CN109249019A - 一种高铬铸铁的变温烧结工艺 - Google Patents

一种高铬铸铁的变温烧结工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高铬铸铁的变温烧结工艺，属于金属材料粉末冶金领域，包括：(1)雾化制粉；(2)模压制坯：往预合金粉末中加入成型剂，压制后得到压坯；(3)变温烧结：将压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1250～1280℃，保温时间为10～30min，之后再迅速降温至下限烧结温度1220～1245℃，保温时间为30～90min，得到烧结样坯；(4)控温冷却：将烧结样坯进行控温冷却，随后炉冷或者立即室温空冷。本发明通过预合金雾化制粉‑模压制坯‑变温烧结‑控温冷却工艺，大大缩短了制备时间，降低操作难度，在获得形貌简单、小尺寸、分布均匀的碳化物后，使得高铬铸铁冲击韧性得到提高的同时，合金的抗弯强度也得到了极大的提高，大大提升了高铬铸铁合金抗冲击耐磨性能。

Description

一种高铬铸铁的变温烧结工艺
技术领域
本发明属于金属材料粉末冶金领域，涉及一种高铬铸铁的变温烧结工艺。
背景技术
高铬铸铁是Fe-C-Cr系合金中一类重要的高强耐磨、抗腐蚀结构材料，是继普通白口铸铁、镍硬铸铁后的第三代耐磨铸铁，具备优良的强韧性、抗磨性和抗腐蚀性，但其铸造废品率高和成形性差，目前，工业上最常采用变质铸造方法生产高铬铸铁。
变质铸造方法可以通过在熔液的固液界面上创造大量高温异质相，提高形核率，抑制过度取向生长。目前用于高铬铸铁变质铸造的工艺步骤包括：孕育剂添加处理，浇注前添加变质剂，铸件热处理。该工艺改善了高铬铸铁碳化物及基体的类型、形貌和尺寸大小，提高了高铬铸铁的强韧性和耐磨性能。变质铸造工艺的核心理念就是通过添加异质形核点以提高形核率，后续热处理弥散析出、改善碳化物形貌。但是，变质铸造工艺需要加入变质剂，会引入杂质，同时需要长时间的高温熔融处理，加上后续热处理工艺，工艺周期长达48h，能耗巨大，不能连续生产，因此，开发一种新型高铬铸铁铸造工艺具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种操作简单、工艺周期短、易于实现工业化生产的高铬铸铁的变温烧结工艺，以进一步改善高铬铸铁冲击韧性和耐磨性能。
本发明提供一种高铬铸铁的变温烧结工艺，包括以下步骤：
(1)雾化制粉：按设计的高铬铸铁进行混料，充分熔融水雾化制得预合金粉末；
(2)模压制坯：往步骤(1)所得预合金粉末中加入成型剂，压制后得到压坯；
(3)变温烧结：将步骤(2)所得压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1250～1280℃，保温时间为10～30min，之后再迅速降温至下限烧结温度1220～1245℃，保温时间为30～90min，得到烧结样坯；
(4)控温冷却：将步骤(3)所得烧结样坯进行控温冷却，随后炉冷或者立即室温空冷，即得过共晶高铬耐磨铸铁。
优选的，步骤(2)中，所述成型剂为丁苯橡胶(SG)，成型剂的添加量为0.8～1.5wt％。
更优选的，所述成型剂的添加量为1.0～1.2wt％。
优选的，步骤(2)中，压制方式为单向钢模压制，压制压力为200～300MPa，保压时间为60s。
优选的，步骤(3)中，上限烧结温度1260～1275℃，保温时间15～25min，下限烧结温度为1230～1245℃，保温时间50～70min。
更优选的，步骤(3)中，上限烧结温度1265～1275℃，保温时间15～20min，下限烧结温度为1235～1245℃，保温时间60～70min。
优选的，步骤(4)中，所述控温冷却的条件为：降至温度为400～600℃，冷却速度为1～10℃/min。
更优选的，降至温度为450～500℃，冷却速度≥3℃/min。
进一步，冷却速度为4～8℃/min。
本发明还提供一种25％Cr高铬铸铁合金，由上述高铬铸铁的变温烧结工艺制备得到。
粉末冶金可以通过快速凝固来提高形核率，采用超固相线液相烧结技术(SLPS)使得温度处于固液两相区，达到迅速致密化的同时还提供大量细小异质形核质点，极为有利于形貌简单、分布均匀、细小碳化物的形成，该变温烧结工艺利用短时的上限温度烧结形成大量液相，使得致密化过程迅速完成，接着配以低温下限烧结抑制碳化物组织长大，细化晶粒，再利用控温冷却对烧结高铬铸铁进行热处理，在拓宽烧结温度区间简化工艺操作性的同时，极大缩短了生产周期，减低了能耗和生产要求，还大大提高了高铬铸铁的强韧性和耐磨性能，可广泛应用于多元高铬铸铁合金。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
