和锰两种元素有机地组合在一起，并加入微量硼用于改善淬透性，对生产出来的产品进行高温回火处理，部份部位水韧处理。这样该发明制造出来的高铬锰多元微量合金耐磨材料具有抗磨性强、韧性好、不开裂的优点，其使用寿命比原来老式配方生产的耐磨材料长1～1.5倍。中国发明专利CN1189542A公开了一种Mn-Si-B多元微合金化空冷贝氏体钢，其化学成分含量为(wt.％)：0.35～0.60C，2.00～3.50Mn，0.20～2.00Si，0.0005～0.010B，0.015～0.05Ti，0.02～0.10RE，0.006～0.015N，0.30～2.50Cr，0.03～0.15V，0.03～0.15Nb，余量Fe。这种合金铸钢经复合变质处理后，钢的晶粒细小，显微组织明显细化，且有碳化物弥散均匀分布，由于硼具有良好的改善淬透性作用，空冷条件下可以获得贝氏体-马氏体为主，并含碳化物和残留奥氏体的多相组织，具有高硬度、高强度、高耐磨性和高淬透性。高铬铸铁中，加入一定数量的硼元素，部分进入碳化物，部分进入基体，提高淬透性，改善耐磨性。

日本专利JP3150334-A、JP93041691-B公开了一种含硼高铬耐磨铸铁，其主要成分是：2.7～3.5％C，0.2～1.0％Si，0.5～1.5％Mn，27～34％Cr，0.5～2.0％Mo，0.5～2.0％W，≤0.1％B，经950～1100℃正火和200～500℃回火后，硬度达到62HRC以上，夏比冲击强度超过0.23。由于硼含量较少，因此为了提高淬透性，还加入了0.5～2.0％Mo，增加了高铬铸铁生产成本。俄罗斯专利RU2169787-C2公开了一种生产合金白口铸铁磨球的方法，其主要成分是(wt％)：2.2～3.5C；0.3～0.6Si；6.0～12.0Cr；4.0～6.0Mn；0.5～0.8Mo；0.1～0.3B；0.1～0.3Ti；0.3～0.6Ni。首先在连铸机上浇注成圆形铸坯，加热至950～1050℃后，轧制成球，随后在680～700℃回火，保温4～5小时后空冷，磨球具有良好的力学性能和优异的耐磨性。由于磨球中铬含量较低，为保证其淬透性，还加入了0.5～0.8％Mo和0.3～0.6％Ni，增加了生产成本。

含硼高铬铸铁尽管具有良好的抗磨性，但是硼元素的加入造成碳化物数量增加，将引起高铬铸铁韧性下降，含硼高铬铸铁一直未得到广泛推广和应用。因此，目前国内外的大多数高铬铸铁制品中，仍需要加入钼、镍等昂贵合金元素，高铬铸铁生产成本普遍较高，生产企业效益低。因此，在利用硼改善高铬铸铁淬透性前提下，改善含硼高铬铸铁显微组织，提高其强度和韧性，对扩大含硼高铬铸铁的推广应用将具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种含硼高铬耐磨铸铁及其制备方法。其主要特点是用电炉熔炼高铬铸铁，用硅钙合金预脱氧，用铝终脱氧和微合金化，并用钛定氮，用硼铁对高铬铸铁实现硼合金化处理，最后加入钡硅合金、锶硅合金和镧铈混合稀土，细化含硼高铬耐磨铸铁凝固组织，提高含硼高铬耐磨铸铁的强度和韧性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明所提供的含硼高铬耐磨铸铁的化学成分及其重量百分比为：C：2.5～3.5％，Cr：15.0～28.0％，Si：0.5～1.2％，Mn：0.5～1.2％，B：0.15～0.30％，Ca：0.008～0.03％，Ba：0.03～0.08％，Sr：0.02～0.05％，Al：0.03～0.08％，Ti：0.20～0.50％，La：0.02～0.06％，Ce：0.02～0.06％，S＜0.04％，P＜0.05％，余量为Fe，且0.05％≤La+Ce≤0.10％，6.0≤Cr/C≤8.0。

