CN106244909A - 一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，按照如下步骤制得：将原料加入到熔炼炉中，保温至熔化完全得到基质合金液，其各元素包括：C，Si，Cr，Nb，Mo，V，Ti，B，N，Ni，Mg，Zn，S，P，余量为铁和不可避免的杂质；将基质合金液浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料是由微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，得到铸件坯体；将铸件坯体经热处理后得到所述低铬合金铸件。本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，所述低铬合金铸件具有良好耐磨性，硬度可达80HRC以上，冲击韧性可达10J/cm2，满足实际使用过程中对铸件的要求。

Description

一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法
技术领域
本发明涉及铸件技术领域，尤其涉及一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法。
背景技术
近年来，耐磨损材料技术得到了突飞猛进的发展，其中高铬合金铸件作为耐磨损材料的一个分支，在工业生产中应用最为普遍。高铬合金铸件之所以耐磨是由其微观组织结构所决定的。铸造高铬合金材料的主体合金成分特点是高铬(≥12％)和高碳(≥2％)，在其微观组织中含有大量的共晶碳化物硬质相，这些硬质相和强、韧性较好的基体相组合，获得优良的耐磨损性能。
在耐磨损领域，追求合金具有更高耐磨损性能和更好的综合性能是材料创新的主流方向。高铬合金铸件中虽然含有高硬度“碳化铬”硬质相能够实现高耐磨性，但是高铬合金存在的弱点恰是在于大量“碳化铬”硬质相的存在使得合金材料的整体性能较差。
现存的低铬合金铸件在具有耐磨性、硬度等性能方面欠佳，不能满足现在社会的要求。有鉴于上述低铬合金铸件存在的缺陷，因此，要求既要有高的耐磨性、硬度，还要求合金铸件韧性良好，这就对合金铸件的铸造方法提出了更高等级的要求。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，所述低铬合金铸件具有良好耐磨性，硬度可达80HRC以上，冲击韧性可达10J/cm2，满足实际使用过程中对铸件的要求。
本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，按照如下步骤制得：
S1、熔炼：将生铁、废钢加入到熔炼炉中，并加热至1530-1550℃，保温20-45min后加入铬铁、铌铁和钼铁，保温至熔化完全后加入钒铁、钛铁和硼铁，升温至1560-1600℃，保温10-20min后加入氮化铬铁、镍镁和锌锭，保温至熔化完全后静置，扒渣，得到基质合金液，其各元素按重量百分比包括：C：3.0-3.6％，Si：1.5-1.9％，Cr：0.7-1.2％，Nb：0.2-0.5％，Mo：2.1-2.6％，V：0.06-0.1％，Ti：0.1-0.3％，B：0.01-0.04％，N：0.02-0.05％，Ni：0.1-0.4％，Mg：0.01-0.1％，Zn：0.1-0.4％，S：0.01-0.04％，P≤0.03％，余量为铁和不可避免的杂质；
S2、浇注：将S1得到的基质合金液冷却至1350-1400℃后浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料在模腔表面的涂覆厚度为30-60μm，所述纳米涂料是由重量配比为0.01-0.03:1.5-1.8:10的微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，待合金液完全凝固后，继续冷却放置5-10h后开模，得到铸件坯体；
S3、热处理：将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使加热炉中氧含量小于5％，以25-30℃/min的升温速率升温至860-900℃，保温30-40min，以15-20℃/min的升温速率升温至950-1050℃，保温10-15min，取出后加入300-360℃的盐浴中进行第一次淬火，保温20-35min后取出，再加入回火炉中升温至600-680℃，保温20-35min后取出，加入80-120℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，冷却至120-160℃后取出，加入回火炉中升温至200-250℃，保温6-10h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
