CN104928559A - 一种高铬铸铁的强韧化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高铬铸铁的强韧化工艺，具体操作如下：(1)熔炼：中频炉熔炼时按重量百分比添加硼0.003-0.005％、钛0.01-0.08％、铌0.08-0.2％、钒0.06-0.3％、稀土0.025-0.03％进行微合金化；在熔炼过程中向铁液中通人10-20min氩气；(2)孕育、变质处理：炉内添加硼和钛进行一次孕育和变质处理，包内添加钾和稀土进行二次孕育和变质处理；(3)铸造和浇注：采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺，在横浇道加设集渣包；(4)热处理：将铸件升温至950-970℃，保温1-2小时进行高温淬火，在300-320℃下回火。本发明的高铬铸铁的强韧化工艺，通过微合金化、变质处理、急冷铸型、低温快速平稳充型的浇注工艺和热处理，大幅度细化晶粒，改善共晶碳化物形状和分布，显著提高了高铬铸铁冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及铸铁加工技术领域，尤其涉及一种高铬铸铁的强韧化工艺。
背景技术
高铬铸铁由于其抗磨相共晶碳化物，呈现高硬度且一定韧性的M7C3型结构，其基体组织多数呈现马氏体，具有高硬度高抗磨性且有一定韧性而闻名，早已被广泛应用的优秀的耐磨材料之一。但高铬铸铁中含有25～35％的硬而脆的共晶碳化物，减弱了高铬铸铁件基体抗冲击的能力，使其在高冲击载荷下的应用受到限制，因此提高高铬铸铁的韧性，一直是国内外冶铸工作者多年来追求的目标，成了研究高铬铸铁的热门课题。围绕这一热门主题，国内外已做了大量的工作，其共同点在于企图改变共晶碳化物的形状，得到如同通过改变铸铁中石墨形态，而带来大幅度提高铸铁韧性的效果。然而现有研究结果表明，仅改变共晶碳化物的形态，高铬铸铁的韧性仍旧不够稳定和理想。研究和生产实践表明，在进一步改善高铬白口铸铁共晶碳化物形态和分布的同时，更重要的是要在细化共晶碳化物，提高和改善高铬铸铁冶金质量，尤其是晶界冶金质量，按工况条件合理选择基体组织，获得健全优质高铬铸铁铸件等方面下功夫，方能达到其韧性进一步提高的目的。
影响高铬铸铁韧性的因素很多，主要因素如下：
1、夹杂物对韧性的影响；
高铬铸铁冶金质量较差时(原材料不清洁；炉衬和包衬不清洁；不采用净化熔炼工艺；不防止二次污染等)，铁液中含有较高的N、O、H和S，从而易形成氮化物、氧化物和硫化物及各类盐类等夹杂物。由于这种夹杂物大部分都是强度很低的相且分布在晶界,将降低材料的强韧性而增加脆裂倾向，严重地影响高铬铸铁的综合力学性能，尤其是韧性。
2、晶粒度和晶界状态对韧性的影响：
亚共晶高铬铸铁凝固温度范围较宽,铸态晶粒粗大,导致脆性增加。研究结果表明，由于晶粒边界两边晶粒的取向不同,因而晶界是原子排列紊乱的地区,当塑性变形由一个晶粒横过晶界进入另一个晶粒时,由于晶界阻力大,穿过晶界困难；另外穿过晶界后滑移方向又需改变,因此和晶内的变形相比,这种穿过晶界而又改变方向的变形需要消耗更大的能量。塑性变形能是裂纹扩展阻力的主要部分,裂纹扩展阻力增大,KIC(断裂韧性)也增大。如果材料晶粒越细,则晶界面积越大,故在一定区域内形变进而裂纹失稳、扩展所消耗的能量就越大,即KIC就越大,同时细化晶粒也有强化作用。
晶界净化程度、夹杂物含量、形态及分布、晶界析出相、晶界密度、晶界总周长等晶界状态对KIC也有很大影响。很明显,晶界状态不仅影响晶界的物化性能，也直接影响晶粒间的结合强度和相互连接状态，甚至直接萌生裂纹-扩展和微观缺陷。
3、共晶碳化物组织对韧性的影响；
