CN101886205B - 一种耐磨铸铁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐磨铸铁合金，按照重量百分比包括下列成分：C 3.6％～3.8％，Mn 1.7％～2.5％，Sb 2％～4％，S 0.5％-1.1％，Ti 0.5％-0.9％，Si 1.9％-2.4％，Pr 0.05％-0.09％，Nd 0.05％～0.2％，Gd 0.05％-0.1％，余量为Fe，其中杂质P不大于0.02％。该耐磨铸铁上带有细小而分散的起耐磨作用的颗粒，因此该复合材料不仅普通力学性能优越，硬度和冲击韧性得到提高，而且同时具有很好的耐磨作用。本发明还提供了一种耐磨铸铁合金的制备方法，本方法十分简便，生产的合金材料性能好，采用这种方法制备的耐磨铸铁，能够提高整体强度、硬度和耐磨性，延长寿命。而且生产成本低，非常便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨铸铁合金及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
目前金属材料领域中，铸铁的耐磨性能受到了越来越多的重视。现有的技术中也已经公开了不少耐磨铸铁，如中国专利CN200810169536.0中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。中国专利CN200810104993.1中公开了一种耐磨铸铁，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。本专利中将铸件于980～1050℃保温4～6h，再于250～500℃保温8～10h，得到本发明铸铁。中国专利CN93111103.X涉及一种耐磨铸铁，特别是一种稀土硼多元合金耐磨铸铁。其化学成分(重量％)为C：3.00～3.70，B：0.05～0.30，Mn：0.40～1.50，Si：0.55～1.00，Mo：0～0.50，Cu：0～1.00，P＜0.07，S＜0.07，Re：0.01～0.05，余量为Fe。
但是现有技术的耐磨铸铁中仍然存在着下列不足之处：1)合金元素含量过多，生产中难以控制；2)使用稀贵元素，生产成本高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种耐磨铸铁合金及其制备方法。
本发明的耐磨铸铁合金，按照重量百分比包括下列成分：C3.6％～3.8％，Mn 1.7％～2.5％，Sb 2％～4％，S 0.5％-1.1％，Ti0.5％-0.9％，Si 1.9％-2.4％，Pr 0.05％-0.09％，Nd 0.05％～0.2％，Gd 0.05％-0.1％，余量为Fe，其中杂质P不大于0.02％；
优选地，本发明的耐磨铸铁材料，按照重量百分比包括下列成分：C 3.7％，Mn 1.9％，Sb 3％，S 0.9％，Ti 0.7％，Si 2％，Pr 0.07％，Nd0.09％，Gd 0.08％，杂质P 0.01％，余量为Fe。
本发明合金各成分及其成分的含量的选择基于下列理由：
C：含量为3.6％～3.8％，用于形成石墨，保证铸造流动性，C含量低于3.6％，不易形成石墨，铸造流动性差；C含量高于3.8％，石墨粗大，力学性能变差；
Mn：含量为1.7％～2.5％，用于强化固溶体，保证力学性能，Mn含量低于0.5％，不能保证力学性能，Mn含量高于0.9％，影响石墨化；
Sb：含量为2％～4％，Sb和Fe、Ti、S可形成复杂的硬质硫锑复杂化合物，起耐磨和抵抗配副的破坏作用，解决铸铁初始磨损严重的问题，大大提高使用寿命，Sb低于2％，达不到效果；Sb高于4％，Sb、Fe、Ti、S硬质复杂化合物增多，会降低合金的韧性和抗拉强度；
S：含量为0.5％-1.1％，S和Sb、Fe、Ti可形成复杂的硬质硫锑复杂化合物，起耐磨和抵抗配副的破坏作用，解决铸铁初始磨损严重的问题，大大提高使用寿命；S低于0.5％，达不到效果；S高于1.1％，Sb、Fe、Ti、S硬质复杂化合物增多，会降低合金的韧性和抗拉强度。
