CN102330014B

CN102330014B - 一种抗磨铸铁材料

Info

Publication number: CN102330014B
Application number: CN 201110337655
Authority: CN
Inventors: 李固成; 禹彬; 王安民; 陈硕
Original assignee: ZHUMADIAN YONGCHENG WEAR-RESISTANT MATERIALS CO LTD
Current assignee: ZHUMADIAN YONGCHENG WEAR-RESISTANT MATERIALS CO LTD
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN102330014A

Abstract

本发明提供了一种抗磨铸铁材料，属于铸铁材料技术领域。该铸铁材料是由以下重量百分比的组分制成：C2.0-3.2%，Si0.6-1.2%，Mn2.0-3.5%，Cr12-22%，Cu0-0.6%，V0.06-0.3%，Ti0.02-0.15%，B0.001-0.003%，Al0.02-0.06%，RE0.02-0.15%，S≤0.06%，P≤0.1%，余量为铁。本发明的抗磨铸铁材料中，采用合适的锰（Mn）及微量的硼（B）合金替代钼、钨、镍等贵金属元素，极大的降低了铸铁材料的生产成本，同时采用合适的锰（Mn）及微量的硼（B）合金提高铸铁材料的淬透性和淬硬性。本发明可以用于制备衬板、锤头、钢球、冶金轧辊、杂质泵过流部件等耐磨部件。

Description

一种抗磨铸铁材料

技术领域

本发明涉及一种抗磨铸铁材料。

背景技术

我国铬系抗磨铸铁材料经历了由低铬铸铁到高铬铸铁发展的历史阶段，尤其是在20世纪70年代后期，高铬铸铁材料得到了空前的发展，应用领域不断拓宽，如用高铬铸铁材料生产制备的冶金轧辊、杂质泵过流部件、衬板、锤头、钢球等。高铬铸铁材料由于合金元素含量高，共晶碳化物（M7C3）呈断续网状分布，硬度（HRC）和冲击韧性（ak）值高，特别是在制备水泥工业球磨机耐磨衬板时，表现了优异的耐磨性，使用寿命是普通高锰钢衬板的4-8倍，是中合金钢衬板的3-6倍，深受市场青睐。

但是，由于单一铬（Cr）合金化铸铁的淬透性和韧性不足，导致铸件心部抗磨能力差或发生早期裂断。为提高淬透性和淬硬性，传统的解决方法是必须添加钼（Mo）、镍（Ni）、铜（Cu）、钨（W）等贵重合金元素来加以改善，如著名的美国cIimax公司的Cr15- Mo2- Cu1和Cr20- Mo2- Cu1等牌号高铬抗磨铸铁，我国GB/T8263---2010《抗磨白口铸铁件》中的BTMCr15Mo2Cu和GB/T24597---2009《铬锰钨系抗磨铸铁件》中的BTMCr12Mn3W2 及BTMCr18Mn3W2等，均未能从根本上摆脱材料对钼等贵重金属的使用。同时，大量使用这些贵重金属会导致抗磨铸铁材料的制造成本增加，而且这些元素都是国家稀缺性的战略资源，势必制约抗磨铸铁材料的发展。

有文献报道，“以锰代钼”制造高铬铸铁杂质泵过流部件，如《机械工程师》杂志1990年1期“高碳高铬锰抗磨铸铁的研制与应用”和《热加工工艺》杂志1999年6期“新型高铬锰耐磨铸铁叶轮的研制”以及《有色设备》杂志2006年1期“高铬锰耐磨铸铁在渣浆泵过流件上的开发应用”等，但是，这种采用“以锰代钼”的铸铁材料中锰（Mn ）元素含量过高，易形成晶粒粗大组织，还会导致材料残余奥氏体的增加，最终影响材料耐磨性的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的不含有钼、镍、钨的铸铁材料，同时提高铸铁材料的耐磨性、抗冲蚀性、淬硬性和淬透性。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种抗磨铸铁材料，是由以下重量百分比的组分制成：C 2.0-3.2%，Si 0.6-1.2%，Mn 2.0-3.5%，Cr 12-22%，Cu0-0.6%，V 0.06-0.3%，Ti 0.02-0.15%，B0.001-0.003%，Al 0.02-0.06%，RE 0.02-0.15%，S≤0.06%，P≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质。

