CN104593663A

CN104593663A - 一种耐磨白口铸铁及其制备方法

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Publication number: CN104593663A
Application number: CN201510038208.7A
Authority: CN
Inventors: 蒋志强; 符寒光; 卢洪波; 冯锡兰; 魏永强; 刘元朋; 魏永辉; 刘建伟; 文振华; 王振; 冯宪章
Original assignee: Zhengzhou University of Aeronautics
Current assignee: Zhengzhou University of Aeronautics
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104593663B

Abstract

一种耐磨白口铸铁及其制备方法，属于铸造技术领域。先在中频感应电炉内加入增碳剂、废钢、硅铁、硼铁、铬铁和锰铁炉料，将炉内炉料熔化，并将温度升至1560～1580℃，炉内铁水的化学组成及其质量分数控制在：3.0～3.2％C,2.6～2.9％Si,1.2～1.5％B,7.5～8.0％Cr,1.6～1.8％Mn,<0.05％S,<0.05％P,余量为Fe和不可避免的杂质，然后对铁水用中间合金、铝铁块和合金线处理，并浇注成铸件，经淬火和回火后，具有力学性能高和耐磨性好等特点。

Description

一种耐磨白口铸铁及其制备方法

技术领域

本发明公开了白口铸铁及其制备方法，特别涉及一种耐磨白口铸铁及其制备方法，属于铸造技术领域。

背景技术

白口铸铁中因含有较多高硬度的碳化物而表现出优异的耐磨性，但是普通白口铸铁组织粗大，特别是碳化物脆性大，使用过程中极易发生断裂。为了提高白口铸铁性能，中国发明专利CN 102899469公开了一种高铬耐磨铸铁Cr28的热处理方法。该发明将高铬耐磨白口铸铁Cr28加热至1000-1050℃，加热保温1.5-3h，然后空冷到室温；再加热至710-730℃，回火保温时间1.5-2h，空冷至室温；再进行第二次淬火和两次低温回火，即得提高使用寿命的高铬耐磨白口铸铁Cr28。该发明方法处理后的铸铁Cr28晶粒更加细化，组织中的合金元素更加均匀，尤其是使合金中高硬度、高耐磨性质点形状由粗大条状形态转变为球形，改善了冲击韧性，提高了使用寿命。中国发明专利CN 103993220还公开了一种亚共晶高铬白口铸铁轧辊及制备方法，其特别之处是，它包括辊套和芯轴，所述辊套由亚共晶高铬白口铸铁的辊身和无缝钢管的衬层构成，所述辊身化学成分的质量分数百分比如下：C2.1-2.4％；Si0.5-0.8％；Mn0.3-0.5％；Cr21-23％；Mo1.2-1.5％；Ni1.5-1.8％；B0.3-0.6％；Ti0.1-0.2；W0.2-0.3％；Nb0.1-0.2％V0.2-0.3％；钇基稀土0.3-0.5％；S≤0.03％，P≤0.03％；余量为Fe。该发明轧辊抗热裂性能好、硬度落差小、韧性好，耐磨性好，轧制量比离心贝氏体复合轧辊提高3-4倍。中国发明专利CN 103397246还公开了一种抗磨抗冲击白口铸铁及其生产工艺，所述白口铸铁中各化学成分的质量百分比为：C：2.2～3.0％；Mn：≤1.5％；Gr：26～30％；Si：≤0.8％；Mo：1～1.5％；Ni：0.8～1.5％；Cu：≤1.5％；S：≤0.05％；P：≤0.08％；稀土：0.05～0.4％；其余为Fe。该发明中，在化学成分配方方面，通过调整白口铸铁的铬碳比，并加入镍、钼、铜等材料弥补了现有抗磨白口铸铁的不足，在工艺方面，通过稀土孕育处理、高温淬火、低温回火处理，有效地提高了白口铸铁的冲击韧性及硬度，同等工况情况下耐磨性显著提升同时具有更高的高温抗磨性，这样，在提高白口铸铁的耐磨性能的同时，提高了白口铸铁的抗冲击能力，扩展了白口铸铁的应用范围。中国发明专利CN 102330016还公开了一种亚共晶高铬白口铸铁，其质量分数为：1.9-2.4C，16-22Cr，≤0.8Si，≤0.7Mn，0.5-1.0Ni，1.0-1.7Mo，＜0.04S，＜0.06P，0.05-0.4RE，Cu0.5-1.0，0.05-0.15Zn，0.1-0.3V，其余为Fe。制备方法是先按质量分数要求确定成分配比关系，配料；将废钢、生铁混合在中频感应炉内加热至熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬铁和锰铁、镍、钼，再熔清；将小粒度的锌锭和稀土或钒放入浇包底部并覆盖薄钢板或铁屑压实；将铁水倒入浇包，进行变质、除渣处理；将铁水浇注成型，即得到亚共晶高铬白口铸铁件；然后将亚共晶高铬白口铸件放置在热处理炉内进行热处理，先淬火，最后回火即可得到硬度在60-66HRC，冲击韧性为10-14J/cm²的亚共晶高铬白口铸铁材料。中国发明专利CN 103350184还公开了一种金属型铸造铬系白口铸铁磨球用孕育涂料及其制备方法，涉及铬系白口铸铁磨球铸造技术领域。由下述重量配比的组分组成：硅溶胶100份，FeNb50-A或FeNb70铌铁粉2-10份，FeV80-A或FeV80-B钒铁粉2-10份，FeTi80-A钛铁粉2-5份，FeB16C1.0硼铁粉0.5-2份，FeNCr10-A氮化铬铁粉1-5份，锆英粉或石英粉5-10份，铸造用膨润土4-8份，质量浓度为2％-8％的CMC水溶液0.2-0.5份；铌铁粉、钒铁粉、钛铁粉、硼铁粉和氮化铬铁粉粒度不低于200目。该发明既可保护金属型，又具有孕育作用，可提高铬系白口铸铁磨球的硬度、冲击韧性和耐磨性。中国发明专利CN 103757516还公开了耐磨白口铸铁及其制备方法，先在电炉内冶炼耐磨白口铸铁铁水，铁水的化学组成及其质量分数控制在2.9～3.3％C,4.5～5.5％Mn,6.0～7.2％Cr,0.45～0.70％B,Si<0.50％,S<0.05％,P<0.05％,余量Fe。在浇包内加入复合变质剂对耐磨白口铸铁进行变质处理，复合变质剂加入量占浇包内铁水质量分数的1.8～3.0％，耐磨白口铸铁经950～1000℃风冷淬火和280～320℃回火后，具有优异的性能。中国发明专利CN 102758125还公开了一种过流部件用白口铸铁，由以下质量百分比含量组分组成，C2.9～3.3％、Cr24～28％、Si≤1.0％、Mn≤2.0％、Ni≤1.0％、Mo≤1.0％、Cu≤1.0％、P≤0.1％、S≤0.1％、Nb≤0.2％、V≤0.5％余量为Fe。该发明通过添加Ni、Mo、Cu、Nb、V等元素，充分提高了材料的淬透性、硬度、耐磨性、冲击韧性，使得过该材料制成的过流部件适用于特别恶劣的工况，尤其是介质中含有大量高硬度大颗粒的工况，使用寿命延长。

