CN102925783A

CN102925783A - 一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法

Info

Publication number: CN102925783A
Application number: CN2012103784702A
Authority: CN
Inventors: 皇志富; 邢建东; 高义民; 马胜强; 李烨飞
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法，包括以下步骤：采用废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁和硅铁作为熔炼用原材料，按以下重量百分比的化学组成：3.0-4.5%C，15-35%Cr，0.5-1.5%Mn，0.5-1.5%Si，＜0.06%P、＜0.06%S，其余为Fe进行配料；原料在电炉中熔化后脱氧，然后将铸液迅速出炉倒入浇包；当温度降至1300℃-1350℃时，将铸液倒入砂型浇注成形；将铸件放入电炉中加热至700℃～1000℃保温，然后迅速出炉放入锻机上进行锻造变形处理；最后对锻件进行回火处理，最终得到过共晶高铬铸铁。

Description

一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高铬铸铁的制造技术，特别是一种耐磨的过共晶高铬白口铸铁的制备方法。

背景技术

高铬白口铸铁是一类应用非常广泛的重要耐磨材料，由于其组织中大量存在的高硬度M₇C₃型碳化物而具有优良的耐磨性，同时该碳化物形貌呈杆状分布而较其它白口铸铁的韧性有所改善。高铬白口铸铁中的铬元素不仅可有效提高材料在浆料中的腐蚀抗力，同时大量存在的含铬的硬质相M₇C₃型碳化物有力地提高了材料的磨损抗力，提高了耐磨件使用寿命。因此广泛用于冶金、矿山、水利、电力、化工等领域的各类磨损部件。

在高铬白口铸铁中，碳化物数量的增加对磨损抗力的变化具有重要的影响，但碳化物数量提高到一定程度，将会出现粗大的初生碳化物，导致高铬白口铸铁的韧性急剧下降，服役安全性降低，从而使过共晶高铬白口铸铁失去使用价值。因而，目前用于这一类部件的高铬白口铸铁为碳当量通常以不超过共晶点上限的亚共晶高铬白口铸铁。

过共晶高铬白口铸铁的抗磨性优于工业上常用的亚共晶高铬白口铸铁，二者成本相当，所以过共晶高铬白口铸铁性价比高。但是由于过共晶白口高铬铸铁中存在大量粗大的硬脆相碳化物，使韧性显著降低，限制了其工业化应用。在保证过共晶高铬白口铸铁高硬度、高耐磨性的同时，若想提高其韧性，最有效地办法就是细化其中初生碳化物。可见，通过细化碳化物、改善其分布和形态，是提高过共晶高铬白口铸铁韧性的重要技术手段。为提高过共晶高铬白口铸铁的韧性，国内外研究人员进行了大量的实验。

发明专利CN1769508A公开了一种低成本高耐磨的过共晶高铬铸铁及其制备方法，其主要成分为C：3.5～4.5％，Mn：1.0～3.0％，Cr：17～30％，Si：0.5～1.5％，Cu：1.0～2.0％，P：≤0.06％，S：≤0.06％，Ni≤1％，余量为铁。其制备方法是采用二次孕育变质处理的方法细化初生碳化物，包内孕育剂的中间合金含有的TiN、NbN等颗粒作为促进初生碳化物形核的基体，增加初生碳化物的形核数量。稀土、镁和钾等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化。随流孕育剂的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物来不及长大，从而达到细化初生碳化物的目的。该发明通过预加含TiN、NbN等颗粒的中间合金在包内孕育，作为初生碳化物的异质形核基底。但TiN、NbN等颗粒在铁水中易团聚，分布均匀性较差，使碳化物的形态和分布均匀性较差，导致铸件性能波动较大。

发明专利CN101173340A公开了一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法。高碳高铬铸铁化学组成成分是(重量百分比)：4.5-5.5C，22.5-30.8Cr，3.0-5.0V，0.7-1.2Mn，0.2-0.5Nb，0.5-1.0Ti，0.08-0.20Mg，0.05-0.20Na，0.05-0.20RE，Si＜1.0，其余为Fe和不可避免的微量杂质。铸态高碳高铬铸铁在出炉时用钒铁颗粒孕育，并用稀土镁合金和钠盐进行复合变质处理，在200-280℃下进行去应力退火处理后可直接使用。该发明虽然不需要淬火处理，能耗低，生产周期短。但是稀土镁合金和钠盐进行复合变质处理效果不稳定，而且在高温下易燃烧和挥发，会造成环境污染。

