CN106222531B - 一种硼锰铬耐磨铸件及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硼锰铬耐磨铸件及其制造工艺，其主要成分重量百分比为：B0.010‑0.012%、Cr20.180‑20.184%、Mn1.063‑1.064%、Ti 0.010‑0.012%、Mo1.682‑1.715%、Ni0.157‑0.158%、V0.068‑0.068%、Cu0.925‑0.934%、Al0.025‑0.030%、C3.018‑3.023%、Si0.848‑0.850%。其制造工艺为：废弃金属材料回收后经分拣除锈和光谱分析利用对应器具浇注，分两段升温，使用PAG淬火液淬火，达到硬度高，韧性强，冲击吸收能量大，补缩效果好，产品使用寿命长的特点。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种废弃金属回收铸造技术领域，具体地说，本发明涉及一种硼锰铬耐磨铸件及其制造工艺。
背景技术
耐磨铸件广泛应用于发电、耐火材料、水泥、冶金、矿山等领域，每年消耗量持续增加，耐磨材料性能好坏不仅决定着很多设备的更换速度，同时也影响着产品的质量。随着科学技术的发展，特殊领域也对材料的性能提出了越来越高的要求，同时，越来越多的废弃金属得不到有效利用，造成资源的浪费，因此，研究一种用废弃金属制备高耐磨性和高硬度的材料对提升装备制造技术、减少材料消耗和发展国民经济都有着重要意义。
发明内容
针对现有技术现状，本发明通过大量科学实验寻找了一种利用废旧金属材料回收制备硬度高，韧性强，冲击吸收能量大，补缩效果好，产品使用寿命长的硼锰铬耐磨铸件的工艺。
为了实现上述目的，本发明提供了一种技术方案：
本发明所提供的硼锰铬耐磨铸件主要成分为(按重量百分比计)：硼B 0.010-0.012％、铬Cr 20.180-20.184％、锰Mn 1.063-1.064％、钛Ti 0.010-0.012％、钼Mo1.682-1.715％、钒V 0.068％，其他成分控制在：碳C 3.018-3.023％、硅 Si 0.848-0.850％、铜Cu 0.925-0.934％、铝Al 0.025-0.030％、镁Mg 0.0276-0.0315％、磷P≤0.038％、硫S≤0.032％范围内，余量为铁Fe。
本发明中，硼锰铬耐磨铸件其制造工艺为：废弃金属材料回收后经分拣除锈和光谱分析，重量比超出上述配方范围的舍弃，需要补充的元素按照上述配方单独添加后熔炼，熔炼完成后浇注成铸件，浇注完毕后，在铁液表面覆盖保温发热剂，延缓浇道铁液凝固时间，慢速升温至650℃，再快速升温至1030℃，淬火后成型。
本发明中，30kg以下铸件用圆柱池形浇口杯浇注，30—150kg铸件用梅花直道浇注，150kg-300kg用U型直道浇注，300kg以上铸件用单口或多口浇注。
本发明中，30kg以下铸件以120℃/h、30—150kg铸件以95℃/h、150kg-300kg 铸件以65℃/h、300kg以上铸件以30℃/h的时速升温至650℃，再以185℃/h时速升温至1030度。
本发明中，使用PAG淬火液淬火。
铸铁材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明的化学成分是这样确定的机理：
C：C是影响硼锰铬耐磨铸件硬度和韧性的主要元素，C含量高时，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好，但是任性下降。
Cr：Cr是硼锰铬耐磨铸件主要元素，Cr含量大于12％时，碳化物主要为高硬度碳化物，从而使硼锰铬耐磨铸件具有良好的耐磨性，但是Cr含量过高，材质熔炼困难，铸造性能恶化，成本显著提高。
Si：硼锰铬耐磨铸件中加入适量Si主要起脱氧作用，Si还有改善淬透性作用，Si加入量过多会降低硬度，耐磨性减弱。
B：硼锰铬耐磨铸件加入适量B可置换碳化物中C原子，形成含B化合物，并使碳化物体积分数随B含量增加而增加，含B硼锰铬耐磨铸件更易摩擦诱发马氏体相变，产生加工硬化。
Mn：硼锰铬耐磨铸件加入适量Mn，既能形成碳化物，又能溶于基体，既能稳定珠光体，也能增加残余奥氏体。
V、Ti:硼锰铬耐磨铸件加入适量加入钒、钛可使高铬铸铁组织细化，碳化物形态和分布改善，由连续网状、长条状变成团块状，孤立性增强，马氏体含量增加，硬度、韧性、耐磨性都有所提高，但是大量加入钒、钛又会使熔点升高，硬质相增加及粗化，这样不仅不能细化晶粒，反而使碳化物析出，损害强度和韧性。
