CN101418409A - 耐磨铸铁 - Google Patents

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Abstract

公开了一种耐磨铸铁，尤其是白口铸铁合金铸件。该铸件包含下列合金组成，以重量％计：铬：12－25％；碳：1.5－6％；锰：2－7％；硅：至多1.5％；钼：至多2％；镍：至多4％；微合金元素，选自钛、锆、铌、硼、钒和钨；一种或更多种所述元素中的每一种至多2％；和铁：余量。铸件的微结构包含分散在铁基体中的15－60vol％的共晶碳化物和一次碳化物，所述铁基体包含马氏体并且至少基本没有珠光体。

Description

耐磨铸铁
本申请是申请日为2004年5月21日、申请号为200480014162.5、发明名称为“耐磨铸铁”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于高腐蚀和高磨损应用中的白口铸铁合金以及生产白口铸铁合金铸件的方法。
背景技术
大多数经受磨损的采矿和加工设备的部件(例如料浆泵、旋风分离器和轧碎机)由耐磨白口铸铁合金制成。
这些白口铸铁合金的铸件具有高耐磨性，为经受腐蚀和磨损的加工设备提供良好的使用寿命。
澳大利亚标准2027特别描述了以下两个系列的耐磨白口铸铁合金：
(a)高铬白口铸铁合金，例如27％Cr；和
(b)铬-钼白口铸铁合金。例如20Cr-2Mo和15Cr-3Mo。
所有这些白口铸铁合金的微结构由两相构成，即：
(a)M7C3碳化物(其中M＝Fe、Cr、Mn、Mo)，具有1200-1500HV的硬度；
和
(b)由一种或更多种下列结构构成的铁基体：(i)在室温下为亚稳态的奥氏体饱和溶液，(ii)含有二次碳化物沉淀并且在室温下不稳定的溶质耗尽奥氏体，(iii)部分转化成马氏体的不稳定残留奥氏体和(iv)完全转化成马氏体的不稳定残留奥氏体。
由于在铁基体中存在(a)极硬的M7C3碳化物和(b)硬的马氏体结构，因此这些白口铸铁合金耐磨损。
为了保证在使用中足够的耐磨性，重要的是在热处理后的冷却过程中，避免在这些合金的铁基体中形成珠光体。
在实践中通常使白口铸铁合金经历中间的退火工序，故意形成珠光体从而软化合金以便于机械加工。但是，在使用之前，使经机械加工的白口铸铁合金经受最后的热处理工序，以使合金硬化。
在热处理之后的空气冷却期间，可以方便地通过在铁基体中形成马氏体，使AS2027、27％Cr品位(高铬)白口铸铁合金的铁基体硬化。合金中铬的作用之一是在从高温冷却期间抑制珠光体的形成。
但是，铬含量更低如20Cr-2Mo和15Cr-3Mo的白口铸铁合金需要加入钼和/或镍来抑制在热处理后的冷却时形成珠光体，特别是在大型铸件中，即超过10cm厚的铸件。然而，钼和镍均是贵重合金元素，因而大大增加了白口铸铁合金的材料成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种更低成本的白口铸铁合金，以作为上述现有白口铸铁合金的替代品。
本发明基于以下认识，即可以通过用锰替代现有白口铸铁合金中的钼、镍和铬中的至少一些，而以明显更低的成本生产可以制作铸件的白口铸铁合金，该铸件的耐磨性至少与现有白口铸铁合金相当。
根据本发明提供一种白口铸铁合金铸件。该铸件包含下列合金组成，以重量％计：
铬：12-25％；
碳：1.5-6％；
锰：2-7％；
硅：至多1.5％；
钼：至多2％；
镍：至多4％；
微合金元素，选自钛、锆、铌、硼、钒和钨：一种或更多种所述元素中的每一种至多2％；和
