CN105274423B

CN105274423B - 一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN105274423B
Application number: CN201410264663.4A
Authority: CN
Inventors: 胡小锋; 闫德胜; 戎利建
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: CN105274423A

Abstract

本发明公开了一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法，所述球墨铸铁的化学成分为(wt.％)：C3.3～3.8、Si1.5～2.5、Cr0.2～0.7、Mn0.4～1.0、Mo0.2～0.6、V0.02～0.08、Ni0.2～0.5、Cu0.15～0.30、Mg0.015～0.030、RE0.02～0.05、S≤0.080、P≤0.080，Fe余量。制备过程包括：原料的配制和中频炉冶炼；铁液的球化处理和孕育处理；等温淬火热处理。本发明通过添加微量V元素并适当降低Si的含量，以获得细小弥散分布的碳化物组织，这种组织使得该球墨铸铁的耐磨性能有较大提高，同时通过添加少量Ni，提高球墨铸铁的冲击性能。

Description

一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法

技术领域：

本发明涉及球墨铸铁技术领域，具体涉及一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法。

背景技术：

在当前高度发达的社会中，耐磨材料的消耗量巨大，据统计仅中国每年消耗的金属耐磨材料约达300万吨以上，如果通过利用摩擦磨损理论防止和减缓磨损的发生，则每年可节约超过140亿美元。金属耐磨材料主要分为锰钢系列、耐磨合金钢系列、高铬铸铁系列等，根据成本和使用环境要求的不同，可选择不同的金属耐磨材料。如在矿石和冶金行业广泛应用的锤头，采用的是ZGMn13Cr2高锰铸钢，通过利用冲击载荷作用产生的冷变形，使锤头得到强化，从而提高锤头的耐磨性保证其使用寿命。然而这种材料在低冲击载荷或无冲击作用的环境下，则体现不出该铸钢的优越性，也不适用于这种低冲击(或无冲击)的环境。类似的还有的65Mn钢，其在农用机械的易磨损件中大量使用。近年发展了一种高性能球墨铸铁：含碳化物的等温淬火球墨铸铁(Carbidic austempered ductile iron，简称CADI)，因其含有特殊的微观组织：石墨球、奥铁体和碳化物，从而具有优良的耐磨性能，同时还有一定的冲击韧性，此外CADI材料的成本较低。在冲击载荷低(或无冲击)的条件下可以充分发挥其耐磨性能，如CADI用于制备犁铧和衬板等，在农机、冶金矿山行业得到了应用。随着工作强度的加大，对CADI材料的耐磨性提出了更高的要求，同时还要求具有更好的冲击韧性，以保证在高强度作业时不发生断裂事件。

中国发明专利(申请号：200910069173.8)公开了一种含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法，其特征在于：该等温淬火球墨铸铁的化学元素组成为(wt％)：C3.3～3.7、Si2.4～3.3、Cr0.6～1.5、Mn2.5～3.6、Mg0.03～0.05、RE0.02～0.04、S<0.025、P<0.08，Fe余量。其制备方法为：①原料配置和熔炼；②球化处理和孕育处理；③等温淬火热处理，通过调整覆砂层的厚度和化学成分的配比来控制球墨铸铁的碳化物含量。得到的含碳化物的等温淬火球墨铸铁磨球即是传统的CADI铸铁，其耐磨性能仍有待提高，冲击韧性也不高。

中国发明专利申请(申请号：201310031941.7)公开了一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法，其特征在于：该等温淬火球墨铸铁的化学成分为(wt％)：C3.3～3.7、Si2.4～3.3、Cr0.5～1.0、Mn0.2～0.5、Mg0.03～0.05、RE0.02～0.04、Cu0.5～0.8、S<0.025、P<0.08、纳米改性剂0.02～0.18％，Fe余量。通过添加纳米改性剂(纳米稀土氧化物、纳米稀土硅化物、纳米稀土碳化物和纳米稀土氮化物中的一种或其中几种的混合)，使得CADI球墨铸铁的共晶碳化物尺寸和石墨球直径均减小，同时碳化物也变成了分散细小的团块状合金碳化物，从而使得CADI球铁的强度、硬度、韧性和耐磨性同时提高。然而，纳米改性剂的加入工序要改变传统球铁冶炼工艺，给实际生产带来不便，与此同时纳米改性剂加入后的球墨铸铁团块状碳化物组织的均匀性和稳定性并不容易控制。