共晶碳化物是脆性相，对裂纹萌生-扩展阻力小,使高铬铸铁韧性降低。碳化物含量越高,KIC越低,但共晶碳化物达一定量时,影响高铬铸铁KIC起关键作用的是共晶碳化物的尺寸大小、形态和分布。高铬铸铁中M7C33型共晶碳化物是以紧密的层状或纤维状存在于奥氏体或奥氏体的转变产物中，呈现菊花的放射状共晶团，由于M7C3型共晶碳化物不呈现连续网状，不割裂基体的连续性,共晶碳化物即便产生裂纹就无法穿过基体连续扩展下去，因此对KIC的改善大有好处。
4、铸件健全程度对韧性的影响；
铸件健全程度主要指的是铸件铸造缺陷程度，即气孔、夹渣、夹砂、缩孔、疏松、显微疏松、裂纹等各类铸造缺陷在铸件中，所存在的程度。这类铸造缺陷将严重影响高铬铸铁件韧性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高铬铸铁的强韧化工艺，通过微合金化、变质处理、以及采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺和热处理，大幅度细化晶粒尤其是共晶碳化物，改善共晶碳化物形状和分布，显著提高了高铬铸铁冲击韧性。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种高铬铸铁的强韧化工艺，具体操作如下：
(1)熔炼：中频炉熔炼时按重量百分比添加硼0.003-0.005％、钛0.01-0.08％、铌0.08-0.2％、钒0.06-0.3％、稀土0.025-0.03％进行微合金化；在熔炼过程中向铁液中通人10-20min氩气除气和夹杂物；
(2)孕育、变质处理：在炉内添加硼和钛作为一次变质剂进行一次孕育和变质处理，在包内添加钾和稀土作为二次变质剂进行二次孕育和变质处理；
(3)铸造和浇注：采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺，同时在横浇道加设集渣包以获得健全铸件；
(4)热处理：将铸件升温至950-970℃，并保温1-2小时进行高温淬火，在300-320℃下回火。
所述的一次变质剂的添加量为铁水重量的0.5-0.8％，所述的二次变质剂的添加量为铁水重量的1.2-1.5％。
与已有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的高铬铸铁的强韧化工艺，通过微合金化、变质处理、以及采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺和热处理，大幅度细化晶粒尤其是共晶碳化物，改善共晶碳化物形状和分布，显著提高了高铬铸铁冲击韧性。
(1)本发明通过用一定比例的硼、钛、铌、钒、稀土等微合金化元素进行多元微合金化，微合金化元素与铁水反应将形成大量弥散分布于铁水中的形核质点，由于奥氏体先行析出，不但细化了奥氏体晶粒，同时也阻止了后来的共晶碳化物长大和连续分布，从而明显改善共晶碳化物形状和分布，显著的细化共晶碳化物尺寸和晶粒，提高其韧性；在熔炼过程中向铁液中通人氩气除气和夹杂物，流动性增加，晶界净化，使高铬铸铁变得更加纯净和致密，其韧性也随之提高，向铁液中通人10-20min氩气，其冲击韧性Ak值由6J/cm2提高到10-12J/cm2；
(2))本发明通过在炉内和包内采用二次孕育、变质处理，细化晶粒和净化铁水，细化共晶和改善碳化物形态及分布，从而达到提高韧性，以稀土为二次变质剂，稀土元素的是熔点低，原子半径大，在Fe-Cr-C合金中有强烈过冷现象的元素之一，同时又是非碳化物形成元素，因此，在凝固过程中就会通过溶质再分配而富集在初生奥氏体结晶前沿熔体中，造成成分过冷，使初生奥氏体枝晶细化，稀土元素易吸附正在生长的共晶碳化物择优成长的晶向上，降低了共晶碳化物择优长大方向上的长大速度，促使共晶碳化物呈现团球化+蠕虫化，同时导致碳化物的分散化，从而促使碳化物均匀分布；同时稀土易与氧、硫等起反应形成高熔点形核质点，细化晶粒和细化共晶碳化物，由于碳化物形貌的改善和细化晶粒，使脆性断裂时裂纹扩展路径受到阻碍，因而提高了冲击韧性；
