CN104131218A

CN104131218A - 一种特高铬铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN104131218A
Application number: CN201410356847.3A
Authority: CN
Inventors: 汪德发
Original assignee: Ningguo Kaiyuan Electric Power Co Ltd & Anti-Friction Material Plant
Current assignee: Ningguo Kaiyuan Electric Power Co Ltd & Anti-Friction Material Plant
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2014-11-05

Abstract

本发明公开了一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：2.9—3.0％、Cr：26—27％、Mn：0.8—0.9％、Si：1.05—1.2％、Cu：0.8—0.9％、Ni：0.8—0.9％、B：0.003—0.004％、Ti：0.01—0.02％、Re：0.025—0.035％、S：≤0.045％、P：≤0.055％；余量为Fe。本发明高铬铸铁通过合理配方设计、熔炼、变质、浇注、脱氧等加工工艺，让高铬铸铁具有良好的耐磨性、硬度、强度、耐腐蚀性、韧性，通过浇注时间、砂型温度的控制，有效的防止缩松、缩孔的产生，也提高了高铬铸铁的韧性和耐磨性，表面硬度60—63HRC，冲击值≥7J/cm²，使用寿命为12000—13000小时。

Description

一种特高铬铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种特高铬铸铁及其制备方法。

背景技术

高铬铸铁是高铬白口抗磨铸铁的简称，是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。它以比合金钢高得多的耐磨性，和比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。

高铬铸铁属金属耐磨材料、抗磨铸铁类铬系抗磨铸铁的一个重要分支，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁而发展起来的第三代白口铸铁。早在1917年就出现了第一个高铬铸铁专利。高铬铸铁一般泛指含Cr量在11-30％之间，含C量在2.0-3.6％之间的合金白口铸铁。

在采矿、水泥、电力、筑路机械、耐火材料等方面应用十分广泛，常见于衬板、锤头、磨球材质。80年代以后更被广泛用于抛丸清理机的室体制作和抛丸器叶片、衬板的制作上，能非常有效防止高速密集的弹丸束击穿钢板壳体。

高铬铸铁化学成分的基本原则：

①采用亚共晶成分，最好控制在接近共晶成分，越接近越好；不要选用过共晶成分；铬和碳的搭配要遵循接近且稍低于共晶碳含量的原则，以确保亚共晶成分和亚共晶组织，同时得到最佳铸造工艺性能，如超过则组织中会出现粗大的过共晶初生碳化物，初生碳化物的横截面外形呈规则的六角形,其内部有共晶成分的组织及缩孔,这种粗大的初生碳化物在磨料颗粒的冲击挤压下会碎裂剥落，以致脱离基体成为细小碳化物碎粒，夹在金属磨擦中间起着磨料磨损作用，当碎粒压入磨损件表面，会犁出一道道沟槽引起磨损加剧；

②应确保共晶碳化物为M₇C₃；

③共晶碳化物数量(含量)适宜；

④耐磨性与使用工况所要求的韧性应达到最佳配合；

⑤有足够的淬透性，空淬时不出现珠光体及索氏体等高温转变组织。

现有技术中的特高铬铸铁的配方有待改进，制备方法有待优化。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种特高铬铸铁及其制备方法，通过改善配方，优化加工工艺，提高特高铬铸铁的机械性能。

为了解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：2.9—3.0％、Cr：26—27％、Mn：0.8—0.9％、Si：1.05—1.2％、Cu：0.8—0.9％、Ni：0.8—0.9％、B：0.003—0.004％、Ti：0.01—0.02％、Re：0.025—0.035％、S：≤0.045％、P：≤0.055％；余量为Fe。

优选的，各成分及重量百分比为：C：2.92—3.0％、Cr：26.2—27％、Mn：0.8—0.88％、Si：1.1—1.2％、Cu：0.82—0.9％、Ni：0.8—0.87％、B：0.0032—0.004％、Ti：0.012—0.02％、Re：0.028—0.035％、S：≤0.045％、P：≤0.055％；余量为Fe。

优选的，各成分及重量百分比为：C：2.92％、Cr：26.8％、Mn：0.85％、Si：1.15％、Cu：0.88％、Ni：0.82％、B：0.0032％、Ti：0.016％、Re：0.032％、S：0.045％、P：0.05％；余量为Fe。

