CN104313457A - 碳化钒增强型复合铸铁材料及其制备方法、制砂机反击块 - Google Patents

碳化钒增强型复合铸铁材料及其制备方法、制砂机反击块 Download PDF

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Abstract

碳化钒增强型复合铸铁材料以重量百分比计的化学成分包括：C：3.1～3.3﹪，V：8.0～9.0﹪，Si：0.5～0.8﹪，Mn：0.8～1.0﹪，Cr：2.0～3.5﹪，Mo：2.0～2.5﹪，Ti：0.3～0.6﹪，S≤0.04﹪，P≤0.04﹪；其余为Fe。碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法包括在熔炼炉内熔炼形成合金液后，向熔炼炉内的合金液加入孕育剂进行初孕育处理，孕育剂是钛铁孕育剂。将经过初孕育处理的合金液倾倒加入浇包内进行孕育变质处理，浇包内预置有变质剂和孕育剂，变质剂是稀土硅铁变质剂。本发明还涉及用碳化钒增强型复合铸铁材料制成的制砂机反击块。碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物颗粒呈现团球状并具有较高的显微硬度从而具有较佳的综合耐磨性能。

Description

碳化钒增强型复合铸铁材料及其制备方法、制砂机反击块
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种碳化钒增强型复合铸铁材料及其制备方法、制砂机反击块。
背景技术
随着机制砂的市场需求量不断扩大，国内开发设计了各种不同结构型式的制砂机设备用来生产机制砂，以满足机制砂的市场需求。制砂机设备的关键部件～制砂机反击块对制砂机设备的使用性能起着决定性作用。制砂机反击块是制砂机设备中的易损件，目前大都使用高锰钢、镍硬铸铁和高铬铸铁Cr26来制作。由于制砂机反击块所处的工况十分恶劣，导致使用高铬铸铁Cr26生产的制砂机反击块的平均使用寿命仅有45小时。
在耐磨材料领域，高铬铸铁制成的耐磨零部件是具有碳化物增强相的第三代耐磨材料，由于在高铬铸铁中具有高硬度的增强相碳化物Cr7C3，相较前两代耐磨材料～白口铸铁和高锰钢性能有了较大幅度提升，洛氏硬度可以达到HRC60～65。但是由于碳化物Cr7C3通常呈现长条形分布，对铁基体的割裂作用较大，故其冲击韧性一般都在3～7J/cm2之间，有些还低于3J/cm2，材料相对较脆，耐冲击性能比较差；并且因碳化物Cr7C3比较粗大、呈长条形分布，容易出现碳化物大块状剥落而导致的失效，从而引起其耐磨性能下降，因而高铬铸铁的综合耐磨性能仍然较低。
高铬铸铁的碳化物增强相Cr7C3其显微硬度介于HV1300～1800之间，相对来说比较低，由高铬铸铁制备的制砂机反击块在实际生产使用中实际寿命仍很短，需要频繁更换，既影响制砂机设备的有效使用效率，又增加了设备日常维护费用。因此，开发新型耐磨材料并应用于制砂机反击块来提高其实际使用寿命是当前亟待解决的主要问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种碳化钒增强型复合铸铁材料，其碳化物颗粒呈现团球状并具有较高的显微硬度，从而具有较佳的综合耐磨性能。
本发明的另一目的在于，提供了一种碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法，其形成的碳化物颗粒呈现团球状并具有较高的显微硬度，使得碳化钒增强型复合铸铁材料具有较佳综合耐磨性能。
本发明的又一目的在于，提供了一种制砂机反击块，其具有较佳综合耐磨性能，使用寿命较长。
本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。
