CN103789600A

CN103789600A - 过共晶高铬铸铁制备方法

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Publication number: CN103789600A
Application number: CN201410035545.6A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 王振; 冯宪章; 蒋志强; 李卫; 刘建伟; 魏永强; 刘元朋; 文振华
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: CN103789600B

Abstract

一种过共晶高铬铸铁制备方法，属于耐磨材料技术领域。过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.0～4.3%C，25.0～28.0%Cr，0.3～0.8%Si，1.2～1.5%Mn，0.08～0.15%N，0.05～0.10%Al，S<0.04%，P<0.05%，余量Fe。当上述铁水的温度达到1520～1550℃时，将铁水出炉入浇包。然后用喂丝机将直径

Description

过共晶高铬铸铁制备方法

技术领域

本发明为一种高铬铸铁制备方法，特别涉及一种碳和铬含量较高的过共晶高铬铸铁制备方法，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

高铬铸铁是一类优异的耐磨材料，在工业生产中获得了广泛的应用。大量研究发现，提高高铬铸铁中的碳化物体积分数，可以提高高铬铸铁耐磨性，在此背景下，碳和铬含量较高的过共晶高铬铸铁的开发和应用已得到重视。中国发明专利CN102925783A公开了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；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。中国发明专利CN102851570A还公开了热磨机的高碳高铬磨片铸件，属于热磨机零部件技术领域，为过共晶高铬铸铁，在含有高铬的同时、并含高碳，主要化学成分为铁，按质量百分计，碳含量3.6－3.8％，铬含量28.0－30.0％，镍含量≤0.8％、钼含量≤0.5％、锰含量≤0.8％、铜含量≤0.2％、及一定量的硅和低含量的磷、硫，该发明的有益效果是：产品的初生硬质点Cr₇C₃型碳化物增加，使磨片耐磨性提高30％以上；镍、钼、锰、铜等贵重金属含量下降，而使生产成本下降；磷、硫含量下降，使韧性增加；综合机械性能得到提高，其硬度达HRC62-65，可广泛用于对木材、甘蔗渣、棉杆等纤维板原料进行磨浆加工，磨片可承受低应力磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、高温磨损等多种磨损，并还能抵抗外力的破坏，使用寿命提高30％以上。中国发明专利CN101892417A还公开了一种铸态使用的过共晶高铬铸铁，该铸态使用的过共晶高铬铸铁的化学组成成分以重量百分比计算为：3.5～4.5%C,1.0～3.0%Mn,16.0～28.0%Cr,0.5～1.5%Si,2.1～3.0%Ti,P≤0.06%，S≤0.06%，余量为铁。该铸态使用的过共晶高铬铸铁出炉温度1500～1650，浇注温度1350～1400℃，贵重金属的含量少，在铸态直接使用，能耗低，生产周期短，且铸造性能好，还具有较高硬度和优良的耐磨性。中国发明专利CN101497966还公开了一种高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量百分比的化学成分：碳3.0～5.5％，硅0.3～2.0％，铬25.5～40％，锰0.3～3.5％，钼0.1～3.5％，钨0.1～3.5％，磷≤0.1％，硫≤0.1％，余量为铁。该发明的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料采用多元合金化，特别是碳、铬、锰、钼和钨的加入，使得材料比起现有的高铬铸铁具有淬透性好，硬度高，耐磨蚀性能和耐磨性更好等优势，从而扩大了材料的应用范围。该发明的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料适于制备磨损和腐蚀磨损特别是冲刷腐蚀磨损工况用的零部件。中国发明专利CN1769508还公开了了一种过共晶高铬铸铁及其制造方法，过共晶高铬铸铁的主要成分为：3.5～4.5%C,1.0～3.0%Mn,17～30%Cr,0.5～1.5%Si,1.0～2.0%Cu,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。用过共晶高铬铸铁制造的渣浆泵过流件，生产工艺简便、成本低，铸造性好，具有优良的耐磨性和高的使用寿命。

但是，过共晶高铬铸铁中，因碳化物数量多，脆性大，铸造和使用过程中极易开裂，限制了过共晶高铬铸铁的推广应用。

发明内容

本发明的目的是通过加入微合金元素改变过共晶高铬铸铁的凝固过程，从而达到细化过共晶高铬铸铁凝固组织和提高其强韧性，降低其脆性的目的。

本发明的目的可以通过以下措施来实现。

本发明过共晶高铬铸铁制备方法包括如下：首先在电炉内熔炼过共晶高铬铸铁铁水，过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.0～4.3%C,25.0～28.0%Cr,0.3～0.8%Si,1.2～1.5%Mn,0.08～0.15%N,0.05～0.10%Al,S<0.04%,P<0.05%,余量Fe。当上述过共晶高铬铸铁铁水的温度达到1520～1550℃时，将铁水出炉入浇包。然后用喂丝机将直径

