CN110079725A - 一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料，超高耐磨过共晶高铬铸铁材料包括以下质量百分比的化学成分：C：4.0‑5.0；Cr：25‑35；Si：0.5‑1.0；Mn：1.5‑2.5；Ni：≤1；Mo：2‑4；余量为Fe。本发明还涉及一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料的制备方法，涉及到熔炼工艺以及稳定生产渣浆泵过流部件的应用。本发明相对与BTMCr26和Cr15Mo3材料，本发明的超高耐磨过共晶高铬铸铁材料碳含量和铬含量高，碳化物数量多，能够有效的提高材料的耐磨性。

Description

一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及铸铁材料技术领域，具体涉及一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料、制备方法及其在渣浆泵上的应用。
背景技术
渣浆泵广泛应用于选矿、电力、海水选砂等领域，工况具有复杂性和恶劣性，对选用材料的磨损成因也极其复杂，一方面过流部件受到冲蚀磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损以及腐蚀磨损的作用；另一方面，受到介质中固体颗粒的粒度、形状、硬度及介质的浓度、流动速度、腐蚀性等的作用。尤其冶金矿山中，物料的硬度高，颗粒大，形状不均匀，作为输送矿石的主要设备，渣浆泵的磨损及其严重，其失效往往影响力了整个选矿系统的正常运行，造成了巨大损失。因此，如何提高渣浆泵材料的使用寿命具有重要的现实意义。目前，国内外耐磨渣浆泵过流部件一般采用BTMCr26和15CrMo3等，在一般磨损工况中具有较好的寿命，但在冶金选矿行业这类重磨损工况，其耐磨性不足导致使用寿命短是制约渣浆泵在这类行业发展的瓶颈。
发明内容
本发明目的是提供一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料、制备方法及其在渣浆泵过流部件上的应用。
本发明的技术方案：
一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料，超高耐磨过共晶高铬铸铁材料包括以下质量百分比的化学成分：C：4.0-5.0%；Cr：25-35%；Si：0.5-1.0%；Mn：1.5-2.5%；Ni：≤1%；Mo：2-4%；余量为Fe。
优选的，包括以下质量百分比的化学成分：C：4.0-4.5%；Cr：29-34%；Si：0.5-1.0%；Mn：1.8-2.3%；Ni：0.3-0.7%；Mo：2.5-3.5%；余量为Fe。
优选的，包括以下质量百分比的化学成分：C：4.4%；Cr：30%；Si：0.7%；Mn：1.9%；Ni：0.4%； Mo：3.0%；余量为Fe。
一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按废钢、增碳剂、铬铁、钼铁、镍板、锰铁的加料顺序依次加入炉内，加热熔化；
（2）熔炼温度升至1520℃～1580℃，出炉浇注；
（3）造型工艺为树脂砂造型，造型用砂子使用擦洗砂，加入树脂和固化剂，擦洗砂与铸件的砂铁质量比为4:1，树脂使用呋喃树脂，树脂加入量为擦洗砂质量的1.1-1.2%，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30-40%；
（4）铁水浇注温度1380℃～1430℃；
（5）铸件抖箱后，冷却至室温进行清铲，包括清除冒口、飞边和披缝；
（6）铸件在热处理炉中退火处理后进行机加工，退火工艺为920℃保温4小时后随炉冷却；
（7）铸件在热处理炉内按设定好的曲线升温至1020℃。保温3-5小时后，进行空冷处理，然后250℃保温4小时，进行回火处理。
优选的，步骤（1）中废钢为36.5%、、铬铁为54.1%、钼铁为5.8%、镍板为0.4%，锰铁为2.8%，余量为增碳剂；
优选的，步骤（2）铁水出炉前，炉内加入一种或两种稀土以及钛铁，其总加入量不超过铁水总质量的0.5%。
优选的，步骤（4）在铁水浇注铸件的同时，用碳化铬粉或碳化钨粉的一种或两种做随流孕育，总加入量不超过铁水质量的0.1%。
优选的，步骤（5）铸件在砂箱内冷却至350-400℃后（一般为铸件浇注后40小时），开始抖箱。
优选的，步骤（7）铸件在热处理炉内当炉内温度小于500℃，按每小时30-40℃的速度升温，以后按每小时50-80℃的速度升温至1020℃。