优选的，各成分及重量百分比为：C：2.96％、Cr：26.4％、Mn：0.84％、Si：1.13％、Cu：0.85％、Ni：0.86％、B：0.0036％、Ti：0.012％、Re：0.028％、S：0.042％、P：0.051％；余量为Fe。

特高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(2)原料熔炼：加入废钢和生铁熔清，先用珍珠砂覆盖液面，温度为1530—1535℃时加入锰铁；温度为1535—1550℃时加入硅铁、铬铁调整成分，出铁前7—9分钟加入硼铁、钛铁进行变质处理，沉淀脱氧处理；

(3)将铁水倒入钢包，温度1480—1500℃；加入Re进行孕育处理：粒度0.7—0.9mm，在45—50％的铁水倒入钢包时加入；最后加入钢包覆盖剂；

(4)向钢包中加入保温聚渣剂覆盖液面，并镇静8—10分钟，再进行扒渣处理、终脱氧处理；

(5)浇铸：温度为1380—1390℃；

(6)淬火处理：200℃以下装炉，在200℃保温1.2—1.4小时，在温度为640—650℃时，保温1.2—1.4小时；在温度为1010—1030℃时，保温0.9—1.1小时，然后空淬；

(7)回火处理：在温度为220—230℃时，保温1.2—1.4小时，在温度为480—500℃时，保温1.4—1.5小时，然后冷却至室温。

优选的，步骤(5)浇铸时，砂型的温度控制在220—240℃。防止缩松、缩孔的产生。

优选的，步骤(5)浇铸时，砂型的温度控制在225—235℃。

优选的，步骤(5)浇铸时长为6—8分钟。避免铁液变质后衰退至初始状态，同时防止缩松、缩孔的产生，避免降低显微组织密度和致密度及晶粒之间的有机联系和连接强度，从而避免降低铸铁的韧性和耐磨性。

高铬铸铁铸态显微组织在室温时白色基体为初生奥氏体及其转变产物，骨骼状组织为共晶碳化物相互构成的树枝状结晶。高铬铸铁的共晶结晶与普通白口铸铁不同，当铸铁中含铬量足够高时，共晶结晶的固液相界面不规则，结晶区域变得较宽，呈现糊状结晶的特征。这样，冷到共晶线时，共晶碳化物趋于小平面方式生长，而共晶奥氏体趋于树枝状方式生长，这样，普通白口铸铁的共晶渗碳体为板片状结构，而高铬铸铁共晶碳化物为断续的块状，这就是高铬铸铁抗磨性和力学性能优于普通白口铸铁的主要原因。

高铬铸铁的组织和性能在某种意义上讲，主要取决于铬和碳的含量。高碳低铬时，其共晶碳化物为M₃C；低碳高铬时，其共晶碳化物为M₂₃C₆；碳与铬适当配合则可得理想M₇C₃。M₇C₃的硬度达1200～1800HV，六方晶系，这种碳化物孤立分布，呈团球状和菊花状以及蠕虫状,对基体的割裂作用较小,高铬铸铁的韧性较好。碳量决定碳化物数量，随着含碳量增加，将增加碳化物数量,提高耐磨性。但随着含碳量增加基体中固溶合金元素减少,使基体得不到强化,引起淬透性降低。

对高铬铸铁而言，淬火态的耐磨性优于铸态，无论是淬火态或铸态,其耐磨性先是随含碳量增加而提高，当含碳量达到3.1％时耐磨性最佳，进一步提高含碳量耐磨性逐渐降低。铬量决定碳化物类型,高铬铸铁具有优越的耐磨性主要是显微组织中含有较多的M7C3碳化物所致。在碳化物与耐磨性关系中,耐磨性也是先随碳化物量增加而提高,当碳化物量增加到30％时,耐磨性的提高就不明显了。

铬除与碳形成碳化物外，尚有部分溶解于奥氏体中提高淬透性，当碳量不变增加铬量，或铬量不变降低碳量,均能使淬透性提高。当共晶碳化物不变，且Cr/C为6.5—8时，高铬铸铁的断裂纹扩展能力最强，综合分析，C：2.9—3.0％、Cr：26—27％。