Ti：含量为0.5％-0.9％，Ti和Sb、Fe、S可形成复杂的硬质硫锑复杂化合物，起耐磨和抵抗配副的破坏作用，解决铸铁初始磨损严重的问题，大大提高使用寿命；Ti低于0.5％，达不到效果；Ti高于0.9％，Sb、Fe、Ti、S硬质复杂化合物增多，会降低合金的韧性和抗拉强度。
Si：含量为1.9％-2.4％，用于提高合金的铸造流动性，Si低于1.9％，不能保证铸造流动性；Si高于2.4％，破坏复杂化合物形成。
Pr：含量为0.05％-0.09％，Pr和Nd、Gd共同作用可增加形核核心，细化复杂化合物颗粒，Pr有圆整复杂化合物颗粒的作用。Pr低于0.05％，达不到效果；Pr高于0.09％，Pr为稀土元素，过多使用，不仅提高材料成本，也会形成一些过量化合物，降低材料的力学性能；
Nd：含量为0.05％-0.2％，Nd和Pr、Gd共同作用可增加形核核心，细化复杂化合物颗粒。Nd低于0.05％，达不到效果；Nd高于0.2％，Nd为稀土元素，过多使用，不仅提高材料成本，也会形成一些过量化合物，降低材料的力学性能；
Gd：含量为0.05％-0.1％，Gd和Pr、Nd共同作用可增加形核核心，细化复杂化合物颗粒。Gd低于0.05％，起不到作用；Gd高于0.1％，Gd为稀土元素，过多使用，不仅提高材料成本，也会形成一些过量化合物，降低材料的力学性能；
P为杂质元素，限定在最大范围。
该耐磨铸铁上带有细小而分散的起耐磨作用的颗粒，因此该复合材料不仅普通力学性能优越，硬度和冲击韧性得到提高，而且同时具有很好的耐磨作用。
本发明的耐磨铸铁合金的制备方法，包括下列步骤：
1)准备各组分的原料，其中C用增碳剂，Mn用纯锰片，Si用硅块，Sb和Ti用纯金属块，Pr、Nd、和S分别用含Pr55％的镨铁、含Nd75％的钕铁和含S25％的硫铁，Gd用含Gd60％的钆铁，铁用Z14生铁和20钢板，Pr、Nd和Gd的原料的颗粒尺寸为5-10mm；
2)将C、S、Ti、Mn、Sb、Si的原料、20钢板及生铁加入电炉熔化，熔化温度为1390-1420℃，将Pr、Nd和Gd的原料放在铁水包的底部；
3)将熔化好的合金液倒入底部装有Pr、Nd和Gd原料的包中，搅拌；当包内合金液温度达到1400℃时便浇铸成形，形成铸态耐磨铸铁，再将材料经230-280℃热处理保温3-5小时后，即制备而成。
本发明的耐磨铸铁合金的制备方法简便，对杂质元素S的成分限量放宽，生产的合金材料性能好，采用这种方法制备的耐磨铸铁，能够提高整体强度、硬度和耐磨性，延长寿命。而且生产成本低，非常便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的耐磨铸铁合金的金相组织。
具体实施方式
实施例1
本实施例的耐磨铸铁合金按照重量百分比包括下列成分：C为3.6％，Mn为1.7％，P为0.01％，Sb为2％，S为0.5％，Ti为0.5％，Si为1.9％，Pr为0.05％，Nd为0.05％，Gd为0.05％，其余为Fe。该耐磨铸铁上带有细小而分散的起耐磨作用的颗粒，如图1所示，可以看到耐磨铸铁基体上分布有细小的复杂化合物。
本实施例的耐磨铸铁合金的制备，包括下列步骤：
1)准备各组分的原料，其中C用增碳剂，Mn用纯锰片，Si用硅块，Sb和Ti用纯金属块，Pr、Nd、和S分别用含Pr55％的镨铁、含Nd75％的钕铁和含S25％的硫铁，Gd用含Gd60％的钆铁，铁用Z14生铁和20钢板，Pr、Nd和Gd的原料的颗粒尺寸为5-10mm；
2)将C、S、Ti、Mn、Sb、Si的原料、20钢板及生铁加入电炉熔化，熔化温度为1390-1420℃，将Pr、Nd和Gd的原料放在铁水包的底部；
3)将熔化好的合金液倒入底部装有Pr、Nd和Gd原料的包中，搅拌；当包内合金液温度达到1400℃时便浇铸成形，形成铸态耐磨铸铁，再将材料经230-280℃热处理保温3-5小时后，即制备而成。
实施例2
本实施例的耐磨铸铁合金按照重量百分比包括下列成分：C为3.8％，Mn为2.5％，P为0.01％，Sb为4％，S为1.1％，Ti为0.9％，Si为2.4％，Pr为0.09％，Nd为0.2％，Gd为0.1％，其余为Fe。该耐磨铸铁上带有细小而分散的起耐磨作用的颗粒。制备方法参照实施例1。