发明内容：

针对现在技术中含碳化物的等温淬火球墨铸铁所存在的耐磨性仍需提高、生产工艺操作难或组织均匀性和稳定性控制难的问题，本发明的目的在于提供一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法。本发明通过调整球墨铸铁的化学成分，并经过合适的等温淬火处理，得到含有细小分散的碳化物、石墨球及奥铁体的混合组织，从而获得耐磨性能优异的球墨铸铁，同时还具有较好的冲击韧性。

本发明技术方案如下：

一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁，该球墨铸铁的化学成分为(wt.％)：C3.3～3.8％，Si1.5～3.3％(优选1.5～2.5％)，Cr0.2～0.7％，Mn0.4～1.0％，Mo0.2～0.6％，Cu0.15～0.30％，Mg0.015～0.030％，RE0.02～0.05％，S≤0.080％，P≤0.080％，Fe为余量。所述该球墨铸铁还含有0.02～0.08wt.％的V元素以及0.2～0.5wt.％的Ni元素。

所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，包括如下步骤：

(1)按所需化学成分配料，经中频感应炉熔炼获得球墨铸铁原铁液；

(2)步骤(1)所得球墨铸铁原铁液进行球化及孕育处理，然后浇注成型；

(3)等温淬火处理：将浇铸成型的球墨铸铁件升温至860～940℃，保温1.0～2.0h；然后淬入盐槽(熔盐)中进行等温盐浴保温(等温淬火)，盐浴温度为230～330℃，保温时间为1.5～3.0h；最后取出球墨铸铁件，空冷或水冷至室温，获得含碳化物的等温淬火球墨铸铁。

步骤(1)配料过程中，原材料包括生铁、废钢、钼铁、锰铁、钒铁、铬、镍、铜和硅。

步骤(2)球化及孕育处理过程中，采用FeSiMg8RE5球化剂和SiFe75孕育剂，加入量分别为球墨铸铁原铁液重量的1.0～1.6％和0.3～1.0％。

步骤(3)中盐浴介质的组分为45wt.％NaNO₂和55wt.％KNO₃。

所制备的含碳化物的等温淬火球墨铸铁包括石墨球、奥铁体和细小分散的碳化物组织，碳化物组织其体积百分数10～25％。所述球墨铸铁的耐磨性比美国约翰迪尔生产的CADI犁铧产品提高10％以上，是国产65Mn钢犁铧(GB/T14225规定的65Mn钢铧式犁)耐磨性的2倍以上；其冲击性能可达12J以上。

本发明含碳化物的等温淬火球墨铸铁设计原理如下：

本发明含碳化物的等温淬火球墨铸铁的Si含量不能过高，Si是促石墨化、抑制或推迟碳化物形成的元素，适当减少Si含量，在不影响石墨球化的基础上尽量促进形成碳化物，这样可以获得较多含量的碳化物。V作为强烈的碳化物形成元素，加入微量的V元素，在CADI球墨铸铁铸造冷凝成型过程中，会加快碳化物的形核速率、增加形核数量，从而使得铸造得到的碳化物分散而细小，但碳化物总的体积百分含量并不降低，这种分布的碳化物对提高CADI铸铁的硬度和耐磨性有利，同时由于碳化物尺寸较细，对铸铁的冲击韧性也有利。此外，为了保证CADI材料有较好的冲击韧性，添加少量的Ni，Ni的加入不仅可以提高铸铁的淬透性，更重要的是改善韧性。

调整成分后的CADI球墨铸铁，形成的碳化物含有V、Cr等合金元素，这种碳化物稳定性增强，在进行奥氏体化过程中不易发生回溶，因此热处理对该铸铁的碳化物和石墨球影响不大，主要影响基体组织：奥铁体。为了获得更好的耐磨性和冲击韧性，需要获得组织较细小和碳过饱和度较高的奥铁体组织，因此控制奥氏体化和等温淬火工艺非常关键。奥氏体化温度不能过高，否则奥铁体容易长大粗化，对球铁性能会有影响，而奥氏体化温度过低，则奥铁体中奥氏体的含碳量不足，会影响球铁的硬度及耐磨性，因此奥氏体化温度要选择适当。等温淬火温度对于获得高含碳量的奥铁体非常关键，而等温淬火时间的长短同样会影响奥铁体组织。

本发明的优点在于：

1、本发明含碳化物的等温淬火球墨铸铁的成分设计易于实施，通过降低Si含量，添加微量的V和少量的Ni，改变球铁的碳化物形貌，由粗大碳化物，变成了弥散细小分布的碳化物，可同时提高CADI的耐磨性和冲击韧性，该球墨铸铁采用常规的球墨铸铁冶炼工艺即可实现生产。