C：与Fe、Cr、Mn形成稳定的化合物，通过热处理提高硬度和耐磨性；C与其他元素产生协同作用，提高高铬铸铁的综合性能。

Mn：是强化元素，融入铁素体，强化基体，能够细化组织，提高高铬铸铁的强度、硬度、耐磨性。

Cr：提高材料的淬透性，能有效防止游离态的石墨产生，使普通渗碳体转变为合金渗碳体，以提高高铬铸铁整体的强度和硬度，具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性能，阻止石墨化、提高淬透性。

Si：一般w(Si)控制在0.5％～1.3％之间。随着高铬铸铁的深入研究，许多发达国家标准中硅含量控制在小于1.5％，多数控制在1.2～1.3％，尤其是生产湿磨铸件时，硅控制的上线，以提高耐蚀性。较高的硅有利于提高铸铁的铸造工艺性能，如流动性、利于脱氧；改善共晶碳化物形状；增加共晶碳化物数量，硅与铁的亲和力大于铬与铁的亲和力；强化基体组织等有利作用。值得指出的是：硅量超限时，淬透性不足将引起影响材料的耐磨性。

Mo：高铬铸铁中一部分进入碳化物,一部分溶入奥氏体，在亚共晶高铬白口铸铁中，溶入奥氏体基体中的钼主要是提高淬透性，能够有效地抑制渗碳体聚集，强化奥氏体组织，使强度和硬度增加，形变硬化性能增强，从而改善抗磨能力。

Cu：能强化集体、提高淬透性。

Ni：不溶于碳化物中，全部进入到基体中，强化集体、提高淬透性。

B、Ti：细化晶粒，尤其是共晶碳化物；提高基体淬透性。

Re：改善高铬铸铁的韧性和耐磨性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明高铬铸铁通过合理配方设计、熔炼、变质、浇铸、脱氧等加工工艺，让高铬铸铁具有良好的耐磨性、硬度、强度、耐腐蚀性、韧性，通过浇铸时间、砂型温度的控制，有效的防止缩松、缩孔的产生，也提高了高铬铸铁的韧性和耐磨性，表面硬度60—63HRC，冲击值≥7J/cm²，使用寿命为12000—13000小时。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明：

实施例1：

一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：2.9％、Cr：27％、Mn：0.8％、Si：1.2％、Cu：0.8％、Ni：0.9％、B：0.003％、Ti：0.02％、Re：0.025％、S：0.04％、P：0.055％；余量为Fe。

特高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(2)原料熔炼：加入废钢和生铁熔清，先用珍珠砂覆盖液面，温度为1530℃时加入锰铁；温度为1550℃时加入硅铁、铬铁调整成分，出铁前7分钟加入硼铁、钛铁进行变质处理，沉淀脱氧处理；

(3)将铁水倒入钢包，温度1500℃；加入Re进行孕育处理：粒度0.7mm，在50％的铁水倒入钢包时加入；最后加入钢包覆盖剂；

(4)向钢包中加入保温聚渣剂覆盖液面，并镇静8分钟，再进行扒渣处理、终脱氧处理；

(5)浇铸：温度为1390℃，砂型的温度控制在220℃，浇铸时长为8分钟；

(6)淬火处理：200℃以下装炉，在200℃保温1.2小时，在温度为650℃时，保温1.2小时；在温度为1030℃时，保温0.9小时，然后空淬；

(7)回火处理：在温度为230℃时，保温1.2小时，在温度为500℃时，保温1.4小时，然后冷却至室温。

实施例2：

一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：3.0％、Cr：26％、Mn：0.9％、Si：1.05％、Cu：0.9％、Ni：0.8％、B：0.004％、Ti：0.01％、Re：0.035％、S：0.045％、P：0.05％；余量为Fe。

特高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(2)原料熔炼：加入废钢和生铁熔清，先用珍珠砂覆盖液面，温度为1535℃时加入锰铁；温度为1535℃时加入硅铁、铬铁调整成分，出铁前9分钟加入硼铁、钛铁进行变质处理，沉淀脱氧处理；