优选地，S1中，所述基质合金液各元素按重量百分比包括：C：3.2-3.4％，Si：1.6-1.8％，Cr：0.8-1.0％，Nb：0.3-0.4％，Mo：2.2-2.4％，V：0.07-0.08％，Ti：0.1-0.2％，B：0.02-0.03％，N：0.03-0.04％，Ni：0.2-0.3％，Mg：0.03-0.08％，Zn：0.2-0.3％，S：0.02-0.03％，P≤0.02％，余量为铁和不可避免的杂质。
优选地，所述Cr、S和N的重量百分含量符合：Cr≥1.8×S+0.15％+20×N。
优选地，S2中，所述微量金属粉是由重量配比为1:0.3-0.6:0.1-0.2的钨金属粉、锰金属粉和镍金属粉组成；所述纳米材料是由重量配比为1:3-5:2-4:8-10的碳化硅、氮化硼、碳化铬和三氧化二铝组成；所述耐火骨料是由重量配比为1:3-5的锆英粉和铝矾土粉组成。
优选地，制备所述纳米涂料的工艺包括：将微量金属粉和耐火骨料混合后研磨至粒径≤100nm，加入纳米材料混匀，再加入无水乙醇混匀，得到所述纳米涂料。
优选地，S3中，将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使电炉中氧含量小于5％，以27-28℃/min的升温速率升温至870-890℃，保温32-38min，以17-18℃/min的升温速率升温至980-1020℃，保温12-13min，取出后加入320-340℃的盐浴中进行第一次淬火，保温25-30min后取出，再加入回火炉中升温至620-660℃，保温25-30min后取出，加入90-110℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，冷却至130-150℃后取出，加入回火炉中升温至220-240℃，保温7-9h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
优选地，S3中，所述盐浴按质量百分比包括：硝酸钾52-58％和硝酸钠42-48％。
优选地，S3中，所述硅酸钠水的比重为1.05-1.25g/cm3，模数为2.0-3.0。
本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，首先，在熔炼中，采用生铁、废钢、铬铁、、铌铁、钼铁、钒铁、钛铁等配合作为低合金材料的主料，完成本发明对于合金材料密度高和冲击韧性高的要求，提高合金材料在使用中磨削效率，同时减少铬的含量，避免合金的电化学腐蚀效应；加入的镍镁、锌锭、硼铁相互配合，对合金液进行脱氧，减少基质合金液中氧化物含量，可以提高合金的使用寿命；由此所得到的熔融合金液中，控制Cr和Mo的适应含量，使二者进行合金强化，并控制S的含量，来控制石墨的形态，适量的N可以固溶于基体中，提高基体的淬透性，并通过Cr、S、N三者的含量关系，有效提高基体强度和硬度；适量的B的加入可以获得高硬度的硼碳化物以及利用硼固溶于基体，对于改善基体的耐磨性能具有显著的效果；而适量V的则可获得高硬度的MC型碳化物，有利于铸件耐磨性提高；适量的N和Ti、Ni、Nb等可以结合生成高熔点的细小氮化物，可起结晶核心作用，有利于提高铸件耐磨层的强韧性；而适量的Zn、Nb、Mg、Ti，不仅可以细化基体组织，还可以细化碳化物，并使碳化物均匀分布，从而可以明显提高铸件耐磨强韧性，同时防止铸件耐磨层使过程中出现剥落和开裂。
其次，在浇铸工艺中，通过在模腔表面涂覆有纳米涂料，将纳米涂料中包含的微量金属粉、陶瓷类纳米材料和耐火骨料刷涂在铸造模具内壁，在浇注完成后，可以将纳米级陶瓷增强颗粒以及微量技术元素和耐火骨料镶嵌于合金材料的表面和次表面，由此，一方面在合金铸件的表层形成一层纳米级高硬质相，该硬质相层由于分布有性能优良的陶瓷颗粒等，使得合金材料具有耐磨性好、耐高温、耐腐蚀强等优点，并显著地提高了铸件的抗撞击性能、强度和耐磨性能；另一方面，由于微量金属粉在随着合金熔液冷却过程中，向铸件内部渗透，使得铸件表层的该技术元素的含量大于其内部的含量，由于微量金属元素可以与合金中的相应组分形成高硬度的碳化物或者氮化物，大大有利于铸件耐磨性提高。
最后，在热处理工艺中，通过设定二段温区缓慢升温过程，保证铸件内部组织变化合理，成分更加均匀化；随后将升温后的合金组织加入热盐浴中进行第一次淬火，铸件的合金组织内部生成的有害内应力及变形相比用冷油等介质淬火的要小得多，同时保证合金按预定的温度进行盐浴等温淬火，大幅度提高铸件的韧性；此后为了增加铸件的淬透深度，通过对回火后的合金组织进行第二次淬火，得到综合性能好的贝氏体和残留奥氏体混合组织，硬度高且硬度均匀性好。
综合上述，本发明中通过对铸件的组分进行控制使其获得优良综合性能的同时，通过对合金表面进行纳米改性处理，并利用适宜的热处理工艺来调节基体金属性能，显著地提高铸件的耐磨损等方面的性能，使本发明更适用于湿法研磨，提高本发明的使用寿命，间接降低了使用成本。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，按照如下步骤制得：