一种碳化钒增强型复合铸铁材料，以重量百分比计的化学成分包括：C：3.1～3.3﹪，V：8.0～9.0﹪，Si：0.5～0.8﹪，Mn：0.8～1.0﹪，Cr：2.0～3.5﹪，Mo：2.0～2.5﹪，Ti：0.3～0.6﹪，S≤0.04﹪，P≤0.04﹪；其余为Fe。
一种碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法包括以下步骤。首先是熔炼处理步骤，按上述的碳化钒增强型复合铸铁材料进行配料向熔炼炉内加入废钢、生铁、铬铁、钼铁、增碳剂、硅铁、锰铁和钒铁进行熔炼形成合金液。其次是初孕育处理步骤，向熔炼炉内的合金液加入孕育剂进行孕育，孕育剂是钛铁孕育剂。接着是孕育变质处理步骤，将经过初孕育处理步骤的合金液倾倒加入浇包内进行孕育和变质，浇包内预置有变质剂和孕育剂，变质剂是稀土硅铁变质剂。
在本发明的较佳实施例中，上述制备方法还包括：浇注步骤，将经过孕育变质处理步骤的合金液浇注成型成铸件，浇注温度为1520～1560℃。热处理步骤，对铸件进行热处理，热处理步骤包括淬火处理和回火处理，淬火处理的淬火温度为1050～1100℃，回火处理的回火温度为250～600℃。
在本发明的较佳实施例中，在初孕育处理步骤中孕育剂的第一次加入量和在孕育变质处理步骤中孕育剂的第二次加入量的重量比为1﹕1。
在本发明的较佳实施例中，在初孕育处理步骤中孕育剂的第一次加入量和孕育变质处理步骤中孕育剂的第二次加入量之和占合金液总重量0.1～0.6﹪。
在本发明的较佳实施例中，上述熔炼处理步骤包括：向熔炼炉内加入废钢、生铁、铬铁、钼铁、增碳剂进行熔炼形成熔体；在熔体熔清之后，向熔体中加入预脱氧剂进行预脱氧处理，并向熔体加入脱硫剂进行脱硫处理；对经过预脱氧处理和脱硫处理的熔体进行扒渣处理；向经过扒渣处理的熔体中加入硅铁和锰铁继续进行熔炼；以及在熔体加入硅铁和锰铁继续进行熔炼的后期向熔体加入钒铁进行熔炼，在熔体熔清后进行等温处理5～8分钟形成合金液。
在本发明的较佳实施例中，上述初孕育处理步骤之后孕育变质处理步骤之前还包括在经过初孕育处理步骤的合金液中加入占合金液总重量0.1～0.2﹪的终脱氧剂进行终脱氧处理，预脱氧剂和终脱氧剂是高纯铝丝或高纯铝粒。
在本发明的较佳实施例中，上述变质剂是粒径为1～5mm的颗粒。
在本发明的较佳实施例中，上述变质剂的含量占合金液总重量0.5～0.8﹪。
一种制砂机反击块，其由上述的碳化钒增强型复合铸铁材料制成。
本发明的碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物增强相颗粒例如碳化钒(VC)颗粒形貌近似呈现出团球化，边棱形貌明显要优于基于Cr7C3增强相的高铬铸铁材料，因此碳化钒增强型复合铸铁材料具有较高的冲击韧性，可以达到8J/cm2以上。本发明的碳化钒增强型复合铸铁材料的基体平均硬度同样可以达到HRC60～65，并且碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物增强相颗粒例如VC颗粒的显微硬度可以达到HV2800以上，通常为Cr7C3的两倍及以上。因此，碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物增强相颗粒例如VC颗粒的硬度更高，从而碳化钒增强型复合铸铁材料的具有较高的硬度并具有较佳综合耐磨性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法的流程示意图。
图2是本发明较佳实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料的金相图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的碳化钒增强型复合铸铁材料及其制备方法、制砂机反击块的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明较佳实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法的流程示意图。请参照图1，碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法主要包括以下步骤。