(3)将铁水倒入钢包，温度1480℃；加入Re进行孕育处理：粒度0.9mm，在45％的铁水倒入钢包时加入；最后加入钢包覆盖剂；

(4)向钢包中加入保温聚渣剂覆盖液面，并镇静10分钟，再进行扒渣处理、终脱氧处理；

(5)浇铸：温度为1380℃，砂型的温度控制在240℃，浇铸时长为6分钟；

(6)淬火处理：200℃以下装炉，在200℃保温1.4小时，在温度为640℃时，保温1.4小时；在温度为1010℃时，保温1.1小时，然后空淬；

(7)回火处理：在温度为220℃时，保温1.4小时，在温度为480℃时，保温1.5小时，然后冷却至室温。

实施例3：

一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：2.95％、Cr：26.5％、Mn：0.85％、Si：1.1％、Cu：0.85％、Ni：0.85％、B：0.0035％、Ti：0.015％、Re：0.03％、S：0.03％、P：0.04％；余量为Fe。

特高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(2)原料熔炼：加入废钢和生铁熔清，先用珍珠砂覆盖液面，温度为1532℃时加入锰铁；温度为1540℃时加入硅铁、铬铁调整成分，出铁前8分钟加入硼铁、钛铁进行变质处理，沉淀脱氧处理；

(3)将铁水倒入钢包，温度1490℃；加入Re进行孕育处理：粒度0.8mm，在48％的铁水倒入钢包时加入；最后加入钢包覆盖剂；

(4)向钢包中加入保温聚渣剂覆盖液面，并镇静9分钟，再进行扒渣处理、终脱氧处理；

(5)浇铸：温度为1385℃，砂型的温度控制在230℃，浇铸时长为7分钟；

(6)淬火处理：200℃以下装炉，在200℃保温1.3小时，在温度为645℃时，保温1.3小时；在温度为1020℃时，保温1小时，然后空淬；

(7)回火处理：在温度为225℃时，保温1.3小时，在温度为490℃时，保温1.45小时，然后冷却至室温。

实施例4：

一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：2.92％、Cr：26.8％、Mn：0.85％、Si：1.15％、Cu：0.88％、Ni：0.82％、B：0.0032％、Ti：0.016％、R_e：0.032％、S：0.045％、P：0.05％；余量为Fe。

特高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(2)原料熔炼：加入废钢和生铁熔清，先用珍珠砂覆盖液面，温度为1534℃时加入锰铁；温度为1545℃时加入硅铁、铬铁调整成分，出铁前7.5分钟加入硼铁、钛铁进行变质处理，沉淀脱氧处理；

(3)将铁水倒入钢包，温度1485℃；加入Re进行孕育处理：粒度0.75mm，在46％的铁水倒入钢包时加入；最后加入钢包覆盖剂；

(4)向钢包中加入保温聚渣剂覆盖液面，并镇静8.5分钟，再进行扒渣处理、终脱氧处理；

(5)浇铸：温度为1385℃，砂型的温度控制在235℃，浇铸时长为7分钟；

(6)淬火处理：200℃以下装炉，在200℃保温1.25小时，在温度为640℃时，保温1.25小时；在温度为1035℃时，保温0.95小时，然后空淬；

(7)回火处理：在温度为228℃时，保温1.22小时，在温度为485℃时，保温1.48小时，然后冷却至室温。

实施例5：

一种特高铬铸铁，各成分及重量百分比为：C：2.96％、Cr：26.4％、Mn：0.84％、Si：1.13％、Cu：0.85％、Ni：0.86％、B：0.0036％、Ti：0.012％、Re：0.028％、S：0.042％、P：0.051％；余量为Fe。

特高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(2)原料熔炼：加入废钢和生铁熔清，先用珍珠砂覆盖液面，温度为1530℃时加入锰铁；温度为550℃时加入硅铁、铬铁调整成分，出铁前8分钟加入硼铁、钛铁进行变质处理，沉淀脱氧处理；

