CN111893373A

CN111893373A - 一种高硬度耐磨铸铁及其制备方法

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Publication number: CN111893373A
Application number: CN202010682576.6A
Authority: CN
Inventors: 崔崇亮; 田野; 陈艳飞; 陈大辉; 朱鸿磊; 刘永强; 李冬梅; 聂景江
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2020-11-06

Abstract

本发明涉及一种高硬度耐磨铸铁，其特征在于该铸铁的质量百分比组成为C：3.2～3.6wt％、Si：0.3～0.7wt％、Mn：0.5～1.0wt％、Cr：16～20wt％、Ni：0.1～0.4wt％、Mo：0.2～0.5wt％、W：0.6～1.1wt％、V：0.15～0.3wt％、Ti：0.02～0.05wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明在铸铁中添加碳、硅、锰、铬、镍、钼、钨、矾、钛元素并控制其含量，钨与钼复合添加得到坚硬的马氏体‑奥氏体合金基体，提高合金的硬度和耐磨性，钒、钛元素细化碳化物尺寸，有利于制备性能均一铸件，从而实现硬度高、耐磨性好的铸铁。

Description

一种高硬度耐磨铸铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料，具体涉及一种高硬度耐磨铸铁及其制备方法。

背景技术

球磨机在矿山、冶金、水泥生产等行业使用广泛，主要是利用高速旋转的锤头与物料相撞击，将物料进行破碎，锤头是其中的关键部分，也是最容易磨损的部分。目前行业内广泛采用高铬铸铁制备锤头，但由于锤头材料硬度低、耐磨性差等问题，常常导致锤头出现磨损严重，甚至表面剥落现象，增加了材料消耗，制造成本变高，同时也降低了生产效率。

现有的耐磨铸铁为了提高硬度会增加Cr的含量，Cr与基体中的Fe、C结合形成(FeCr)₇C₃碳化物，该碳化物提高铸铁的硬度和耐磨性，当Cr含量过高时，除了形成(FeCr)₇C₃碳化物外还会形成含Cr的M₂₃C₆碳化物，该碳化物会导致耐磨性下降。

如一申请号为ZL200710190042.6(公告号为CN101440454A)的中国发明专利《耐磨铸铁》披露的重量百分比组成：C：2.8，Si：0.2～1.0，Mn：0.5～1.0，S≤0.06，P≤0.1，Cr：21～23，Ni：0～1.5，Mo：1.0～1.5，其余为Fe及不可避免的杂质。因该铸铁中含有20％以上的Cr，因此该铸铁空冷淬火后的硬度在60HRC以上，但材料的耐磨性不佳。

因此，针对现有的耐磨铸铁需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种高硬度耐磨铸铁。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高硬度耐磨铸铁，其特征在于该铸铁的质量百分比组成为C：3.2～3.6wt.％、Si：0.3～0.7wt％、Mn：0.5～1.0wt％、Cr：16～20wt％、Ni：0.1～0.4wt％、Mo：0.2～0.5wt％、W：0.6～1.1wt％、V：0.15～0.3wt％、Ti：0.02～0.05wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

钨作为合金化元素，在合金凝固过程中有利于促进合金基体中形成奥氏体-马氏体组织，提高耐磨性和硬度。除此之外，部分钨元素形成了稳定的碳化物M₆C，其中含有钨、钒、铬元素，可进一步提高铸铁耐磨性。基体中其他含钨的碳化物可提高铸铁硬度，因为奥氏体向马氏体转变常发生在碳化物附近。

为了制备坚硬的马氏体-奥氏体合金基体，仅用钨作为合金化元素是不够的，必须要有钼元素的存在。该元素在碳化物中溶解较少，在合金基体中有利于得到奥氏体-马氏体组织。

与钼元素复合添加，含量在0.6～1.1％的钨元素会增加铸铁铸造态的耐磨性和硬度。加入钨元素多于1.1％不会继续增加耐磨性和硬度，但是会明显增加铸件成本。钨元素含量低于0.6％不能得到坚硬的奥氏体-马氏体基体，会明显降低铸铁耐磨性。

与钨元素复合添加，含量大于0.5％的钼元素不会使铸铁耐磨性和硬度增加，会增加铸件成本。加入钼元素含量小于0.2％不能得到坚硬的奥氏体-马氏体基体，因为在这种浓度含量下钼元素基本在碳化物中存在。

