CN102146546B - 一种用于固体物料输送管的高流动性高耐磨性合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于固体物料输送管的高流动性、高耐磨性合金材料。其合金组成含量选择方案为：接近Fe-C-Cr三元相图两相共晶线；含有0.10～0.50％(重量)的磷元素；高含碳量的高耐磨、高流动性合金。本发明合金的显微组织特征是以马氏体和残余奥氏体为基体相，铬的碳化合物为主要硬质强化相，基体相与硬质强化相间结合牢固，且硬质强化相的显微硬度可高达1200-1600HV50，宏观硬度高达HRC50-65以上。有益效果是：具有较好的合金流动性，因此特别适合通过消失模铸造的方法来生产各种管件、弯头、三通、阀门、泵叶等耐磨、薄壁制件。

Description

一种用于固体物料输送管的高流动性高耐磨性合金材料

技术领域

本发明涉及一种用于固体物料输送管的高流动性高耐磨性合金材料，属于铸造技术领域。特别适用于铸造生产各种管件、弯头、三通、阀门、泵叶等耐磨、薄壁铸件。

背景技术

研究和发展新型耐磨材料，减少金属磨损，对国民经济具有重要的意义。在现有的耐磨材料中，高铬白口铸铁是一个重要的分支，其成分特点为高碳高铬，其微观组织特点为基体金属上弥散分布有碳化铬硬质相。其缺点主要是合金含量高，对于壁厚较薄的零件，合金使用量偏大，合金浪费大。

镍硬白口铸铁也是一类重要的耐磨材料，该类合金是国际镍公司Climax在1928年研制成功的，它是在普通白口铸铁中加入3.0％～5.0％的Ni和1.5％～3.0％的Cr，铸态组织为(Fe+Cr)₃C+马氏体+奥氏体。在较高含铬量的镍硬IV型铸铁中，出现了部分M₇C₃型碳化物，在一定程度上破坏了碳化物的网状分布，从而改善了韧性。镍硬白口铸铁在强度、硬度和耐磨性方面都优于普通白口铸铁且生产工艺简单，故得到了广泛应用。但该类耐磨合金材料存在如下两个缺点：1、由于碳化物主要是连续片状的渗碳体，脆性较大。近年来虽然研究通过热处理方法获得贝氏体+回火马氏体，以得到较高的综合力学性能，但是抗磨损能力仍旧有限；2、对镍元素的需求较大，因而成本较高。近年来为了节约镍，开展了以锰、铜代镍的研究工作，试验结果表明，要得到相同的性能，镍只能被部分代替。

高锰钢也是目前应用较为广泛的一种耐磨材料，其铸态组织是奥氏体+马氏体+碳化物，水韧处理后为单一奥氏体组织。高锰钢的主要特征是屈服强度低，具有极高的韧性，使用中易变形，但可以产生加工硬化，从而具有良好的耐磨性。但是高锰钢的主要缺点是：必需有较大的冲击载荷和高应力，才能使组织得到有效硬化，从而起到抵抗磨损的作用。对于低应力使用工况，高锰钢的耐磨性很差，因此用于固体物料输送管道是不适用的。

如将高耐磨性合金铸铁用于固体物料输送管道的双金属铸造，存在的主要问题是流动性差，内部高耐磨合金层的厚度不能小于16毫米，若厚度小于16毫米，便会发生浇不足缺陷，使产品成品率大幅度降低；如选择过厚的合金层，除管道重量增加、产品成本提高外，还导致凝固晶粒组织粗大，材料耐磨性降低。为此，选择一种即具有高耐磨性的合金材料，又具有良好铸造流动性的材料，是非常重要的。

为此，发明人就以上内容，对相关耐磨材料及铸造工艺专利检索，其相关内容引述如下：

1、中国专利200810150461.1，公开了一种公开了一种铁硼铸造耐磨合金中硬质相Fe2B的韧化处理方法，该专利涉及的硬质相为Fe₂B且强调通过热处理得到较好的韧性，一般不用于固体物料输送管的铸造成形。

2、中国专利95112491.9，公开了一种低合金耐磨铸钢管及其铸造方法，该专利由于强调可焊性而将成分控制在低碳范围，因而发挥耐耐磨作用的硬质相与本专利不同，且使用离心铸造方法生产铸钢管。

3、中国专利97100251.7，公开了一种高硬度可焊耐磨铸造合金，该专利强调材料的焊接性，一般不用于固体物料输送管的铸造成形。

4、中国专利01107155.9，公开了一种高抗磨离心铸管，该专利的成分特征是：C0.25～0.55％，Si1.0～2.0％，Mn2.0～3.0％，B0.0005～0.005％，S≤0.035％，P≤0.035％，余量为Fe，因此该专利所公开的合金也属低碳合金材料，且该材料采用离心铸造。

5、中国专利02132929.X，公开了一种铸造铬钨多元低合金耐磨钢及其生产工艺，该专利的成分特征是：碳0.3-0.6％、硅0.8-1.4％、锰0.8-1.2％、铬1.8-2.5％、钨0.6-1.5％、钼0.5-0.6％、铜0.5-0.6％、钒0.08-0.15％、稀土0.06-0.12％，其余为铁，因此该专利所公开的合金也属低碳合金材料，且该材料合金流动性有限，对于薄壁管类零件的铸造不适应。

上述所列耐磨材料均有以下缺陷或不足：

1、硬质相提高耐磨性有限；

2、合金流动性较差，不适宜采用消失模铸造生产薄壁管件。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种用于固体物料输送管的高流动性高耐磨性合金材料，基本能够克服上述耐磨材料的缺点，因而可以获得性能更为优越的耐磨、薄壁产品。