(3)本发明采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注步骤，有效地防止铁水的二次污染；在横浇道加设集渣包，以获得健全铸件，提高了高铬铸铁的韧性；
(4)本发明选择的再结晶热处理工艺，控制适宜的淬火温度和回火温度，从而获得较细的晶粒和理想基体组织及组成，提高高铬铸铁的断裂韧性KIC。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不仅限于这些实施例，在未脱离本发明宗旨的前提下，所作的任何改进均落在本发明的保护范围之内。
实施例1：
一种高铬铸铁的强韧化工艺，按常规的方法制备高铬铸铁，在常规的制备过程中，添加以下步骤：
(1)熔炼：中频炉熔炼时按重量百分比添加硼0.003％、钛0.08％、铌0.08％、钒0.06％、稀土0.025％进行微合金化；在熔炼过程中向铁液中通人10min氩气除气和夹杂物；
(2)孕育、变质处理：在炉内添加硼和钛作为一次变质剂进行一次孕育和变质处理，在包内添加钾和稀土作为二次变质剂进行二次孕育和变质处理；所述的一次变质剂的添加量为铁水重量的0.5％，所述的二次变质剂的添加量为铁水重量的1.2％；
(3)铸造和浇注：采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺，同时在横浇道加设集渣包以获得健全铸件；
(4)热处理：将铸件升温至950℃，并保温2小时进行高温淬火，在300℃下回火。
实施例2：
一种高铬铸铁的强韧化工艺，按常规的方法制备高铬铸铁，在常规的制备过程中，添加以下步骤：
(1)熔炼：中频炉熔炼时按重量百分比添加硼0.005％、钛0.08％、铌0.1％、钒0.2％、稀土0.03％进行微合金化；在熔炼过程中向铁液中通人20min氩气除气和夹杂物；
(2)孕育、变质处理：在炉内添加硼和钛作为一次变质剂进行一次孕育和变质处理，在包内添加钾和稀土作为二次变质剂进行二次孕育和变质处理；所述的一次变质剂的添加量为铁水重量的0.8％，所述的二次变质剂的添加量为铁水重量的1.5％；
(3)铸造和浇注：采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺，同时在横浇道加设集渣包以获得健全铸件；
(4)热处理：将铸件升温至970℃，并保温1小时进行高温淬火，在320℃下回火。
Claims (2)
1.一种高铬铸铁的强韧化工艺，其特征在于：具体操作如下：
(1)熔炼：中频炉熔炼时按重量百分比添加硼0.003-0.005％、钛0.01-0.08％、铌0.08-0.2％、钒0.06-0.3％、稀土0.025-0.03％进行微合金化；在熔炼过程中向铁液中通人10-20min氩气除气和夹杂物；
(2)孕育、变质处理：在炉内添加硼和钛作为一次变质剂进行一次孕育和变质处理，在包内添加钾和稀土作为二次变质剂进行二次孕育和变质处理；
(3)铸造和浇注：采用急冷铸型和低温快速平稳充型的浇注工艺，同时在横浇道加设集渣包以获得健全铸件；
(4)热处理：将铸件升温至950-970℃，并保温1-2小时进行高温淬火，在300-320℃下回火。
2.根据权利要求1所述的高铬铸铁的强韧化工艺，其特征在于：所述的一次变质剂的添加量为铁水重量的0.5-0.8％，所述的二次变质剂的添加量为铁水重量的1.2-1.5％。
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