(1)本发明提供的高铬铸铁的变温烧结工艺，预合金雾化粉具备快速凝固的特点，提高形核率，利用变温烧结控制凝固过程中液相含量，实现快速致密化兼抑制晶粒的过分粗化，从而获得形貌简单、尺寸较少、分布均匀的碳化物；变温烧结中短时高温烧结后即实现迅速致密化，大大缩短整个烧结工艺的时间；后续的适时较低温保温烧结，获得析出充分、晶粒细小、分布均匀的碳化物，大大减少了碳化物因应力集中对基体的割裂作用，从而使得合金硬度和冲击韧性均获得大幅度提高，大大提高了高铬铸铁的抗冲击耐磨性能。通过变温烧结工艺，即利用预合金粉末快速凝固与变温控制超固相线液相烧结相结合的方式获得小尺寸、形貌简单的高硬度碳化物，在随后的连续快速冷却处理可以形成韧性较好的基体组织，有利于提高合金冲击韧性。因此控制碳化物尺寸、形貌成为改善高铬铸铁综合性能的方法。
(2)本发明提供的高铬铸铁的变温烧结工艺，预合金雾化制粉-模压制坯-变温烧结-控温冷却制备工艺，与常规的铸造工艺相比，本发明工艺大大缩短了制备时间，降低操作难度，在获得形貌简单、小尺寸、分布均匀的碳化物后，使得高铬铸铁冲击韧性得到提高的同时，合金的抗弯强度也得到了极大的提高，大大提升了高铬铸铁合金抗冲击耐磨性能。
(3)本发明提供的25％Cr高铬铸铁合金，包含形貌简单、细小不连续的碳化物组织，其强韧性以及耐磨性能均有明显改善，兼具良好的强度和韧性，对建筑、矿山、交通运输等领域的发展有重要意义，适于工业化应用。高铬铸铁属于多元合金，凝固时择优取向趋向极强，要获得形貌简单、细小不连续的碳化物，可通过快速凝固提高形核率来实现。
附图说明
图1为实施例1所得高铬铸铁致密烧结件的金相图。
图2为实施例2所得高铬铸铁致密烧结件的金相图。
图3为实施例3所得高铬铸铁致密烧结件的金相图。
图4为实施例4所得高铬铸铁致密烧结件的金相图。
图5为对比例1采用传统烧结1260℃/90min所得高铬铸铁的金相图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：
实施例1
本发明提供一种高铬铸铁的变温烧结工艺，包括以下步骤：
(1)雾化制粉：按25Cr％高铬铸铁合金混料，然后充分熔融水雾化制得预合金粉末；
(2)模压制坯：往预合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，压制方式为单向钢模压制，压制压力为200～300MPa，保压时间为60s，压制后得到压坯；
(3)变温烧结：将压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1270℃/15min+下限烧结温度1245℃/62min，得到烧结样坯；
(4)控温冷却：将烧结样坯降至温度为500℃，冷却速度为2℃/min，随后立即室温空冷，最终得到25Cr％过共晶高铬耐磨铸铁，其金相图如图1所示。
实施例2
本发明提供一种高铬铸铁的变温烧结工艺，包括以下步骤：
(1)雾化制粉：按25Cr％高铬铸铁合金混料，然后充分熔融水雾化制得预合金粉末；
(2)模压制坯：往预合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，压制方式为单向钢模压制，压制压力为200～300MPa，保压时间为60s，压制后得到压坯；
(3)变温烧结：将压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1265℃/15min+下限烧结温度1245℃/67min，得到烧结样坯；
(4)控温冷却：将烧结样坯降至温度为450℃，冷却速度为4℃/min，随炉冷却至室温，最终得到25Cr％过共晶高铬耐磨铸铁，其金相图如图2所示。
实施例3
本发明提供一种高铬铸铁的变温烧结工艺，包括以下步骤：
(1)雾化制粉：按25Cr％高铬铸铁合金混料，然后充分熔融水雾化制得预合金粉末；
(2)模压制坯：往预合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，压制方式为单向钢模压制，压制压力为200～300MPa，保压时间为60s，压制后得到压坯；
(3)变温烧结：将压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1265℃/15min+下限烧结温度1240℃/67min，得到烧结样坯；
(4)控温冷却：将烧结样坯降至温度为400℃，冷却速度为4℃/min，随炉冷却至室温，最终得到25Cr％过共晶高铬耐磨铸铁，其金相图如图3所示。
实施例4
本发明提供一种高铬铸铁的变温烧结工艺，包括以下步骤：
(1)雾化制粉：按25Cr％高铬铸铁合金混料，然后充分熔融水雾化制得预合金粉末；
(2)模压制坯：往预合金粉末中加入1.0wt％的丁苯橡胶作为成型剂，压制方式为单向钢模压制，压制压力为200～300MPa，保压时间为60s，压制后得到压坯；
