CN106065451A - 一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明书属于金属粉末与非金属粉末的混合物领域，具体涉及一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法包括以下步骤：(1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，各成分的重量百分比如下：4.2％‑4.8％C，11.5％‑12.3％Cr，0.08％‑0.13％Ti，1‑1.6％Si，W含量为≤3.5％，其余为Fe；(2)将步骤1中的各原料进行熔炼，金属液温度达到1450‑1500℃后用铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到砂型中并自然冷却；(3)将步骤2制得铸件清理干净，然后将铸件淬火处理，然后空冷；(4)将步骤3淬火后的铸件回火处理，并保温一定的时间，然后空冷。本发明能显著提高高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的力学性能，工艺简单易行，克服了以往仅依靠变质处理改善初生碳化物形状和分布的方法，适合批量生产。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末与非金属粉末的混合物领域，具体涉及一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法。
背景技术
长期以来，由于其优异的抗磨性、相对较低的价格和简易的制备工艺，高铬铸铁被广泛的用于抗磨损环境。优异的抗磨性能主要来源于高体积分数的耐磨M7C3型(HV～1300-1800)硬质相的存在，并且也和基体的韧性有关。根据碳和铬的比例，高铬铸铁可以被分为亚共晶、共晶和过共晶，其中过共晶高铬铸铁具有最高体积分数的耐磨M7C3型硬质相。因此，为了更好地开发和应用过共晶高铬铸铁，提高初生碳化物M7C3型硬质相的硬度和韧性等力学性质是很有必要的。
不同的合金元素对对提高高铬铸铁的耐磨性具有重要作用。Bedolla-Jacuinde等人添加钛后能够细化微观组织并且提高高铬铸铁的力学性质。Scandian等人添加钼元素改进高铬白口铸铁的微观组织和耐磨性，发现由于新碳化物(M2C，M6C)的形成，其高温磨损性能进一步提高。曲银虎添加铈来改进铸态过共晶高铬铸铁的微观组织，发现铈能够细化初生M7C3型碳化物。
中国发明专利CN104928559A公布了一种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。但工艺复杂、主要目的是细化晶粒。
中国发明专利CN103451462A公布了一种改善块体Cr7C3抗磨蚀性能的方法，掺杂钇元素后，其韧性提高0.6-1.5倍，在1000℃下高温氧化气氛下耐磨性提高约1.8倍以上，但针对的是块体Cr7C3纯相，应用范围非常有限。
中国发明专利CN1769508公开了一种低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁及其制造方法，采用二次孕育变质处理的方法细化初生碳化物，使用孕育剂的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物来不及长大，从而达到细化初生碳化物的目的，但并未改变初生碳化物本身的硬度和韧性等力学性质。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明的目的在于提供一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法。充分利用钨元素掺杂的作用提高碳化物本身的力学性能，工艺简单易行，克服了以往仅依靠变质处理改善初生碳化物形状和分布的方法，适合批量生产。
为达到上述目的，本发明的基础方案如下：
一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，包括以下步骤：
(1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，各成分的重量百分比如下：4.2％-4.8％C，11.5％-12.3％Cr，0.08％-0.13％Ti，1-1.6％Si，W含量为≤3.5％，其余为Fe；
(2)将步骤1中的各原料在中频感应炉中进行熔炼，金属液温度达到1450-1500℃后用铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到砂型中并自然冷却；
(3)将步骤2制得铸件清理干净，然后将铸件放到高温电阻炉中进行淬火处理，然后空冷；
(4)将步骤3淬火后的铸件放入低温电阻炉进行回火处理，并保温一定的时间，然后空冷。
本方案的优点是：
1、采用的原料都为价格低廉的普通矿石，没加入稀土等昂贵变质剂，明显降低了生产成本。
2、工艺简单易行，采用简单的砂型浇铸工艺，充分发挥钨元素的作用和热处理的作用，不用孕育处理和急冷快速充型等工艺，适合大批量生产。
3、同时使用高碳铬铁、低碳铬铁能精确控制Cr/C比，所制得的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的韧性与本征硬度同时提高，断裂韧性提高2.5倍，显微维氏硬度由1250Mpa左右提高到1450Mpa以上。而且所制得的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物具有较好的力学性能和耐磨性。
4、所制得的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的形态没有发生很大变化，体积分数有所增加，能够保证高铬铸铁较强的抗磨性。
优化方案1，对基础方案的进一步优化，各成分的重量百分比如下：4.5％C，12％Cr，0.1％Ti，1.5％Si，W含量为≤3.5％，其余为Fe。发明人通过试验发现，各成分的重量百分比按上述比例时，制备得到的产品硬度和韧性最佳。
优化方案2，对基础方案的进一步优化，各原料的加入顺序为先加入废钢和生铁，再加入高铬铸铁，然后加入低铬铸铁，最后加入钨铁。按照上述顺序加料，能最大程度减少原料烧损，尤其是钨的烧损，以提高碳化物的力学性能。
优化方案3，对基础方案、优化方案1、2任一项的进一步优化，所述砂型铸件的形状为标准基尔试块，冷却8-12小时。采用上述操作，能够让钨充分地扩散，提高制备的产品力学性能。
优化方案4，对优化方案3的进一步优化，对基尔试块最下端进行线切割，取芯部样品，试样切割成10mm×10mm×55mm进行热处理。发明人通过实验发现，基尔试块下部质量最好，缺陷(如缩松、缩孔)最少，能有效保证高铬铸铁的力学性能。
优化方案5，对基础方案、优化方案1、2、4任一项的进一步优化，在步骤3中，淬火处理温度区间为850-1050℃，保温时间为1-3小时。发明人通过实验发现，在上述条件下淬火处理，所制备的高铬铸铁力学性能较佳。
优化方案6，对优化方案5的进一步优化，在步骤4中，回火处理温度区间为300-540℃，回火保温时间为2-4小时。发明人通过实验发现，在上述条件下回火处理，所制备的高铬铸铁力学性能较佳。
附图说明