铁：余量。
根据本发明还提供一种白口铸铁合金铸件，该铸件包含：
(a)下列合金组成，以wt％计：
铬：12-25％；
碳：1.5-6％；
锰：2-7％；
硅：至多1.5％；
钼：至多2％；
镍：至多4％；
微合金元素，选自钛、锆、铌、硼、钒和钨：一种或更多种所述元素中的每一种至多2％；和
铁：余量；以及
(b)包含分散在铁基体中的15-60体积％的共晶碳化物和一次碳化物的微结构，所述铁基体包含马氏体并且至少基本不含珠光体。
术语“至少基本不含珠光体”表示本发明的目的是在基体中没有珠光体，但同时承认实际上在任何给定条件下可能存在少量珠光体。
因此，术语“基本不含珠光体”在此应该理解为铸件含有不超过2体积％的珠光体。
优选白口铸铁合金包含15-23wt％的铬。
如上所示，铬抑制珠光体的形成，因此当白口铸铁中铬浓度在所述12-25wt％范围内减少时，必须增加锰(或其它添加剂)的浓度以抵消在较低铬浓度下形成珠光体的较高的容易性。使用低浓度铬的一个优点是较低的铬浓度增加了奥氏体的不稳定性。这可导致在白口铸铁中所需硬马氏体相含量的增加。
优选白口铸铁合金包含2.5-6wt％的锰。
本申请人已经发现，随锰浓度的增加，当从沉淀硬化温度冷却时残留奥氏体开始转化为马氏体的温度(Ms温度)降低。当锰浓度超过6wt％的锰时，马氏体转化开始温度可在室温之下，因而基体可主要保持为奥氏体。因此，对于需要高硬度的应用，优选锰含量不超过6wt％。
更优选白口铸铁合金包含2.5-5.5wt％的锰。
特别优选白口铸铁合金包含3.5-5.5wt％的锰。
优选白口铸铁合金包含至多1.5wt％的硅。
优选白口铸铁合金不含镍和钼。
但是，在本发明的范围内，白口铸铁包含钼和镍，所述钼和镍的含量分别可至所述最大值2wt％和4wt％。
优选铁基体包含马氏体和残留的奥氏体。
优选共晶碳化物和一次碳化物包含M7C3碳化物，其中“M”是金属，“C”是碳。
根据本发明还提供一种生产上述白口铸铁合金铸件的方法，包括以下步骤：
(a)形成上述白口铸铁合金的熔体；
(b)将该熔体浇注至模具中以形成铸件；
(c)使该铸件空气冷却至室温。
该方法生成具有微结构的铸件，所述微结构包含分散在铁基体中的15-60体积％的共晶碳化物和一次碳化物，所述铁基体包含马氏体和残留奥氏体并且至少基本不含珠光体。
该方法优选还包括通过下列步骤热处理处于室温的铸件：
(a)加热铸件至高温，此时奥氏体分解，从而在溶质耗尽奥氏体中形成二次碳化物沉淀；和，之后
(b)空气冷却该铸件至室温并将溶质耗尽奥氏体转化为马氏体。
优选奥氏体不稳定化温度范围为950-1000℃。
优选步骤(a)包括将铸件保持在奥氏体不稳定化温度至少4小时，以确保已经发生明显的二次碳化物沉淀。
通过参考以下实验工作进一步描述本发明，实施该实验工作的目的在于将根据本发明的白口铸铁合金铸件的性能与现有白口铸铁合金铸件的性能进行比较。
附图说明
图1为示出基础合金(即不含钼和锰的合金)的收缩特征的膨胀计曲线；
图2为示出传统白口铸铁20Cr-2Mo-2Mn合金的收缩特征的膨胀计曲线；
图3为示出根据本发明的含有4％的锰并且不含钼的基础合金的收缩特征的膨胀计曲线；和
图4为示出根据本发明的含有3％的锰并且不含钼的基础合金的收缩特征的膨胀计曲线。
具体实施方式
实验方案
在电弧熔炉中于惰性气氛下制造若干白口铸铁合金，这些白口铸铁合金的铬、钼和锰水平从基础合金组成(Fe-20Cr-3.3C-0.6Si(wt％))系统变化。然后如下所述加工该合金并利用以下测试程序评价所得样品：
 