的合金线送入浇包内的铁水中，合金线距离浇包底部15～35mm，合金线加入量占浇包内铁水质量分数的4.0～5.5%，合金线的化学组成及其质量分数为15.0～18.0%Ti,5.0～8.0%Al,4.0～6.0%Y,3.0～5.0%Ca,3.0～5.0%Ba,20.0～25.0%Si,1.5～2.5%B,3.0～5.0%V,4.0～6.0%C,余量为Fe和不可避免的微量杂质。当铁水温度降至1380～1420℃时，将铁水浇入铸型，冷却3～6小时，开箱清理过共晶高铬铸铁铸件，然后将上述铸件随炉加热到950～1000℃，保温2～4h，出炉风冷至温度低于300℃后，将铸件重新入炉加热至480～500℃，保温6～12h，随后炉冷至温度低于120℃出炉空冷至室温，得到本发明过共晶高铬铸铁。

为了确保本发明过共晶高铬铸铁具有优异的性能，首先在电炉内熔炼过共晶高铬铸铁铁水，过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.0～4.3%C,25.0～28.0%Cr,0.3～0.8%Si,1.2～1.5%Mn,0.08～0.15%N,0.05～0.10%Al,S<0.04%,P<0.05%,余量Fe。本发明过共晶高铬铸铁铁水含有较高的碳和铬，可以确保凝固组织中具有体积分数超过40%的高硬度(Cr,Fe)₇C₃型碳化物，确保过共晶高铬铸铁具有优异的耐磨性。在此基础上，加入1.2～1.5%Mn和0.08～0.15%N，可提高过共晶高铬铸铁的淬透性，确保风冷淬火条件下不出现低硬度的珠光体组织。加入0.05～0.10%Al，有利于(Cr,Fe)₇C₃型碳化物的孤立分布，对改善过共晶高铬铸铁的强韧性有利。加入0.3～0.8%Si可以起预脱氧作用，另外，硅固溶于基体，可以对基体起强化作用。

本发明过共晶高铬铸铁的铁水处理过程中，当铁水温度达到1520～1550℃时，将铁水出炉入浇包。然后用喂丝机将直径

的合金线送入浇包内的铁水中，合金线距离浇包底部15～35mm，合金线加入量占浇包内铁水质量分数的4.0～5.5%，合金线的化学组成及其质量分数为15.0～18.0%Ti,5.0～8.0%Al,4.0～6.0%Y,3.0～5.0%Ca,3.0～5.0%Ba,20.0～25.0%Si,1.5～2.5%B,3.0～5.0%V,4.0～6.0%C,余量为Fe和不可避免的微量杂质。加入上述合金线，可以利用合金线中的合金元素细化过共晶高铬铸铁的凝固组织，改善碳化物的形态和分布，减少铁水中的夹杂物以及改善夹杂物的形态和分布，从而改善铁水的铸造性能，确保过共晶高铬铸铁铸造和使用中不出现开裂。

最后对过共晶高铬铸铁随炉加热到950～1000℃，保温2～4h，出炉风冷至温度低于300℃后，将铸件重新入炉加热至480～500℃，保温6～12h，随后炉冷至温度低于120℃出炉空冷至室温，其中风冷淬火是为了得到高硬度的马氏体基体，并使马氏体基体上含有细小、均匀分布的(Cr,Fe)₂₃C₆碳化物，从而可提高过共晶高铬铸铁的耐磨性。加热至480～500℃进行回火处理，可以达到消除淬火应力，减少残留奥氏体以及稳定组织，确保本发明过共晶高铬铸铁的安全使用。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

（1）本发明过共晶高铬铸铁中不含贵重合金元素钼、镍、钨、铌等，具有较低的生产成本；

（2）本发明过共晶高铬铸铁制备工艺简便，易于实现大批量生产；

（3）本发明过共晶高铬铸铁中含有体积分数42%～46%的高硬度(Cr,Fe)₇C₃型碳化物，具有优异的耐磨性；

（4）本发明过共晶高铬铸铁硬度高，强韧性好，确保铸造和使用中不会发生开裂事故。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

采用750公斤中频感应电炉熔炼本发明过共晶高铬铸铁，具体制备方法如下：

（1）首先在750公斤中频感应电炉内熔炼过共晶高铬铸铁铁水，过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.02%C,25.17%Cr,0.76%Si,1.49%Mn,0.084%N,0.055%Al,0.031%S,0.040%P,余量Fe；

（2）当上述过共晶高铬铸铁铁水的温度达到1549℃时，将铁水出炉入浇包，然后用喂丝机将直径

的合金线送入浇包内的铁水中，合金线距离浇包底部15mm，合金线加入量占浇包内铁水质量分数的5.5%，合金线的化学组成及其质量分数为15.06%Ti,7.83%Al,5.97%Y,3.05%Ca,4.98%Ba,20.37%Si,2.50%B,3.06%V,5.08%C,余量为Fe和不可避免的微量杂质；

（3）当铁水温度降至1417℃时，将铁水浇入铸型，冷却3小时，开箱清理过共晶高铬铸铁铸件；

（4）将上述铸件随炉加热到950℃，保温3h，出炉风冷至温度低于300℃后，将铸件重新入炉加热至480℃，保温8h，随后炉冷至温度低于120℃出炉空冷至室温，得到本发明过共晶高铬铸铁，其力学性能见表1。