实施例3
本实施例的耐磨铸铁合金按照重量百分比包括下列成分：C为3.7％，Mn为1.9％，P为0.01％，Sb为3％，S为0.9％，Ti为0.7％，Si为2％，Pr为0.07％，Nd为0.09％，Gd为0.08％，其余为Fe。该耐磨铸铁上带有细小而分散的起耐磨作用的颗粒。制备方法参照实施例1。
对照例1
本对照例的耐磨铸铁合金按照重量百分比包括下列成分：C为3.5％，Mn为1.6％，P为0.03％，Sb为1％，S为0.4％，Ti为0.4％，Si为1.7％，Pr为0.04％，Nd为0.04％，Gd为0.04％，其余为Fe。制备方法参照实施例1。
对照例2
本对照例的耐磨铸铁合金按照重量百分比包括下列成分：C为3.9％，Mn为3％，P为0.04％，Sb为5％，S为2％，Ti为1，Si为3％，Pr为0.1％，Nd为0.3％，Gd为0.12％，其余为Fe。制备方法参照实施例1。
实施例4
比较背景技术、对照例和实施例中的耐磨铸铁合金的硬度和冲击韧性，其结果如表1所示：
表1 合金性能对照：
| 合金 | 硬度/HRC | 冲击韧性/KJ/m2 |
| CN93111103.X | 52-54 | 7.5-8 |
| CN200810104993.1 | - | 10.8-11.6 |
| 实施例1 | 56 | 12 |
| 实施例2 | 57 | 15 |
| 实施例3 | 57 | 14 |
| 对照例1 | 40 | 3 |
| 对照例2 | 56 | 2 |
从上表可以看出，实施例1-3的耐磨铸铁的硬度和冲击韧性都要优于对照例和背景技术中的耐磨铸铁，本发明的耐磨铸铁合金具有更好的合金性能。
Claims (4)
1.一种耐磨铸铁合金，其特征在于，按照重量百分比包括下列成分：C 3.6％～3.8％，Mn 1.7％～2.5％，Sb 2％～4％，S 0.5％-1.1％，Ti 0.5％-0.9％，Si 1.9％-2.4％，Pr 0.05％-0.09％，Nd 0.05％～0.2％，Gd 0.05％-0.1％，余量为Fe，其中杂质P不大于0.02％。
2.根据权利要求1所述的耐磨铸铁合金，其特征在于，按照重量百分比包括下列成分：C 3.7％，Mn 1.9％，Sb 3％，S 0.9％，Ti 0.7％，Si 2％，Pr 0.07％，Nd 0.09％，Gd 0.08％，杂质P 0.01％，余量为Fe。
3.一种制备耐磨铸铁合金的方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)准备各组分的原料，其中C用增碳剂，Mn用纯锰片，Si用硅块，Sb和Ti用纯金属块，Pr、Nd、和S分别用含Pr55％的镨铁、含Nd75％的钕铁和含S25％的硫铁，Gd用含Gd60％的钆铁，铁用Z14生铁和20钢板，Pr、Nd和Gd的原料的颗粒尺寸为5-10mm，其中，各成分重量百分比如下：C 3.6％～3.8％，Mn 1.7％～2.5％，Sb 2％～4％，S 0.5％-1.1％，Ti 0.5％-0.9％，Si 1.9％-2.4％，Pr 0.05％-0.09％，Nd 0.05％～0.2％，Gd 0.05％-0.1％，余量为Fe，其中杂质P不大于0.02％；
2)将C、S、Ti、Mn、Sb、Si的原料、20钢板及生铁加入电炉熔化，熔化温度为1390-1420℃，将Pr、Nd和Gd的原料放在铁水包的底部；
3)将熔化好的合金液倒入底部装有Pr、Nd和Gd原料的包中，搅拌；当包内合金液温度达到1400℃时便浇铸成形，形成铸态耐磨铸铁，再将材料经230-280℃热处理保温3-5小时后，即制备而成。
4.根据权利要求3所述的耐磨铸铁合金的制备方法，其特征在于，步骤1)中各成分的重量百分比为：C 3.7％，Mn 1.9％，Sb 3％，S 0.9％，Ti 0.7％，Si 2％，Pr 0.07％，Nd 0.09％，Gd 0.08％，杂质P0.01％，余量为Fe。
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