S1、熔炼：将生铁、废钢加入到熔炼炉中，并加热至1530℃，保温45min后加入铬铁、铌铁和钼铁，保温至熔化完全后加入钒铁、钛铁和硼铁，升温至1560℃，保温20min后加入氮化铬铁、镍镁和锌锭，保温至熔化完全后静置，扒渣，得到基质合金液，其各元素按重量百分比包括：C：3.0％，Si：1.9％，Cr：0.7％，Nb：0.5％，Mo：2.1％，V：0.1％，Ti：0.1％，B：0.04％，N：0.02％，Ni：0.4％，Mg：0.01％，Zn：0.4％，S：0.01％，P：0.03％，余量为铁和不可避免的杂质；
S2、浇注：将S1得到的基质合金液冷却至1350℃后浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料在模腔表面的涂覆厚度为60μm，所述纳米涂料是由重量配比为0.01:1.8:10的微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，所述微量金属粉是由重量配比为1:0.3:0.2的钨金属粉、锰金属粉和镍金属粉组成，所述纳米材料是由重量配比为1:3:4:8的碳化硅、氮化硼、碳化铬和三氧化二铝组成，所述耐火骨料是由重量配比为1:5的锆英粉和铝矾土粉组成，待合金液完全凝固后，继续冷却放置5h后开模，得到铸件坯体；
S3、热处理：将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使加热炉中氧含量小于5％，以25℃/min的升温速率升温至900℃，保温30min，以20℃/min的升温速率升温至950℃，保温15min，取出后加入300℃的盐浴中进行第一次淬火，所述盐浴按质量百分比包括：硝酸钾58％和硝酸钠42％，保温35min后取出，再加入回火炉中升温至600℃，保温35min后取出，加入80℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，所述硅酸钠水的比重为1.25g/cm3，模数为2.0，冷却至160℃后取出，加入回火炉中升温至200℃，保温10h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
实施例2
本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，按照如下步骤制得：
S1、熔炼：将生铁、废钢加入到熔炼炉中，并加热至1550℃，保温20min后加入铬铁、铌铁和钼铁，保温至熔化完全后加入钒铁、钛铁和硼铁，升温至1600℃，保温10min后加入氮化铬铁、镍镁和锌锭，保温至熔化完全后静置，扒渣，得到基质合金液，其各元素按重量百分比包括：C：3.6％，Si：1.5％，Cr：1.2％，Nb：0.2％，Mo：2.6％，V：0.06％，Ti：0.3％，B：0.01％，N：0.05％，Ni：0.1％，Mg：0.1％，Zn：0.1％，S：0.04％，P：0.02％，余量为铁和不可避免的杂质；
S2、浇注：将S1得到的基质合金液冷却至1400℃后浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料在模腔表面的涂覆厚度为30μm，所述纳米涂料是由重量配比为0.03:1.5:10的微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，所述微量金属粉是由重量配比为1:0.6:0.1的钨金属粉、锰金属粉和镍金属粉组成，所述纳米材料是由重量配比为1:5:2:10的碳化硅、氮化硼、碳化铬和三氧化二铝组成，所述耐火骨料是由重量配比为1:3的锆英粉和铝矾土粉组成，待合金液完全凝固后，继续冷却放置10h后开模，得到铸件坯体；
S3、热处理：将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使加热炉中氧含量小于5％，以30℃/min的升温速率升温至860℃，保温40min，以15℃/min的升温速率升温至1050℃，保温10min，取出后加入360℃的盐浴中进行第一次淬火，所述盐浴按质量百分比包括：硝酸钾52％和硝酸钠48％，保温20min后取出，再加入回火炉中升温至680℃，保温20min后取出，加入120℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，所述硅酸钠水的比重为1.05g/cm3，模数为3.0，冷却至120℃后取出，加入回火炉中升温至250℃，保温6h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
实施例3