碳元素的加入是保证合金基体中形成(FeCr)₇C₃碳化物，有利于提高铸铁耐磨性。发明合金中碳元素含量主要在共晶成分范围内，保证了高耐磨性。碳元素含量低于3.2％会导致原始奥氏体数量增加，耐磨性下降。碳元素加入量超过3.6％会导致粗大过共晶碳化物析出，降低耐磨性。

由于熔炼炉的炉衬含有硅元素，因此硅元素最低含量不低于0.3％，当硅元素含量高于0.7％后，会形成软的珠光体，降低铸铁耐磨性。

锰元素在合金冷却凝固过程中起到抑制珠光体的转变以及熔炼过程中熔体脱氧的作用。当锰元素含量低于0.5％时，会降低铸铁硬度，增加熔体的熔渣量；当锰元素含量超过1％时，会起到稳定奥氏体的作用，降低铸铁的耐磨性和硬度。

铬元素作为铸铁的主要合金化元素，在基体中形成(FeCr)₇C₃碳化物。当铬元素低于16％不会形成硬的马氏体-奥氏体基体，降低铸铁硬度和耐磨性；当铬元素含量超过20％，除了形成(FeCr)₇C₃碳化物外，还会形成M₂₃C₆碳化物，从而导致耐磨性下降。

镍元素主要起到凝固过程抑制珠光体转变，形成坚硬的马氏体-奥氏体基体的作用。当镍元素含量低于0.1％时，会降低铸铁硬度和耐磨性；当镍元素含量高于0.4％时，会发生奥氏体稳定化作用，降低铸铁耐磨性和硬度。

钒元素有利于细化碳化物尺寸，增加铸铁耐磨性和硬度。钒元素含量低于0.15％时，不会影响铸铁的组织和性能。当钒元素含量高于0.3％时，不会继续细化组织晶粒，耐磨性也不会提高。

钛元素促进组织改性，细化碳化物尺寸，有利于制备性能均一铸件。钛元素和钒、钨一起加入对铸铁材料性能影响更加明显。钛元素含量多于0.05％后，会形成大量非金属夹杂物(氧化物、氰化物等)，降低流动性和耐磨性。

作为优选，所述W与V的总添加量为1.1～1.3wt％。为制备高耐磨性高硬度的铸铁，钨和钒元素的总含量应控制在1.1～1.3％。钨和钒元素含量小于1.1％，铸铁中会形成软珠光体，耐磨性较低；当钨和钒元素含量大于1.3％时，铸铁的耐磨性和硬度将不会显著增加，会增加铸件成本。

为了获得较高的硬度和耐磨性，作为优选，所述该铸铁含有奥氏体及共晶碳化物(FeCr)₇C₃，所述共晶碳化物(FeCr)₇C₃的体积分数为33～41％。

为了获得较高的硬度和耐磨性，作为优选，所述共晶碳化物(FeCr)₇C₃尺寸为5～9μm。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种高硬度耐磨铸铁的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高硬度耐磨铸铁的制备方法，其特征在于，该铸铁的制备流程为：1)熔炼；2)浇注；所述步骤1)中使用感应熔炼炉熔炼，采用石英砂材质的酸性炉衬。

为控制有利于细化树枝晶和共晶组织，有利于提高材料耐磨性，而且可避免出现因温度过高，而造成的收缩过大及表面粘砂等缺陷，作为优选，所述步骤2)中熔体的出炉温度控制在1500～1600℃，浇注温度控制在1450～1490℃，浇注到金属模具内，然后空冷淬火。

作为优选，所述步骤1)中锰、铬、钒、钼、钛、钨元素分别以各自中间合金锰铁、铬铁、钒铁、钼铁、钛铁及钨铁形式加入到熔炼炉内，镍元素以纯镍形式加入。

作为优选，所述步骤1)感应熔炼炉坩埚底部先加入钼铁、钨铁、回炉料铸铁、钢及部分铬铁和钒铁，熔炼炉熔炼时开到最大功率，待合金完全熔化后再加入纯镍、钛铁、钒铁以及剩余的铬铁和钒铁，最后加入锰铁。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在铸铁中添加碳、硅、锰、铬、镍、钼、钨、矾、钛元素并控制其含量，钨与钼复合添加得到坚硬的马氏体-奥氏体合金基体，提高合金的硬度和耐磨性，钒、钛元素细化碳化物尺寸，有利于制备性能均一铸件，从而实现硬度高、耐磨性好的铸铁。

