CN112359273B - 一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。其技术方案是：所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为0.61～0.89wt％，Mo为1.71～1.99wt％，B为0.31～0.39wt％，Zr为0.51～0.89wt％，P≤0.049wt％，S≤0.049wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：3.35≤Cr/C≤3.99，0.15≤B/Mo≤0.23。按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850～1050℃，保温1～3小时，淬入油中，冷却至室温，即得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。本发明具有生产成本低、制备方法简单和生产周期短的特点，制得的产品韧性好和硬度得到显著的提高。

Description

一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨铸铁技术领域。尤其涉及一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。
背景技术
耐磨铸铁是指合金中的碳主要以碳化物形式存在的具有高硬度、高耐磨性能的铸铁。提高耐磨铸铁硬度的主要方法是提高基体的硬度，减少残留奥氏体、铁素体和贝氏体的数量。提高基体硬度的主要方法有增加C含量，进而增加马氏体的含量，增加合金碳化物的数量；减少残留奥氏体主要是提高马氏体转变量，亦即要将马氏体转变点Ms控制在室温以上；减少铁素体的数量主要是通过增加C含量，添加特定的合金元素如Mo和B元素抑制铁素体的形成；减少贝氏体的数量主要通过C含量和Mn含量的调节扩大Bs和Ms的差距，在淬火过程中形成马氏体而不形成贝氏体。
为了增加合金碳化物的数量与硬度，主要的方式是进行Cr合金化。铬是强碳化物形成元素，尤其是M7C3型碳化物形成元素。M7C3型碳化物的硬度为1300～1700HV，而Fe3C的硬度约为1100HV。当然还有其它的合金碳化物，如W、Nb、V、Ti、Ta、Hf等，也可以形成硬度很高的MC、M2C、M6C型碳化物，但是它们与Cr元素相比，价格昂贵。另外，即使加入同样的量，形成碳化物的数量也较少。
“耐磨铸铁”(CN101440454A)专利技术，技术按质量百分含量的化学成分是：C为2.8；Si为0.2～1.0；Mn为0.5～1.0；Cr为21～23；Ni为0～1.5；Mo为1.0～1.5，P≤0.1％；S≤0.06％余量为Fe和不可避免的杂质。该技术不仅含有贵重金属元素Ni、Mo，合金成本高，且硬度仅为40～58HRC。
“高铬合金耐磨铸铁材料”(CN103320679A)专利技术，该技术外层按质量百分含量的化学成分是：C为2.8～3.0％，Cr为20.0～23.0％，Mn为0.8～1.0％，Si为1.2～1.5％，Mo为1.5～1.9％，Cu为0.5～0.6％，S：0.025～0.04％，P：0.03％，余量为Fe。硬度为70～75HRC，该技术含有贵重金属元素Cr、Cu，生产成本高。
“一种高硼高铬白口铸铁及其制备方法”(CN105734398A)专利技术，该技术按质量百分含量的化学成分是：C为2.0～2.8％，Cr为3.0～3.5％，B为2.0～2.5％，Si为0.3～0.5％，Zr为0.15～0.25％，P<0.04％，S<0.04％，余量为Fe。该技术硬度仅为58HRC。
“一种中铬白口铸铁的热处理工艺”(CN104928454A)专利技术，该技术按质量百分含量的化学成分是：C为2.1～3.2％；Si为1.5～2.2％；Cr为7～10％；Mn为0.8～1.2％；Ni≤1.0％；Mo≤1.5％；Cu≤1.2％；P≤0.1％；S≤0.06％；余量为Fe。该技术不仅含有贵重金属元素Ni、Mo和Cu，合金成本高，且硬度仅为46HRC。
“一种耐磨铸铁钢球及其制备方法”(CN110106434A)专利技术，该技术质量百分含量的化学成分是：C为3.0～5.1％；Cr为8.0～10.0％，Si为0.6～1.2％；Mn为10.3～12.5％；Mo为0.30～0.50％；B为0.4～2.0％；Ni为0.2～0.6％；Ti为0.05～0.15％；稀土为0.14～0.28％；A为0.02～0.16％；V为0.10～0.30％；S为0.01～0.05％；P为0.03～0.06％；W为0.1～0.5％；Nb为0.2～0.5％；Ta为0.04～0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。该技术不仅含有贵重金属元素Ni、V、Ti，合金成本高；且该技术在淬火处理后，还在NaNO2的盐水溶液中进行二次淬火处理，热处理工艺复杂。
“一种中铬铸铁磨球及其浇铸方法”(CN103774035A)专利技术，该技术按质量百分含量的化学成分是：C为3.3～3.7％；Si为0.8～1.2％；Mn为1.5～1.7％；Cr为7～10％；Ni为2.3～2.9％；Mo为0.4～1.2％；Cu为0.5～0.9％；B为0.01～0.05％；Li为0.1～0.2％；Na为0.2～0.3％；稀土为0.1～0.3％；余量为Fe和不可避免的杂质。该技术含有贵重金属元素Nb和Cu，合金成本高。
“耐磨铸铁的热处理方法”(CN107641693A)专利技术，该技术按质量百分含量的化学成分是：C为2.9～3.1％；Cr为6～8％；Mn为3.0～4.0％；Ni为0.6～0.8％；Si为0.5～1.0％；P≤0.05％；S≤0.03％，其余为Fe。该技术在900～940℃保温20～24h，热处理时间长。
综上所述，现有的耐磨铸铁存在生产成本高、制备工艺复杂和生产周期长的技术缺陷，硬度有待进一步提高。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的在于提供一种生产成本低、制备工艺简单和生产周期短的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的制备方法，用该方法制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的韧性好和硬度能得到显著提高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为0.61～0.89wt％，Mo为1.71～1.99wt％，B为0.31～0.39wt％，Zr为0.51～0.89wt％，P≤0.049wt％，S≤0.049wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述化学成分及其含量同时满足：3.35≤Cr/C≤3.99；0.15≤B/Mo≤0.23。