一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料的应用，在渣浆泵过流部件上的应用。
本发明的有益效果：
本发明提供一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料，但过共晶高铬铸铁材料由于碳含量高，碳化物比例大，因此韧性特别差，而渣浆泵过流部件如叶轮、蜗壳等铸件形状又比较复杂，因此铸件特别容易开裂，本发明材料能够在满足高耐磨性的同时，提高了材料本身的韧性，使制作渣浆泵过流部件成为可能，成品率高，生产过程稳定。
本发明超高耐磨过共晶高铬铸铁材料有效化学成分设计依据及限定含量范围的理由如下：高的含C量，主要考虑了要形成数量众多的高抗磨碳化物；而高的含Cr量，主要是为了获得碳化物和铁素体中有大量的Cr固溶。金属中C元素主要用来和一部分Cr形成Cr的碳化物(Fe，Cr)7C3和(Fe，Cr)23C6等，并且Cr的碳化物很稳定。
金属中高的含Cr量，是提高耐磨性的基础条件。主要的Cr用于和绝大部分C形成高抗磨的碳化物以及二次碳化物，大比例的碳化物决定了材料的硬度和耐磨性，还有另一部分Cr（剩余Cr要大于12-13%）固溶于基体组织中，这种无扩散性相变形成过饱和固溶体，具有较高硬度和强度，同时提高了材料的电位，使其接近于碳化物的电极电位，减少两者间的电极电位差，为免遭电化学腐蚀提供可靠的条件。
Ni能够降低高铬铸铁奥氏体转变临界冷却速度，提高材料淬透性；能够促进马氏体转变，提高高铬铸铁硬化性能，对制造厚壁零件时能够改善材料的淬硬深度；
Mo同样能够提高过共晶高铬铸铁的淬透性，降低室温组织的残余奥氏体含量，其中一部分直接与C结合形成高硬度碳化物，提高材料耐磨性，一部分溶入铬碳化合物中，提高了碳化物的硬度和强度，改善了材料性能，剩余部分固溶于奥氏体及转变产物，强烈推迟了奥氏体的珠光体转变，CCT曲线右移，提高了材料的淬透性；
Si和氧亲和力大于铬、锰等，在熔炼中可以减少这些合金元素的烧损，但硅会使材料的脆性转变温度提高，尤其大型铸件，要限制硅含量，以防运转中发生断裂。
S、P在材料中属于有害物质，越少越好。但在原材料中又不可避免带入铁水中，所以从材料的性能与成本方面考虑，限制S、P的含量。
稀土元素的作用是细化材料晶粒，显著减少夹杂物，提高冶金质量，从而提高材料的抗磨损性能。
控制化学成分的质量百分含量还可以提高新型高韧性抗磨损金属材料的力学性能。
本发明相对与BTMCr26和Cr15Mo3材料，本发明的超高耐磨过共晶高铬铸铁材料碳含量和铬含量高，碳化物数量多，能够有效的提高材料的耐磨性； Ni、Mo合金元素的加入提高了材料淬透性，强化了基体组织性能，在大量碳化物存在的情况下仍保证了材料的力学性能。
具体实施方式
实施例1：将废钢1214.7公斤、增碳剂10公斤、铬铁1524.5公斤、钼铁173.3公斤、镍板11.1公斤，锰铁76.5公斤依次加入到3吨中频炉中加热融化；待铁液达到1540℃时，炉内加入稀土元素和钛铁，其总加入量为15公斤。熔清后出炉。
当包内测温到1420℃时，去浇注铸件，浇注的同时，加入用碳化铬粉或碳化钨粉做随流孕育，加入量为2公斤。
实施例2：将废钢1238.4公斤、增碳剂23公斤、铬铁1490.3公斤、钼铁179公斤、镍板10.5公斤，锰铁81.9公斤依次加入到3吨中频炉中加热融化；待铁液达到1550℃时，炉内加入稀土元素和钛铁，其总加入量为12公斤。熔清后出炉。
当包内测温到1410℃时，去浇注铸件，浇注的同时，加入用碳化铬粉或碳化钨粉做随流孕育，加入量为2公斤。
实施例3：将废钢1168.5公斤、增碳剂25公斤、铬铁1556.6公斤、钼铁178.4公斤、镍板12.6公斤，锰铁83.8公斤依次加入到3吨中频炉中加热融化；待铁液达到1540℃时，炉内加入稀土元素和钛铁，其总加入量为9公斤。熔清后出炉。
当包内测温到1420℃时，去浇注铸件，浇注的同时，加入用碳化铬粉或碳化钨粉做随流孕育，加入量为2公斤。
以上三个实施例的铸件在砂箱内冷却至350-400℃后，一般是浇注后40小时，抖箱。待冷却到常温后，清除浇、冒口，再进行打磨出理。
打磨后铸件在热处理炉中进行退火处理，退火工艺为920℃保温4小时后随炉冷却；退火处理后进行初步的粗加工。
粗加工后的铸件在热处理炉内按设定好的曲线升温到1020℃（当炉内温度小于500℃，按每小时35℃的速度升温，以后按每小时65℃的速度升温），保温5小时后，进行空冷处理，然后及时进行250℃保温4小时的回火处理。
热处理完成后，再进行最后的精加工，直至到图纸尺寸。
通过上述方式，能稳定的开始生产渣浆泵过流部件。
上述实例的渣浆泵过流部件化学成分和硬度值结果见表1.
