CN104328334A

CN104328334A - 双金属复合管用高耐磨高铬铸铁及其制备方法

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Publication number: CN104328334A
Application number: CN201410547994.9A
Authority: CN
Inventors: 王建玲; 杨跃辉; 李敬; 孙秀伟; 梁国俐; 马良; 张洪潮
Original assignee: Tangshan University
Current assignee: Tangshan University
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明公开了一种双金属复合管用高耐磨高铬铸铁及其制备方法，其化学成分的重量百分含量为：C2.0%～3.5%，Si1.0%～3.0%，Mn0.5%～1.5%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr9.0%～14.0%，V0.10%～1.0%，Ti0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。本高铬铸铁基于V、Ti合金化改善、细化组织，并析出硬质碳化物，进而实现高耐磨性；通过添加少量的V、Ti元素，并适当调节Si含量，显著改善高铬铸铁的组织状态，获得更加优良的综合力学性能，冲击韧性和耐磨性显著增加。本方法工艺简单，可操作性强，与现有工艺下制得的复合管内衬高铬铸铁相比，冲击韧性更好、硬度高，耐磨损性能大幅提高。

Description

双金属复合管用高耐磨高铬铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于抗磨金属材料领域，尤其是一种双金属复合管用高耐磨高铬铸铁及其制备方法。

背景技术

高铬铸铁具有较高的含铬量、良好的硬度、抗蚀性及抗氧化性，同时具有较普通白口铁更高的韧性，因此广泛应用于各种磨料磨损场合及各种髙温磨损和腐蚀磨损的工况；在采矿、电力、水泥、机械和耐火材料领域有着广泛的应用。目前，电力和建材行业干式球磨机已广泛使用高铬铸铁磨球，冶金矿山湿式球磨机中高铬铸铁磨球也具有较好的抗磨性。

近年来，为了使同一种耐磨材料具有高强度和高韧性，双金属复合管得到了快速发展，通过双金属离心铸造实现包覆材料与基材界面的冶金结合，完全实现基层和耐磨层的力学互补，管径可以达到108mm～1000mm。高铬铸铁双金属复合管道外层采用普通钢管，内衬用高铬铸铁复合而成，使该双金属耐磨复合管道具有钢的韧性，又具有良好的耐磨、耐蚀、耐热性。该管道较传统使用的耐磨合金铸铁、耐磨合金铸钢、陶瓷复合管及铸石管相比有诸多的优点和显著的经济效益与社会效益，可广泛应用于电力、冶金、矿山、煤炭、化工等行业；特别是应用于输送渣浆、煤浆以及电厂锅炉系统中的输煤、送粉、除灰排渣等领域。由于此类工况下服役条件十分苛刻，材料的磨损也十分严重，因此对高铬铸铁的耐磨性提出了更高的要求。

一般来说，材料的表面硬度越高，抵抗磨粒压入表层的能力越强，磨料去除材料的体积越少，材料的耐磨性越好，然而研究也表明：硬度最低的金属的耐磨性相对较差，但在相当多的条件下，硬度最高时耐磨性并非最好。根据磨料磨损的基本原理，磨料在压力的作用下压入材料的表层，材料因塑性变形产生微犁沟、微切屑和微观断裂（脆性材料），从而引起材料磨损。另一方面，材料的组织不同，其抵抗压力而产生的塑性变形也不同，因而磨损也不相同，因此在相同的工况条件下，金属抗磨料磨损的能力不仅取决于金属的硬度，也取决于金属的显微组织。

另一方面，硬质相的种类和分布对耐磨性有很大的影响。合金元素形成的复杂的共晶、金属间化合物等硬质相对基体有强化作用，从而提高基体的强度和韧性，使基体有较高的抵抗磨粒压入的能力，又使基体在磨粒挤压下，不易产生压痕和断裂，从而提高耐磨性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种优化内部组织的双金属复合管用高耐磨高铬铸铁；本发明还提供了一种双金属复合管用高耐磨高铬铸铁的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明化学成分的重量百分含量为：C 2.0%～3.5%，Si 1.0%～3.0%，Mn 0.5%～1.5%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr 9.0%～14.0%，V 0.10%～1.0%，Ti 0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明化学成分优选的重量百分含量为：C 2.7%～3.5%，Si 1.5%～2.5%，Mn 0.5%～1.0%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr 9.0%～14.0%，V 0.10%～0.30%，Ti 0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述高铬铸铁的力学性能：洛氏硬度HRC＝40～50，冲击功3～5J，10min动载磨损试实验磨损量低于0.05g。