中国发明专利CN 103014480还公开了一种多元微合金化低铬白口铸铁磨球，该磨球中各化学组分的重量百分比为：C2.4-2.7％、Si0.5-0.8％、Mn1.2-1.5％、Cr2.4-2.8％、Mo0.2-0.3％、W0.08-0.15％、Cu0.3-0.5％、V0.08-0.14％、Ti0.02-0.04％、B0.015-0.03％、Y0.08-0.12％、Ce0.05-0.08％、P≤0.05％、S≤0.05％，余量为Fe。该发明通过对低铬铸铁优选材料配方，调整铸造熔炼工艺，结合合理的热处理方法，保证了磨球的耐磨性、高硬度、高韧性和抗高冲击性。中国发明专利CN102220542还公开了一种无铬高耐磨白口铸铁的工业生产方法，该方法包括以下步骤：该发明之铸铁中各成分的含量是(质量百分比％)：C2.8～3.1，Si0.8～1.4，Mn0.5～0.8，Cu0.9～1.1，Mo0.6～0.8，V0.3～0.5，B0.18～0.22，余下为Fe(铁)；每100单位质量铸铁加入的变质剂的量是：Re0.6-1.0，Al0.1-0.3，Nb0.1-0.3，N0.1；将铸铁原材料加入到中频感应炉中熔炼，(坩埚采用高铝矾土制作)，制得无铬铸铁，铸铁浇铸时，在浇包的底部按照比例加入变质剂；将制得的无铬铸铁进行热处理，得到无铬高耐磨白口铸铁。中国发明专利CN 101880759还公开了改善Cr18W2抗磨白口铸铁的加工性能的方法，该发明的方法包括：a.通过不同合金成分的变化，确定Cr18W2抗磨白口铸铁的铸态组织和碳化物的变化情况，以及变化情况与性能的关系；b.通过热处理工艺，改变Cr18W2抗磨白口铸铁的组织形态和性能；c根据使用要求，进行后续热处理。该发明用于改善Cr18W2抗磨白口铸铁的加工性能。

