CN104073709A

CN104073709A - 一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球及其制备工艺

Info

Publication number: CN104073709A
Application number: CN201410274813.XA
Authority: CN
Inventors: 罗北平; 黄烨华; 许友
Original assignee: MILUO YUANFENG WEAR-RESISTANT MATERIAL Co Ltd
Current assignee: MILUO YUANFENG WEAR-RESISTANT MATERIAL Co Ltd
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2014-10-01

Abstract

本发明涉及一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球及其制备工艺，先将多种碳化物颗粒按配比均匀混合，放入浇包内，其余的原料按组成配比熔炼为精炼铁基合金熔液，并倒入浇包中，混合1~5分钟，再浇铸得到高铬铸铁碳化物复合耐磨球；对尺寸大于5cm的磨球，直接将精炼铁基合金熔液倒入金属模腔中与碳化物混合。磨球组成为：C2.0~3.5%，Cr18~25%，Mn1.0~2.0%，W0.5~3.0%，Si0.5~1.2%，Ti0.05~0.2%，P≤0.10%，S≤0.06%，其余为Fe及碳化物。碳化物是两种及以上碳化物颗粒。本发明的高铬铸铁碳化物复合耐磨球具有高硬度、高韧性和抗高冲击性，生产工艺实施简便，结构设计合理，生产成本低，易于实现机械化，生产效率高。

Description

一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球及其制备工艺

技术领域

本发明涉及金属耐磨材料技术领域，具体是指一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球及其制备工艺。

背景技术

磨球是球磨机中最常用研磨体，在粉磨行业的各类易损件中消耗量最大，据统计国内磨球年消耗已经超过200万吨，因此，研究和发展耐磨材料，提高磨球的耐磨性，延长磨球的使用寿命，对国民经济的发展具有重要的意义。

近年来在国内磨球材质市场中铸造磨球占了相当大的比例，其中高铬铸铁磨球由于含铬量较高，其金相为马氏体基体上分布着不连续的碳化物，而碳化物以（Cr，Fe）₇C₃为主，其宏观硬度很高（HRC 50以上），又有一定韧性，因而具有优良的耐磨性，大受市场欢迎。但是由于马氏体＋残余奥氏体基体吸收冲击和应力的能力有限，使得高铬铸铁磨球的抗冲击韧性偏低，不能满足于材料在强冲击和大应力下的工况需要。

专利89102932.X、ZL98110535.1、ZL 97100735.7、ZL 200910037499.2、CN 1065922C等文献在高铬白口铸铁基础上，通过合金加入或变质处理，将韧性硬度和淬透性有效结合，来改善材料的抗磨损性能。这种简单的的合金化强化方式，由于元素分布偏析，析出碳化物的形态、尺寸等不易控制，从而影响了磨球的性能，尤其是冲击韧性。

另一些文献公开了铁基复合耐磨材料及其制备方法，如CN102220541B在浇包内提前放入SiC粉体，再将精炼金属液静置后倒入浇包中，最后将其浇入模熔模铸造型壳中，SiC 纳米粉体可以改变高铬铸铁晶体生长形貌，改变马氏体的生长形态，大大提高材料的硬度及高温下的摩擦磨损性能；CN102310183 B先制备得到锆刚玉颗粒陶瓷块，再将其放置在树脂砂型型腔的顶部进行铸渗工艺，铁水浇注冷却成型得到铁基复合材料，其体积磨损量仅为高铬铸铁的25~30%。

目前铁基复合材料的制备方法，需先制作成硬质陶瓷颗粒预制体，固定在砂腔内（如CN201110183449）、或配制成膏状并涂覆在砂腔表面的需要部位上（如ZL200910023027.1），或在型腔中放置消失泡沫模（如201110445139.3）等，工艺复杂、操作不便、安放固定困难、位置局限性大等问题，特别是不适用做小型的耐磨球。此法还存在气孔和夹渣难以去除、铁合金熔液与陶瓷的润湿性差及成本高等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种生产工艺实施简便、结构设计合理、具有高硬度、强韧性的高铬铸铁碳化物复合耐磨球及生产工艺。

高铬铸铁磨球的性能与其组织结构密切相关，铸铁基体 + 碳化物这类组织具有有较好的耐磨性。碳化物硬度较高，分布于基体中有支承作用，可阻挡磨料的切削和刺入。然而，由于碳化物的存在，这种组织韧性较差。如何使韧性和硬度得到最佳的配合，需要合理的选择高铬铸铁中碳化物的形状（如大小、团球、网状等）、分布（单独存在或相互关联）、数量及种类；因碳化物依存于基体，且受基体制约，要考虑基体组织和残余奥氏体的量，需采取有效措施细化晶粒、净化晶界、减少有害夹杂。