所述Cr和C的质量比Cr/C≥5。

所述的RE为Y。

本发明的抗磨铸铁材料的制备方法如下：采用750kg中频电炉熔炼，潮型石英砂造型加冒口补缩的铸造工艺，按照上述化学成分配料工艺单要求配制熔炼铁液，炉前进行成分分析，调整C、Cr平衡，并予脱氧、终脱氧，用测温仪测温合格后，倾出铁液浇注，浇注温度1360-1420℃。随炉浇注φ4.2×13m水泥球磨机阶梯沟槽衬板一批，并随炉同箱浇注附铸试块90×90×90mm一个，采用850--950℃空冷，250--450℃回火的热处理工艺制度。本发明的抗磨铸铁材料可以用于生产衬板、锤头或钢球。

本发明的抗磨铸铁材料中，采用合适的锰（Mn）及微量的硼（B）合金替代钼、钨、镍等贵金属元素，极大的降低了铸铁材料的生产成本，同时采用合适的锰（Mn）及微量的硼（B）合金提高铸铁材料的淬透性和淬硬性。

添加的RE为稀土变质剂，对铸铁材料进行变质处理，RE的加入量较少，可以采用常规的轻稀土或/和重稀土。作为优化的选择，采用Y基重稀土予以变质处理，Y基重稀土的变质效果略优于Ce基轻稀土：这是因为Y具有较强的净化晶界、减少晶界有害元素和夹杂的偏聚，改善夹杂物的形态、大小和分布，相应减少了应力集中，减少了裂纹源，提高了晶界的结合强度，达到晶界强化的作用，从而提高材料的强度、韧性，减少剥落磨损。其次是明显细化晶粒，消除铸态下粗大的柱状晶和树枝晶组织，达到晶界强化的作用，从而提高材料的强度、韧性。三是可改善碳化物的形态和分布，细化碳化物，将由原来的网状、骨骼状趋于岛状、块状、菊花状或粒状分布，并且分布均匀化，减少了碳化物对基体的割裂作用等。以下通过对比可以看出，Y基稀土可以提高铸铁材料各项性能。如以下附表所示：

试样名称	编号	硬度（HRC）	冲击韧性（aK：J/cm??）
				未加变质剂	A	54	3.5
Ce基轻稀土变质剂	B	56.8	5.1
				Y基重稀土变质剂	C	60.2	7.8

附表说明：①实验用化学成分%：C 3.1%，Si 0.8%，Mn 0.8%，Cr 26%，Mo 1.0%，N 1.0%，Cu 0.6%，稀土变质剂+0.25%，余量铁。②试块90×90×90mm，在试块上提取冲击试样10×10×55mm，无缺口。③金相组织：马氏体﹢碳化物（M7C3）﹢二次碳化物﹢少量残余奥氏体。④碳化物形态：a，呈块状、尖角状，分布不均匀；b，呈块状、尖角状，少量粒状、分布较均匀c，多呈团球状、有少量粒状、分布均匀。

添加的铜元素视铸件壁厚及使用工况条件可添加或不添加。另外本发明的抗磨铸铁材料采用Cr/ C≥5，使材料热处理后能够获得马氏体的基体组织，

添加的钒（V）和钛（Ti）在铸铁材料中起到以下几个作用：①微合金化的作用，细化晶粒，净化晶界，改善碳化物的形态、大小、数量与分布，抑制和改善因锰元素加入量过大易使材料组织晶粒粗化带来的不足，进一步改善和提高材料的综合性能；②钛和钒的加入可以降低稀土变质剂的用量，从而降低生产成本；③钒和钛均是强碳化物形成元素。在铸铁中V会析出碳化物VC或V4C3，其显微硬度高达HV2800（铬合金碳化物M7C3显微硬度只有HV1300-1800）；在铸铁中，Ti既形成碳化物TiC，显微硬度高达HV3200，这些碳化物不仅硬度高，而且和基体组织结合紧密，在磨料磨损过程中既不破碎也不会变形，具有优良抗磨性能。④加入的钛和钒能提高铁水的流动性，生产工艺容易控制。

添加的锰在铸铁中50% 进入基体组织，提高淬透性，促使形成马氏体基体（耐磨基体），但由于锰元素的加入易使这种基体组织晶粒粗大，残余奥氏体（不耐磨基体）多，影响耐磨性；50%左右形成合金碳化物（最耐磨相），但由于锰元素的加入也易使碳化物晶粒粗大，同样影响耐磨性，所以单一以锰代钼材料应用很难实现本发明的目的。因此，利用钒钛生铁中的“钒和钛”等少量有益合金元素，替换化学成分中的钒铁合金和钛铁合金添加量，以细化晶粒，净化晶界，改善碳化物的形态、大小、数量与分布，抑制和改善因锰元素加入量过大易使材料组织晶粒粗化带来的不足，进一步改善和提高了材料的综合性能。