步骤11，熔炼处理步骤，即向熔炼炉内加入废钢、生铁、铬铁、钼铁、增碳剂、硅铁、锰铁和钒铁进行熔炼形成合金液。
具体地，首先根据所制备的碳化钒增强型复合铸铁材料的化学成分进行配料，即将废钢、生铁、增碳剂、钒铁、钛铁、铬铁、钼铁、硅铁、锰铁和稀土硅铁等原材料清理干净，并按化学成分要求进行配料称取，分类放置。本实施例中，首先，向熔炼炉内加入废钢、生铁、铬铁、钼铁、增碳剂等原辅料，熔炼炉通电后启动合金熔化进行熔炼形成熔体。熔炼炉例如是750kg中频感应熔炼炉。其次，在熔体熔清之后，向熔炼炉内熔炼形成的熔体加入预脱氧剂进行预脱氧处理，预脱氧剂例如是高纯铝丝或高纯铝粒。预脱氧处理之后再向熔体加入脱硫剂进行脱硫处理，脱硫剂例如是生石灰(CaO)。接着，对经过预脱氧处理和脱硫处理的熔体进行扒渣处理，例如使用工具扒除合金液表面的所有浮渣，以净化合金液。优选地，为了有效净化合金液，在熔炼处理步骤中还可利用除渣剂进行除渣处理并可采用多次扒渣处理对熔体进行彻底地除渣。之后，再向经过扒渣处理的熔体中加入硅铁和锰铁继续进行熔炼。在熔体加入硅铁和锰铁继续进行熔炼的后期向熔体加入钒铁进行熔炼，在熔体熔清后进行等温处理5～8分钟以形成合金液。此时，可根据需要进行合金液的化学成分的检测，以确认合金液的化学成分是否符合目标成分要求以及是否需要重新调整化学成分，但是是否检测在此并不做特别限定。
步骤12，初孕育处理步骤，即向熔炼炉内的合金液加入孕育剂进行孕育。具体地，将合金液的温度提升至1650～1700℃，向合金液加入占合金液总重量0.05～0.3﹪的孕育剂进行第一次孕育处理。孕育剂例如是钛铁孕育剂。
此外，在初孕育处理步骤之后，优选地，可向经过初孕育处理的合金液中加入占合金液总重量0.1～0.2﹪的终脱氧剂进行终脱氧处理。终脱氧剂例如是高纯铝丝或高纯铝粒。
步骤13，孕育变质处理步骤，即向将经过初孕育处理步骤的合金液倾倒加入浇包内进行孕育和变质。浇包内预置有占合金液总重量0.5～0.8﹪的变质剂和占合金液总重量0.05～0.3﹪的孕育剂，采用包底冲入法对合金液进行孕育和变质处理。变质剂例如是稀土硅铁变质剂，可先将稀土硅铁合金破碎为粒径1～5mm的颗粒，再经200℃烘干以形成稀土硅铁变质剂。
上述步骤12和步骤13是采用在炉内进行初孕育处理和在炉外(浇包内)进行孕育变质处理。优选地，炉内初孕育处理步骤中孕育剂的第一次加入量与浇包内孕育变质处理步骤中孕育剂的第二次加入量的重量比为1﹕1。换句话说，本实施例中，孕育剂的第一次加入量和孕育剂的第二次加入量之和(即孕育剂总量)占合金液总重量0.1～0.6﹪，炉内初孕育处理步骤和浇包内孕育变质处理步骤所用的孕育剂各占孕育剂总量的一半。
步骤14，浇注步骤，即将经过孕育变质处理后的合金液浇注成型成铸件。具体地，将经过孕育变质处理后的合金液静置2～3分钟后再进行浇注形成铸件，浇注温度为1520～1560℃。
步骤15，热处理步骤，对浇注形成的铸件进行热处理。本实施例中，热处理步骤包括淬火处理和回火处理。优选地，淬火处理的淬火温度为1050～1100℃，回火处理的回火温度为250～600℃，具体例如淬火温度为1050℃、回火温度为550℃。
由上述碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法制备的碳化钒增强型复合铸铁材料以重量百分比计的化学成分包括：C：3.1～3.3﹪，V：8.0～9.0﹪，Si：0.5～0.8﹪，Mn：0.8～1.0﹪，Cr：2.0～3.5﹪，Mo：2.0～2.5﹪，Ti：0.3～0.6﹪，S≤0.04﹪，P≤0.04﹪；其余为Fe。