2、本发明由于含V、Cr的合金碳化物在高温下的稳定性增强，在CADI球铁高温奥氏体化过程中碳化物的含量基本不会因回溶而减少，因此奥氏体化温度的选择相对简单，而且容易控制；

3、本发明制备的含碳化物的等温淬火球墨铸铁耐磨性优异，与进口的CADI球墨铸铁相比，其耐磨性提高10％以上，是65Mn钢犁铧耐磨性的2倍多，但本发明CADI的成本低，与此同时其冲击韧性不低于12J。

4、本发明含碳化物的等温淬火球墨铸铁适应于在苛刻环境中对耐磨材料长寿命的使用要求，同时较好的冲击韧性也能保证材料的安全使用而不发生断裂。

附图说明：

图1是金相组织对比图；图中：(a)美国约翰迪尔CADI犁铧的铸态金相组织；(b)实施例1中CADI犁铧的铸态组织；(c)实施例3中CADI犁铧的铸态组织。

图2是本发明与美国进口的CADI犁铧产品及国产65Mn钢犁铧的相对耐磨性对比。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明含碳化物的等温淬火球墨铸铁化学成分为(wt.％)：C3.3～3.8％，Si1.5～3.3％，Cr0.2～0.7％，Mn0.4～1.0％，Mo0.2～0.6％，Cu0.15～0.30％，Mg0.015～0.030％，RE0.02～0.05％，S≤0.080％，P≤0.080％，Fe为余量；其中：RE为稀土元素。所述球墨铸铁还含有0.02～0.08wt.％的V元素以及0.2～0.5wt.％的Ni元素。

本发明还提供所述含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，包括：①原料的配制和中频炉冶炼；②铁液的球化处理和孕育处理；③等温淬火热处理。具体过程如下：

第一步原料配制：原材料为生铁、废钢、钼铁、锰铁、钒铁、铬、镍、铜、硅等，将配置好的原料放入中频感应炉，升温熔化后出炉球得到球墨铸铁原铁液。第二步球化及孕育处理：采用FeSiMg8RE5球化剂和SiFe75孕育剂，加入量分别为球墨铸铁原铁液重量的1.0～1.6％和0.3～1.0％，将球化和孕育处理好的球墨铸铁原铁液浇注成型。第三步等温淬火处理：先升温至奥氏体化温度860～940℃，保温1.0～2.0h，然后迅速淬入盐槽进行等温盐浴保温，盐浴温度为230～330℃，保温时间为1.5～3.0h，盐浴介质为45wt.％NaNO₂+55wt.％KNO₃最后取出空冷或用水冷却并清洗掉熔盐。热处理后的CADI球墨铸铁组织由石墨球、奥铁体和细小弥散分布的碳化物组成。

实施例1

本实施例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.45％、Si2.45％、Cr0.34％、Mn0.75％、Mo0.34％、V0.032％、Ni0.25％、Cu0.19％、Mg0.018％、RE0.036％、S0.009％、P0.020％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度880℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为300℃，保温2.5h，然后取出空冷。

对比例1

本例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.52％、Si2.68％、Cr0.32％、Mn0.68％、Mo0.30％、V0.032％、Ni0.26％、Cu0.17％、Mg0.017％、RE0.036％、S0.012％、P0.030％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度880℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为300℃，保温2.5h，然后取出空冷。该对比例与实施例1成分和热处理相同，不同的是Si含量为2.68％。

实施例2

本实施例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.43％、Si2.21％、Cr0.46％、Mn0.49％、Mo0.31％、V0.048％、Ni0.43％、Cu0.16％、Mg0.019％、RE0.032％、S0.012％、P0.035％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度920℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为280℃，保温2.5h，然后取出空冷。

对比例2

本例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.43％、Si1.4％、Cr0.42％、Mn0.52％、Mo0.35％、V0.043％、Ni0.41％、Cu0.19％、Mg0.021％、RE0.031％、S0.017％、P0.028％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度920℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为280℃，保温2.5h，然后取出空冷。该对比例与实施例2成分和热处理相同，不同的是Si含量为1.4％。

实施例3

本实施例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.73％、Si1.72％、Cr0.63％、Mn0.52％、Mo0.51％、V0.074％、Ni0.36％、Cu0.25％、Mg0.021％、RE0.029％、S0.017％、P0.027％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度920℃，保温时间为1.0h；等温淬火温度为280℃，保温2.0h，然后取出空冷。