(3)变温烧结：将压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1265℃/20min+下限烧结温度1240℃/64min，得到烧结样坯；
(4)控温冷却：将烧结样坯降至温度为600℃，冷却速度为4℃/min，随炉冷却至室温，最终得到25Cr％过共晶高铬耐磨铸铁，其金相图如图4所示。
对比例1
为了和本发明工艺进行对比，采用传统的烧结工艺，烧结温度为1260℃/90min，其余参数与实施例1相同，得到高铬铸铁的金相图如图5所示。
由图1～4可知，采用本发明工艺得到的25Cr％过共晶高铬耐磨铸铁，其金相组织中碳化物交联程度大大降低，碳化物形貌简单呈均匀分布，其中，实施例1所得高铬铸铁中碳化物体积分数为44.03％，说明本发明工艺有效抑制了碳化物的析出，提高了合金的韧性。由图5可知，采用传统烧结工艺得到的25Cr％高铬铸铁组织极不规则，碳化物链接性较强，构成明显的网状分布，碳化物体积分数为55.49％。
本发明实施例1～4和对比例1所得高铬铸铁的力学性能对比如表1所示，从表1可看出，本发明制备的25Cr％过共晶高铬耐磨铸铁的抗弯强度以及冲击韧性均高于传统烧结工艺，生产周期可以控制在10h以内，与变质铸造工艺相比，可大大缩短工艺时间，非常有利于工业化生产。
表1为实施例1～4和对比例1所得高铬铸铁的力学性能参数对比
由表1可知，与传统烧结工艺对比，通过本发明简单工艺可在实现优化碳化物组织形貌的同时，极大的提高合金的强度和冲击韧性。高铬铸铁因其高硬度的碳化物和吸收冲击功的基体组织间协同作用表现为优良的耐磨性能，改善碳化物形貌、减缓应力集中和裂纹扩展是提高高铬铸铁耐磨性能的核心。本发明所提供的变温烧结工艺能简单、有效达到提高高铬铸铁冲击韧性，极大提升高铬铸铁耐磨性能的目的。同时本发明所提供的工艺原理适用于所有系列的高铬耐磨铸铁，并不仅限于25％Cr系列高铬铸铁。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)雾化制粉：按设计的高铬铸铁进行混料，充分熔融水雾化制得预合金粉末；
(2)模压制坯：往步骤(1)所得预合金粉末中加入成型剂，压制后得到压坯；
(3)变温烧结：将步骤(2)所得压坯进行变温烧结，上限烧结温度为1250～1280℃，保温时间为10～30min，之后再迅速降温至下限烧结温度1220～1245℃，保温时间为30～90min，得到烧结样坯；
(4)控温冷却：将步骤(3)所得烧结样坯进行控温冷却，随后炉冷或者立即室温空冷，即得。
2.根据权利要求1所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述成型剂为丁苯橡胶，成型剂的添加量为0.8～1.5wt％。
3.根据权利要求2所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，所述成型剂的添加量为1.0～1.2wt％。
4.根据权利要求1所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，步骤(2)中，压制方式为单向钢模压制，压制压力为200～300MPa，保压时间为60s。
5.根据权利要求1所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，步骤(3)中，上限烧结温度1260～1275℃，保温时间15～25min，下限烧结温度为1230～1245℃，保温时间50～70min。
6.根据权利要求5所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，步骤(3)中，上限烧结温度1265～1275℃，保温时间15～20min，下限烧结温度为1235～1245℃，保温时间60～70min。
7.根据权利要求1所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述控温冷却的条件为：降至温度为400～600℃，冷却速度为1～10℃/min。
8.根据权利要求7所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，降至温度为450～500℃，冷却速度≥3℃/min。
9.根据权利要求7或8所述高铬铸铁的变温烧结工艺，其特征在于，冷却速度为4～8℃/min。
10.一种25％Cr高铬铸铁合金，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述高铬铸铁的变温烧结工艺制备得到。
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