表1 化学成分和硬度值
本发明金相组织为合金碳化物+M，硬度范围为HRC60-65.
冲蚀磨损实验：本发明与国标中常用材料BTMCr26在本单位自制的磨损试验机上做浆料冲蚀磨损实验（介质为质量百分比50%的40-70目石英砂+50%水），转速为1425r/min。材料状态为：空淬+回火态。
性能比较见表2：
表2磨损性能对比
在同等重磨损条件下，本发明材料可达到BTMCr26的耐磨性2倍，材料的耐冲蚀磨性有极大提高，进而大幅提高了泵在这类工况下的使用寿命。

Claims (10)

1.一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料，其特征在于，超高耐磨过共晶高铬铸铁材料包括以下质量百分比的化学成分：C：4.0-5.0%；Cr：25-35%；Si：0.5-1.0%；Mn：1.5-2.5%；Ni：≤1%；Mo：2-4%；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料，其特征在于，超高耐磨过共晶高铬铸铁材料包括以下质量百分比的化学成分：C：4.0-4.5%；Cr：29-34%；Si：0.5-1.0%；Mn：1.8-2.3%；Ni：0.3-0.7%；Mo：2.5-3.5%；余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料，其特征在于，超高耐磨过共晶高铬铸铁材料包括以下质量百分比的化学成分：C：4.4%；Cr：30%；Si：0.7%；Mn：1.9%；Ni：0.4%； Mo：3.0%；余量为Fe。
4.一种1-3任一项所述超高耐磨过共晶高铬铸铁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按废钢、增碳剂、铬铁、钼铁、镍板、锰铁的加料顺序依次加入炉内，加热熔化；
（2）熔炼温度升至1520℃～1580℃，出炉浇注；
（3）造型工艺为树脂砂造型，造型用砂子使用擦洗砂，加入树脂和固化剂，擦洗砂与铸件的砂铁质量比为4:1，树脂使用呋喃树脂，树脂加入量为擦洗砂质量的1.1-1.2%，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30-40%；
（4）铁水浇注温度1380℃～1430℃；
（5）铸件抖箱后，冷却至室温进行清铲，包括清除冒口、飞边和披缝；
（6）铸件在热处理炉中退火处理后进行机加工，退火工艺为920℃保温4小时后随炉冷却；
（7）铸件在热处理炉内升温到1020℃，保温3-5小时后，进行空冷处理，然后250℃保温4小时，进行回火处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中废钢为36.5%、、铬铁为54.1%、钼铁为5.8%、镍板为0.4%，锰铁为2.8%，余量为增碳剂。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）铁水出炉前，炉内加入一种或两种稀土以及钛铁，其总加入量不超过铁水总质量的0.5%。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）在铁水浇注铸件的同时，用碳化铬粉或碳化钨粉的一种或两种做随流孕育，总加入量不超过铁水质量的0.1%。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）铸件在砂箱内冷却至350-400℃后，开始抖箱。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）铸件在热处理炉内当炉内温度小于500℃，按每小时30-40℃的速度升温，以后按每小时50-80℃的速度升温至1020℃。
10.一种超高耐磨过共晶高铬铸铁材料的应用，其特征在于，在渣浆泵过流部件上的应用。
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