对比例3

本例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.76％、Si1.82％、Cr0.65％、Mn0.54％、Mo0.51％、V0.11％、Ni0.38％、Cu0.23％、Mg0.022％、RE0.026％、S0.018％、P0.029％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度880℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为300℃，保温2.5h，然后取出空冷。该对比例与实施例3成分和热处理相同，不同的是V含量为0.11％。

实施例4

本实施例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.68％、Si2.08％、Cr0.62％、Mn0.68％、Mo0.45％、V0.068％、Ni0.43％、Cu0.22％、Mg0.024％、RE0.027％、S0.014％、P0.051％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度920℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为280℃，保温2.0h，然后取出空冷。

实施例5

本实施例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.44％、Si1.78％、Cr0.45％、Mn0.58％、Mo0.36％、V0.031％、Ni0.46％、Cu0.19％、Mg0.019％、RE0.032％、S0.034％、P0.039％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度920℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为280℃，保温2.5h，然后取出空冷。

对比例4

本例含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其化学成分为(wt.％)：C3.54％、Si1.86％、Cr0.47％、Mn0.54％，Mo0.36％、V0.015％、Ni0.44％、Cu0.19％、Mg0.022％、RE0.033％、S0.031％、P0.028％，Fe余量。该CADI球墨铸铁采用的热处理制度为：奥氏体化温度920℃，保温时间为1.5h；等温淬火温度为280℃，保温2.5h，然后取出空冷。该对比例与实施例5成分和热处理相同，不同的是V含量为0.015％。

对上述5个实施例和4个对比例进行耐磨性对比测试，为了进行更好的对比，选用美国约翰迪尔生产的CADI犁铧产品和国产65Mn钢犁铧(GB/T14225规定的65Mn钢铧式犁)作为参考材料进行对比测试，耐磨测试参考ASTM G65标准进行。测试结果表明上述5个实施例的耐磨性在110～150％之间，而4个对比例的耐磨性均不足100％。图2所示为实施例1、实施例2和实施例3的耐磨性能对比图，由图2可以看出，本发明制备的含碳化物的等温淬火球墨铸铁耐磨性优异，与美国进口的CADI球墨铸铁相比，其耐磨性提高10％以上，是65Mn钢耐磨性的2倍多。

图1所示为金相组织对比图，可以看出，球铁的碳化物形貌由粗大碳化物变成了弥散细小分布的碳化物。实施例1、实施例2和实施例3所制备的含碳化物的等温淬火球墨铸铁中碳化物碳组织体积百分数分别为13％、17％和22％；实施例1、实施例2和实施例3所制备的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的冲击功分别为15J、13J和12J。

Claims

1.一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：按重量百分含量计，该球墨铸铁的化学成分为：C 3.3～3.8％，Si 1.5～3.3％，Cr 0.2～0.7％，Mn0.4～1.0％，Mo0.2～0.6％，Cu 0.15～0.30％，Mg 0.015～0.030％，RE 0.02～0.05％，S≤0.080％，P≤0.080％，Fe为余量；其中，RE为稀土元素；

该球墨铸铁的制备方法包括如下步骤：

(3)等温淬火处理：将浇铸成型的球墨铸铁件升温至860～940℃，保温1.0～2.0h；然后淬入熔盐中进行等温淬火，盐浴温度为230～330℃，保温时间为1.5～3.0h；最后取出球墨铸铁件，空冷或水冷至室温，获得含碳化物的等温淬火球墨铸铁。

2.按照权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述球墨铸铁还含有0.02～0.08wt.％的V元素以及0.2～0.5wt.％的Ni元素。

3.按照权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述球墨铸铁中Si含量为1.5～2.5wt.％。

4.按照权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述球墨铸铁包括石墨球、奥铁体和细小分散的碳化物组织，碳化物组织所占体积百分数为10～25％。

5.根据权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：所述球墨铸铁的耐磨性比美国约翰迪尔生产的CADI犁铧产品提高10％以上，耐磨性是国产犁铧的2倍以上；其冲击性能可达12J以上。

6.按照权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(1)配料过程中，原材料包括生铁、废钢、钼铁、锰铁、钒铁、铬、镍、铜和硅。

7.按照权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(2)球化及孕育处理过程中，采用FeSiMg8RE5球化剂和SiFe75孕育剂，加入量分别为球墨铸铁原铁液重量的1.0～1.6％和0.3～1.0％。

8.按照权利要求1所述的含碳化物的等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于：步骤(3)中盐浴介质的组分为45wt.％NaNO₂和55wt.％KNO₃。