CN112899555A - 一种高铬铸铁耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

一种高铬铸铁耐磨材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高铬铸铁耐磨材料，其包括：3.0～3.6wt％的C，0.3～0.8wt％的Si，0.3～0.8wt％的Mn，22～28wt％的Cr，0.6～1.2wt％的Mo，0.6～1.2wt％的Ni，0.1～0.5wt％的V，0.01～0.3wt％的W，0.005～0.05wt％的B，0.01～0.2wt％的Ti，0.005～0.2wt％的Nb，Fe余量。本发明提供的高铬铸铁耐磨材料中含有较多的钼、镍等元素，可以增加高铬铸铁的冲击韧性，可达4～6J/cm2，同时可以获得较高的硬度，厚大件通过特殊热处理也可以达到62～65HRC，可极大增加板锤的使用寿命。

Description

一种高铬铸铁耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种高铬铸铁耐磨材料及其制备方法。
背景技术
锤头、衬板、板锤、轧臼壁、磨辊、球磨机钢球以及棒磨机钢棒等配件是破碎机、制砂机、磨粉机或搅拌机等设备的主要磨损件。
上述耐磨产品主要由高锰钢、合金钢、高铬铸铁等金属材料铸造而成，需要破碎的材料一般为矿石、石英砂、水泥等硬度相对较高的材料，这些易损件承受冲击、挤压、剪切及接触疲劳的反复作用，工况条件恶劣，每年消耗大量的金属材料。因此，研制一种低成本、高硬度、高韧性的耐磨材料是一个迫切的问题，可以大大减少能源消耗，提高生产效率。
传统的耐磨材料中，高锰钢韧性最好，但初始硬度低(＜30HRC)，必须要有强大的冲击力才能产生加工硬化的作用来提高耐磨性，只适合冲击力很大的工况；合金钢硬度和韧性适中，但一般硬度仅为50～56HRC，使用寿命比高锰钢高一倍以上，但不到高铬铸铁的一半。高铬铸铁碳含量、合金含量高，硬度可达到60HRC以上，而且组织内部含有硬度更高的碳化物，耐磨性非常好，但是冲击韧性一般较低，常规的高铬铸铁产品一般冲击韧性在3J/cm2以内，往往有断裂的情况。因此，针对进料粒度小于300mm的反击破或冲击力较小的工况需求，上述材料或是硬度不够，或是冲击韧性不够，不能满足工况需求。
鉴于上述工况的需求，提供一种高硬度和耐冲击性能的合金材料用于板锤、甩锤、衬板等产品具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高硬度和高耐冲击韧性的高铬铸铁耐磨材料。
有鉴于此，本申请提供了一种高铬铸铁耐磨材料，包括：
Figure BDA0002906968030000021
优选的，所述C的含量为3.2～3.5wt％。
优选的，所述Cr的含量为24～26wt％。
优选的，所述Mo的含量为0.8～1.0wt％。
优选的，所述V的含量为0.2～0.4wt％。
优选的，所述W的含量为0.1～0.2wt％。
优选的，所述Nb的含量的0.05～0.15wt％。
优选的，包括C3.5wt％、Si0.7wt％、Mn0.6wt％、Cr26wt％、Mo0.9wt％、Ni0.8wt％、V0.2wt％、W0.18wt％、B0.01wt％、Ti0.02wt％、Nb0.15wt％，Fe余量。
本申请还提供了所述的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
按照成分配比配料后熔炼、浇注，得到铸件；
将所述铸件依次进行淬火和回火，得到高铬铸铁耐磨材料。
优选的，所述淬火的温度为1000～1020℃，保温时间为2～5h，冷却方式为风冷；所述回火的温度为450～520℃，保温时间为3～6h，冷却方式为空冷。
本申请提供了一种高铬铸铁耐磨材料，其包括：3.0～3.6wt％的C，0.3～0.8wt％的Si，0.3～0.8wt％的Mn，22～28wt％的Cr，0.6～1.2wt％的Mo，0.6～1.2wt％的Ni，0.1～0.5wt％的V，0.01～0.3wt％的W，0.005～0.05wt％的B，0.01～0.2wt％的Ti，0.005～0.2wt％的Nb，Fe余量。本申请提供的高铬铸铁耐磨材料中含有较多的钼、镍等元素，可以增大高铬铸铁的冲击韧性，同时钒、钛、钨、铌等合金元素的加入，有利于细化碳化物，减少粗大碳化物的体积分数，从而增加高铬铸铁耐磨材料的硬度和冲击韧性。
