CN1032145C - 一种耐高温耐磨铸铁合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐高温耐磨铸铁合金。它是以Cr为主要合金元素，并同时加有Nl、Mo、W、Cu、N、C、Si、Mn等多种元素组成的铁基合金。在制造过程中，采用稀土与碱土元素合成的中间合金进行变质处理，其显微组织具有孤立的细块状与断条状的M₇C₃等高硬度合金碳化物，和过饱和固溶强化程度较高，而稳定性适中的奥氏体基体。这种合金在交变受热的高温下不发生γα相变，但具有高温析出硬化效应，用作交变受热的高温耐磨材料，较好地缓解了耐磨性与热疲劳韧性的矛盾。在交变受热达900℃以上轧机导卫装置上应用，大大提高了耐用性，具有极为显著的经济效益。

Description

本发明属于黑色冶金铸铁材料，特别适用于在交变受热条件下工作的耐高温耐磨铸铁合金。

在轧钢生产中，轧机导卫装置中的导板与卫板，就是在交变受热的严酷条件下工作，它既需要承受900℃以上的高温滑动摩擦，又需要承受反复频繁的热冲击。目前国内外用作导(卫)板的材料有：耐磨合金白口铸铁；单元与多元高铬铸铁；18—8型不锈钢；25—20、26—12型耐热钢；马氏体耐磨钢；X33H18Л(ZGCr33Ni18)、X35H5Л(ZGCr35Ni5)型高铬镍铸钢；低合金钢＋渗碳＋淬火＋镀铬；铸钢件上镶嵌、堆焊或喷涂硬质合金等。此外，中国专利CN1047112A提供的《抗磨损腐蚀的奥氏体铸铁》(抗盐浆腐蚀的金属材料)；日本专利JP昭59—229470A提供的《高韧性FeCrNi系铸造耐热合金》(适用于加热炉构件的抗燃气高温腐蚀的铸造耐热合金)；美国专利US3086858提供的《硬质铸造合金》(适用于单纯性恒温耐磨与耐蚀的合金)。这些金属材料对于象轧机导(卫)板这类需要承受交变受热与高温磨损的零件来说，它们均不同程度地存在下述不足：

1.不能解决高温耐磨性与热疲劳韧性的矛盾，轧机导(卫)板需要的高硬度、高耐磨性与抗热冲击能力及热疲劳韧性不能同时兼得，所以，不是容易磨损，就是容易断裂。

2.某些耐热合金与耐磨合金用作导(卫)板材料时，其合金元素在形成交变受热高温磨损所需要的组织与性能方面，由于不能发生希望的合金化效应，而未能有效利用，有些过高的含量成了无效消耗与浪费。

3.现有的轧机导(卫)板材料的制造，其组织与性能完全依靠化学成分自然形成，在合金制备过程中没有应用变质技术，更谈不上依靠变质技术来改进合金的组织与性能。

4.现有的轧机导(卫)板材料，对于交变受热的导(卫)板表面的温度，仅仅当作不利条件对待，而从未当作有利因素加以利用。

5.有些高合金材料，由于贵重元素含量较高，或由于工序繁杂，使得造价昂贵，却又不能获得相应的高耐用性。

总之，现有的轧机导(卫)板材料，普遍存在着不耐磨、易断裂等缺点，致使导(卫)板每役次的工作时间很短，在轧钢作业过程中不得不频繁地停机更换，从而严重地影响轧机的作业率。

为了克服现有技术的不足，本发明针对轧机导卫装置中导(卫)板的工作条件，通过提高材料的合金化效应，让合金元素有效地发挥需要的作用，而提供了一种同时兼具耐磨性与热韧性的合金材料，它可以缓解耐磨性与热韧性的矛盾，延长导(卫)板的使用寿命，达到降低消耗，提高轧机作业率的目的。

本发明提供的耐高温耐磨铸铁合金，是选择多种既对碳化物又对金属基体都能互相增强与促进合金化效应的元素，使其构成多元、综合、高效合金化，以形成交变受热与高温耐磨所需要的组织与性能，从而满足实际工况的需要。

本发明设计的合金成分含量为(重量％)：

C1.50～3.50，Si0.15～1.50，Mn0.30～2.00，P≤0.04，S≤0.03，Cr15.00～35.00，Ni3.00～10.00，Mo1.00～3.00，W1.00～5.00，Cu0.60～2.00，N0.10～0.40，余为Fe。

最佳成分含量为(重量％)：

C1.80～2.50，Si0.30～1.00，Mn0.30～1.00，P≤0.04，S≤0.03，Cr23.00～28.00，Ni5.00～8.00，Mo2.00～3.00，W1.50～3.00，Cu0.80～1.60，N0.15～0.25，余为Fe。