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850～1050℃，保温1～3小时，淬入油中，冷却至室温，即得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明在850～1050℃条件下保温1～3小时，然后淬入油中，冷却至室温，即得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁，不仅生产温度低和生产周期短，且工艺简单；加之本发明的化学成分中Cr含量低(＜15wt％)，同时未含有贵重合金元素如Ni和Cu，故生产成本显著降低。
本发明中的C为3.61～3.99wt％和Cr为12.11～14.99wt％，通过C与Cr合金化形成高硬度M7C3型碳化物(1300～1700HV)；以及Mo与C形成高硬度的富Mo碳化物M2C，从而增加合金碳化物含量以及提高基体的硬度。添加合金元素Mo和B元素抑制铁素体的形成，使铁素体的含量为0；通过C含量和Mn含量的调节扩大Bs和Ms的差距，使贝氏体的含量为0，使铸铁在淬火过程中形成大量的高硬度马氏体。淬火后，基体中含有大量的高硬度碳化物和马氏体，大幅提高了制品的硬度。
本发明加入的C、Cr和Mn等合金元素能降低马氏体转变点Ms，铸铁淬火后会形成残留奥氏体，残留奥氏体塑性变形强，可以使铸铁具有一定的韧性；在高碳低硼铸铁中，少量的B(0.1～0.6wt％)合金能够提高铸铁的韧性。残余奥氏体以及B合金使高碳中铬铸铁具有较高韧性。B与Fe生成高硬度碳化物FeB(1800～2000HV)和Fe2B(1400～1500HV)，提高了基体硬度。合金元素Zr通过固溶强化，并与C反应生成高硬度碳化物ZrC。ZrC作为形核核心，增加共晶碳化物数量并细化晶粒，可进行第二相强化，使高碳中铬耐磨铸铁的硬度得到更加显著的提高。
本发明将铸态高碳中铬耐磨铸铁升温至850～1050℃，保温1～3小时，然后淬入油中，冷却至室温，得到的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为45～53vol％，残留奥氏体为6.5～13.5vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为72～75HRC。本发明有效解决了现有的高碳高铬高镍铸铁存在的合金成本高、硬度低和韧性低的技术难题，尤其是很好地解决了极高硬度与韧性的匹配问题、以及耐磨性能与铸铁合金成本不相适应的问题。
因此，本发明具有生产成本低、制备工艺简单和生产周期短的特点，制得的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的韧性好和硬度得到更加显著的提高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为0.61～0.89wt％，Mo为1.71～1.99wt％，B为0.31～0.39wt％，Zr为0.51～0.89wt％，P≤0.049wt％，S≤0.049wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述化学成分及其含量同时满足：3.35≤Cr/C≤3.99；0.15≤B/Mo≤0.23。
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850～1050℃，保温1～3小时，淬入油中，冷却至室温，即得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
本具体实施方式制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为45～53vol％，残留奥氏体为6.5～13.5vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为72～75HRC。
实施例1
一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61wt％，Cr为12.11wt％，Si为0.51wt％，Mn为0.61，Mo为1.71wt％，B为0.39wt％，Zr为0.51wt％，P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.35，B/Mo＝0.23。
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850℃，保温3小时，淬入油中，冷却至室温，制得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
本发明制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为53vol％，残留奥氏体为12vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为73.8HRC。
实施例2
一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.76wt％，Cr为14.99wt％，Si为0.64wt％，Mn为0.7wt％，Mo为1.8wt％，B为0.34wt％，Zr为0.64wt％,P≤0.03wt％、S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.986，B/Mo＝0.189。
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到950℃，保温2小时，淬入油中，冷却至室温，制得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
本发明制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为50.3vol％，残留奥氏体为9vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为75HRC。
实施例3