进一步的，本申请中合金元素和制备工艺的配合，可以提高硬度，又能保证抗冲击性能，极大的提高高铬铸铁耐磨材料制品板锤、甩锤、衬板等的使用寿命。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有合金材料碳、铬、镍、钼等元素含量和热处理工艺匹配不佳，不能保证高韧性、高硬度性能的现状，本申请提供了一种高铬铸铁耐磨材料，其通过调整合金成分并采用与之相匹配的制备工艺，得到了高硬度和高冲击韧性的高铬铸铁耐磨材料。具体的，本发明实施例公开了一种高铬铸铁耐磨材料，包括：
Figure BDA0002906968030000031
Figure BDA0002906968030000041
在本申请中，C的含量为3.0～3.6wt％，在具体实施例中，所述C的含量为3.2～3.5wt％，更具体地，所述C的含量可以为3.3wt％、3.4wt％或3.5wt％。Cr的含量为22～28wt％，在具体实施例中，所述Cr的含量为24～26wt％，更具体地，所述Cr的含量为22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％或28wt％。C、Cr含量过高，则碳化物过多，割裂基体的连续性，从而冲击韧性会变差，含量过低，则碳化物不足，而且碳化物容易形成网状、割裂基体的连续性，也会使冲击韧性变差。
Mn的含量为0.3～0.8wt％，更具体地，所述Mn的含量为0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％或0.8wt％。Si的含量为0.3～0.8wt％，更具体地，所述Si的含量为0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％或0.8wt％。Si、Mn为常规元素，两者含量不宜过高，过高会引起基体脆性增加，强度降低。
Mo的含量为0.6～1.2wt％，在具体实施例中，所述Mo的含量为0.8～1.0wt％，更具体地，所述Mo的含量为0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1.0wt％或1.2wt％。上述范围的Mo含量可以提高基体的强度，提高碳化物硬度，提高淬透性和整体硬度，增加耐磨性，但钼含量过高则成本太高，性价比不突出，钼含量太低则性能提升不明显。
Ni的含量为0.6～1.2wt％，更具体地，所述Ni的含量为0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1.0wt％、1.1wt％或1.2wt％。上述范围的Ni含量可以提高基体的强度、提高淬透性和整体硬度，提高耐腐蚀性，增加耐磨性，但镍含量过高则成本太高，性价比不突出，镍含量太低则性能提升不明显。
V的含量为0.1～0.5wt％，更具体地，所述V的含量为0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％或0.5wt％。所述W的含量0.01～0.3wt％，在具体实施例中，所述W的含量为0.05～0.25wt％，更具体地，所述W的含量为0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％、0.13wt％、0.16wt％、0.18wt％、0.22wt％、0.25wt％、0.28wt％或0.29wt％。Ti的含量为0.01～0.2wt％，在具体实施例中，所述Ti的含量为0.02～0.17wt％，更具体地，所述Ti的含量为0.03wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.09wt％、0.11wt％、0.14wt％、0.15wt％、0.18wt％或0.19wt％。Nb的含量为0.005～0.2wt％，在具体实施例中，所述Nb的含量为0.01～0.18wt％，进一步的，所述Nb的含量为0.05～0.15wt％，更具体地，所述Nb的含量为0.06wt％、0.07wt％、0.09wt％、0.11wt％、0.14wt％、0.16wt％或0.19wt％。V、Ti、W和Nb等元素的加入有利于细化碳化物，减少粗大碳化物的体积分数，从而增加合金的冲击韧性。
