CN103088249B

CN103088249B - 一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103088249B
Application number: CN201310024832.2A
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: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103088249A

Abstract

本发明公开了一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料及其制备方法，由以下质量分数的化学成分组成：C2.6-3.0%、Si0.3-1.0%、Mn0.5-1.0%、Cr21-23%、Mo0.8-1.2%、Cu0.8-1.2%、W0.6-0.9%、V0.1-0.2%、Ti0.06-0.12%、B0.001-0.003%、RE0.04-0.08%、Y0.04-0.08%、Al0.04-0.08%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。本发明的合金铸铁材料通过控制材料中铬元素含量、Cr/C比例，提高了合金铸铁材料的硬度。本发明在铸铁内加入Mo、W、V、Ti、Cu等贵金属元素，通过贵金属元素的复合使用，增强了奥氏体的稳定性，细化晶粒，提高了碳化物的高温稳定性和红硬性，使本发明的铸铁材料的硬度进一步提高，耐磨性也相应提高。本发明的合金铸铁材料平均硬度可达HRC63以上，冲击韧性aK可达5J/cm²。

Description

一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，同时还涉及该材料的制备方法，属于金属耐磨材料领域。

背景技术

铬系抗磨铸铁起源于二十世纪初期，但其广泛应用却始于二次世界大战结束以后。半个多世纪以来，国内外铸造工作者对铬在铸铁中的作用进行了大量的研究，使铬系抗磨铸铁的性能不断提高，生产工艺逐渐简化。我国铬系抗磨铸铁的研究与应用经历了由低铬铸铁到高铬铸铁的历史发展阶段，其中，高铬铸铁材料是在20世纪70年代后期飞速发展起来的。高铬铸铁是一种优良的抗磨材料，在矿山、建材、冶金、火力发电等行业得到了广泛的应用，已逐步取代一些传统的抗磨锻钢，如中锰球铁、抗磨锻钢和低合金钢等。

但是，由于单一铬合金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断裂。因此，传统的方法是在单一的铬合金铸铁中加入钼、钨、铌、镍等贵金属元素，以提高材料的淬透性和淬硬性。但是由于这些贵金属属于稀缺资源，且在材料中大量使用会增加生产成本，因此贵金属的添加制约了铸铁材料的发展。

目前，市面上的许多铸铁材料都会选择添加廉价易得的金属材料替代贵金属材料，但是这样势必会造成合金铸铁材料性能的降低，无法满足实际生产需要。GB/T24597-2009《铬锰钨系抗磨铸铁件》和GB/T8263-2010《抗磨白口铸铁件》中的高铬铸铁化学成分范围过于宽泛，亦无法满足企业实际技术生产需要。CN101012526A公开了一种稀土多元微合金化高铬铸铁，该铸铁的化学成分按重量份计含有，碳1.0-3.5份、铬8.0-26.0份、镍0.5-4.5份、钼0.15-2.0份、铜0.5-2.0份、铝0.05-2.0份、钒0.03-0.3份、稀土0.005-0.20份、硅≤0.5份、锰≤0.7份、硫≤0.05份、磷≤0.05份，余量为铁，该铸铁的化学成分按重量份还含有钛0.03-0.30份，还含有铌0.03-0.30份，还含有钨0.80-3.70份。采用该化学成分的铸铁进行后续的热处理，最高硬度可达59-64HRC，但是其无法同时满足高硬度和高冲击韧性的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硬度、高冲击韧性的溜槽衬板用耐磨合金铸铁材料。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是提供一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.6-3.0%、Si0.3-1.0%、Mn0.5-1.0%、Cr21-23%、Mo0.8-1.2%、Cu0.8-1.2%、W0.6-0.9%、V0.1-0.2%、Ti0.06-0.12%、B0.001-0.003%、RE0.04-0.08%、Y0.04-0.08%、Al0.04-0.08%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

所述的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.7-2.9%、Si0.4-0.9%、Mn0.6-0.9%、Cr21.5-22.5%、Mo0.9-1.1%、Cu0.9-1.1%、W0.7-0.8%、V0.11-0.19%、Ti0.07-0.11%、B0.0015-0.0028%、RE0.05-0.07%、Y0.05-0.07%、Al0.05-0.07%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

所述溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的优化配比由以下质量分数的化学成分组成：C2.85%、Si0.56%、Mn0.66%、Cr22.01%、Mo1.07%、Cu0.94%、W0.83%、V0.15%、Ti0.065%、B0.002%、RE0.06%、Y0.06%、Al0.06%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