专利文献WO8404760-A1和EP147422-A1公开了一种耐磨铸造过共晶高铬白口铸铁，其主要成分（Wt%）为:C＞4.0；Cr25-45；Mn0-15；Mo0-10；Ni0-10；B0-2；Ti，V，W，Ta和Nb至少加入一种，每一种元素加入量＜5.0且Ti，V，W，Ta和Nb的总量小于15.0%。这种合金采用低温浇注，浇注温度不超过液相线温度100℃。获得的初生碳化物尺寸约为75μm。由于这种材质需要较低的浇注温度，在浇注薄壁、复杂件时成形困难，且加入价格较贵的Mo、Ni等元素，导致生产成本过高。专利文献WO2004/103608介绍了一种用消失模生产的过共晶高铬铸铁的方法，可用于生产渣浆泵、旋流器等破碎设备的部件。该方法中模具投资大，不适于单件或小批量铸件的生产；孕育剂的粒度较小，一般不超过100μm，其表面的氧化物等杂质相对较多，会污染铸件的组织，从而不利于其韧性提高。

R.J Llewellyn等人发表的论文《Scouring erosion resistance of metallicmaterials used in slurry pump service》介绍了一种用常规铸造生产的初生碳化物细化的过共晶高铬白口铸铁(5C-35%)的耐冲蚀磨损性能，但是该论文并没有给出细化初生碳化物晶粒的方法。

张山纲等人发表的《高碳高铬白口铸铁材料及其应用》一文主要内容为：在低温浇注的条件下，通过在铁液中加入一种细化剂（没有提供细化剂的成分）和1%左右的0.2～0.3mm合金铁丸，虽然达到了使过共晶合金（4.0-6.0C-30.0～40.0%）中初生碳化物细化的效果，但是由于采用低温浇注的方法，使铸件易产生冷隔等缺陷，成品率较低，质量不稳定。

本申请发明人曾加入钛、硼元素细化过共晶高铬白口铸铁中的初生碳化物，虽然细化效果明显，但是成形性不易控制，铸件中易产生缩孔、缩松等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化物的形态和分布均匀、细化效果明显、材料组织致密的过共晶高铬白口铸铁的制备方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁和硅铁作为熔炼用原材料，按以下重量百分比的化学组成：3.0-4.5%C，15-35%Cr，0.5-1.5%Mn，0.5-1.5%Si，＜0.06%P、＜0.06%S，其余为Fe进行配料；

步骤二：将废钢、生铁先混合，在电炉中熔化，待铁水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清，再进一步加入高碳铬铁后熔清；铸液至温度达到1450℃后采用铝丝脱氧，然后将铸液迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理；

步骤三：当浇包中的铸液温度降至1300℃-1350℃时，将铸液倒入砂型浇注成形，8小时后打箱取出铸件，进行表面清理；

步骤四：将清理干净后的铸件放入电炉中缓慢加热至700℃～1000℃，保温一段时间，使铸件内外温度均匀化，然后迅速出炉放入锻机上进行锻造变形处理，同时起到空淬的作用；

步骤五：对锻造变形处理后的锻件然后进行回火处理，进一步消除铸件内部应力，最终得到过共晶高铬铸铁。

上述方法中，步骤四中所述的缓慢加热，升温速率＜200℃/小时。所述的保温一段时间，是指按铸件厚度每增加20mm，保温时间延长1小时。所述的锻造变形处理是指，采用十字墩拔方式2-5次，变形速率在0.1-10s^-1，变形比0.05-0.5。步骤五所述回火处理的温度为250℃-350℃。

本发明的优点是：

1．配方组成中采用C:3.0-4.5%，Cr:15-35%的化学成分，不加入高铬铸铁中常用的提高淬透性元素（如价格较高的钼和铜等），原材料成本较低；

2．在锻造处理过程中，过共晶高铬铸铁不仅可以碳化物显著细化，且组织更加致密，另外，在锻造过程与空淬处理同时进行；

3．采用十字墩拔处理方式2-5次；变形速率在0.1-10s^-1，变形比0.05-0.5；铸件韧性明显提高。

本发明方法所得到的过共晶高铬白口铸铁可用于制作低冲击磨损工况下矿料、石料等破碎的锤头、衬板等工具。

附图说明(见后面)

