CN107058856B - 一种液相变质剂和制备高铬铸铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，提出了一种液相变质剂，由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.10～0.25，Ti：0.10～0.40，V：0.20～0.50，B：0.03～0.10，Zn：0.005～0.013，Cu：0.08～0.40，稀土元素：0.10～0.20。还提出了一种制备高铬铸铁的制备方法，包括炉前处理、浇注、热处理的制备步骤。通过上述技术方案，解决了现有技术中高铬铸铁耐磨性较低的问题。

Description

一种液相变质剂和制备高铬铸铁的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高铬铸铁及其制备方法。
背景技术
高铬铸铁是耐磨性很好的材料，它应用于磨球、轧辊、杂质泵过流部件的制造。现有技术中利用高铬铸铁制作的泵用抗磨蚀白口铸铁件，以下简称铸件，在使用过程中，主要存在耐磨性较低的问题，其产生原因是材料的基体显微硬度较低(550HV)、宏观硬度较低(58HRC)、冲击韧性较低(ak值7J/cm2)。
发明内容
本发明提出一种高铬铸铁及其制备方法，解决了现有技术中高铬铸铁耐磨性差的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种液相变质剂，包括：
由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.10～0.25，Ti：0.10～0.40，V：0.20～0.50，B：0.03～0.10，Zn：0.005～0.013，Cu：0.08～0.40，稀土元素：0.10～0.20。
进一步，由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.18，Ti：0.256，V：0.352，B：0.071，Zn：0.010，Cu：0.245，稀土元素：0.152。
本发明还提出了一种利用上述液相变质剂制备高铬铸铁的方法，包括：
步骤一，炉前处理：将原料熔化成熔料，按照上述液相变质剂的质量配比进行配料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
进一步，步骤一中：锌、铜和稀土元素以冲入法加入，其中，锌和铜制成合金，且浇注成片状。
进一步，还包括步骤四：整理步骤，打磨铸件，去除毛刺和多余部分。
进一步，铝以铝片式加入至熔料中。
本发明的有益效果为：
1、本发明生产出的高铬铸铁，可显著提高材料的韧性和硬度，提高材料韧性和硬度后，能够显著地提高铸件的耐磨性。即在以基本上相同的制造成本下，可以增加铸件的使用寿命约30％，增加使用寿命的同时，增加杂质泵使用中的最佳功效的时间期限，节约电力，同时还减少了用户在使用过程中检修次数，减轻维修工人的负荷。
2、本发明中高铬铸铁的制备方法，将液相变质与固相变质相结合，增强二次碳化物强化和马氏体相变强化的一种新型工艺技术，较好地细化共晶碳化物，并较显著地提高材料的基体显微硬度至550～680HV，提高宏观硬度至61～62HRC，提高冲击韧性至ak值11J/cm2，从而提高泵用高铬铸铁部件的耐磨性。其中，液相变质和固相变质处理后，显著地细化共晶碳化物，提高材料的韧性，从未经液相变质和固相变质处理的冲击韧性值7J/cm2提高到11J/cm2。
固相变质和奥氏体均匀化处理，显著地提高二次碳化物析出量，强烈地对奥氏体进行脱稳，提高马氏体转变率，将基体显微硬度从未固相变质及均匀化前的550HV提高到550～680HV，宏观硬度从未固相变质及均匀化前的59.5HRC提高到61～62HRC。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明中原料B的空白试验的铸态冲击功；
图2为本发明中原料A空白试验的基体显微硬度；
图3为本发明中实施例5的铸态冲击功；
图4为本发明中实施例5的基体显微硬度；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种液相变质剂，包括：
由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.10～0.25，Ti：0.10～0.40，V：0.20～0.50，B：0.03～0.10，Zn：0.005～0.013，Cu：0.08～0.40，稀土元素：0.10～0.20。
进一步，由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.18，Ti：0.256，V：0.352，B：0.071，Zn：0.010，Cu：0.245，稀土元素：0.152。
本发明还提出了一种利用上述液相变质剂制备高铬铸铁的方法，包括：
步骤一，炉前处理：将原料熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
进一步，步骤一中：锌、铜和稀土元素以冲入法加入，其中，锌和铜制成合金，且浇注成片状。