本发明的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，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，包括以下步骤：

1）按配方量加入除稀土元素外的金属炉料，并熔炼成铁液；

2）在铁液中按配方量加入稀土元素变质处理后浇注制得铸件；

3）将铸件升温至650-750℃保温1-3h，然后升温到1000-1050℃保温5-7h后出炉冷却至室温；

4）将冷却铸件回火，回火温度250-450℃，回火保温时间5-7h，然后出炉空冷即得。

所述金属炉料为废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁及硼铁。

所述稀土元素为轻稀土RE和重稀土Y。

所述轻稀土RE为稀土硅；所述稀土硅为粒度5-8mm的稀土硅。

所述重稀土Y为粒度3-5mm的重稀土Y。

步骤3）中冷却方式可以为雾冷、风冷或空冷。

本发明的化学成分具有以下作用：

C是高铬铸铁中提高淬透性主要元素，C决定碳化物数量，与Cr结合形成铬合金碳化物，提高耐磨性。C含量过高，将会造成共晶碳化物含量增加，冲击韧性降低，材料易脆断开裂，造成早期失效。C含量较低时，共晶碳化物含量降低，影响耐磨性的提高。

Cr是强碳化物形成元素，Cr决定碳化物类型，提高耐磨性。

Mo是强碳化物形成元素，提高淬透性和耐磨性，细化晶粒，抑制珠光体组织出现，提高抗回火稳定性。

W与Mo作用基本相同，但W淬硬性和红硬性效果优于Mo，特别是在较高温度下（约800℃左右）性能不变，使本发明材料在具有高温氧化和一定腐蚀条件下，仍具有高硬抗磨性。

Cu属奥氏体稳定元素，强化基体，提高淬透性，增加韧性。Cu与Mo联合使用淬透性效果更好。Cu与Ni作用基本相同，提高抗腐蚀性。

V、Ti均是强碳化物形成元素，且细化晶粒，净化晶界，改善碳化物的形态、大小、数量与分布，提高材料综合性能效果十分明显。

Ti溶于固溶体时提高淬透性，形成碳化物时降低淬透性，延迟回火温度，可在较高温度下回火。

B属微合金元素，与V、Ti和稀土复合使用时细化晶粒，净化晶界效果更加明显。同时提高材料淬透性。

Si、Mn为常规元素，在高铬铸铁中主要起脱氧除气作用，同时强化基体。

轻稀土（RE）和重稀土（Y）作为变质剂复合加入，能够进一步细化晶粒，变质夹杂，净化晶界，特别是能够使共晶碳化物变为条块状或团球状，在获得高硬度的同时提高冲击韧性值。

Al是常规的脱氧元素。

在碳含量一定的情况下，随铬含量增加，共晶碳化物类型将由M₃C→M₇C₃→M₂₃C₆转变；M₃C的显微硬度(HV)800-1200，M₇C₃的显微硬度(HV)1300-1800，M₂₃C₆的显微硬度(HV)1140左右，显然，M₇C₃的硬度是最好的，本发明通过控制铬的含量及Cr/C的比例，避免M₂₃C₆及M₃C的形成，使本发明的材料中形成大量M₇C₃型共晶碳化物，提高铸铁材料的硬度及耐磨性。

本发明在铸铁中加入Si、Al、Mn等元素，在脱氧的同时强化了材料基体。本发明在铸铁内加入Mo、W、V、Ti、Cu等贵金属元素，通过贵金属元素的复合使用，增强了奥氏体的稳定性，细化晶粒，提高了碳化物的高温稳定性和红硬性，使本发明的铸铁材料的硬度进一步提高，耐磨性也相应提高。本发明的合金铸铁材料在获得高硬度的同时具有高冲击韧性，平均硬度可达HRC63以上，冲击韧性aK可达5J/cm²。

具体实施方式

实施例1

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.7%、Si0.4%、Mn0.9%、Cr21.5%、Mo1.0%、Cu1.1%、W0.6%、V0.2%、Ti0.07%、B0.001%、RE0.05%、Y0.05%、Al0.07%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按配方量向熔炉内依次加入废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁、硼铁熔炼成铁液，熔炼温度1520℃；

2）按配方量向铁液中加入粒度5mm的稀土硅一次变质处理，当测温仪测温为1520-1560℃时，倾出铁液；

3）按配方量在铁液中加入粒度5mm的重稀土Y二次变质处理，镇静，当测温仪测温为1520-1560℃时浇注，浇注温度1400℃。

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。8h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至700℃保温2h，然后升温到1000℃保温6h后出炉雾冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度350℃，回火保温时间6h，然后出炉空冷即得。