碳(C)既可以固溶于铁基体中起固溶强化作用，又是形成碳化物增强相的基本元素，还能促进马氏体转变，提高了碳化钒增强型复合铸铁材料的淬硬性。碳含量太多会增加材料脆性，太少则减少碳化物增强相的数量致使其耐磨性降低，因此，本实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料中控制C含量在3.1～3.3％。
钒(V)是强碳化物形成元素，易在合金液中与C元素反应形成大量呈现团球状形貌、弥散分布的碳化物增强相碳化钒(VC)，显著提高了碳化钒增强型复合铸铁材料的冲击韧性与耐磨性，本实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料中控制V含量在8.0～9.0％，利用V取代高铬铸铁中的Cr元素，在铁基体中生成高硬度VC碳化物颗粒。
铬(Cr)也可与C反应形成Cr6C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于铬的碳化物颗粒显微硬度比VC颗粒低得多，且其形貌由于呈长条形而导致其韧性较差，本实施例中添加铬元素的目的不在于使其形成碳化物，而在于其固溶于奥氏体中，起提高铁基体的淬硬性和淬透性作用，因此控制Cr含量在2.0～3.5％。
钛(Ti)是强碳化物形成元素，与合金液中的C元素反应形成大量细小、弥散分布的TiC质点，在上述步骤12和步骤13中，通过在合金液中加入一定量的钛元素(孕育剂)，由于TiC凝固析出温度要高于VC颗粒，且与VC颗粒均为面心立方晶格，晶格常数相近，晶格错配度小，故TiC容易作为VC颗粒的异质核心，同时还可以细化奥氏体枝晶，改善共晶碳化物的形态与分布。因此，使其先析出TiC；从而在合金液中形成异质核心起到对合金液的孕育作用。
本实施例所形成的碳化钒增强型复合铸铁材料加入一定量的稀土硅铁变质剂进行变质处理，稀土硅铁能够促使合金液净化并能在高硬度的碳化物边界富集而抑制碳化物某晶面的择优长大，从而有利于促进VC颗粒呈现团球化，使VC颗粒的边菱更加圆钝。因此，在提高VC颗粒硬度的同时，通过VC颗粒的团球化而减少对铁基体的割裂作用，提高铁基体的冲击韧性。本实施例所形成的碳化钒增强型复合铸铁材料具有大量细小、弥散分布的团球状碳化物增强相VC颗粒，从而使碳化钒增强型复合铸铁材料的综合耐磨性能得到大幅度提高。
碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物增强相颗粒碳化钒(VC)颗粒形貌近似呈现出团球化，图2是本发明较佳实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料的金相图，由图2可以看出，本发明较佳实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料的球状或团球状VC碳化物颗粒呈现细小弥散状分布，边棱形貌明显要优于基于Cr7C3增强相的高铬铸铁材料，因此碳化钒增强型复合铸铁材料具有相对较高的冲击韧性，其冲击韧性明显高于高铬铸铁，可以达到8J/cm2以上。碳化钒增强型复合铸铁材料的基体平均硬度同样可以达到HRC60～65，并且碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物VC颗粒的显微硬度却远远高于Cr7C3，可以达到HV2800以上，通常为Cr7C3的两倍及以上。因此，碳化钒增强型复合铸铁材料的碳化物颗粒硬度更高，从而碳化钒增强型复合铸铁材料具有较高的硬度并具有较佳综合耐磨性能。
本实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料可制成制砂机反击块，由于碳化钒增强型复合铸铁材料的韧性好、硬质增强颗粒的硬度高，从而使得制砂机反击块的综合耐磨性能够得到较大幅度的提升，使用寿命可以达100小时及以上。再有，在上述步骤15的热处理步骤中，淬火处理会产生大量的非稳态残余奥氏体组织，通过后续回火处理可以使马氏体组织中碳元素往残余奥氏体组织中扩散迁移，增加残余奥氏体组织的含碳量，从而提高改善残余奥氏体组织的室温稳定性。通过优化热处理工艺可以灵活调节铁基体中残余奥氏体的含量及稳定性能，以便于进一步调节由本发明的碳化钒增强型复合铸铁材料制成的制砂机反击块的冲击韧性，以适应制砂机设备不同的使用工况要求。本发明较佳实施例的碳化钒增强型复合铸铁材料反击块与现有的高铬铸铁反击块的性能比较参见表1。