本发明所提供的含硼高铬耐磨铸铁用电炉生产，具体步骤如下：

①将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、硅钙合金、钡硅合金、锶硅合金、铝、钛铁、硼铁和镧铈混合稀土按目标产物中化学成分的重量百分比进行备料，C：2.5～3.5％，Cr：15.0～28.0％，Si：0.5～1.2％，Mn：0.5～1.2％，B：0.15～0.30％，Ca：0.008～0.03％，Ba：0.03～0.08％，Sr：0.02～0.05％，Al：0.03～0.08％，Ti：0.20～0.50％，La：0.02～0.06％，Ce：0.02～0.06％，S＜0.04％，P＜0.05％，余量为Fe，且0.05％≤La+Ce≤0.10％，6.0≤Cr/C≤8.0；

②将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；

③炉前调整成分合格后将温度升至1560～1600℃，加入硅钙合金预脱氧，预脱氧1～2分钟后，加入铝终脱氧，终脱氧1～2分钟后，加入钛铁，钛铁加入1～2分钟后，加入硼铁，硼铁加入1～2分钟后出炉；

④将钡硅合金、锶硅合金和镧铈混合稀土破碎至粒度为4～10mm的小块，经150～180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤③的铁水进行变质处理；

⑤将步骤④的铁水浇注成铸件，铁水浇注温度为1420～1480℃；

⑥将步骤⑤制得的铸件在980～1050℃进行正火处理，铸件保温时间4～6小时；

⑦将正火处理后的铸件在250～500℃进行回火处理，回火保温时间8～10小时，制得含硼高铬耐磨铸铁。

铸铁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：

C：C是影响高铬铸铁硬度和韧性的主要元素，C含量高时，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好。随着C含量增加，碳化物显著增加，且多分布在晶界上，故韧性下降。为兼顾高铬铸铁的耐磨性和韧性，将C含量控制在2.5～3.5％。

Cr：Cr是高铬铸铁中的主要合金元素，Cr含量大于12％时，碳化物主要为高硬度的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，从而使高铬铸铁具有良好的抗磨性。但Cr含量过高，材质熔炼困难，铸造性能恶化，成本显著升高。另外，将铬碳比(Cr/C)控制在6.0～8.0，主要是为了得到高硬度的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，铬碳比(Cr/C)过高或过低，均不利于获得高硬度(Cr，Fe)₇C₃型碳化物。综合考虑将Cr含量控制在15.0～28.0％。

Si和Mn：高铬铸铁中加入适量的Si和Mn，主要是为了起脱氧作用，Mn还有改善淬透性作用，Mn加入量过多，导致正火组织中残留奥氏体增多，降低高铬铸铁硬度，不利于改善耐磨性。因此将Si含量控制在0.5～1.2％，Mn含量控制在0.5～1.2％。

B：B是一种特殊的元素，原子序数为5，介于金属与非金属之间，既能与金属化合又能与非金属化合。在高铬铸铁中加入适量B，B可置换碳化物中的部分C原子，形成含B的合金碳化物，并使碳化物体积分数随B含量增大而增加，而且含B碳化物平均硬度比(Cr，Fe)₇C₃型碳化物提高，含B高铬铸铁更易摩擦诱发马氏体相变，产生加工硬化，其抗磨性也较无B高铬铸铁高。同时B在基体中也有少量的固溶，由于原子尺寸的差异，造成晶格扭曲，使基体组织的显微硬度提高。另外，由于B原子半径较小，极易在晶界产生偏聚。偏聚于奥氏体晶界上的B可抑制铁素体新相形核，有利于提高高铬铸铁的淬透性。B的这些作用对提高高铬铸铁抗磨性是有利的。但是B元素的加入造成碳硼化合物数量增加，将引起高铬铸铁韧性下降，综合考虑将B含量控制在0.15～0.30％。

La和Ce：稀土元素La和Ce具有较强的脱氧、去硫净化铁液的作用，从而使铁液表面张力大大提高，过冷度增加，使形核率大大提高，初生奥氏体晶核增多，组织细化。另外加入适量La和Ce后，其脱氧去硫所形成的相应产物又可作为初晶的形核基底，使核心增多，晶粒细化。初生奥氏体的细化导致共晶反应时残留铁液相互被隔开的趋势增强了，导致“离异”方式结晶，使残留铁液进一步被分隔，因此，使共晶碳化物条变短。La和Ce的加入，还有利于减轻硼元素偏析。La和Ce加入量过多，导致铸铁中夹杂物增多，反而损害铸铁强度和韧性，因此将La含量控制在0.02～0.06％，Ce含量控制在0.02-0.06％，La和Ce的总含重控制在0.05～0.10％。