测试程序 目标
膨胀测量法 在白口铸铁合金冷却期间发生的相变通常伴随着作为温度函数的合金收缩变化
金相学 通过微结构检验容易地检测珠光体和其它相的存在。
硬度测试 白口铸铁合金中不同的相表现出一定范围的硬度值。
铁素体含量 白口铸铁合金的磁响应指示各种相的存在。
测试结果总结
第一系列基础合金(Fe-20Cr-3.3C-0.6Si(wt％))的针(pin)样品和基础合金的变体在膨胀计中加热到1150℃，保持一个小时以保证平衡，冷却熔炉以得到收缩冷却曲线。
上述测试程序精密模拟铸件固化后在沙模中的冷却速率。因此，样品具有为铸造(as-cast)铸件的代表性特性和微结构的特性和微结构。
针样品经过硬度测试、铁素体含量和金相学检测。
在下表1中列出了每一种合金的金相学、硬度和铁素体测试结果的总结。
表1-测试结果
 
合金(wt％) 测试号 硬度(HV50) 铁素体(％) 微结构
基础合金+2Mn+2Mo OD674 766 32 没有珠光体
基础合金(没有Mn/Mo) OD676 380 49 珠光体
基础合金+1Mn OD677 420 47 珠光体
 
基础合金+2Mn OD673 533 40 珠光体
基础合金+3Mn OD681 719 33 痕量珠光体
基础合金+4Mn OD675 700 24 没有珠光体
下面进一步讨论以上四种合金(OD676、OD674、OD675和OD681)的测试结果，特别是关于膨胀测量结果。
基础合金(OD676)-没有Mo/Mn
在从1150℃的熔炉冷却期间，基础合金(即不含钼和锰的合金)的收缩特征图示于图1的膨胀计曲线中。
在冷却经过该温度范围时，总线性收缩百分比(PLC)是大约2.1％。在大约700℃的温度时冷却曲线中有明显的不连续，这表明在该温度下形成不希望的珠光体。
最终硬度＝380HV50，这是由于在珠光体中存在软铁素体相。
铁素体含量＝49％，这是由于高温奥氏体相完全转化成铁磁性的体心立方铁素体并且没有任何残留的顺磁性面心立方奥氏体。
金相学检测表明在整个微结构存在珠光体。
基础合金+2Mn+2Mo(OD674)
在从1150℃的熔炉冷却期间，传统白口铸铁20Cr-2Mo-2Mn合金的收缩特征图示于图2的膨胀计曲线中。
在冷却经过该温度范围时，总线性收缩百分比(PLC)是大约2.1％。观察到的收缩连续下降到大约300℃的温度，在此温度下线性收缩冷却曲线不连续，这表明开始形成马氏体(Ms温度)。
最终硬度＝766HV50，这是由于存在马氏体。
铁素体含量＝32％，这是由于存在马氏体和一些残留奥氏体。
金相学检测表明在微结构中存在马氏体而没有不希望的珠光体。
基础合金+4Mn(OD675)
在从1150℃的熔炉冷却期间，根据本发明含有4％的锰并且不含钼的基础合金的收缩特征图示于图3的膨胀计曲线中。
在冷却经过该温度范围时，总线性收缩百分比(PLC)是大约2.3％。大约200℃的温度时冷却曲线不连续，这表明在该温度(Ms温度)下开始形成马氏体。
最终硬度＝700HV50，这是由于在冷却至室温时存在奥氏体相部分转化成二次碳化物以及溶质耗尽奥氏体部分分解为马氏体。
铁素体含量＝24％，这是由于在微结构中存在马氏体和一些残留奥氏体。
金相学检测表明在微结构中没有珠光体。
基础合金+3Mn(OD681)
在从1150℃的熔炉冷却期间，根据本发明含有3％的锰并且不含钼的基础合金的收缩特征图示于图4的膨胀计曲线中。
在冷却经过该温度范围时，总线性收缩百分比(PLC)是大约2.0％。在大约230℃的温度时线性冷却曲线不连续，这表明在该温度(Ms温度)下残留奥氏体开始分解成马氏体。
最终硬度＝719HV50，这是由于存在马氏体。
铁素体含量＝33％，这是由于在微结构中存在马氏体和一些残留奥氏体。
金相学检测表明在铁基体中存在痕量不希望的珠光体，否则该珠光体是部分转化成马氏体的溶质耗尽奥氏体。
总之，模拟铸造样品的上述结果表明，根据本发明的基础合金+4Mn(OD675)和基础合金+3Mn(OD681)具有与传统白口铸铁20Cr-2Mn-2Mo合金(OD674)相当的性能，并且性能明显优于基础合金(OD676)，即不含Mn和Mo的基础合金。
如上所示，上述实验方案涉及形成快速冷却的针样品，加热该样品至1150℃以及随后在膨胀计中冷却该样品，从而模拟固化后白口铸铁合金在沙模中的冷却。
实际上，通过热处理使所述铸件最终硬化，通常是通过在950-970℃下保持一段时间并空气冷却至室温来实现的。
为了研究热处理对以上测试范围的白口铸铁合金的影响，如上所述制备的每一种合金的针样品均在960℃下热处理4小时并随后冷却至室温。
在下表2中列出了四种合金(OD674、OD676、OD681和OD675)的金相学、硬度和铁素体测试结果的汇总。
表2-测试结果的汇总
 
