CN112626410A

CN112626410A - 一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁

Info

Publication number: CN112626410A
Application number: CN202011430764.6A
Authority: CN
Inventors: 易艳良; 李卫; 涂小慧; 周圣丰; 郑宝超; 刘洋赈
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-04-09

Abstract

本发明公开了一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁，属于抗磨金属材料技术领域。该铸铁的化学成分，以质量分数计，包括：0.35％～0.4％C，1.9％～2.2％B，5.0％～5.5％Cr，0.7％～1.0％Mn，3.0％～5.0％Mo，0.5％～1.0％V，0.8％～1.01％Si，S<0.04％，P<0.04％，余量为Fe。本发明的含硼白口铸铁经电炉熔炼成形，正火和去应力退火后，具有高强度、冲击韧性和耐磨性等特点，且硼化物尺度小、粒化且均匀分布，可显著提高耐磨部件的使用寿命，具有很好的应用前景。

Description

一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁

技术领域

本发明属于抗磨金属材料技术领域，涉及一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁。

背景技术

有工业就有磨损，每年磨损消耗值约占总能源的1/3至1/2，且约有60％的机械零部件发生故障或失效是由磨损引起的。据不完全统计，我国每年因摩擦磨损造成的损失约为9500亿元，占GDP的4.5％。如何提高机械零部件的耐磨性与使用寿命，始终是科研工作者最关注的问题，这些在本质上都依赖于对耐磨材料的研究与控制。随着现代机械制造业的服役条件越来越苛刻，以及对高精度、长寿命和高可靠性方面的要求不断提高，耐磨材料开发对高新技术的发展起着重要推动和支撑作用，是新世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，是世界各国高新技术发展中战略竞争的热点。

为了能有效提高耐磨零部件使用寿命、降低生产成本，材料科学家们一直致力于新型、环保和节能型耐磨材料的研究。目前，工业上应用较多的耐磨材料有耐磨涂层材料、耐磨陶瓷材料、耐磨复合材料、耐磨金属材料等。由于具有制备工艺简单、成本低及零件形状灵活性高等优点，目前耐磨金属材料是工程应用较广的耐磨材料之一。现阶段，耐磨金属材料主要有锰系耐磨钢、铬系耐磨合金钢和抗磨白口铸铁等，它们均具有各自的特点。其中，白口铸铁是应用较早也是比较广泛的一类耐磨金属材料。由于比普通白口铸铁具有更优的性能，现高铬白口铸铁已成为应用较广泛的耐磨金属材料，在电力、采矿、工程机械和水泥等领域已广泛应用。由Fe-C-Cr相图三元相图可知，高铬铸铁中的碳化物有Fe₂₃C₆、Cr₇C₃和Fe₃C三种类型，在高碳低铬时易出现Fe₃C型碳化物，而在低碳高铬时易形成Fe₂₃C₆型碳化物，只有在碳与铬配比适当时才可获得Fe₇C₃型碳化物。相比而言，Fe₇C₃型碳化物的硬度较高，且呈孤立六角形杆状或片状分布于基体中，使碳化物对基体的割裂程度大为降低，进而极大提高了基体连续性，因此高铬铸铁的韧性和耐磨性较镍硬白口铸铁均显著提高。另一方面，Cr/C比越高，高铬铸铁的淬透性也越好。在高铬铸铁制备过程中，为了得到较优性能将会消耗大量的Cr元素进而加大了生产成本，而且基体中碳处于过饱和状态无法通过降低碳含量来控制基体韧性。因此，研究出一种耐磨性较好、可在较宽范围内调控韧性、成本较低的耐磨金属材料将具有重要的学术价值和应用前景。

由于B在地壳中的储存量约为3×10^-4％，在我国储量丰富，且价格低廉。而且根据Fe-B二元相图可知，在高温1149℃下B在γ-Fe中的溶解度仅为0.02wt.％，超过此值后将发生共晶反应L→γ-Fe+Fe₂B；而在低温700℃以下B在α-Fe中的极限溶解度为0.0004wt.％，可知加入合金中的B几乎全与Fe结合形成Fe₂B。相比碳化物(Fe₃C，Cr₇C₃)，Fe₂B(1400～1800HV)具有更高的硬度和热稳定性，更适宜于在合金中作为耐磨相。由于B具有不固溶于Fe的特点，因此可以单独调控B和C含量来分别控制合金中Fe₂B的体积分数和基体的性能，最终达到不同磨损工况下不同类型成分设计的要求。基于这一特点，在高铬白口铸铁基础上，降C和Cr元素而加B元素，研制出含有大量Fe₂B相的硼白口铸铁，为耐磨金属材料发展开拓了一条新路。相比高铬白口铸铁，硼白口铸铁具有制备工艺简单、成形性好和成本低等优点，使其在磨损领域具有较大的市场竞争力，有望成为新一代耐磨金属材料。