本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，按照如下步骤制得：
S1、熔炼：将生铁、废钢加入到熔炼炉中，并加热至1540℃，保温35min后加入铬铁、铌铁和钼铁，保温至熔化完全后加入钒铁、钛铁和硼铁，升温至1580℃，保温15min后加入氮化铬铁、镍镁和锌锭，保温至熔化完全后静置，扒渣，得到基质合金液，其各元素按重量百分比包括：C：3.2％，Si：1.8％，Cr：0.8％，Nb：0.4％，Mo：2.2％，V：0.08％，Ti：0.1％，B：0.03％，N：0.03％，Ni：0.3％，Mg：0.03％，Zn：0.3％，S：0.02％，P：0.01％，余量为铁和不可避免的杂质；
S2、浇注：将S1得到的基质合金液冷却至1380℃后浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料在模腔表面的涂覆厚度为40μm，所述纳米涂料是由重量配比为0.02:1.7:10的微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，所述微量金属粉是由重量配比为1:0.4:0.1的钨金属粉、锰金属粉和镍金属粉组成，所述纳米材料是由重量配比为1:4:3:9的碳化硅、氮化硼、碳化铬和三氧化二铝组成，所述耐火骨料是由重量配比为1:4的锆英粉和铝矾土粉组成，待合金液完全凝固后，继续冷却放置7h后开模，得到铸件坯体；
S3、热处理：将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使电炉中氧含量小于4％，以27℃/min的升温速率升温至890℃，保温32min，以18℃/min的升温速率升温至980℃，保温13min，取出后加入320℃的盐浴中进行第一次淬火，所述盐浴按质量百分比包括：硝酸钾55％和硝酸钠45％，保温25min后取出，再加入回火炉中升温至660℃，保温25min后取出，加入110℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，所述硅酸钠水的比重为1.15g/cm3，模数为2.0，冷却至150℃后取出，加入回火炉中升温至220℃，保温9h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
实施例4
本发明提出的一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，按照如下步骤制得：
S1、熔炼：将生铁、废钢加入到熔炼炉中，并加热至1535℃，保温25min后加入铬铁、铌铁和钼铁，保温至熔化完全后加入钒铁、钛铁和硼铁，升温至1570℃，保温18min后加入氮化铬铁、镍镁和锌锭，保温至熔化完全后静置，扒渣，得到基质合金液，其各元素按重量百分比包括：C：3.4％，Si：1.6％，Cr：1.0％，Nb：0.3％，Mo：2.4％，V：0.07％，Ti：0.2％，B：0.02％，N：0.04％，Ni：0.2％，Mg：0.08％，Zn：0.2％，S：0.03％，P：0.02％，余量为铁和不可避免的杂质；
S2、浇注：将S1得到的基质合金液冷却至1370℃后浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料在模腔表面的涂覆厚度为50μm，所述纳米涂料是由重量配比为0.01:1.6:10的微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，所述微量金属粉是由重量配比为1:0.5:0.2的钨金属粉、锰金属粉和镍金属粉组成，所述纳米材料是由重量配比为1:4:3:8的碳化硅、氮化硼、碳化铬和三氧化二铝组成，所述耐火骨料是由重量配比为1:3的锆英粉和铝矾土粉组成，待合金液完全凝固后，继续冷却放置8h后开模，得到铸件坯体；
S3、热处理：将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使电炉中氧含量小于5％，以28℃/min的升温速率升温至870℃，保温38min，以17℃/min的升温速率升温至1020℃，保温12min，取出后加入340℃的盐浴中进行第一次淬火，所述盐浴按质量百分比包括：硝酸钾52％和硝酸钠48％，保温30min后取出，再加入回火炉中升温至620℃，保温30min后取出，加入90℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，所述硅酸钠水的比重为1.2g/cm3，模数为3.0，冷却至130℃后取出，加入回火炉中升温至240℃，保温7h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，按照如下步骤制得：