本发明通过在铁基体中直接加入强化介质—碳化物颗粒制备高铬铸铁碳化物复合耐磨球材料。碳化物颗粒与基体的复合过程中会发生铸渗、分解及原子扩散作用。碳化物颗粒与铁基合金熔液作用而发生部分分解，分解出来的原子扩散到基体中与其中的合金元素(Cr、Fe等)发生反应，生成大量的块状和长杆状碳化物，同时抑制了石墨相的生成，并使得铸渗层硬度比基体增长近1倍；颗粒尺寸大幅度减小，形状由不规则的尖角形态变为近似等轴状的圆形。因此，改善了高铬铸铁晶体的生长形貌，改变马氏体的生长形态，提高材料的硬度，提高了材料的冲击韧性及高温摩擦磨损性能。

生产过程中通过调节浇包内碳化物颗粒与精炼铁基合金熔液混合温度、混合时间及搅拌强度等手段，控制碳化物颗粒与基体的复合过程中会发生铸渗、分解及原子扩散作用，达到控制碳化物的形状、大小、分布、数量等目的，从而实现强化高铬铸铁磨球的性能目的。

本发明的技术方案如下：

采用通用的工业制备方法制取WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒，也可直接采购WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒。WC颗粒的含量大于97%，其用量占高铬铸铁磨球总质量的2~4%，粒度为5目~100目。SiC颗粒的含量大于97%，其用量占高铬铸铁总质量的1~3%，其粒度为5目~100目。TiC颗粒的含量大于97%，其用量占高铬铸铁总质量的0.05~0.2%，其粒度为5目~100目。

在碳化物颗粒与精炼铁基合金熔液混合过程中，碳化物颗粒受热会发生分解，即发生颗粒的溶解与熔解过程。精炼铁基合金熔液混合温度和时间直接影响溶解与熔解的程度，尺寸大的碳化物颗粒，可以适应相对较高的精炼铁基合金熔液混合温度和相对较长的时间。一般粒度可为20目~60目。

先将WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒按配比均匀混合，放入浇包内；对于尺寸大于5cm的耐磨球，也可采用泡沫消失模等常规方法将WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒均匀固定在金属模腔内，其碳化物颗粒尺寸可大一些。

高铬铸铁碳化物复合耐磨球其余的原料按组成进行炉料配比，采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼温度控制在1500~1550℃。经扒渣，脱氧，增碳，精炼，集渣、除渣等过程，得到精炼铁基合金熔液。

生产尺寸大于5cm的耐磨球，可直接将精炼铁基合金熔液倒入金属模腔中混合，浇注温度控制在1450 ℃左右，小尺寸碳化物颗粒的浇注温度控制在1350 ℃~1400 ℃。

生产尺寸小于5cm的耐磨球，将精炼铁基合金熔液倒入浇包中混合，对于大颗粒碳化物控制温度在1450 ℃左右或更低，混合时间控制在2~5分钟；对于小尺寸碳化物颗粒控制温度在1400 ℃左右或更低，混合时间控制在1~3分钟。然后，再浇入到熔模铸造模腔中，真空负压浇注成型，浇铸温度为1350~1400℃。

将获得的铸件冷却到150~200℃，破壳，冷却到室温，开箱取件。经过清理的铸件在箱式热处理炉中加热到920-950℃后保温30分钟，取出空冷至室温；

继续将铸件重新加热到220-250℃后空冷至室温，进行低温回火处理，完成耐磨件的加工。最终得到高铬铸铁碳化物复合耐磨球。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式详细说明本技术方案。在本发明中涉及使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例一：

1）取纯度为97%的WC颗粒，颗粒粒度为50目，硬度为HRC 70，WC颗粒占高铬铸铁复合磨球总质量的4%。

2）取纯度为97%的SiC颗粒，颗粒粒度为60目，硬度为HRC 68；SiC颗粒占所述的高铬铸铁总重量的2%。

3）将WC颗粒和SiC颗粒按配比均匀混合，放入浇包内。

4）其余原料按组分进行炉料配比，采用中频感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1500℃。

5 ) 熔炼过程经过扒渣，脱氧，精炼，除渣后得到精炼铁基合金熔液。

6）将精炼铁基合金熔液静置后倒入浇包，使WC颗粒和SiC颗粒与精炼铁基合金熔液充分混合，温度控制在1400℃左右，与碳化物颗粒混合的时间控制为2分钟，得到高铬铸铁碳化物复合磨球熔液。

7）将高铬铸铁碳化物复合磨球熔液再浇入到提前做好的熔模铸造模腔中，浇注温度为1360℃。

8）将获得的铸件冷却到180℃，破壳，冷却到室温，开箱取件。

9）将步骤8）经过清理的铸件在箱式热处理炉中加热到930℃后保温30分钟，取出空冷至室温。

10）将步骤9）中铸件重新加热到230℃后空冷至室温，进行低温回火处理，完成耐磨件的加工。

实施例二：

1）取纯度为98%的WC颗粒，颗粒粒度为30目，硬度为HRC 70，WC颗粒占高铬铸铁复合磨球总质量的3 %。

2）取纯度为98%的SiC颗粒，颗粒粒度为35目，硬度为HRC 68；SiC颗粒占所述的高铬铸铁总重量的3%。

3）取纯度为98%的TiC颗粒，颗粒粒度为40目，硬度为HRC 68；TiC颗粒占所述的高铬铸铁总重量的0.1。

4）将WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒按配比均匀混合，制成泡沫消失模，固定在金属模腔内。