在上述成分范围内，主要合金元素的含量，应按照下述公式相互匹配： $\frac{\mathrm{Cr}}{C}=5~12;$ $\frac{\mathrm{Cr}+W+\mathrm{Mo}-7C}{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}+15N}=1.00~1.70$ 。

为了提高合金的抗热冲击能力与热疲劳韧性，除正确选择化学成分的含量并相互适当匹配外，还要采用本发明配制的变质剂对合金进行变质处理。变质剂的成分含量为(重量％)：

RE3.00～20.00，Ca3.00～10.00，Ba5.00～20.00，Si20.00～35.00，余为Fe。

变质剂的加入量为金属液重量的0.50～2.00％

加入方法：冲入法或钟罩压入法。

本发明的主要技术特征在于：

第一，在碳化物形成方法，采用了以Cr为主，兼有Mo、W、C、N等多种碳化物形成元素，按碳化物的形成规律，控制铬碳比，使 $\frac{\mathrm{Cr}}{C}=5~12$ ，形成以M₇C₃为主，兼有MC、M₂C、M₆C与M(C、N)等多种高硬度的合金碳化物，并以形成此种碳化物的多寡作为调节合金硬度与耐磨性的手段。而碳化物的数量，则主要依靠碳含量按下述公式进行控制：碳化物(体积％)＝12.33C％＋0.55Cr％－15.2％

碳化物的数量，须根据轧机导卫装置的工况条件确定，通常应控制在18～30％的范围内。

第二，采用本发明提供的变质技术进行变质处理后，大大改善了合金组织中的碳化物的形貌，使成孤立的细状块与细小的断条状存在。由于碳化物细化与不连续的状态，极大地减小了对奥氏体基体固有韧性的损害。

第三，为促进基体的合金化，在加入元素中，既扩大r区稳定奥氏体的Ni、Cu、N、C，又有能部分固溶于基体的碳化物形成元素Cr、Mo、W，从而能产生较高程度的固溶强化效应。对基体的综合合金化，通过控制固溶的镍当量具有不过高也不太低的适当浓度，与各主要元素具有适当的匹配关系，保证材料的铸态组织为纯奥氏体基体，并在导(卫)板工作交变受热过程中不发生

相变，但达到800℃以上温度时，却能在臭氏体基体上容易产生碳化物弥散析出的热作硬化效应。

第四，合金成分中加入Mo与W，是因为它们既能形成高硬度的碳化物MC、M₂C、M₆C与M(C、N)等，使碳化物的综合硬度进一步提高。同时又能部分固溶于基体，提高基体的过饱和固溶强化程度，产生双重效果。而加入氮，是因为这种廉价的合金元素，在结晶冷却过程中，有极强烈的稳定奥氏体的作用，而在合金受热过程中，又有诱发和促进二次碳(氮)化物析出的作用，从而有利于形成轧机导(卫)板需要的组织与性能。

由于采用上述措施，使得承受交变受热与频繁高温摩擦的轧机导(卫)板在工作时，内部组织不发生任何变化，能保持奥氏体固有的强韧性，承受热冲击而不断裂，而工作部位的接触表面，因受热温度较高(800℃以上)，能产生析出硬化，从而可大大提高耐磨性。

本发明提供的经变质处理的耐高温耐磨铸铁合金，具有良好的工艺性能，其成分为(重量％)：C1.848，Cr24.6，Ni8.08，Mo2.06，W1.12，Cu1.25，N0.16的测试值：液相线温度为1308～1315℃；固相线温度为1263～1285℃；液体流动性：1400℃时螺旋线长度为1200毫米；线收缩率为2.35％；凝固热裂倾向很小(σ＞6.37N/mm²未裂)。很容易铸造成型，适合于熔模精密铸造或砂型铸造。

本发明合金制造的轧机导(卫)板的铸态组织为单相奥氏体基体十不连续的细块状与细条状的共晶M₇C₃及少量MC、M₂C、M₆C、M(C、N)碳化物(见附图照片1)，铸态硬度为HRC36～48，导板使用时，金属组织不发生 相变。其内部组织组成物与铸态相同，无任何变化，而工作部位的表面层，除了具有与铸态组织完垒相同的组成物外，在奥氏体基体上增加析出了极度弥散的二次碳化物(见附图照片2与3)，图2的黑色区为奥氏体基体上产生析出物后的形貌，图3为图2黑色区放大2000倍后显现的弥散析出物的形貌。使用后的表面，由于产生了析出硬化效应，其硬度为H_RC42～58，比使用前平均能提高H_RC6～12。