Al：Al加入高铬铸铁中主要是为了脱氧，残留在铁液中的Al几乎不溶于碳化物，共晶反应时它富集在碳化物的结晶前沿，导致成份过冷，阻止碳化物尖端生长，使其边缘钝化，有利于改善碳化物形态和分布，提高高铬铸铁力学性能和耐磨性。Al加入量过多，反而使夹杂物增多，损害铸铁强度和韧性，因此将Al含量控制在0.03～0.08％。

Ca：Ca具有良好的脱氧、去硫能力，提高铁水纯净度，有利于细化含硼高铬铸铁凝固组织，改善含硼高铬铸铁强度和韧性。合适的Ca加入量为0.008～0.03％。

Ba：Ba促进含硼高铬铸铁凝固时初生奥氏体的形核，并在较大的共晶过冷度下形成分布均匀、分枝较少，充分发展的奥氏体晶粒。共晶碳化物在初生奥氏体枝晶间有足够碳浓度的熔体中形核、生长，受到初生相的阻碍而不能任意长大，从而有利于形成不连续的板条状碳化物，抑制了菜氏体共晶的出现。另外，(Cr，Fe)₇C₃型碳化物的强键(共价键)方向是其优势生长方向，在此方向上晶体生长速度较快。Ba有降低(Cr，Fe)₇C₃型碳化物中Fe-C共价键强度的作用。Ba元素可通过改变键强度的作用而改变(Cr，Fe)₇C₃型碳化物生长模式，使沿晶界生长的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物改变为板条状、非连续状，从而达到提高含硼高铬铸铁强度和韧性的目的，合适的Ba加入量为0.03～0.08％。

Sr：Sr与B之间会相互作用，促进枝晶的生长，优化含硼高铬铸铁组织，提高铸铁性能。另外，Sr还有提高含硼高铬铸铁铸件致密度的作用，改善铸铁使用效果，合适的Sr加入量宜控制在0.02～0.05％。

Ti：高铬铸铁熔体在加硼之前先加入钛元素固定氮，可稳定和提高硼收得率。另外，Ti是强碳化物形成元素，且TiC有较高的形成温度(熔点为3160℃)，钛的碳化物、氮化物和碳氮化合物会在凝固过程中作为先析出相而析出，促进凝固组织的细化，并减轻硼元素偏析，提高高铬铸铁的强度和韧性。Ti加入量过多，导致钛的化合物数量增加，反而损害铸铁强度和韧性，综合考虑，将Ti含量控制在0.20～0.50％。

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，为了保证高铬铸铁的强度、韧性和耐磨性，将P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.04％以下。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

①本发明含硼高铬耐磨铸铁用廉价硼取代昂贵的钼、镍等合金元素，改善高铬铸铁的淬透性，降低高铬铸铁生产成本30～50％。

②本发明采用镧、铈混合稀土、钛、钙、钡、锶、铝等元素细化凝固组织，减轻元素偏析，改善碳化物形态和分布，提高含硼高铬耐磨铸铁的强度和韧性，其中抗拉强度超过580Mpa，冲击韧性大于10J/cm²，硬度大于62HRC。

③本发明采用硅-钙合金预脱氧，铝终脱氧，同时采用钛固定铁液中的氮，稳定并提高了硼元素的收得率，硼的收得率大于92％，比普通方法提高硼收得率10％以上，使含硼高铬铸铁性能稳定。

④本发明含硼高铬耐磨铸铁具有优异的耐磨性，达到甚至超过了含钼、镍高铬白口铸铁水平。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。

具体实施方式

采用500公斤中频感应电炉熔炼含硼高铬耐磨铸铁。

实施例1

①将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1560～1600℃，加入硅钙合金预脱氧；预脱氧1～2分钟后，加入铝终脱氧；终脱氧1～2分钟后，加入钛铁；钛铁加入1～2分钟后，加入硼铁；硼铁加入1～2分钟后出炉；

③将钡硅合金、锶硅合金和镧铈混合稀土破碎至粒度为4～10mm的小块，经150～180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行变质处理；