实施例2

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.6%、Si0.65%、Mn1.0%、Cr22.5%、Mo1.1%、Cu1.0%、W0.8%、V0.1%、Ti0.09%B0.003%、RE0.07%、Y0.07%、Al0.04%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

1）按配方量向熔炉内依次加入废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁、硼铁熔炼成铁液，熔炼温度1540℃；

2）按配方量向铁液中加入粒度8mm的稀土硅一次变质处理，当测温仪测温为1520-1560℃时，倾出铁液；

3）按配方量在铁液中加入粒度3mm的重稀土Y二次变质处理，镇静，当测温仪测温为1520-1560℃时浇注，浇注温度1380℃。

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。7h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至650℃保温3h，然后升温到1025℃保温7h后出炉风冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度400℃，回火保温时间5h，然后出炉空冷即得。

实施例3

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C3.0%、Si1.0%、Mn0.75%、Cr23%、Mo1.2%、Cu0.8%、W0.75%、V0.19%、Ti0.12%、B0.0028%、RE0.04%、Y0.04%、Al0.08%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

1）按配方量向熔炉内依次加入废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁、硼铁熔炼成铁液，熔炼温度1560℃；

2）按配方量向铁液中加入粒度6mm的稀土硅一次变质处理，当测温仪测温为1520-1560℃时，倾出铁液；

3）按配方量在铁液中加入粒度4mm的重稀土Y二次变质处理，镇静，当测温仪测温为1520-1560℃时浇注，浇注温度1400℃。

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。6h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至750℃保温1h，然后升温到1050℃保温5h后出炉空冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度250℃，回火保温时间7h，然后出炉空冷即得。

实施例4

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.8%、Si0.9%、Mn0.6%、Cr21%、Mo0.9%、Cu1.2%、W0.9%、V0.11%、Ti0.06%、B0.0015%、RE0.08%、Y0.06%、Al0.055%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

1）按配方量向熔炉内依次加入废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁、硼铁熔炼成铁液，熔炼温度1530℃；

2）按配方量向铁液中加入粒度7mm的稀土硅一次变质处理，当测温仪测温为1520-1560℃时，倾出铁液；

3）按配方量在铁液中加入粒度5mm的重稀土Y二次变质处理，镇静，当测温仪测温为1520-1560℃时浇注，浇注温度1380℃。

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。8h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至700℃保温1h，然后升温到1010℃保温6h后出炉雾冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度350℃，回火保温时间6h，然后出炉空冷即得。

实施例5

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.9%、Si0.3%、Mn0.5%、Cr22%、Mo0.8%、Cu0.9%、W0.7%、V0.15%、Ti0.11%、B0.0025%、RE0.055%、Y0.08%、Al0.05%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

1）按配方量向熔炉内依次加入废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁、硼铁熔炼成铁液，熔炼温度1550℃；

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。8h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至750℃保温2h，然后升温到1020℃保温5h后出炉空冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度450℃，回火保温时间5h，然后出炉空冷即得。

实施例6

本实施例的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.85%、Si0.56%、Mn0.66%、Cr22.01%、Mo1.07%、Cu0.94%、W0.83%、V0.15%、Ti0.065%、B0.002%、RE0.06%、Y0.06%、Al0.06%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

3）按配方量在铁液中加入粒度3mm的重稀土Y二次变质处理，镇静，当测温仪测温为1520-1560℃时浇注，浇注温度1390℃。

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。8h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至650℃保温2h，然后升温到1050℃保温6h后出炉风冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度300℃，回火保温时间7h，然后出炉空冷即得。

对比例

本对比例的高硬度耐磨合金铸铁材料，由以下质量分数的化学成分组成：C2.85%、Si0.5%、Mn0.66%、Cr22.01%、Mo1.07%、Cu0.94%、W0.83%、V0.15%、Ti0.065%、RE0.06%、Ni1.0%、Al0.05%、S≤0.05%、P≤0.05%，其余为Fe。

本对比例的高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按配方量向熔炉内依次加入废钢、铬铁、钼铁、钨铁、镍铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁熔炼成铁液，熔炼温度1520℃；