具体实施方式

实施例一

本发明的抗磨铸铁材料的一种实施例为：由以下重量百分比的组分制成：C 2.6%，Si 0.9%， Mn 3.0%， Cr 15%，Cu 0.1%，V 0.22%，Ti 0.08%，B0.002%，Al 0.04%，Y 0.06%，S≤0.06%，P≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质。其中S、P为有害元素，应尽量将少其含量而不需要有意控制其具体含量。

本实施例的铸铁材料是由以下方法制得：采用750kg中频电炉熔炼，潮型石英砂造型加冒口补缩的铸造工艺，按照上述化学成分配料工艺单要求配制熔炼铁液，炉前进行成分分析，调整C、Cr平衡，并予脱氧、终脱氧，用测温仪测温合格后，倾出铁液浇注，浇注温度1360℃。随炉浇注φ4.2×13m水泥球磨机阶梯沟槽衬板一批，并随炉同箱浇注附铸试块90×90×90mm一个，也可以根据需要浇注成其它形状的附铸试块，采用910℃空冷﹢350℃回火的热处理工艺制度。

性能测试：

1、硬度和冲击功试验：用电火花数控线切割机床在热处理后的附铸试块上提取3个试样，提取的试样为10×10×55mm无缺口试样，用台式洛氏硬度计分别测出不同部位的硬度值，平均HRC 60.1（左）、HRC58.9（中）、HRC59.9（右），淬透性很好；在同一试样上用JB-300B半自动冲击试验机上分别测得冲击韧性值aK：6J/cm??、7.2J/cm??、6.2J/cm??，平均6.47 J/cm??。

2、金相组织：金相组织观察分析采用XSP-4XC型三目金相显微镜在同一试样上进行，金相组织观察分析表明试样的淬火、回火组织为：回火马氏体﹢碳化物（M7C3）﹢二次碳化物﹢少量残余奥氏体。碳化物呈菊花状，且细小并分布均匀，是理想的典型的高铬铸铁类材料所要达到的碳化物形状。

3、破坏性试验：将阶梯沟槽衬板砸开一块后，分析发现，该材料颜色纯正，组织细密，表面HRC59.4、60.4、59.6，平均HRC59.8，心部HRC59.4、59.1、58.2、58.9、59，平均HRC58.92，心部与表面相差HRC≦2，说明淬透性很好。

4、耐磨试验﹙工业对比试验﹚：2010年6月将本实施例的铸铁材料制成阶梯沟槽衬板，安装于φ2.6×13m水泥球磨机，安装部位为球磨机一仓前2圈。同时安装的球磨机一仓后侧部分为高锰钢（ZGMn13Cr2）阶梯沟槽衬板。使用至2011年7月，并各卸下一块称重，经对比分析发现：本实施例的铸铁材料的阶梯沟槽衬板光亮如镜，衬板厚端部位磨损量不足2mm，衬板尾端无磨损，铸造表面痕迹清晰可见；高锰钢衬板厚端部位磨损量已达48mm，占有效厚度的50%。据此推算，高锰钢衬板仅能继续使用不足6个月，即高锰钢衬板在水泥球磨机上有效使用寿命约在18个月左右；本实施例铸铁材料衬板仍能继续使用5年以上，即该衬板在水泥球磨机上有效使用寿命约在72个月左右，是高锰钢衬板使用寿命的4倍以上。

实施例二

本发明的抗磨铸铁材料的一种实施例为：由以下重量百分比的组分制成：C 2.0%，Si 0.6%，Mn 3.5%，Cr 12%，V 0.06%，Ti 0.02% ，B0.001%，Al 0.02%，Y 0.02%，S≤0.06%，P≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质。其中S、P为有害元素，应尽量将少其含量而不需要有意控制其具体含量。

本实施例的铸铁材料是由以下方法制得：采用750kg中频电炉熔炼，潮型石英砂造型加冒口补缩的铸造工艺，按照上述化学成分配料工艺单要求配制熔炼铁液，炉前进行成分分析，调整C、Cr平衡，并予脱氧、终脱氧，用测温仪测温合格后，倾出铁液浇注，浇注温度1380℃。随炉浇注φ4.6×7.5m+3.5 m水泥中卸球磨机阶梯衬板一批，并随炉同箱浇注附铸试块90×90×90mm一个，也可以根据需要浇注成其它形状的附铸试块，采用850℃空冷﹢250℃回火的热处理工艺制度