④将铁水浇注成铸件，铁水浇注温度为1420～1480℃；

⑤将铸件先在980℃进行正火处理，保温6h，最后于250℃进行回火处理，保温10h，得到含硼高铬耐磨铸铁，化学成分见表1，力学性能见表2。

实施例2

步骤①～④同实施例1步骤①～④；

⑤再将铸件在1050℃进行正火处理，保温4h，最后于500℃进行回火处理，保温8h，得到含硼高铬耐磨铸铁，化学成分见表1，力学性能见表2。

实施例3

步骤①～④同实施例1步骤①～④；

⑤再将铸件在1000℃进行正火处理，保温5h，最后于450℃进行回火处理，保温9h，得到含硼高铬耐磨铸铁，化学成分见表1，力学性能见表2。

实施例4

步骤①～④同实施例1步骤①～④；

⑤再将铸件在1020℃进行正火处理，保温4h，最后于300℃进行回火处理，保温9h，得到含硼高铬耐磨铸铁，化学成分见表1，力学性能见表2。

实施例5

步骤①～④同实施例1步骤①～④；

⑤再将铸件在1010℃进行正火处理，保温5h，最后于450℃进行回火处理，保温8h，得到含硼高铬耐磨铸铁，化学成分见表1，力学性能见表2。

表1含硼高铬耐磨铸铁化学成分及其含量(重量％)

表2含硼高铬耐磨铸铁力学性能

用本发明所制备的含硼高铬耐磨铸铁生产板锤、锤头、磨球和衬板等铸件，选用承受冲击磨损大的板锤装机考核。板锤是反击式破碎机的易损件，其转子配用的板锤，随同转子高速度旋转，矿料经板锤与反击板的激烈碰撞而被粉碎。要求板锤有高的耐磨性、韧性和强度。含硼高铬耐磨铸铁板锤在某石料加工厂装机，用于破碎花岗岩，反击破碎机规格为φ1000mm×700mm，转速为650r/min，板锤尺寸为75mm×75mm×700mm，每台每次装三块板锤，原设计板锤材质为高锰钢。试验结果显示，含硼高铬耐磨铸铁板锤强度高、韧性好，使用中无断裂、破碎现象出现，另外还具有高硬度和良好的淬透性，其使用寿命比高锰钢板锤提高4～6倍，达到甚至超过了含钼、镍高铬白口铸铁的水平。含硼高铬耐磨铸铁板锤不含钼、镍等贵重合金元素，其生产成本比含钼、镍高铬铸铁板锤降低30～50％，仅比高锰钢提高20％左右，推广应用含硼高铬耐磨铸铁板锤具有良好的经济和社会效益。

Claims (2)

1、一种含硼高铬耐磨铸铁，其特征在于，铸铁的化学成分及其重量百分比为：C：2.5～3.5％，Cr：15.0～28.0％，Si：0.5～1.2％，Mn：0.5～1.2％，B：0.15～0.30％，Ca：0.008～0.03％，Ba：0.03～0.08％，Sr：0.02～0.05％，Al：0.03～0.08％，Ti：0.20～0.50％，La：0.02～0.06％，Ce：0.02～0.06％，S＜0.04％，P＜0.05％，余量为Fe，且0.05％≤La+Ce≤0.10％，6.0≤Cr/C≤8.0。

2、权利要求1所述的一种含硼高铬耐磨铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、硅钙合金、钡硅合金、锶硅合金、铝、钛铁、硼铁和镧铈混合稀土按目标产物中化学成分重量百分比进行备料，C：2.5～3.5％，Cr：15.0～28.0％，Si：0.5～1.2％，Mn：0.5～1.2％，B：0.15～0.30％，Ca：0.008～0.03％，Ba：0.03～0.08％，Sr：0.02～0.05％，Al：0.03～0.08％，Ti：0.20～0.50％，La：0.02～0.06％，Ce：0.02～0.06％，S＜0.04％，P＜0.05％，余量为Fe，且0.05％≤La+Ce≤0.10％，6.0≤Cr/C≤8.0；

②将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；

③炉前调整成分合格后将温度升至1560～1600℃，加入硅钙合金预脱氧，预脱氧1～2分钟后，加入铝终脱氧，终脱氧1～2分钟后，加入钛铁，钛铁加入1～2分钟后，加入硼铁，硼铁加入1～2分钟后出炉；

④将钡硅合金、锶硅合金和镧铈混合稀土破碎至粒度为4～10mm的小块，经150～180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤③的铁水进行变质处理；

⑤将步骤④的铁水浇注成铸件，铁水浇注温度为1420～1480℃；

⑥将步骤⑤制得的铸件在980～1050℃进行正火处理，铸件保温时间4～6小时；

⑦将正火处理后的铸件在250～500℃进行回火处理，回火保温时间8～10小时，制得含硼高铬耐磨铸铁。