S1、熔炼：将生铁、废钢加入到熔炼炉中，并加热至1530-1550℃，保温20-45min后加入铬铁、铌铁和钼铁，保温至熔化完全后加入钒铁、钛铁和硼铁，升温至1560-1600℃，保温10-20min后加入氮化铬铁、镍镁和锌锭，保温至熔化完全后静置，扒渣，得到基质合金液，其各元素按重量百分比包括：C：3.0-3.6％，Si：1.5-1.9％，Cr：0.7-1.2％，Nb：0.2-0.5％，Mo：2.1-2.6％，V：0.06-0.1％，Ti：0.1-0.3％，B：0.01-0.04％，N：0.02-0.05％，Ni：0.1-0.4％，Mg：0.01-0.1％，Zn：0.1-0.4％，S：0.01-0.04％，P≤0.03％，余量为铁和不可避免的杂质；
S2、浇注：将S1得到的基质合金液冷却至1350-1400℃后浇入表面涂覆有纳米涂料的模腔中，所述纳米涂料在模腔表面的涂覆厚度为30-60μm，所述纳米涂料是由重量配比为0.01-0.03:1.5-1.8:10的微量金属粉、纳米材料和耐火骨料进行配料得到，待合金液完全凝固后，继续冷却放置5-10h后开模，得到铸件坯体；
S3、热处理：将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使加热炉中氧含量小于5％，以25-30℃/min的升温速率升温至860-900℃，保温30-40min，以15-20℃/min的升温速率升温至950-1050℃，保温10-15min，取出后加入300-360℃的盐浴中进行第一次淬火，保温20-35min后取出，再加入回火炉中升温至600-680℃，保温20-35min后取出，加入80-120℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，冷却至120-160℃后取出，加入回火炉中升温至200-250℃，保温6-10h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
2.根据权利要求1所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，S1中，所述基质合金液各元素按重量百分比包括：C：3.2-3.4％，Si：1.6-1.8％，Cr：0.8-1.0％，Nb：0.3-0.4％，Mo：2.2-2.4％，V：0.07-0.08％，Ti：0.1-0.2％，B：0.02-0.03％，N：0.03-0.04％，Ni：0.2-0.3％，Mg：0.03-0.08％，Zn：0.2-0.3％，S：0.02-0.03％，P≤0.02％，余量为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，所述Cr、S和N的重量百分含量符合：Cr≥1.8×S+0.15％+20×N。
4.根据权利要求1-3任一项所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，S2中，所述微量金属粉是由重量配比为1:0.3-0.6:0.1-0.2的钨金属粉、锰金属粉和镍金属粉组成；所述纳米材料是由重量配比为1:3-5:2-4:8-10的碳化硅、氮化硼、碳化铬和三氧化二铝组成；所述耐火骨料是由重量配比为1:3-5的锆英粉和铝矾土粉组成。
5.根据权利要求4所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，制备所述纳米涂料的工艺包括：将微量金属粉和耐火骨料混合后研磨至粒径≤100nm，加入纳米材料混匀，再加入无水乙醇混匀，得到所述纳米涂料。
6.根据权利要求1-5任一项所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，S3中，将S2得到的铸件坯体加入加热炉内，向加热炉通入氩气使电炉中氧含量小于5％，以27-28℃/min的升温速率升温至870-890℃，保温32-38min，以17-18℃/min的升温速率升温至980-1020℃，保温12-13min，取出后加入320-340℃的盐浴中进行第一次淬火，保温25-30min后取出，再加入回火炉中升温至620-660℃，保温25-30min后取出，加入90-110℃的硅酸钠水溶液中进行第二次淬火，冷却至130-150℃后取出，加入回火炉中升温至220-240℃，保温7-9h后出炉空冷，得到所述低铬合金铸件。
7.根据权利要求1-6任一项所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，S3中，所述盐浴按质量百分比包括：硝酸钾52-58％和硝酸钠42-48％。
8.根据权利要求1-7任一项所述强化低铬合金铸件耐磨性能的铸造方法，其特征在于，S3中，所述硅酸钠水的比重为1.05-1.25g/cm3，模数为2.0-3.0。
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