表1本发明较佳实施例碳化钒增强型复合铸铁材料反击块与高铬铸铁反击块的性能比较。
以上结合附图详细描了本发明的碳化钒增强型复合铸铁材料及其制备方法、制砂机反击块的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种碳化钒增强型复合铸铁材料，其特征在于，该碳化钒增强型复合耐磨材料以重量百分比计的化学成分包括：C：3.1～3.3﹪，V：8.0～9.0﹪，Si：0.5～0.8﹪，Mn：0.8～1.0﹪，Cr：2.0～3.5﹪，Mo：2.0～2.5﹪，Ti：0.3～0.6﹪，S≤0.04﹪，P≤0.04﹪；其余为Fe。
2.一种碳化钒增强型复合铸铁材料的制备方法，其特征在于，其包括：
熔炼处理步骤，按如权利要求1所述的碳化钒增强型复合铸铁材料进行配料向熔炼炉内加入废钢、生铁、铬铁、钼铁、增碳剂、硅铁、锰铁和钒铁进行熔炼形成合金液；
初孕育处理步骤，向该熔炼炉内的该合金液加入孕育剂进行孕育，该孕育剂是钛铁孕育剂；以及
孕育变质处理步骤，将经过该初孕育处理步骤的该合金液倾倒加入浇包内进行孕育和变质，该浇包内预置有变质剂和该孕育剂，该变质剂是稀土硅铁变质剂。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括：
浇注步骤，将经过该孕育变质处理步骤的该合金液浇注成型成铸件，浇注温度为1520～1560℃；以及
热处理步骤，对该铸件进行热处理，该热处理步骤包括淬火处理和回火处理，该淬火处理的淬火温度为1050～1100℃，该回火处理的回火温度为250～600℃。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在该初孕育处理步骤中该孕育剂的第一次加入量和在该孕育变质处理步骤中该孕育剂的第二次加入量的重量比为1﹕1。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在该初孕育处理步骤中该孕育剂的第一次加入量和在该孕育变质处理步骤中该孕育剂的第二次加入量之和占合金液总重量0.1～0.6﹪。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：该熔炼处理步骤包括：
向该熔炼炉内加入废钢、生铁、铬铁、钼铁、增碳剂进行熔炼形成熔体；
在该熔体熔清之后，向该熔体中加入预脱氧剂进行预脱氧处理，并向该熔体加入脱硫剂进行脱硫处理；
对经过该预脱氧处理和该脱硫处理的该熔体进行扒渣处理；
向经过该扒渣处理的该熔体中加入硅铁和锰铁继续进行熔炼；以及
在该熔体加入该硅铁和该锰铁继续进行熔炼的后期向该熔体加入钒铁进行熔炼，在该熔体熔清后进行等温处理5～8分钟形成该合金液。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在该初孕育处理步骤之后该孕育变质处理步骤之前还包括在经过该初孕育处理步骤的该合金液中加入占合金液总重量0.1～0.2﹪的终脱氧剂进行终脱氧处理，且该预脱氧剂和该终脱氧剂是高纯铝丝或高纯铝粒。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：该变质剂是粒径为1～5mm的颗粒。
9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：该变质剂的含量占该合金液总重量0.5～0.8﹪。
10.一种制砂机反击块，其特征在于：其由如权利要求1所述的碳化钒增强型复合铸铁材料制成。
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