实施例2：

（1）首先在750公斤中频感应电炉内熔炼过共晶高铬铸铁铁水，过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.27%C,27.95%Cr,0.33%Si,1.20%Mn,0.148%N,0.087%Al,0.028%S,0.046%P,余量Fe；

（2）当上述过共晶高铬铸铁铁水的温度达到1523℃时，将铁水出炉入浇包，然后用喂丝机将直径

的合金线送入浇包内的铁水中，合金线距离浇包底部35mm，合金线加入量占浇包内铁水质量分数的4.0%，合金线的化学组成及其质量分数为17.94%Ti,5.09%Al,4.29%Y,4.88%Ca,3.10%Ba,24.67%Si,1.59%B,4.96%V,4.03%C,余量为Fe和不可避免的微量杂质；

（3）当铁水温度降至1382℃时，将铁水浇入铸型，冷却6小时，开箱清理过共晶高铬铸铁铸件；

（4）将上述铸件随炉加热到1000℃，保温2h，出炉风冷至温度低于300℃后，将铸件重新入炉加热至480℃，保温12h，随后炉冷至温度低于120℃出炉空冷至室温，得到本发明过共晶高铬铸铁，其力学性能见表1。

实施例3：

（1）首先在750公斤中频感应电炉内熔炼过共晶高铬铸铁铁水，过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.14%C,26.50%Cr,0.65%Si,1.34%Mn,0.128%N,0.091%Al,0.035%S,0.037%P,余量Fe；

（2）当上述过共晶高铬铸铁铁水的温度达到1530℃时，将铁水出炉入浇包，然后用喂丝机将直径的合金线送入浇包内的铁水中，合金线距离浇包底部25mm，合金线加入量占浇包内铁水质量分数的5.0%，合金线的化学组成及其质量分数为17.02%Ti,7.28%Al,4.86%Y,3.95%Ca,4.20%Ba,23.15%Si,1.84%B,3.99%V,5.75%C,余量为Fe和不可避免的微量杂质；

（3）当铁水温度降至1398℃时，将铁水浇入铸型，冷却4小时，开箱清理过共晶高铬铸铁铸件；

（4）将上述铸件随炉加热到980℃，保温3h，出炉风冷至温度低于300℃后，将铸件重新入炉加热至490℃，保温10h，随后炉冷至温度低于120℃出炉空冷至室温，得到本发明过共晶高铬铸铁，其力学性能见表1。

表1本发明过共晶高铬铸铁力学性能

力学性能	硬度/HRC	抗弯强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2
				实施例1	63.3	735	6.8
实施例2	63.2	750	6.3
				实施例3	62.6	725	6.8

本发明过共晶高铬铸铁具有硬度高，耐磨性好等特点，在ML－10型销盘干式固定磨料两体磨损试验机上进行磨损试验，磨料是150目碳化硅砂纸，载荷是10N，试样径向进给量4mm/转，试样滑动距离为10.409m。在相同磨损条件下，本发明过共晶高铬铸铁的磨损失重比亚共晶高铬铸铁（Cr15Mo3，其主要化学组成及其质量分数为2.96%C,15.40%Cr,3.16%Mo,0.92%Ni）降低15～18%，本发明过共晶高铬铸铁的耐磨性比亚共晶高铬铸铁提高15～18%，而生产成本比Cr15Mo3亚共晶高铬铸铁降低15%以上，推广本发明过共晶高铬铸铁将具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.一种过共晶高铬铸铁制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先在电炉内熔炼过共晶高铬铸铁铁水，过共晶高铬铸铁铁水的化学组成及其质量分数为4.0～4.3%C,25.0～28.0%Cr,0.3～0.8%Si,1.2～1.5%Mn,0.08～0.15%N,0.05～0.10%Al,S<0.04%,P<0.05%,余量Fe；当上述过共晶高铬铸铁铁水的温度达到1520～1550℃时，将铁水出炉入浇包；然后用喂丝机将直径

的合金线送入浇包内的铁水中，合金线距离浇包底部15～35mm，合金线加入量占浇包内铁水质量分数的4.0～5.5%，合金线的化学组成及其质量分数为15.0～18.0%Ti,5.0～8.0%Al,4.0～6.0%Y,3.0～5.0%Ca,3.0～5.0%Ba,20.0～25.0%Si,1.5～2.5%B,3.0～5.0%V,4.0～6.0%C,余量为Fe和不可避免的微量杂质；当铁水温度降至1380～1420℃时，将铁水浇入铸型，冷却3～6小时，开箱清理过共晶高铬铸铁铸件，然后将上述铸件随炉加热到950～1000℃，保温2～4h，出炉风冷至温度低于300℃后，将铸件重新入炉加热至480～500℃，保温6～12h，随后炉冷至温度低于120℃出炉空冷至室温。

2.按照权利要求1的方法制备得到的一种过共晶高铬铸铁。