Mo：硼锰铬耐磨铸件加入适量钼，能有效地提高Ms温度，减少室温组织中的残留奥氏体量，由于固溶于γ-Fe中的钼能显著降低碳的溶解度，而减少γ-Fe 碳含量对Ms的影响远大于钼溶于γ-Fe的影响，因而钼能有效地提高Ms温度，铬碳比相同的情况下，增加含钼量可使空冷获得马氏体的高铬铸铁件当量厚度增加，能使晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力减少厚大铸件在冷却时整体热应力和基体的组织应力使铸件破裂，但是量太大时。
Cu：硼锰铬耐磨铸件淬透性不够而使组织中出现珠光体时，加入铜后由于提高淬透性而使硬度显著的提高，当淬火温度较低，冷却较慢，使奥氏体析出较多二次碳化物致使马氏体贫碳时，铜的加入会提高硼锰铬耐磨铸件的硬度，当淬火温度较高，因奥氏体析出二次碳化物太少，而使基体残留奥氏体时，铜的加入会降低硼锰铬耐磨铸件的硬度，而且冷却越快，铜降低硬度的作用越明显，铜除了是一个提高淬透性的元素外，它还有减慢奥氏体析出二次碳化物速度的作用。
Al：硼锰铬耐磨铸件加入适量铝，组织中出现较为明显的魏氏石墨和极少量的铁素体，硬度增加，抗拉强度和冲击韧度减小，随着铝含量进一步增加，魏氏石墨和铁素体也随之增多，硼锰铬耐磨铸件硬度逐渐增大，抗拉强度和冲击韧度逐渐减小，而且铝镁对冲击韧度的影响大于抗拉强度，综合力学性能变差。
Mg：硼锰铬耐磨铸件加入适量镁，可以是石墨按照球状析出，另外，镁元素和硫元素会生成MgS，可以去除铁水中的S，这个元素会阻碍球状石墨生成，但是加入过量镁会使得耐磨铸件耐磨性和硬度急剧下降。
P、S：都是随炉或熔化过程引入的有害杂质，应该越低越好。
本发明的有益效果:
本发明提供的配方和工艺方法有效利用了废弃金属，使得硼锰铬耐磨铸件达到硬度高，韧性强，冲击吸收能量大，补缩效果好，产品使用寿命长的特点，对于硼锰铬耐磨铸件制造具有广泛的适用性。
说明书附图
图1显示为B和Cr对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图2显示为B和Mn对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图3显示为B和Ti对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图4显示为B和Mo对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图5显示为Cr和Mn对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图6显示为Cr和Ti对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图7显示为Cr和Mo对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图8显示为Ti和Mn对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图9显示为Mo和Mn对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图10显示为Ti和Mo对铸件表面硬度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图11显示为C和Si对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图12显示为C和Mg对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图13显示为C和Cu对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图14显示为C和Al对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图15显示为Si和Mg对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图16显示为Si和Cu对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图17显示为Si和Al对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图18显示为Mg和Cu对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图19显示为Mg和Al对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图20显示为Cu和Al对铸件淬透性深度影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图21显示为C和Si对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图22显示为C和Mg对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图23显示为C和Cu对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图24显示为C和Al对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图 (B)。