(3)将铁水倒入钢包，温度1495℃；加入Re进行孕育处理：粒度0.85mm，在48％的铁水倒入钢包时加入；最后加入钢包覆盖剂；

(5)浇铸：温度为1385℃，砂型的温度控制在225℃，浇铸时长为7分钟；

(6)淬火处理：200℃以下装炉，在200℃保温1.2小时，在温度为650℃时，保温1.4小时；在温度为1030℃时，保温1.1小时，然后空淬；

高铬铸铁铸态基体组织为奥氏体混合组织，为了得到稳定的高硬度技术指标，无论是大件还是小件都要进行必要的热处理，目的是使高铬铸铁具有高硬度的马氏体基体，能有力地支撑碳化物，使在磨损过程中碳化物不脱落、碎裂、折断，同时提高高铬铸铁的宏观硬度和显微硬度。

经试验，结果如下：

表一：

故：高铬铸铁在1020—1040℃的温度下淬火后的硬度最高。

化学成分相同的高铬铸铁，随着淬火温度提高，残余奥氏体量增多，残余奥氏体在随后回火过程中转变成马氏体，使硬度再得到升高。

1020℃淬火不同温度回火硬度值：

表二：

1040℃淬火不同温度回火硬度值：

表三：

故：在450—500℃的条件下的回火后的硬度最好。

铸态冷却过程中，来不及充分脱稳(奥氏体十分稳定)，使铸态奥氏体含有过饱和的合金元素及碳，使Ms点(马氏体转变开始点)下降到室温以下，铸态形成由初生奥氏体和共晶碳化物组成的组织，硬度偏低。

淬火冷却过程中，过饱和奥氏体内的合金元素(主要是铬)和碳，随着温度的下降，为了保持其平衡将析出合金元素(主要是铬)和碳并形成二次碳化物，从而将降低奥氏体的稳定性，同时使Ms点(马氏体转变开始点)上升，促使马氏体的转变。值得指出的是，淬火冷却过程中，一定要控制好过饱和奥氏体内，所析出合金元素(主要是铬)和碳要适宜，以得到最佳马氏体基体组织和高硬度。淬火冷却过程中，二次碳化物析出为主(脱稳)，并聚集长大,由于奥氏体中合金元素及碳元素含量降低，导致奥氏体转变曲线左移，使其淬透性降低。因此控制好冷却速度是十分重要的，应给与足够重视。

回火过程中淬火马氏体变为回火马氏体，部分二次碳化物溶入到马氏体内增加碳及合金元素含量提高马氏体硬度，同时回火过程(加热、保温、冷却)中残余奥氏体内的合金元素及碳元素析出，促使残余奥氏体转变成马氏体，从而有效的提高硬度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种特高铬铸铁，其特征在于：各成分及重量百分比为：C：2.9—3.0％、Cr：26—27％、Mn：0.8—0.9％、Si：1.05—1.2％、Cu：0.8—0.9％、Ni：0.8—0.9％、B：0.003—0.004％、Ti：0.01—0.02％、Re：0.025—0.035％、S：≤0.045％、P：≤0.055％；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的特高铬铸铁，其特征在于：各成分及重量百分比为：C：2.92—3.0％、Cr：26.2—27％、Mn：0.8—0.88％、Si：1.1—1.2％、Cu：0.82—0.9％、Ni：0.8—0.87％、B：0.0032—0.004％、Ti：0.012—0.02％、Re：0.028—0.035％、S：≤0.045％、P：≤0.055％；余量为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的特高铬铸铁，其特征在于：各成分及重量百分比为：C：2.92％、Cr：26.8％、Mn：0.85％、Si：1.15％、Cu：0.88％、Ni：0.82％、B：0.0032％、Ti：0.016％、Re：0.032％、S：0.045％、P：0.05％；余量为Fe。

4.根据权利要求1或2所述的特高铬铸铁，其特征在于：各成分及重量百分比为：C：2.96％、Cr：26.4％、Mn：0.84％、Si：1.13％、Cu：0.85％、Ni：0.86％、B：0.0036％、Ti：0.012％、Re：0.028％、S：0.042％、P：0.051％；余量为Fe。

5.根据权利要求1或2所述的特高铬铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备砂型；

(5)浇铸：温度为1380—1390℃；

6.根据权利要求5所述的特高铬铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(5)浇铸时，砂型的温度控制在220—240℃。

7.根据权利要求6所述的特高铬铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(5)浇铸时，砂型的温度控制在225—235℃。

8.根据权利要求5所述的特高铬铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(5)浇铸时长为6—8分钟。