然而，硼白口铸铁中Fe₂B呈网状连续分布于基体中，这一结构不仅极大降低了基体连续性，而且还为裂纹扩展提供便利，加大了裂纹扩展速率，进而导致材料韧性大幅降低。因此，对硼白口铸铁中Fe₂B形态、分布和尺寸进行改善，从而实现Fe₂B尺度减小以及颗粒化且均匀分布，是改善硼白口铸铁韧性和耐磨性的关键，亦将是硼白口铸铁今后发展的主要研究方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁，该铸铁硬度高、冲击韧性好及耐磨性优，且制备方法工艺简单、生产周期短、能耗低。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁，该铸铁的化学成分，以质量分数计，包括：0.35％～0.4％C，1.9％～2.2％B，5.0％～5.5％Cr，0.7％～1.0％Mn，3.0％～5.0％Mo，0.5％～1.0％V，0.8％～1.01％Si，S<0.04％，P<0.04％，余量为Fe。

所述的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1)取废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁及纯铁按质量比例37～44:7.7～9:0.9～1.5:6.2～10.3:1～3:32.2～48.5混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)将硼铁粉碎、烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入硼铁；

3)将熔炼炉温度升至1500～1580℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入纯铜棒和镍棒；

4)当钢水温度达1400～1480℃时，浇注成铸件，然后将铸件正火处理，空气冷却至室温，随后去应力退火，制得高强韧高耐磨含硼白口铸铁。

进一步的，步骤2)中，是将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200～300℃下烘干。

进一步的，步骤4)所述正火处理，是将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，随后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。

进一步的，所用各炉料的化学成分，以质量分数计，如表1所示：

表1各炉料化学成分

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁基体组织几乎全为马氏体，硬度高，达到61～63HRC；

2、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁冲击韧性高，可达到8.5～9.5J/cm²；

3、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁Fe₂B刚度高，可达到24～26GPa；

4、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁Fe₂B弹性模量高，可达到240～260GPa；

5、本发明高强韧高耐磨含硼白口铸铁两体耐磨性优，较Cr15高铬铸铁提高30～40％。

附图说明

图1为实施例1的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的组织形貌；

图2为实施例2的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的组织形貌；

图3为实施例3的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的组织形貌；

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明硼白口铸铁，其制造工艺步骤是：

1)将40.4％废钢、8.3％铬铁、1.3％锰铁、1.5％钒铁和48.5％纯铁混合加热融化；

2)将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；

3)将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后拔除炉渣；

4)钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，随后将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，最后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。

经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，其宏观硬度达到60±1HRC，冲击韧性达到6J/cm²，两体耐磨性较Cr15高铬铸铁提高20％。此外，Fe₂B的刚度达到18GPa,其弹性模量达到200GPa。

实施例2

1)将39％废钢、7.9％铬铁、1.1％锰铁、6.2％钼铁、1.3％钒铁和44.5％纯铁混合加热融化；

经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，其宏观硬度达到61±1HRC，冲击韧性达到7.5J/cm²，两体耐磨性较Cr15高铬铸铁提高28％。此外，Fe₂B的刚度达到20GPa,其弹性模量达到230GPa。

实施例3

1)将37％废钢、7.7％铬铁、0.9％锰铁、9.3％钼铁、1.1％钒铁和44％纯铁混合加热融化；

经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，其宏观硬度达到63±1HRC，冲击韧性达到9.5J/cm²，两体耐磨性较Cr15高铬铸铁提高35％。此外，Fe₂B的刚度达到25GPa,其弹性模量达到260GPa。

表2硼白口铸铁的化学成分(质量分数，wt％)

图1，2和3分别表示实施例1，2和3。可见，实施例1～3制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁组织由硼化物和马氏体基体组成，马氏体基体起到支撑和固定硬质相硼化物的作用，反过来硼化物起到保护基体被磨耗的作用。从图1可见，硼化物呈网状、鱼骨状和杆状连续分布于金属基体中，可预见裂纹一旦形成，会快速沿着硼化物扩展，因此实施例1制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的冲击韧性和两体耐磨性低。然而，实施例2和3制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁中的硼化物尺度减小、粒化且均匀分布，并随着Mo含量增加，这种现象愈发明显，此时铸铁的冲击韧性和两体耐磨性也随之提高。相比之下，实施例3制得的硼白口铸铁的耐磨性高于实施例1和2的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强韧高耐磨含硼白口铸铁，其特征在于，该铸铁的化学成分，以质量分数计，包括：0.35％～0.4％C，1.9％～2.2％B，5.0％～5.5％Cr，0.7％～1.0％Mn，3.0％～5.0％Mo，0.5％～1.0％V，0.8％～1.01％Si，S<0.04％，P<0.04％，余量为Fe。

2.权利要求1所述的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的制备方法，其特征在于，步骤2)中，是将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200～300℃下烘干。

4.根据权利要求2所述的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的制备方法，其特征在于，步骤4)所述正火处理，是将铸件在950～1050℃下保温1～2h，空冷至室温，随后在200～250℃下进行2～4h去应力退火处理。

5.根据权利要求2所述的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的制备方法，其特征在于，所用各炉料的化学成分，以质量分数计，如表1所示：

表1各炉料化学成分