图25显示为Si和Mg对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图26显示为Si和Cu对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图27显示为Si和Al对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图28显示为Mg和Cu对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图29显示为Mg和Al对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图30显示为Cu和Al对铸件冲击吸收能量影响的响应面图(A)和等高线图(B)。
图31显示为各个重量铸件升温曲线。
具体实施例
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但本发明的配方和工艺不限于下述实施例。
实施例一：
回收废弃金属材料，经过分拣除锈、光谱分析和精确计算，重量百分比符合条件者选用，重量百分比超过或有其他成分者留作他用，不足的在熔炼过程中补充添加，使主要成分重量百分比达到：硼B 0.011％、铬Cr 20.182％、锰 Mn 1.0635％、钛Ti 0.011％、钼Mo1.6985、钒V 0.068％、其他成分控制在：碳C 3.018-3.023％、硅Si 0.848-0.850％、铜Cu0.925-0.934％、铝Al 0.025-0.030％、镁Mg 0.0276-0.0315％、磷P≤0.038％、硫S≤0.032％范围内，余量为铁Fe。
本发明中，总待浇注量在30kg以下，选用圆柱池形浇口杯浇注，按精确浇注流量、时间和补缩率浇注。
本发明中，30kg以下铸件以120℃/h时速升温至650℃，再以185℃/h时速升温至1030度后，使用PAG淬火液淬火，回温至常温，有效提高淬透性，增强韧性和拉伸强度、解决断裂现象。
经光谱分析仪分析，产品各成分重量百分比如下：
废弃金属光谱检测分析结果 表1
经GB/T 230.1洛氏硬度试验、洛氏断面硬度试验、GB/T 229冲击试验，产品硬度、淬透性深度、冲击吸收能量如下：
实施例一硼锰铬耐磨铸件测试结果 表2
响应面法配方优化实验：
采用单因素实验，确定硼、铬、锰、钛、钼、钒对铸件表面硬度的影响范围，并以表面硬度为指标确定硼、铬、锰、钛、钼、钒几个因素的范围。根据钒、钛属于同族元素，单因素实验结果也显示它们对铸件表面硬度影响结果相似，所以在响应面法试验中没有重复做钒对铸件硬度影响实验。
响应面优化实验：
响应面因素水平表 表3
| 元素 | 单位 | 最小值 | 最大值 |
| B | 1/10000 | 10 | 12 |
| Cr | 1/10000 | 20180 | 20184 |
| Mn | 1/10000 | 1063 | 1064 |
| Ti | 1/10000 | 10 | 12 |
| Mo | 1/10000 | 1682 | 1715 |
| 硬度 | HRC | Response | 2.75164 |
Box-bohnken实验设计结果 表4
响应面法优化实验结果显示，硼、铬、锰、钛、钼、钒对铸件表面硬度影响均具有显著性。最佳结果即为上述实施例选用的配方。
实施例二：
回收废弃金属材料，经过分拣除锈、光谱分析和精确计算，重量百分比符合条件者选用，重量百分比超过或有其他成分者留作他用，不足的在熔炼过程中补充添加，使主要成分重量百分比达到：硼B 0.010-0.012％、铬Cr 20.180-20.184％、锰Mn 1.063-1.064％、钛Ti 0.010-0.012％、钼Mo 1.682-1.715％、钒V 0.068％，其他成分控制在：碳C 3.0205％、硅Si 0.849％、铜Cu 0.9295％、铝A l 0.0275％、镁Mg 0.02955％、磷P≤0.038％、硫S≤0.032％范围内，余量为铁Fe.