性能测试：

1、硬度和冲击功试验：用电火花数控线切割机床在热处理后的附铸试块上提取3个试样，提取的试样为10×10×55mm无缺口试样，用台式洛氏硬度计分别测出不同部位的硬度值，平均HRC56.2（左）、HRC55（中）、HRC56（右），淬透性较好；在同一试样上用JB-300B半自动冲击试验机上分别测得冲击韧性值aK：5.5J/cm??、6J/cm??、5J/cm??，平均5.5 J/cm??。

3、破坏性试验：将阶梯衬板砸开一块后，分析发现，该材料颜色纯正，组织细密，表面HRC57、55.8、56.2，平均HRC56.3，心部HRC55、55.4、55、55.2、56，平均HRC55.3，心部与表面相差HRC≦2，说明淬透性较好。

4、耐磨试验﹙工业对比试验﹚：2011年3月，将本实施例的铸铁材料制备的衬板试验应用于φ4.6×7.5m+3.5 m水泥中卸球磨机上，共装机25块，单重42kg，总重1050kg。随同装机对比的有高锰钢（ZGMn13Cr2）衬板25块，单重42kg，总重1050kg。使用至2011年9月，分别卸下5块称重：本实施例的铸铁材料衬板5块净重209kg，6个月仅磨耗1kg，约占总重量的0.48%；高锰钢衬板5块净重185kg，6个月磨耗25kg，约占总重量的12%。

实施例三

本发明的抗磨铸铁材料的一种实施例为：由以下重量百分比的组分制成：C 3.2%，Si 1.2%，Mn 2.0%，Cr 22%，Cu 0.6%，V 0.3%，Ti 0.15%，B0.003%，Al 0.06%，Y 0.15%，S≤0.06%，P≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质。其中S、P为有害元素，应尽量将少其含量而不需要有意控制其具体含量。

本实施例的铸铁材料是由以下方法制得：采用750kg中频电炉熔炼，潮型石英砂造型加冒口补缩的铸造工艺，按照上述化学成分配料工艺单要求配制熔炼铁液，炉前进行成分分析，调整C、Cr平衡，并予脱氧、终脱氧，用测温仪测温合格后，倾出铁液浇注，浇注温度1420℃。随炉浇注破碎机双金属镶铸复合锤头一批（锤柄为事先已铸45﹟钢，锤头为高铬铸铁），并随炉同箱浇注附铸试块110×110×110mm一个，也可以根据需要浇注成其它形状的附铸试块，采用950℃空冷﹢450℃回火的热处理工艺制度。

性能测试：

1、硬度和冲击功试验：用电火花数控线切割机床在热处理后的附铸试块上提取3个试样，提取的试样为10×10×55mm无缺口试样，用台式洛氏硬度计分别测出不同部位的硬度值，平均HRC 61.8（左）、HRC60.6（中）、HRC63（右），淬透性很好；在同一试样上用JB-300B半自动冲击试验机上分别测得冲击韧性值aK：6J/cm??、5.2J/cm??、5J/cm??，平均5.4J/cm??。

3、破坏性试验：将双金属复合锤头砸开一块后，分析发现，该材料颜色纯正，组织细密，表面HRC62.8、61.2、61，平均HRC61.6，心部HRC61.4、61、60、60.3、61，平均HRC60.74，心部与表面相差HRC≦2，说明淬透性很好。

4、耐磨试验﹙工业对比试验﹚：2011年4月，将本实施例的铸铁材料制成锤头，同时生产高锰钢（ZGMn13Cr2）锤头，安装于破碎机上。为了增加对比性，在同一台破碎机上分别装上本实施例铸铁材料锤头和高锰钢锤头进行试验，整套锤头50个。破碎机转速为750r/min，电机功率为130kw，破碎物料为水泥熟料，莫氏硬度10-12，每天破碎量基本不变，使用到不能正常破碎物料为止。结果表明：本实施例铸铁材料锤头的使用寿命为140-160天，高锰钢锤头使用寿命30-35天，复合锤头是高锰钢锤头的4倍以上，表现了良好耐磨性。

Claims

1.一种抗磨铸铁材料，其特征在于：是由以下重量百分比的组分制成：C 2.0-3.2%，Si 0.6-1.2%，Mn 2.0-3.5%，Cr 12-22%，Cu 0-0.1%，V 0.06-0.3%，Ti 0.02-0.15%，B0.001-0.003%，Al0.02-0.06%，RE 0.02-0.15%，S≤0.06%，P≤0.1%，余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的抗磨铸铁材料，其特征在于：所述Cr和C的质量比Cr/C≥5。

3.根据权利要求1或2所述的抗磨铸铁材料，其特征在于：所述的RE为Y。