图1为本发明实施例2锻造前过共晶高铬铸铁组织显微照片。

图2为本发明实施例2锻造后过共晶高铬铸铁组织显微照片。

具体实施方式

以下结合几个实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

（1）过共晶高铬白口铸铁采用废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硅铁作为熔炼用原材料，以化学组成（重量百分比）：4.5%C，15%Cr，0.5%Mn，0.5%Si，0.05%P、0.04%S，其余为Fe确定原材料的配比关系，并进行配料。

（2）先将废钢、生铁混合，在酸性中频感应电炉中熔化，待铁水熔清后，依次加入锰铁和硅铁再进一步熔清后，再加入高碳铬铁，至温度达到1450℃；待熔清并采用铝丝脱氧后，铸液静置2分钟，在铸液液面除渣后，将铸液迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理。

（3）当铸液温度为1300℃时，将铸液倒入普通砂型浇注成形，即得过共晶高铬白口铸铁件；浇注完成8小时后打箱取出铸件。

（4）将过共晶高铬白口铸铁件表面清理干净后，放入电炉中缓慢升温（80℃/小时）加热至700℃，根据铸件最大厚度为70mm，确定保温时间为3.5小时。

（5）然后迅速出炉放入锻机上进行锻造变形处理，该过程同时起到空淬的作用，使过共晶高铬铸铁的基体变成马氏体组织。具体的锻造变形工艺为：墩拔方式：十字墩拔；墩拔处理2次，变形速率在0.1s^-1，变形比0.05。

（6）最后进行回火处理（保温温度为：250℃）进一步消除铸件内部应力。

通过测试，本例所得过共晶高铬铸铁组织及性能如表1所示：

实施例2

本实施例步骤大部分同实施例1，不同之处如下：

（1）化学组成（重量百分比）为：3.0%C，35%Cr，1.5%Mn，1.5%Si，0.02%P、0.04%S，其余为Fe。

（3）当铸液温度为1350℃时，将铸液倒入普通砂型浇注成形。

（4）将铸件表面清理干净后，放入电炉中缓慢升温（200℃/小时）加热至1000℃。

（5）墩拔处理5次，变形速率在10s^-1，变形比0.5。

（6）最后进行回火处理（保温温度为：350℃）。

通过测试，本例所得过共晶高铬铸铁组织及性能如表1所示：

实施例3

本实施例步骤大部分同实施例1，不同之处如下：

（1）化学组成（重量百分比）为：4.0%C，25%Cr，1.0%Mn，1.0%Si，0.03%P、0.03%S，其余为Fe。

（4）将铸件表面清理干净后，放入电炉中缓慢升温（100℃/小时）加热至900℃。

（5）墩拔处理3次，变形速率在4.5s^-1，变形比0.1。

（6）最后进行回火处理（保温温度为：350℃）。

通过测试，本例所得过共晶高铬铸铁组织及性能如表1所示：

表1

由图1图2的比较可以看出，锻造前后初生碳化物明显细化。从表1中可看出，本发明过共晶高铬白口铸铁材料硬度在HRC60-65，冲击韧性较未锻造前提高2～4倍，致密度提高约5～10%，碳化物平均晶粒尺度明显细化。

本发明中的过共晶高铬白口铸铁生产过程易于控制，硬度高，致密度高，韧性明显提高，在低冲击磨损工况下制作锤头使用具有优良的耐磨性，产生可观的经济效益。

Claims

1.一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：将废钢、生铁先混合，在酸性中频感应电炉中熔化，待铁水熔清后，依次加入锰铁和硅铁熔清，再进一步加入高碳铬铁后熔清；铸液至温度达到1450℃后采用铝丝脱氧，然后将铸液迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理；

2.如权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的缓慢加热，升温速率＜200℃/小时。

3.如权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的保温一段时间，是指按铸件厚度每增加20mm，保温时间延长1小时。

4.如权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的锻造变形处理是指，采用十字墩拔方式2-5次，变形速率在0.1-10s^-1，变形比0.05-0.5。

5.如权利要求1所述的过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，步骤五所述回火处理的温度为250℃-350℃。