本发明同现有技术比较，具有下述优点：

1.对于交变受热的高温磨损工件来说，本合金的成分设计，能产生希望的高合金化效应，使合金元素得到了充分有效的利用，较好地缓解了高温耐磨性与热韧性的矛盾。与现有技术中某些高合金(如ZGr33Ni18、ZGC4Cr25Ni20等)相比，用较少的合金元素，获得更适合交变受热高温耐磨工况需要的组织与使用性能，从而大大提高了工件的耐用性。例如，本合金制造的轧机导板，比ZGCr33Ni18高合金导板，在合金总量由51％降低到35％的情况下，铸态硬度由H_RC21～23提高到了H_RC36～48。使用前500～900℃的高温硬度平均提高了27～38.6％(Hv40～80)。尤其重要的是，ZGCr33Ni18无热作硬化效应，导板使用后硬度无变化，本合金导板使用后硬度提高了H_RC6～12而达到了H_RC42～58。导板的实际使用寿命提高了1.50～2.54倍。

2.本合金所采用的变质技术先进、有效。所用的变质剂资源丰富，配方合理，变质处理后，极大地改善了碳化物的形貌，使之有效地朝孤立、细化、弥散状态发展，从而既保存了碳化物提高合金硬度与耐磨性的作用，又大大降低了碳化物对合金韧性的损害。

3.本合金的制造工艺简单，容易铸造成型，不需要其它附加工序处理，可以铸态使用，与某些现有技术相比，合金元素与能源消耗相对较少，可以降低生产成本。

4.本合金的综合性能良好，用来制做承受交变受热的高温磨损工件，其耐用性大大提高。本合金制造的轧机导(卫)板在年产5万吨线棒材的φ250小型轧机上使用时，比耐磨合金白口铸铁延长每役次工作时间9倍，提高综合使用寿命20倍，比高铬铸铁导板延长每役次工作时间3倍，提高综合使用寿命5倍；在年产30万吨圆钢与螺纹钢的φ350轧机上使用时，比ZGCr33Ni18高合金导板，延长每役次工作时间1.00～1.83倍，提高综合使用寿命1.50～2.54倍。

实施例：

采用高碳铬铁、低碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、钨铁、镍板、铜屑、废钢作炉料，按设计成分的中上限配料，在150公斤碱性中频感应炉内熔炼。用作变质剂的中间合金的成分含量为(重量％)：RE4.46，Ca4.18，Ba11.32，Si37.3，余为Fe。金属出炉温度为1560℃，变质剂的加入量为金属液的0.65％，采用包内冲入法，待变质剂熔化、搅拌并耙除浮渣，共约5分钟后开始浇注，浇注温度为1450～1420℃。

合金的最终成分含量为(重量％)：

C1.98，Si0.78，Mn0.38，P0.028，SD0.018，Cr23.81，Ni6.78，Mo2.34，W1.34，Cu0.98，N0.23。

铸造工艺：铸件为轧机导板，单重7.40公斤，模型伸尺2.35％，粘土砂型，每箱2件，无冒口，工作面朝下，型腔表面喷涂钛矿粉涂料，表面干燥，叠箱串注，浇注后型内冷却2小时，移位脱箱留砂，4小时后落砂，清整并研磨工作面沟槽后，铸态使用。

金属铸态组织为纯奥氏体基体＋极细的块状与断条状共晶碳化物，铸态平均硬度为H_RC40.5。

导板在轧速为10米/秒的φ350轧机上应用，轧制φ25螺纹钢时，比ZGCr33Ni18高合金导板延长每役次工作时间1.83倍，提高综合使用寿命2.54倍。

Claims (1)

1、一种耐高温耐磨铸铁合金，其特征在于：它是以Cr为主要合金元素，同时加有Ni、Mo、W、Cu、N、C、Si、Mn多种元素组成的铁基合金，

其成分含量为(重量％)：

C1.50～3.50，Si0.15～1.50，Mn0.30～2.00，P≤0.04，S≤0.03，Cr15.00～35.00，Ni3.00～10.00，Mo1.00～3.00，W1.00～5.00，Cu0.60～2.00，N0.10～0.40，余为Fe。

在上述成分范围内，主要合金元素的含量，应按照下述公式相互匹配： $\frac{\mathrm{Cr}}{C}=5~12;$ $\frac{\mathrm{Cr}+W+\mathrm{Mo}-7C}{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}+15N}=1.00~1.70$ 。

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