但是，上述耐磨白口铸铁仍存在碳化物呈大块状分布，导致白口铸铁强韧性低，使用安全性差。

发明内容

本发明以廉价硅、硼为主要合金元素，利用硅促进碳化物析出以及细化碳化物作用和硼提高淬透性作用，从而获得性能优异的耐磨白口铸铁。

本发明目的可以通过以下技术措施来实现。

①先在中频感应电炉内加入增碳剂、废钢、硅铁、硼铁、铬铁和锰铁炉料，将炉内炉料熔化，并将温度升至1560～1580℃，炉内铁水的化学组成及其质量分数控制在：3.0～3.2％C,2.6～2.9％Si,1.2～1.5％B,7.5～8.0％Cr,1.6～1.8％Mn,<0.05％S,<0.05％P,余量为Fe和不可避免的杂质，然后将铁水出炉到浇包，铁水入浇包过程中，随铁水流加入中间合金，中间合金颗粒尺寸40～65mm，中间合金加入量占入浇包内铁水质量分数的3.0～3.5％，中间合金由质量分数65～70％的硅铁和30～35％的硅钙钡合金组成，浇包底部预先加入尺寸为120～160mm的铝铁块，铝铁块加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.50～0.65％，铝铁块由质量分数55～65％的铝和35～45％的铁组成；

②对浇包内的铁水进行扒渣和静置，当温度降至1490～1520℃时，插入合金线，合金线加入量占包内铁水质量分数的1.2～1.5％，合金线直径合金线由质量分数15～20％的Ce、12～16％的La、6～8％的Mg、6～8％的K、4～6％的Na、25～30％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质，合金线进入铁水4～6分钟后，将铁水浇入铸型，浇注完毕1～4小时后，开箱空冷铸件；

③铸件经清砂和打磨后，随炉加热至980～1020℃，保温60～150分钟后，风冷至温度低于180℃后，继续入炉加热至300～380℃，保温300～400分钟后，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，即可获得耐磨白口铸铁产品。

如上所述中间合金中硅铁的化学成分质量分数为：72～80％的Si，<0.2％的C，≤0.02％的S，≤0.04％的P，余量为Fe。

如上所述的硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45％的Si、10～12％的Ca、10～12％的Ba、≤0.8％的C、≤0.04％的P、≤0.06％的S，余量为Fe。

材料的性能是由其组织决定的，而组织取决于材料的化学组成及其热处理工艺。

本发明材料原始铁水的化学组成及其质量分数控制在：3.0～3.2％C,2.6～2.9％Si,1.2～1.5％B,7.5～8.0％Cr,1.6～1.8％Mn,<0.05％S,<0.05％P,余量为Fe和不可避免的杂质。其中硅元素是非碳化物形成元素，它主要存在于基体中。液态结晶时，由于硅溶入奥氏体，一方面将排挤出更多的铬到溶液中，增加了剩余液相中的铬碳比，这样结晶后碳化物硬度会更高。在含铬铸铁中，当铬碳比达到Cr₇C₃含量时，会出现Cr₇C₃型碳化物，此种碳化物为板条型。硅含量越高，Cr₇C₃将会越多。另一方面，硅还将排挤出较多的碳溶入剩余液相，使靠近先共晶奥氏体的液体形成许多“富碳区”，硅含量越高，这种“富碳区”将越多，从而造成碳化物形核率增大。在共晶反应阶段，由于碳化物的形核和生长也要排挤出大量的硅，使碳化物的生长速率受到影响。上述原因将造成随硅含量增加，碳化物由网状变成断网状直到变成弧立分散的菊花状形态，硬度也逐渐增加。但是，硅含量的增加，会降低铸铁淬透性，而硼则可以大幅度提高材料淬透性，硼的加入会消减硅带来的不利作用。此外，在白口铸铁中加入硼后，形成两种碳化物Fe₂(C,B)和Fe₂₃(C,B)₆，由于这些复合碳化物的存在，因而使其硬度提高。但强度和韧性却明显下降，主要原因是复合碳化物成网状分布。为了解决硼元素的加入所带来的不利作用，本发明在铁水入浇包过程中，随铁水流加入中间合金，中间合金颗粒尺寸40～65mm，中间合金加入量占入浇包内铁水质量分数的3.0～3.5％，中间合金由质量分数65～70％的硅铁和35～30％的硅钙钡合金组成。采用这种方式，既可以实现铸铁材料中的补硅，还可以明显细化凝固组织。此外，本发明在浇包底部预先加入尺寸为120～160mm的铝铁块，铝铁块加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.50～0.65％，铝铁块由质量分数55～65％的铝和45～35％的铁组成，不但可以对铁水进行有效脱氧，还可以利用铝固溶于基体，有利于基体的强化。