5）其余原料按组分进行炉料配比，采用中频感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1520℃。

6 ) 熔炼过程经过扒渣，脱氧，精炼，除渣后得到精炼铁基合金熔液。

7）将精炼铁基合金熔液静置后倒入金属模腔内，浇注温度为1430℃左右。

9）将步骤8）经过清理的铸件在箱式热处理炉中加热到950℃后保温30分钟，取出空冷至室温；

经检测高铬铸铁碳化物复合耐磨球的组成（质量百分数）为：C 2.0~3.5%，Cr 18~25%，Mn1.0~2.0 %，W 0.5~3.0%，Si 0.5~1.2%，Ti 0.05~0.2%，P≤0.10%，S≤0.06%，其余为Fe、碳化物及少量的杂质。

经检测高铬铸铁碳化物复合耐磨球的机械性能为：高铬铸铁碳化物复合耐磨球的硬度≥HRC60，冲击韧性8~10 J/cm²，抗弯强度为760~950N/mm²，碎球率＜1。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球，其特征是：以质量百分比计，含有以下组分：C 2.0~3.5%，Cr 18~25%，Mn1.0~2.0%，W 0.5~3.0%，Si 0.5~1.2%，Ti 0.05~0.2%，P≤0.10%，S≤0.06%，其余为Fe及碳化物颗粒，所述碳化物颗粒包括WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒中的至少两种。

2.一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球的制备工艺，其特征是包括以下步骤：

（1）将两种及以上碳化物颗粒按配比均匀混合，放入浇包，对于尺寸大于5cm的耐磨球，直接将碳化物颗粒均匀固定在金属模腔内，所述碳化物颗粒包括WC颗粒、SiC颗粒及TiC颗粒中的至少两种；

（2）高铬铸铁碳化物复合耐磨球其余的原料按组成进行炉料配比，采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼温度控制在1500~1550℃，经扒渣，脱氧，增碳，精炼，集渣、除渣等过程，得到精炼铁基合金熔液；

（3）生产尺寸小于5cm的耐磨球，先将精炼铁基合金熔液静置后倒入所述的浇包中，温度控制为1380~1450℃，控制混合一定时间，使碳化物颗粒与精炼铁基合金熔液充分混合，得到高铬铸铁碳化物复合磨球熔液，再将高铬铸铁碳化物复合磨球熔液浇入到提前做好的熔模铸造模腔中，浇铸温度为1350~1400℃；

（4）生产尺寸大于5cm的耐磨球，将精炼铁基合金熔液直接浇入金属模腔中与碳化物混合，浇注温度控制为1380~1450℃；

（5）将获得的磨球冷却到150~200℃，破壳，冷却到室温，开箱取件；

（6）将步骤（5）经过清理的磨球在箱式热处理炉中加热到920-960℃后保温30分钟，取出空冷至室温；

（7）将步骤（6）中磨球重新加热到220-260℃后空冷至室温，进行低温回火处理，完成耐磨球的加工，得到高铬铸铁碳化物复合耐磨球的组成为（质量百分数）：C 2.0~3.5%，Cr 18~25%，Mn1.0~2.0%，W 0.5~3.0%，Si 0.5~1.2%，Ti 0.05~0.2%，P≤0.10%，S≤0.06%，其余为Fe及碳化物颗粒。

3.根据权利2所述的一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球的制备工艺，其特征是所述碳化物颗粒的粒度为5目~100目。

4.根据权利2所述的一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球的制备工艺，其特征是SiC颗粒的用量占所述的高铬铸铁碳化物复合磨球总质量的1~3%，WC颗粒的用量占所述的高铬铸铁碳化物复合磨球总质量的2~4%，TiC颗粒的用量占所述的高铬铸铁碳化物复合磨球总质量的0.05~0.25 %。

5.根据权利2所述的一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球的制备工艺，其特征是当碳化物颗粒尺寸为5目~50目时，浇注温度控制在1400~1450℃；当碳化物颗粒尺寸为50目~100目时，浇注温度控制在1350~1400℃。

6.根据权利2所述的一种高铬铸铁碳化物复合耐磨球的制备工艺，其特征是当浇包中碳化物颗粒尺寸为5目~50目时，静置混合时间控制在3~5分钟；当浇包中碳化物颗粒尺寸为50目~100目时，静置混合时间控制在1~3分钟。