合金(wt％) 测试号 硬度(HV50) 铁素体(％) 微结构
基础合金+2Mn+2Mo OD674 857 32 没有珠光体
基础合金 OD676 371 52 珠光体
基础合金+3Mn OD681 779 35 痕量珠光体
基础合金+4Mn OD675 807 33 没有珠光体
从表2中证实，经热处理的根据本发明的基础合金+4Mn(OD675)和基础合金+3Mn(OD681)具有与传统热处理的白口铸铁20Cr-2Mo-2Mn合金(OD674)相当的性能，并且具有明显优于基础合金(OD676)的性能，即明显优于不含Mn和Mo的基础合金的性能。
在另一个系列测试工作中，在电弧熔炉中于惰性气氛下制造若干白口铸铁合金，这些白口铸铁合金的铬、钼和锰水平从基础合金组成(Fe-20Cr-3.3C-0.6Si(wt％))系统变化。然后如下所述处理该合金并通过硬度测试、铁素体含量测试、膨胀法测试和金相学检测评价所得样品。
按下列程序处理样品：
(a)模拟沙模铸件-在膨胀计熔炉中于惰性气氛下以3℃/分钟的速率加热到1150℃，在该温度保持2小时以实现平衡，熔炉冷却至室温；和
(b)模拟铸件的热处理-在膨胀计熔炉中于惰性气氛下以3℃/分钟的速率加热到960℃，在该温度保持4小时，空气冷却至室温以模拟热处理后的微结构。
在下表3和表4中列出了每种合金的金相学、硬度和铁素体测试结果的汇总。
表3-模拟铸件测试结果汇总
 
合金(wt％) 测试号 硬度(HV50) 铁素体(％) 微结构
基础合金+5Mn OD744 666 17 没有珠光体
基础合金+6Mn OD745 574 8.4 没有珠光体
基础合金+7Mn OD759 645 9.6 没有珠光体
基础合金+8Mn OD749 536 2.5 没有珠光体
表4-热处理样品测试结果汇总
 
合金(wt％) 测试号 硬度(HV50) 铁素体(％) 微结构
基础合金+5Mn OD744 727 27 没有珠光体
基础合金+6Mn OD745 629 10 没有珠光体
基础合金+7Mn OD759 622 13.6 没有珠光体
基础合金+8Mn OD749 557 3.8 没有珠光体
以上样品的微结构和膨胀测量评价表明，每个样品的基体中马氏体的量随着锰浓度的增加而减少，当到达高锰浓度(13％)点时，没有马氏体，并且基体包含残留奥氏体。
表4中的数据表明，7wt％以上的锰水平使较软的奥氏体相稳定并抑制其转化为较硬的马氏体相。因此，大于7wt％的锰含量对这些耐磨合金的最终硬度有不利影响。
在不偏离本发明的实质和范围的情况下，可以如上所述对本发明做出许多修改。

Claims (15)

1.一种白口铸铁合金铸件，包含以下合金组成，以重量％计：
铬：12-25％；
碳：1.5-6％；
锰：2-7％；
硅：至多1.5％；
钼：至多2％；
镍：至多4％；
微合金元素，选自钛、锆、铌、硼、钒和钨：一种或更多种所述元素中的每一种至多2％；和
铁：余量。
2.一种白口铸铁合金铸件，包含：
(a)下列合金组成，以wt％计：
铬：12-25％；
碳：1.5-6％；
锰：2-7％；
硅：至多1.5％；
钼：至多2％；
镍：至多4％；
微合金元素，选自钛、锆、铌、硼、钒和钨：一种或更多种所述元素中的每一种至多2％；和
铁：余量；以及
(b)包含分散在铁基体中的15-60体积％的共晶碳化物和一次碳化物的微结构，所述铁基体包含马氏体并且至少基本没有珠光体。
3.权利要求1或权利要求2的铸件，其中所述合金组成包含15-23wt％的铬。
4.前述权利要求任意一项的铸件，其中所述合金组成包含2.5-7wt％的锰。
5.权利要求4的铸件，其中所述合金组成包含3.0-5.5wt％的锰。
6.权利要求4的铸件，其中所述合金组成包含3.5-5.5wt％的锰。
7.前述权利要求任意一项的铸件，其中所述合金组成包含至多1.5wt％的硅。
8.前述权利要求任意一项的铸件，其中所述合金组成不包含镍和钼。
9.权利要求1-7任意一项的铸件，其中所述合金组成包含钼和镍，所述钼和镍的含量分别可至所述最大值2wt％和4wt％。
10.前述权利要求任意一项的铸件，其中所述铁基体包含马氏体和残留奥氏体。
11.前述权利要求任意一项的铸件，其中所述共晶碳化物包含M7C3碳化物，其中“M”是金属，“C”是碳。
12.生产前述权利要求任意一项的白口铸铁合金铸件的方法，包括以下步骤：
(a)形成所述白口铸铁合金的熔体；
(b)将所述熔体浇注至模具中以形成铸件；
(c)使所述铸件空气冷却至室温。
13.权利要求12的方法，还包括通过下列步骤热处理处于室温的铸件：
(a)加热铸件至奥氏体化温度并从铁基体中沉淀二次碳化物；和，之后
(b)空气冷却所述铸件至室温并将溶质耗尽奥氏体转化为马氏体。
14.权利要求13的方法，其中加热温度为950-1000℃。
15.权利要求13或权利要求14的方法，其中步骤(a)包括将所述铸件保持在所述加热温度至少4小时。
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