2）按配方量在铁液中加入轻稀土RE变质处理，镇静，当测温仪测温为1520-1560℃时浇注，浇注温度1390℃。

随炉浇注标准溜槽衬板一套，并浇注附铸Y型试块一个。8h后开箱，切除铸件冒口和浇口，清理飞边、毛刺。将铸件在升温至700℃保温2h，然后升温到1050℃保温6h后出炉空冷至室温；再将冷却铸件回火，回火温度400℃，回火保温时间6h，然后出炉空冷即得。

实验例1，对实施例1-6的合金铸铁材料进行显微结构观察：

金相组织观察分析采用XSP-4XC型三目金相显微镜。合金铸铁材料试样经粗磨、细磨、抛光、清洗后，用4%硝酸酒精溶液浸润后，清洗后吹干，用500×镜观察分析。金相组织观察分析表明：金相组织为：马氏体+共晶碳化物（M₇C₃）+二次碳化物+少量残余奥氏体。碳化物呈断网状和孤立状。

实验例2，硬度和冲击试验：

硬度试验：用洛氏硬度计在铸件本体上或附铸试块上检测硬度HRC，结果见表1。

冲击试验：在附铸试块上用线切割机切取10mm×10mm×55mm无缺口试样3个，在JB-300B半自动冲击试验机上分别测试冲击韧性aK，结果见表1。

表1实施例1-6产品硬度和冲击试验结果

从表1中可以看出，本发明未加入Ni元素，通过控制Mo、Cu、V、Ti等元素的加入量，并加入B元素，同时采用轻稀土和重稀土作为变质剂复合加入，使本发明产品具有高硬度的同时具有较高的冲击韧性。

实验例3，本发明的工业应用：

将实施例6的溜槽衬板分别在河北和山东的钢铁企业高炉上安装应用，结果见表2。

表2实施例6的溜槽衬板与原溜槽衬板使用对比情况

从表2中可以看出，使用本发明的材料制备的溜槽衬板比原溜槽衬板使用寿命及产铁量都有大幅提升。

本发明材料具有高耐磨性，硬韧性和低成本的优点，不仅可以生产制备钢铁企业的溜槽衬板，而且还可以用于制备水泥工业球磨机耐磨衬板、锤头、杂质泵过流部件等其它耐磨零部件，具有良好的经济与社会效益。

Claims

1.一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，其特征在于，由以下质量分数的化学成分组成：C 2.6-3.0%、Si 0.3-1.0%、Mn 0.5-1.0%、Cr 21-23%、Mo 0.8-1.2%、Cu 0.8-1.2%、W 0.6-0.9%、V 0.1-0.2%、Ti 0.06-0.12%、B 0.001-0.003%、RE 0.04-0.08%、Y 0.04-0.08%、Al 0.04-0.08%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe；所述RE为轻质稀土RE；

其制备方法为，包括以下操作步骤：

1）按配方量加入除稀土元素外的金属炉料，并熔炼成铁液；

2.根据权利要求1所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，其特征在于，由以下质量分数的化学成分组成：C 2.7-2.9%、Si 0.4-0.9%、Mn 0.6-0.9%、Cr 21.5-22.5%、Mo 0.9-1.1%、Cu 0.9-1.1%、W 0.7-0.8%、V 0.11-0.19%、Ti 0.07-0.11%、B 0.0015-0.0028%、RE 0.05-0.07%、Y 0.05-0.07%、Al 0.05-0.07%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料，其特征在于，由以下质量分数的化学成分组成：C 2.85%、Si 0.56%、Mn 0.66%、Cr 22.01%、Mo 1.07%、Cu 0.94%、W 0.83%、V 0.15%、Ti 0.065%、B 0.002%、RE 0.06%、Y 0.06%、Al 0.06%、S≤0.06%、P≤0.06%，其余为Fe。

4.一种如权利要求1所述的溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按配方量加入除稀土元素外的金属炉料，并熔炼成铁液；

5.根据权利要求4所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，其特征在于，所述金属炉料为废钢、铬铁、钼铁、钨铁、废黄铜、锰铁、钒铁、钛铁及硼铁。

6.根据权利要求4所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，其特征在于，所述稀土元素为轻稀土RE和重稀土Y。

7.根据权利要求6所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，其特征在于，所述轻稀土RE为稀土硅；所述稀土硅为粒度5-8mm的稀土硅。

8.根据权利要求6所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，其特征在于，所述重稀土Y为粒度3-5mm的重稀土Y。

9.根据权利要求4所述的一种溜槽衬板用高硬度耐磨合金铸铁材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中冷却方式可以为雾冷、风冷或空冷。