图1是本发明实施例1技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的形态和分布；
图2是本发明实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的形态和分布；
图3是本发明实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的形态和分布；
图4是本发明实施例1，2，3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物含量与平均粒径随钨添加量的变化；
图5是本发明实施例1技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物压痕示意图；
图6是本发明实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物压痕示意图；
图7是本发明实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物压痕示意图；
图8是本发明实施例1，2，3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物添加钨后原子结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
下面以实施例1为例详细描述一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其他实施例和对比例在表1中体现，未示出的部分与实施例1相同：
实施例1
本实施例所述一种同时提高高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物硬度和韧性的方法，具体包括以下步骤：
(1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，使各成分的重量百分比如下：4.50％C，12.00％Cr，0.10％Ti，1.50％Si，W含量为1.5％，其余为Fe；
(2)将步骤1中的各原料在中频感应炉中进行熔炼，加料顺序为先加入废钢和生铁，再加入高铬铸铁，然后加入低铬铸铁，最后加入钨铁，金属液温度达到1450℃后用铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到标准基尔试块砂型中，自然冷却8小时，让钨元素充分的溶入到(Cr,Fe)7C3化合物中，如图4所示；
(3)将步骤2制得的铸件清理干净，对基尔试块最下端进行线切割，取芯部样品，试样切割成10mm×10mm×55mm进行热处理，将铸件放到高温电阻炉中进行淬火处理，淬火温度为850℃，保温时间为3小时，然后空冷；
(4)将淬火后的铸件在300℃的温度下回火，回火保温时间为4小时，然后空冷。即得到(Cr,Fe)7C3硬度和韧性同时提高的高铬铸铁试样，如图1所示。
表1
分别采用显微硬度和压痕法检测实施例1-5中的高铬铸铁试样中(Cr,Fe)7C3碳化物的硬度、断裂韧性，得到的检测结果如表2所示：
表2
如图2所示，是实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的形态和分布。
如图3所示，是实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的形态和分布。
如图4所示，是本发明实施例1，2，3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物含量与平均粒径随钨添加量的变化关系。
如图5所示，是实施例1技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物压痕示意图。
如图6所示，是实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物压痕示意图。
如图7所示，是实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物压痕示意图。
如图8所示，是本发明实施例1，2，3技术方案所制备的高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物添加钨后原子结构示意图。
对比实施例1-4可以明显看出，实施例1-3制备的高铬铸铁试样的硬度和强度性能明显高于实施例4，而且实施例4与实施例3的区别仅在于实施例4未添加钨，从而可以看出，钨对高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物硬度和韧性提高有起着关键的作用。
对比实施例3和实施例5，实施例3的力学性能明显更高，而两实施例的区别在于，实施例3中的加料顺序同实施例1，实施例4的加料顺序是同时加入，从而可以看出，按照先加入废钢和生铁，再加入高铬铸铁，然后加入低铬铸铁，最后加入钨铁的顺序，能明显提高高铬铸铁试样的力学性能。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，各成分的重量百分比如下：4.2％-4.8％C，11.5％-12.3％Cr，0.08％-0.13％Ti，1-1.6％Si，W含量为≤3.5％，其余为Fe；
(2)将步骤1中的各原料在中频感应炉中进行熔炼，金属液温度达到1450-1500℃后用铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到砂型中并自然冷却；
(3)将步骤2制得铸件清理干净，然后将铸件放到高温电阻炉中进行淬火处理，然后空冷；
(4)将步骤3淬火后的铸件放入低温电阻炉进行回火处理并保温，然后空冷。
2.根据权利要求1所述的一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，各成分的重量百分比如下：4.5％C，12％Cr，0.1％Ti，1.5％Si，W含量为3.5％，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，各原料的加入顺序为先加入废钢和生铁，再加入高铬铸铁，然后加入低铬铸铁，最后加入钨铁。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，所述砂型铸件的形状为标准基尔试块，冷却8-12小时。
5.根据权利要求4所述的一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，对基尔试块最下端进行线切割，取芯部样品，试样切割成10mm×10mm×55mm进行热处理。
6.根据权利要求1或2或3或5所述的一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，在步骤3中，淬火处理温度区间为850-1050℃，保温时间为1-3小时。
7.根据权利要求6所述的一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，在步骤4中，回火处理温度区间为300-540℃，回火保温时间为2-4小时。
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