本发明专利的技术方案如下：一种用于固体物料输送管的高流动性高耐磨性合金材料，合金的组成重量％为接近Fe-C-Cr三元相图两相液相共晶线范围的成分；含有0.10～0.50％(重量)的磷元素，降低液相线及共晶温度，延长合金保持液态的时间，使合金具有较好的流动性；铬的合金碳化合物的含量均匀分布在基体相上，提高了合金的耐磨性；根据合金中铬含量不同，减少碳和铜合金含量，分为四类，各元素含量的重量百分比为：

第I类，铬5.0-7.0％，碳3.6-4.0％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.8-1.5％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁；

第II类，铬13.0-16.0％，碳3.2-3.8％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.5-1.0％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁；

第III类，铬19.0-21.0％，碳2.9-3.3％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.3-0.8％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁；

第IV类，铬26.0-29.0％，碳2.5-3.0％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.3-0.8％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁。

上述合金材料设计原则是：1)合金成分控制在Fe-C-Cr三元相图两相液相线附近；2)含有0.10％～0.50％的磷元素存在，以降低液相线及共晶温度，延长液态保持时间，增加合金的流动性。另外磷元素可以产生断续、碎网状、细小而均匀分布的磷共晶，该共晶组织一方面起着支撑骨架的作用，同时提高了耐磨性，3)高含碳量的成分，大幅度增加硬质相铬的碳化合物的体积分数，从而显著的提高固体物料输送管道的耐磨性。

合金的显微组织特征是以马氏体和残余奥氏体为基体相，铬的碳化合物为主要硬质强化相，另外由于合金成分在三元相图两相液相线附近，且由于有磷元素的存在，使合金具有较好的流动性，因此特别适合用来铸造生产各种管件、弯头、三通、阀门、泵叶等耐磨、薄壁产品。

熔炼时，可以选用电弧炉，也可以选用感应炉，首先加入废铁废钢原料，待熔清后，再加入铬铁，炉料配比根据铬元素的含量来确定，待炉料全部熔化后进行炉前取样成分分析，根据分析结果，如果铬元素低于上述范围，则再补加铬元素的原料，如果高于上述范围，则再加碳钢料或生铁，最终调整炉料成分配比合格。出炉前，根据此时的炉料总量将锰铁合金加入熔炼炉，最后加入脱氧剂，搅拌、扒渣，1600℃左右出炉，以适当的浇注速度进行浇注。

以上合金材料铸造完毕后，无需进行淬火热处理，仅需通过低温回火，以减少铸造应力。

本发明合金的显微组织特征是以马氏体和残余奥氏体为基体相，铬的碳化合物为主要硬质强化相，基体相与硬质强化相间结合牢固，且硬质强化相的显微硬度可高达1200-1600HV50，宏观硬度高达HRC50-65以上，且具有较好的合金流动性。

本发明的有益效果是：

1.合金成分有效控制了Cr的含量，避免了Ni元素的应用，降低了成本；

2.合金的显微组织特征是以马氏体和残余奥氏体为基体相，铬的碳化合物为主要硬质强化相，基体相与硬质强化相间结合牢固，合金具有较好的耐磨性、抗疲劳性和韧性，综合力学性能优良；

3.合金具有较好的流动性，因此特别适合用于铸造生产各种管件、弯头、三通、阀门、泵叶等耐磨、薄壁制件。

附图说明

图1是利用本发明铸造的矿山设备用泥浆输送管示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-图3所示为某矿山设备用泥浆输送管示意图，管体有两道垂直弯折，且两端配焊有法兰结构，每个净重约40kg。

熔炼时候，采用430kg中频感应熔炼炉，每炉浇注10个。首先加入生铁和废钢180kg置于炉底，再加入回炉料160kg。待炉料全部熔化后加入铬铁？、纯铜？及磷铁？，升温至1600℃左右进行炉前取样成分分析，元素成分合格后，将1号锰铁3kg及加入熔炼炉，最后加入1kg铝进行脱氧，充分搅拌、扒渣，升温2分钟出炉浇注。出炉钢水的成分为(重量％)：C3.0，Cr17，Mn1.5，Mo0.5，P0.5，Cu0.8，稀土0.6，余量为Fe，为上述第III类所显示的比例。

采用消失模铸造方法生产固体物料双金属输送管。该实施例所得钢管的力学性能指标如下：屈服强度840MPa，抗拉强度1050MPa，冲击值19.8J，洛氏硬度HRC＝68。金相组织呈现为为马氏体基体相，并有残余奥氏体，硬质相为铬的合金碳化合物。

Claims (1)

1.一种用于固体物料输送管的高流动性高耐磨性合金材料，其特征在于：合金的组成含量重量％为接近Fe-C-Cr三元相图两相液相共晶线范围的成分；含有0.10～0.50％(重量)的磷元素，降低了液相线及共晶温度，延长了合金保持液态的时间，使合金具有较好的流动性；铬的合金碳化合物的含量，均匀分布在基体相上，提高了合金的耐磨性；根据合金中铬含量不同，减少碳和铜合金含量，分为四类，各元素含量的重量百分比为：

第I类，铬5.0-7.0％，碳3.6-4.0％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.8-1.5％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁；

第II类，铬13.0-16.0％，碳3.2-3.8％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.5-1.0％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁；

第III类，铬19.0-21.0％，碳2.9-3.3％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.3-0.8％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁；

第IV类，铬26.0-29.0％，碳2.5-3.0％，钼0-0.5％，锰0.5-1.3％，铜0.3-0.8％，稀土0-0.5％，磷0.10-0.50％，余量为铁。