本发明中合金元素的主要作用为：

C：碳是影响高铬铸铁硬度和韧性的主要元素。碳是高铬铸铁中碳化物含量的决定因素，随着碳量的升高基体中M7C3碳化物数量多，耐磨性变好。碳含量大于共晶成分时，由于先共晶组织是粗大的碳化物，这将导致高铬铸铁的韧性急剧下降，因此只有在无冲击或者极小冲击软磨料磨损工况条件下才选取较高的过共晶碳量。

Cr是高Cr铸铁中最主要的合金元素，对铁碳合金中碳化物的相结构有重要影响。铬含量很低时，铁碳合金中的碳化物为(Cr,Fe)₃C，铬含量较高时碳化物主要为(Cr,Fe)₇C₃。随 Cr/C增加，共晶碳化物的形貌经历了网-片-杆等连续程度减少的过程，共晶碳化物的类型也经历一个M₃C-M₇C₃+M₃C-M₇C₃的变化过程，因此通过获得不同的类型的碳化物及其在组织中的含量能够改善高铬铸铁的性能。此外，铬还增加淬透性、耐热性和耐蚀性。

Mn：锰具有提高淬透性和很强的稳定奥氏体的作用。在高铬铸铁中，它既溶于基体提高合金的淬透性，又可溶于碳化物，降低碳化物硬度。在锰较高时，铸态高铬铸铁在很大断面上得到奥氏体组织。铬、锰含量较高的奥氏体组织，具有较好的韧性、塑性和加工硬化性能，在冲击载荷或压应力作用下，容易诱发生成马氏体使工件表面形成硬化层，提高抗磨能力，使高铬铸铁在铸态下使用成为可能；但另一方面锰使淬火后残余奥氏体量增加，降低了淬火后的硬度，且过量的锰溶于碳化物中会使碳化物变脆。

Si：硅是非碳化物元素，主要溶解于基体，降低材料的淬透性。硅能影响共晶碳化物的形态，使碳化物孤立、等轴、细化，使韧性适当改善，故在高铬铸铁中，在不使淬透性降低过多的前提下，适当增加硅量对韧性有利。但当硅含量＞1.50%时，一方面它显著降低淬透性，有可能出现铁素体相；另一方面硅在奥氏体晶粒的边界上分布多于奥氏体晶粒内部，使韧性降低，在磨损过程中出现剥落现象。

V：钒作为微量添加元素，易生成VC、V₂C 碳化物，硬度极高，V可以稳定高铬铸铁中的碳化物，提高共析转变温度。V在高铬铸铁中主要析出二次碳化物，使基体中的含碳量降低，使Ms升高，获得马氏体，含V 高铬铸铁极易形成VC和V(CN)；另一方面，V取代了共晶碳化物中的部分铬，提高硬度，减少粗大柱状晶组织，达到细化白口组织的目的。在常温下, 随着含V 量增加, 高铬铸铁硬度提高, 在一定范围内能提高高铬铸铁的强度、韧性及耐磨性。

Ti：Ti有细化晶粒的作用，钛的碳化物TiC析出可作为渗碳体的形核核心，且使碳化物的生长受到抑制，从而使其孤立，达到细化晶粒的目的，同时TiC的硬度高, 为优良的耐磨质点。另一方面，Ti使断网状分布的碳化物转为团块状分布，在很大程度上改善共晶碳化物的形态和分布，但考虑到生产中钛量不易稳定,可使V、Ti联合使用细化晶粒，净化晶界，改善碳化物的形态、大小、数量与分布，进一步改善材料的综合性能。