经光谱分析仪分析，产品各成分重量百分比如下：
废弃金属光谱检测分析结果 表5
经GB/T 230.1洛氏硬度试验、洛氏断面硬度试验、GB/T 229冲击试验，产品硬度、淬透性深度、冲击吸收能量如下：
硼锰铬耐磨铸件测试结果 表6
响应面法配方优化实验：
采用单因素实验，确定铜、铝、碳、硅、镁对铸件淬透性深度和冲击吸收能力的影响范围，并分别以淬透性深度和冲击吸收能力为指标确定铜、铝、碳、硅、镁几个因素的范围。
响应面优化实验：
响应面因素水平表 表7
| 元素 | 单位 | 最小值 | 最大值 |
| C | 1/10000 | 3018 | 3023 |
| Si | 1/10000 | 848 | 850 |
| Mg | 1/10000 | 276 | 315 |
| Cu | 1/10000 | 925 | 934 |
| Al | 1/10000 | 25 | 30 |
| 淬透性深度 | ％ | Response | 0.208207 |
铜、铝、碳、硅、镁对硼锰铬耐磨铸件淬透性深度影响的Box-bohnken实验设计结果表8
铜、铝、碳、硅、镁对硼锰铬耐磨铸件冲击吸收能量影响的Box-bohnken 实验设计结果 表9
响应面法优化实验结果显示，铜、铝、碳、硅、镁对铸件淬透性深度和冲击吸收能量影响均具有显著性，而且趋势较为接近。最佳结果即为上述实施例选用的配方。
实施例三：
本发明中，总待浇注量在30—150kg铸件用，选用梅花直道浇注，按精确浇注流量、时间和补缩率浇注。
本发明中，30—150kg铸件以95℃/h时速升温至650℃，再以185℃/h时速升温至1030度后，使用PAG淬火液淬火，回温至常温，有效提高淬透性，增强韧性和拉伸强度、解决断裂现象。
选用上述经过响应面法优化的配方铸造成30—150kg铸件后性能如下：
硼锰铬耐磨铸件测试结果 表10
实施例四：
本发明中，总待浇注量在150kg-300kg，选用U型直道浇注，按精确浇注流量、时间和补缩率浇注。
本发明中，150kg-300kg铸件以65℃/h时速升温至650℃，再以185℃/h时速升温至1030度后，使用PAG淬火液淬火，回温至常温，有效提高淬透性，增强韧性和拉伸强度、解决断裂现象。
选用上述经过响应面法优化的配方铸造成150kg-300kg铸件后性能如下：
硼锰铬耐磨铸件测试结果 表11
实施例五：
本发明中，总待浇注量在300kg以上铸件，选用单口或多口浇注，按精确浇注流量、时间和补缩率浇注。
本发明中，300kg以上铸件以30℃/h时速升温至650℃，再以185℃/h时速升温至1030度后，使用PAG淬火液淬火，回温至常温，有效提高淬透性，增强韧性和拉伸强度、解决断裂现象。
选用上述经过响应面法优化的配方铸造成300kg以上铸件后性能如下：
硼锰铬耐磨铸件测试结果 表12
如上所述，即可较好地实现本发明,上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种硼锰铬耐磨铸件，其特征在于，主要成分重量百分比为：B 0.010-0.012%、Cr20.180-20.184%、Mn 1.063-1.064%、Ti 0.010-0.012%、Mo 1.682-1.715%、V 0.068-0.068%，其他成分控制在：C 3.018-3.023%、Si 0.848-0.850%、Cu 0.925-0.934%、Al0.025-0.030%、Mg 0.0276-0.0315%、P≤0.038%、S≤0.032%范围内，余量为Fe。
2.一种权利要求1所述的硼锰铬耐磨铸件的制造工艺，其特征在于，将废弃金属材料回收后经分拣除锈和光谱分析，重量比超出上述配方范围的舍弃，需要补充的元素按照上述配方单独添加后熔炼，熔炼完成后浇注成铸件，浇注完毕后，在铁液表面覆盖保温发热剂，延缓浇道铁液凝固时间，慢速升温至650℃，再快速升温至1030℃，淬火后成型。
3.如权利要求2所述的制造工艺，其特征在于，小于30kg的铸件用圆柱池形浇口杯浇注，大于或等于30kg且小于150kg的铸件用梅花直道浇注，大于或等于150kg且小于或等于300kg的用U型直道浇注，大于300kg的铸件用单口或多口浇注。
4.如权利要求2所述的制造工艺，其特征在于，小于30kg铸件以120℃/h、大于或等于30kg且小于150kg铸件以95℃/h、大于或等于150kg且小于或等于300kg铸件以65℃/h、大于300kg铸件以30℃/h的时速升温至650℃，再以185℃/h时速升温至1030度。
5.如权利要求2所述的制造工艺，其特征在于，使用PAG淬火液淬火。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171121 Termination date: 20180724 |