本发明在对浇包内的铁水进行扒渣和静置后，当温度降至1490～1520℃时，插入合金线，合金线加入量占包内铁水质量分数的1.2～1.5％，合金线直径合金线由质量分数15～20％的Ce、12～16％的La、6～8％的Mg、6～8％的K、4～6％的Na、25～30％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质，合金线的加入，可以对铁水起多元微合金化作用，促进铸铁凝固组织的改善。铸件的性能还与热处理工艺相关。本发明材料经清砂和打磨后，随炉加热至980～1020℃，保温60～150分钟后，风冷，可以确保淬火态组织为高硬度的马氏体基体加高硬度碳化物，继续入炉加热至300～380℃，保温300～400分钟后，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，可以消除应力，稳定组织，确保耐磨白口铸铁产品的安全使用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明产品以廉价的硅、硼为主要合金元素，不含价格昂贵的钼、镍、钒等合金元素，具有较低的生产成本；

2)本发明产品经中间合金处理和加入合金线进行多元微合金化处理，组织明显改善，性能大幅度提高，其中硬度达到62～65HRC，冲击韧性达到12～15J/cm²，抗弯强度达到1200～1350MPa；

3)本发明材料制作的磨球、锤头、衬板等产品，具有良好的使用效果，使用寿命比高铬钼铸铁提高30～50％，而生产成本降低30％以上。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，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材料耐磨白口铸铁，其具体制备工艺步骤是：

①先在750公斤中频感应电炉内加入增碳剂、废钢、硅铁、硼铁、铬铁和锰铁炉料，将炉内炉料熔化，并将温度升至1563℃，炉内铁水的化学组成及其质量分数控制在：3.19％C,2.63％Si,1.25％B,7.99％Cr,1.64％Mn,0.038％S,0.045％P,余量为Fe和不可避免的杂质，然后将铁水出炉到浇包，铁水入浇包过程中，随铁水流加入中间合金，中间合金颗粒尺寸40～65mm，中间合金加入量占入浇包内铁水质量分数的3.0％，中间合金由质量分数65％的硅铁(硅铁的化学成分质量分数为：75.44％的Si，0.13％的C，0.009％的S，0.027％的P，余量为Fe)和35％的硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40.88％的Si、11.39％的Ca、10.46％的Ba、0.51％的C、0.029％的P、0.044％的S，余量为Fe。)组成，浇包底部预先加入尺寸为120～160mm的铝铁块，铝铁块加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.50％，铝铁块由质量分数55.29％的铝和44.71％的铁组成；

②对浇包内的铁水进行扒渣和静置，当温度降至1495℃时，插入合金线，合金线加入量占包内铁水质量分数的1.2％，合金线直径合金线由质量分数15.38％的Ce、15.80％的La、6.02％的Mg、6.39％的K、5.82％的Na、25.86％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质，合金线进入铁水4分钟后，将铁水浇入铸型，浇注完毕2小时后，开箱空冷铸件；

③铸件经清砂和打磨后，随炉加热至980℃，保温150分钟后，风冷至温度低于180℃后，继续入炉加热至300℃，保温400分钟后，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，即可获得耐磨白口铸铁产品，其力学性能见表1。

实施例2：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼本发明材料耐磨白口铸铁，其具体制备工艺步骤是：