S、P：S和P是钢中的有害元素，因此严格控制钢中P、S的含量。

本发明方法包括冶炼、浇铸和热处理工序，所述高铬铸铁采用上述重量百分含量的化学成分。

本发明方法所述冶炼工序：采用中频感应炉熔炼并进行V、Ti合金化处理，合金化处理之前加入占所述合格铁水质量0.20%～0.40%的铝进行脱氧；出炉温度为1500～1540℃。

本发明方法所述热处理工序：采用淬火+中温回火处理；所述淬火温度为940～980℃，保温2～3h，风冷；所述回火温度350～450℃，保温3～4h，空冷。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供了一种基于V、Ti合金化改善、细化组织，并析出硬质碳化物，进而实现高耐磨性的高铬铸铁；通过添加少量的V、Ti元素，并适当调节Si含量，显著改善高铬铸铁的组织状态，获得更加优良综合力学性能，与未经V、Ti合金化的复合管内衬高铬铸铁相比，冲击韧性和耐磨性显著增加，冲击功为3～5J，硬度（HRC）40～50，耐磨性也大幅提高，10min动载磨损试实验磨损量低于0.05g。

本发明通过适当调整化学成分和生产工艺，优化其组织构提高其耐磨性；在不大幅增加生产成本的情况下，具有了更高韧性和耐磨性；本发明工艺简单，可操作性强，与现有工艺下制得的复合管内衬高铬铸铁相比，冲击韧性更好、硬度高，耐磨损性能大幅提高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是常规配比和工艺获得的高铬铸铁的组织照片；

图2是本发明实施例1所获得的高铬铸铁的组织照片；

图3是本发明实施例2所获得的高铬铸铁的组织照片；

图4是本发明实施例3所获得的高铬铸铁的组织照片；

图5是本发明实施例4所获得的高铬铸铁的组织照片；

图6是本发明实施例5所获得的高铬铸铁的组织照片；

图7是本发明实施例6所获得的高铬铸铁的组织照片。

具体实施方式

实施例1：本双金属复合管用高耐磨高铬铸铁采用下述成分配比和制备方法。

化学成分按照质量百分数计：C 2.56%，Mn 1.0%，Si 2.5%，P 0.08%，S 0.04%，Cr 9.47%，V 0.10%，Ti 0.16%，余量为Fe及不可避免的杂质。

制备方法：采用500kg中频感应炉熔炼并进行V、Ti合金化处理，合金化处理之前加入占所述合格铁水质量0.30%的铝进行脱氧，出炉温度为1520℃；炉衬采用酸性或碱性炉衬，炉衬的配比、打结、烘干和烧结均按常规工艺执行。出炉后通过离心铸造制成双金属复合管，然后进行热处理，具体工艺为：980℃，保温2h，风冷；回火温度350℃，保温3h，空冷，即可得到所述高耐磨高铬铸铁。

本实施例所得高铬铸铁按照相关国家标准进行检测，检测结果见表1。

实施例2：本高耐磨高铬铸铁采用下述成分配比和制备方法。

化学成分按照质量百分数计：C 3.25%，Mn 0.59%，Si 3.0%，P 0.065%，S 0.03%，Cr 11.37%，V 0.89%，Ti 0.20%，余量为Fe及不可避免的杂质。

制备方法：加入合格铁水质量0.20%的铝进行脱氧，出炉温度为1500℃；热处理工序为：960℃，保温2.5h，风冷；回火温度400℃，保温4h，空冷；其余同实施例1。

实施例3：本高耐磨高铬铸铁采用下述成分配比和制备方法。

化学成分按照质量百分数计：C 2.70%，Mn 0.82%，Si 2.69%，P 0.059%，S 0.017%，Cr 12.13%，V 0.21%，Ti 0.15%，余量为Fe及不可避免的杂质。

制备方法：加入合格铁水质量0.40%的铝进行脱氧，出炉温度为1540℃；热处理工序为：970℃，保温3h，风冷；回火温度420℃，保温3.5h，空冷；其余同实施例1。

实施例4：本高耐磨高铬铸铁采用下述成分配比和制备方法。

化学成分按照质量百分数计：C 2.0%，Mn 0.50%，Si 1.5%，P 0.052%，S 0.021%，Cr 9.0%，V 0.3%，Ti 0.10%，余量为Fe及不可避免的杂质。