2)本发明高硬度耐磨铸铁的洛氏硬度在63HRC以上，以石英砂作为摩擦副相对耐磨性在8.0以上，具有优异的耐磨性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1至5为本发明高硬度耐磨铸铁成分，具体成分见表1，该铸铁的制备流程为：

1)熔炼；锰、铬、钒、钼、钛、钨元素分别以各自中间合金锰铁、铬铁、钒铁、钼铁、钛铁及钨铁形式加入到熔炼炉内，镍元素以纯镍形式加入；感应熔炼炉坩埚底部先加入钼铁、钨铁、回炉料铸铁、钢及部分铬铁和钒铁，熔炼炉熔炼时开到最大功率，待合金完全熔化后再加入纯镍、钛铁、钒铁以及剩余的铬铁和钒铁，最后加入锰铁。

2)浇注；熔体的出炉温度控制在1500～1600℃，浇注温度控制在1450～1490℃，浇注到金属模具内，然后空冷淬火。

对实施例1至实施例5铸铁的性能进行耐磨性能检测：

检测条件：

采用M-2000摩擦磨损试验机进行检测，上试样为10mm×10mm×20mm的高铬铸铁合金试样，下试样为环状GCr15。在200N载荷进行磨料磨损试验。试验时间为5h，转速为200r/min。其中，磨料磨损介质为粒度100～150目石英砂，石英砂流量为1.5～2.0kg/h。

测试前和测试后称试样重量，计算每个试样失重量，再将计算标准试样(铸态的45号钢)失重量与发明合金试样失重量做比值，得到相对磨损量。

对实施例1至实施例5测试洛氏硬度。

表1实施例的成分

表2实施例的性能

性能	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						硬度/HRC	63	65	63	65	64
相对耐磨性	8.2	9.1	9.0	8.8	8.2

本发明高硬度耐磨铸铁的洛氏硬度在63HRC以上，以石英砂作为摩擦副相对耐磨性在8.0以上，具有优异的耐磨性能。

Claims

1.一种高硬度耐磨铸铁，其特征在于该铸铁的质量百分比组成为C：3.2～3.6wt％、Si：0.3～0.7wt％、Mn：0.5～1.0wt％、Cr：16～20wt％、Ni：0.1～0.4wt％、Mo：0.2～0.5wt％、W：0.6～1.1wt％、V：0.15～0.3wt％、Ti：0.02～0.05wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高硬度耐磨铸铁，其特征在于：所述W与V的总添加量为1.1～1.3wt％。

3.根据权利要求1所述的高硬度耐磨铸铁，其特征在于：所述该铸铁含有奥氏体及共晶碳化物(FeCr)₇C₃，所述共晶碳化物(FeCr)₇C₃的体积分数为33～41％。

4.根据权利要求3所述的高硬度耐磨铸铁，其特征在于：所述共晶碳化物(FeCr)₇C₃尺寸为5～9μm。

5.一种权利要求1至4任一权利要求所述的高硬度耐磨铸铁的制备方法，其特征在于，该铸铁的制备流程为：1)熔炼；2)浇注；所述步骤1)中使用感应熔炼炉熔炼，采用石英砂材质的酸性炉衬。

6.根据权利要求5所述的高硬度耐磨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中熔体的出炉温度控制在1500～1600℃，浇注温度控制在1450～1490℃，浇注到金属模具内，然后空冷淬火。

7.根据权利要求5所述的高硬度耐磨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中锰、铬、钒、钼、钛、钨元素分别以各自中间合金锰铁、铬铁、钒铁、钼铁、钛铁及钨铁形式加入到熔炼炉内，镍元素以纯镍形式加入。

8.根据权利要求7所述的高硬度耐磨铸铁的制备方法，其特征在于：所述步骤1)感应熔炼炉坩埚底部先加入钼铁、钨铁、回炉料铸铁、钢及部分铬铁和钒铁，熔炼炉熔炼时开到最大功率，待合金完全熔化后再加入纯镍、钛铁、钒铁以及剩余的铬铁和钒铁，最后加入锰铁。