①先在1000公斤中频感应电炉内加入增碳剂、废钢、硅铁、硼铁、铬铁和锰铁炉料，将炉内炉料熔化，并将温度升至1577℃，炉内铁水的化学组成及其质量分数控制在：3.04％C,2.89％Si,1.48％B,7.50％Cr,1.78％Mn,0.040％S,0.047％P,余量为Fe和不可避免的杂质，然后将铁水出炉到浇包，铁水入浇包过程中，随铁水流加入中间合金，中间合金颗粒尺寸40～65mm，中间合金加入量占入浇包内铁水质量分数的3.5％，中间合金由质量分数70％的硅铁(硅铁的化学成分质量分数为：75.89％的Si，0.11％的C，0.009％的S，0.029％的P，余量为Fe)和30％的硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学成分质量分数为：44.70％的Si、11.85％的Ca、10.13％的Ba、0.46％的C、0.031％的P、0.046％的S，余量为Fe。)组成，浇包底部预先加入尺寸为120～160mm的铝铁块，铝铁块加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.65％，铝铁块由质量分数65％的铝和35％的铁组成；

②对浇包内的铁水进行扒渣和静置，当温度降至1518℃时，插入合金线，合金线加入量占包内铁水质量分数的1.5％，合金线直径合金线由质量分数19.88％的Ce、12.50％的La、7.68％的Mg、7.71％的K、4.02％的Na、29.74％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质，合金线进入铁水6分钟后，将铁水浇入铸型，浇注完毕4小时后，开箱空冷铸件；

③铸件经清砂和打磨后，随炉加热至1020℃，保温60分钟后，风冷至温度低于180℃后，继续入炉加热至380℃，保温300分钟后，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，即可获得耐磨白口铸铁产品，其力学性能见表1。

实施例3：

采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明材料耐磨白口铸铁，其具体制备工艺步骤是：

①先在500公斤中频感应电炉内加入增碳剂、废钢、硅铁、硼铁、铬铁和锰铁炉料，将炉内炉料熔化，并将温度升至1574℃，炉内铁水的化学组成及其质量分数控制在：3.14％C,2.75％Si,1.38％B,7.71％Cr,1.70％Mn,0.042％S,0.044％P,余量为Fe和不可避免的杂质，然后将铁水出炉到浇包，铁水入浇包过程中，随铁水流加入中间合金，中间合金颗粒尺寸40～65mm，中间合金加入量占入浇包内铁水质量分数的3.2％，中间合金由质量分数68.05％的硅铁(硅铁的化学成分质量分数为：77.49％的Si，0.16％的C，0.015％的S，0.029％的P，余量为Fe)和31.95％的硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学成分质量分数为：44.85％的Si、11.28％的Ca、10.90％的Ba、0.61％的C、0.038％的P、0.047％的S，余量为Fe。)组成，浇包底部预先加入尺寸为120～160mm的铝铁块，铝铁块加入量占进入浇包内铁水质量分数的0.55％，铝铁块由质量分数60.40％的铝和39.60％的铁组成；

②对浇包内的铁水进行扒渣和静置，当温度降至1503℃时，插入合金线，合金线加入量占包内铁水质量分数的1.3％，合金线直径合金线由质量分数18.27％的Ce、14.66％的La、6.93％的Mg、6.82％的K、4.90％的Na、27.06％的Si，余量为Fe和不可避免的杂质，合金线进入铁水5分钟后，将铁水浇入铸型，浇注完毕3小时后，开箱空冷铸件；

③铸件经清砂和打磨后，随炉加热至1000℃，保温120分钟后，风冷至温度低于180℃后，继续入炉加热至350℃，保温350分钟后，炉冷至温度低于120℃后，出炉空冷至室温，即可获得耐磨白口铸铁产品，其力学性能见表1。

表1耐磨白口铸铁力学性能

本发明耐磨白口材料制作的球磨机磨球、破碎机锤头、搅拌机衬板等产品，已在球磨机、破碎机和搅拌机上成功应用，本发明产品以廉价的硅、硼为主要合金元素，不含价格昂贵的钼、镍、钒等合金元素，具有较低的生产成本，还具有硬度高和耐磨性能好的优势，其使用寿命比高铬钼铸铁提高30～50％，而生产成本降低30％以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.一种耐磨白口铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，中间合金中硅铁的化学成分质量分数为：72～80％的Si，<0.2％的C，≤0.02％的S，≤0.04％的P，余量为Fe。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45％的Si、10～12％的Ca、10～12％的Ba、≤0.8％的C、≤0.04％的P、≤0.06％的S，余量为Fe。

4.按照权利要求1-3的任一方法制备得到的耐磨白口铸铁。