制备方法：加入合格铁水质量0.25%的铝进行脱氧，出炉温度为1530℃；热处理工序为：940℃，保温3h，风冷；回火温度450℃，保温3.5h，空冷；其余同实施例1。

实施例5：本高耐磨高铬铸铁采用下述成分配比和制备方法。

化学成分按照质量百分数计：C 3.11%，Mn 0.73%，Si 1.0%，P 0.10%，S 0.02%，Cr 14.0%，V 0.19%，Ti 0.17%，余量为Fe及不可避免的杂质。

制备方法：加入合格铁水质量0.35%的铝进行脱氧，出炉温度为1510℃；热处理工序为：950℃，保温2.5h，风冷；回火温度380℃，保温4h，空冷；其余同实施例1。

实施例6：本高耐磨高铬铸铁采用下述成分配比和制备方法。

化学成分按照质量百分数计：C 3.50%，Mn 1.50%，Si 1.90%，P 0.053%，S 0.05%，Cr 10.51%，V 1.0%，Ti 0.30%，余量为Fe及不可避免的杂质。

制备方法同实施例1。

表1：常规工艺高铬铸铁与本高铬铸铁的性能

由表1可知，本高铬铸铁的冲击韧性和耐磨性相对于常规工艺有显著增加。

图1为常规配比和工艺获得的高铬铸铁的放大50倍组织照片；图2－7是上述实施例1－6所获得的高铬铸铁的放大50倍组织照片；由图1－7可见，常规配比和工艺获得的高铬铸铁组织的均匀性较差，除了部分较细小的碳化物颗粒外，还大量存在粗大的块状碳化物和长条形的碳化物，此类粗大的块形和长条形碳化物会显著恶化高铬铸铁的力学性能特别是冲击韧性，使耐磨性降低，而实施例1－6所获得的高铬铸铁的组织中粗大的块状和长条形碳化物消失，碳化物主要呈细小的块状或断续的短长条形，组织的均匀性大幅改善，有利于获得更优的力学性能特别是冲击韧性，进而获得更优的耐磨性。

Claims

1.一种双金属复合管用高耐磨高铬铸铁，其特征在于，其化学成分的重量百分含量为：C 2.0%～3.5%，Si 1.0%～3.0%，Mn 0.5%～1.5%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr 9.0%～14.0%，V 0.10%～1.0%，Ti 0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的双金属复合管用高耐磨高铬铸铁，其特征在于，其化学成分的重量百分含量为：C 2.7%～3.5%，Si 1.5%～2.5%，Mn 0.5%～1.0%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr 9.0%～14.0%，V 0.10%～0.30%，Ti 0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的双金属复合管用高耐磨高铬铸铁，其特征在于，所述高铬铸铁的力学性能：HRC 40～50，冲击功3～5J，10min动载磨损试实验磨损量低于0.05g。

4.一种双金属复合管用高耐磨高铬铸铁的制备方法，其包括冶炼、浇铸和热处理工序，其特征在于，所述高铬铸铁化学成分的重量百分含量为：C 2.0%～3.5%，Si 1.0%～3.0%，Mn 0.5%～1.5%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr 9.0%～14.0%，V 0.10%～1.0%，Ti 0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

5.根据权利要求4所述的双金属复合管用高耐磨高铬铸铁的制备方法，其特征在于，所述冶炼工序：采用中频感应炉熔炼并进行V、Ti合金化处理，合金化处理之前加入占所述合格铁水质量0.20%～0.40%的铝进行脱氧；出炉温度为1500～1540℃。

6.根据权利要求4所述的双金属复合管用高耐磨高铬铸铁的制备方法，其特征在于，所述热处理工序：采用淬火+中温回火处理；所述淬火温度为940～980℃，保温2～3h，风冷；所述回火温度350～450℃，保温3～4h，空冷。

7.根据权利要求4、5或6所述的双金属复合管用高耐磨高铬铸铁的制备方法，其特征在于，所述高铬铸铁化学成分的重量百分含量为：C 2.7%～3.5%，Si 1.5%～2.5%，Mn 0.5%～1.0%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr 9.0%～14.0%，V 0.10%～0.30%，Ti 0.10%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。