进一步，还包括步骤四：整理步骤，打磨铸件，去除毛刺和多余部分。
进一步，铝以铝片式加入至熔料中。
其中，液相变质剂变质原理：
先加入的铝片可以起到脱氧、除气的作用，剩余部分作为高铬铸铁固相变质剂使用，铝脱氧过程中形成熔点很高的三氧化二铝是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃，除一部分以渣的形式排除到铁水之外，剩余部分以微小的粒子可以作为共晶碳化物和奥氏体的异质晶核。
钛和钒在高铬铸铁铁水中形成熔点高碳化物。碳化钛为立方晶体，熔点3140℃。碳化钒为立方晶体，熔点2810℃。在铁水中碳化钒和碳化钒能以微小粒子作为共晶碳化物和奥氏体的异质晶核。
锌和稀土在高铬铸铁熔料中是一表面活性元素，在碳化物和奥氏体晶粒长大过程中，它能很快地偏聚于晶体表面，抑制晶体生长速度，并改善碳化物异性生长的速度。从而使材料的晶体细化，并使碳化物形态得到改善。
综上所述，液相变质剂中形成高熔点化合物能够产生数量多的异质晶核，而表面活性元素又阻碍晶体的长大，从而实现通过液相变质细化共晶碳化物和奥氏体组织的目的。
固相变质原理为：在奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理的温度下，锌原子处于气态状态。气态锌原子能使条状共晶碳化物熔断，能使共晶碳化物棱角处的碳和金属原子的溶解，细化和圆整化共晶碳化物；气态锌原子其在晶界偏聚，并产生锌复合碳化物，成为二次碳化物的异质晶核；气态锌原子使共晶碳化物溶解后，会增加奥氏体的碳和合金元素的过饱和度；铝原子削弱碳与铁原子间的键合力，提高碳活度，也利于二次碳化物形核和长大；稀土原子偏聚于二次碳化物与奥氏体相界处，能够抑制二次碳化物聚集，细化二次碳化物。
预珠光体化处理使铸件内铸态基体组织完全转变为珠光体组织，目的是为消除铸态基体组织中热力学上比较稳定的一次奥氏体相；
奥氏体去稳处理使奥氏体中析出二次碳化物，以降低奥氏体中碳和合金元素，而提高过冷奥氏体向马氏体转变量；同时在固相变质剂作用下，析出的二次碳化物，弥散分布于奥氏体中；去稳处理温度和奥氏体成分均匀化处理时间影响二次碳化物析出量，以求得析出的二次碳化物量最多。但由于奥氏体内部碳和合金元素分布的不均匀性，仍有部分奥氏体不能转变为马氏体，而以残留奥氏体的形式存在；
奥氏体成分均匀化处理，一方面是奥氏体成分均匀化，利于降低基体中残留奥氏体量；另一方面，在奥氏体均匀化过程中，还能继续促进二次碳化物的析出，进一步强化奥氏体转变后的马氏体基体。
以A05不锈钢为原料，选取如下表的化学成分元素成分及其质量百分比，
表1原料A、原料B和原料C化学成分元素成分及其质量百分比
C Si Mn Ni Cr S P Fe
原料A 2.8 0.1 0.99 0.5 26 0.02 0.02 100
原料B 2.87 0.7 1.15 0.69 26.8 0.057 0.2 100
原料C 3.19 1.0 1.52 1.03 28 0.14 0.3 100
以下述的空白试验作为参照，分别选取9个实施例进行对比。
空白试验：
步骤一：炉前处理：分别将成分为原料A、原料B和原料C的高铬铸铁熔化成熔料，熔化后出炉；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件。
实施例1：
步骤一：炉前处理：将成分为原料A的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.11％，Ti：0.110％，V：0.211％，B：0.030％，Zn：0.006％，Cu：0.079％，稀土元素：0.101％。
实施例2：
步骤一：炉前处理：将成分为原料B的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.11％，Ti：0.110％，V：0.211％，B：0.030％，Zn：0.006％，Cu：0.079％，稀土元素：0.101％。
实施例3：
步骤一：炉前处理：将成分为原料C的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.11％，Ti：0.110％，V：0.211％，B：0.030％，Zn：0.006％，Cu：0.079％，稀土元素：0.101％。
实施例4：
步骤一：炉前处理：将成分为原料A的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.18％，Ti：0.256％，V：0.352％，B：0.071％，Zn：0.010％，Cu：0.245％，稀土元素：0.152％。
实施例5：
步骤一：炉前处理：将成分为原料B的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.18％，Ti：0.256％，V：0.352％，B：0.071％，Zn：0.010％，Cu：0.245％，稀土元素：0.152％。
实施例6：