一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.85wt％，Cr为13.55wt％，Si为0.73wt％，Mn为0.78wt％，Mo为1.87wt％，B为0.36wt％，Zr为0.76wt％，P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.519，B/Mo＝0.193。
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到1000℃，保温1小时，淬入油中，冷却至室温，制得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
本发明制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为48.4vol％，残留奥氏体为6.5vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为74.6HRC。
实施例4
一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.99wt％，Cr为13.85wt％，Si为0.79wt％，Mn为0.89wt％，Mo为1.99wt％，B为0.31wt％，Zr为0.89wt％，P≤0.03wt％、S.≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.471，B/Mo＝0.156。
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到1050℃，保温1小时，淬入油中，冷却至室温，制得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
本发明制得的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为45vol％，残留奥氏体为13.5vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为72HRC。
由于采用上述技术方案，本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式在850～1050℃条件下保温1～3小时，然后淬入油中，冷却至室温，即得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁，不仅生产温度低和生产周期短，且工艺简单；加之本具体实施方式的化学成分中Cr含量低(＜15wt％)，同时未含有贵重合金元素如Ni和Cu，故生产成本显著降低。
本具体实施方式中的C为3.61～3.99wt％和Cr为12.11～14.99wt％，通过C与Cr合金化形成高硬度M7C3型碳化物(1300～1700HV)，以及Mo与C形成高硬度的富Mo碳化物M2C，从而增加合金碳化物含量以及提高基体的硬度。添加合金元素Mo和B元素抑制铁素体的形成，使铁素体的含量为0；通过C含量和Mn含量的调节扩大Bs和Ms的差距，使贝氏体的含量为0，使铸铁在淬火过程中形成大量的高硬度马氏体。淬火后，基体中含有大量的高硬度碳化物和马氏体，大幅提高了产品的硬度。
本具体实施方式加入的C、Cr和Mn等合金元素能降低马氏体转变点Ms，铸铁淬火后会形成残留奥氏体，残留奥氏体塑性变形强，可以使铸铁具有一定的韧性；在高碳低硼铸铁中，少量的B(0.1～0.6wt％)合金能够提高铸铁的韧性。残余奥氏体以及B合金使高碳中铬铸铁具有较高韧性。B与Fe生成高硬度碳化物FeB(1800～2000HV)和Fe2B(1400～1500HV)，提高了基体硬度。合金元素Zr通过固溶强化，并与C反应生成高硬度碳化物ZrC。ZrC作为形核核心，增加共晶碳化物数量并细化晶粒，可进行第二相强化，使高碳中铬耐磨铸铁的硬度得到更加显著的提高。
本具体实施方式制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为45～53vol％，残留奥氏体为6.5～13.5vol％，其余为马氏体；高硬度的高碳中铬耐磨铸铁硬度为72～75HRC。本具体实施方式有效解决了现有的高碳高铬高镍铸铁存在的合金成本高、硬度低和韧性低的技术难题，尤其是很好地解决了极高硬度与韧性的匹配问题、以及耐磨性能与铸铁合金成本不相适应的问题。
因此，本具体实施方式具有生产成本低、制备工艺简单和生产周期短的特点，制得的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的韧性好和硬度得到更加显著的提高。

Claims (2)

1.一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的制备方法，其特征在于：所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61~3.99wt%，Cr为12.11~14.99wt%，Si为0.51~0.79wt%，Mn为0.61~0.89wt%，Mo为1.71~1.99wt%，B为0.31~0.39wt%，Zr为0.51~0.89wt%，P≤0.049wt%，S≤0.049wt%，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述化学成分及其含量同时满足：3.35≤Cr/C≤3.99，0.15≤B/Mo≤0.23；
按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850~1050℃，保温1~3小时，淬入油中，冷却至室温，制得高硬度的高碳中铬耐磨铸铁；
所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁：碳化物的体积含量为45~53%，残留奥氏体的体积含量为6.5~13.5%，其余为马氏体；所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的硬度为72~75HRC。
2.一种高硬度的高碳中铬耐磨铸铁，其特征在于：所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁是根据权利要求1所述高硬度的高碳中铬耐磨铸铁的制备方法制备的高硬度的高碳中铬耐磨铸铁。
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