步骤一：炉前处理：将成分为原料C的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.18％，Ti：0.256％，V：0.352％，B：0.071％，Zn：0.010％，Cu：0.245％，稀土元素：0.152。
实施例7
步骤一：炉前处理：将成分为原料A的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.251％，Ti：0.404％，V：0.512％，B：0.100％，Zn：0.013％，Cu：0.399％，稀土元素：0.187％。
实施例8
步骤一：炉前处理：将成分为原料B的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.251％，Ti：0.404％，V：0.512％，B：0.100％，Zn：0.013％，Cu：0.399％，稀土元素：0.187％。
实施例9
步骤一：炉前处理：将成分为原料C的高铬铸铁熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上。
其中，上述步骤中的加入的化学化学成分元素及其占Fe的质量百分比如下：Al：0.251％，Ti：0.404％，V：0.512％，B：0.100％，Zn：0.013％，Cu：0.399％，稀土元素：0.187％。
表2实施例1、实施例2和实施例3中化学成分元素及其质量与铁水质量占比
Al(％) Ti(％) V(％) B(％) Zn(％) Cu(％) 稀土元素(％)
实施例1～3 0.11 0.110 0.211 0.030 0.006 0.079 0.101
实施例4～6 0.18 0.256 0.352 0.071 0.010 0.245 0.152
实施例7～9 0.251 0.404 0.512 0.100 0.013 0.399 0.187
将实施例1～9和空白试验形成的铸件打磨，去除毛刺和多余部分，并加工至图纸的技术要求，下表为实施例中所得的高铬铸铁的力学性能对比。
表3高铬铸铁的力学性能对比
通过上表可知，本发明中的高铬铸铁，可显著提高材料的韧性和硬度，提高材料韧性和硬度后，能够显著地提高铸件的耐磨性。即在以基本上相同的制造成本下，可以增加铸件的使用寿命约30％，增加使用寿命的同时，增加杂质泵使用中的最佳功效的时间期限，节约电力，同时还减少了用户在使用过程中检修次数，减轻维修工人的负荷。
其中，液相变质和固相变质处理后，显著地细化共晶碳化物，提高材料的韧性，从未经液相变质和固相变质处理的冲击韧性值7J/cm2提高到11J/cm2。
固相变质和奥氏体均匀化处理，显著地提高二次碳化物析出量，强烈地对奥氏体进行脱稳，提高马氏体转变率，将基体显微硬度从未固相变质及均匀化前的550HV提高到550～680HV，宏观硬度从未固相变质及均匀化前的59.5HRC提高到61～62HRC。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种制备高铬铸铁的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一，炉前处理：将原料熔化成熔料，并迅速升温至1480℃～1500℃，按照所述液相变质剂的质量配比进行配料，依次加入铝，钛铁、钒铁和硼铁合金，合金熔化后出炉，再加入锌、铜和稀土元素；
步骤二，浇注：温度为1400℃～1430℃，形成铸件；
步骤三，热处理：包括依次进行的预珠光体化处理、奥氏体去稳处理和奥氏体均匀化处理，所述预珠光体化处理为将铸件加热至650℃～850℃保温4h～6h，所述奥氏体去稳处理为将铸件升温至950℃～1030℃保温4h～6h，所述奥氏体均匀化处理为继续保持铸件温度950℃～1030℃在8h以上；
所述液相变质剂由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.10～0.25，Ti：0.10～0.40，V：0.20～0.50，B：0.03～0.10，Zn：0.005～0.013，Cu：0.08～0.40，稀土元素：0.10～0.20。
2.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁的方法，其特征在于：由以下质量配比的化学元素成分组成：Al：0.18，Ti：0.256，V：0.352，B：0.071，Zn：0.010，Cu：0.245，稀土元素：0.152。
3.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁的方法，其特征在于：步骤一中：锌、铜和稀土元素以冲入法加入，其中，锌和铜制成合金，且浇注成片状。
4.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁的方法，其特征在于：还包括步骤四，整理步骤：打磨铸件，去除毛刺和多余部分。
5.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁的方法，其特征在于：铝以铝片式加入至熔料中。
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