B的含量为0.005～0.05wt％，在具体实施例中，B的含量为0.01～0.04wt％，更具体地，B的含量为0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％或0.04wt％。
本申请还提供了高铬铸铁耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
按照成分配比配料后熔炼、浇注，得到铸件；
将所述铸件依次进行淬火和回火，得到高铬铸铁耐磨材料。
上述配料、熔炼的过程具体为：将废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、增碳剂、钒铁、钨铁、镍板、硼铁、钛铁、铌铁等投入中频炉中进行熔炼，冶炼后的铁水中光谱分析样品，测试钢液成份，不断调节元素含量，使之符合化学成分后倒入钢包中进行静置。
将上述得到的铁水进行浇注，所述浇注的温度为1360～1420℃以进行铸造，所述铸造工艺可以是消失模铸造，也可以是水玻璃砂型铸造、覆膜砂、树脂砂铸造或蜡膜铸造，对此本申请没有特别的限制。
按照本发明，然后将铸造后的铸件进行热处理，所述热处理为依次进行的淬火和回火，所述淬火的温度为1000～1020℃，保温2～5h，所述淬火的冷却方式可以为风冷、风冷+雾冷，也可以用油冷、正火液冷等方式；所述回火的温度为450～520℃，保温3～6h，出炉空冷。
经过上述制备，即得到高铬铸铁耐磨材料，其可以作为板锤、衬板、锤头，还可以在板锤、衬板、锤头等主要摩擦面还可以加陶瓷、硬质合金等硬质相进行复合，陶瓷可以是ZTA、氧化铝、氧化锆陶瓷颗粒，做成预制块的形式进行铸渗复合，也可以用烧结好的硬质合金棒进行复合。
本发明提供的高铬铸铁耐磨材料中含有较多的钼、镍等元素，可以增加高铬铸铁的冲击韧性，可达4～6J/cm2，同时可以获得较高的硬度，厚大件通过特殊热处理也可以达到62～65HRC(常规的高铬铸铁仅为59～61HRC)，可极大增加板锤的使用寿命。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的高铬铸铁耐磨材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1板锤
成份：碳3.5％、硅0.7％、锰0.6％、铬26％、钼0.9％、镍0.8％、钒0.2％、钨0.18％、硼0.01％、钛0.02％、铌0.15％，余量为铁。
热处理：
淬火：1020℃保温5小时，出炉风冷；
回火：480℃保温5小时，出炉空冷。
取3个位置的样品，测得冲击韧性分别为4.8J/cm2、5.2J/cm2、5.6J/cm2；洛氏硬度分别为64.6HRC、64.3HRC、64.5HRC。
实施例2板锤
成份：碳3.2％、硅0.6％、锰0.8％、铬25％、钼1.1％、镍0.6％、钒0.18％、钨0.15％、硼0.01％、钛0.02％、铌0.15％，余量为铁。
热处理：
淬火：1020℃保温5小时，出炉风冷；
回火：480℃保温5小时，出炉空冷。
取3个位置的样品，测得冲击韧性分别为3.9J/cm2、4.2J/cm2、4.1J/cm2；洛氏硬度分别为62.5HRC、62.4HRC、62.7HRC。
实施例3板锤
成份：碳3.3％、硅0.8％、锰0.6％、铬25％、钼0.6％、镍0.8％、钒0.2％、钨0.18％、硼0.01％、钛0.02％、铌0.15％，余量为铁。
热处理：
淬火：1020℃保温5小时，出炉风冷；
回火：480℃保温5小时，出炉空冷。
取3个位置的样品，测得冲击韧性分别为5.8J/cm2、5.7J/cm2、5.5J/cm2；洛氏硬度分别为63.5HRC、63.3HRC、63.3HRC。
对比例1板锤
成份：碳3.8％、硅0.7％、锰0.6％、铬26.4％、钼0.88％、镍0.8％、钒0.2％、钨0.18％、硼0.01％、钛0.02％、铌0.15％，余量为铁。
热处理：
淬火：1020℃保温5小时，出炉风冷；
回火：480℃保温5小时，出炉空冷。
取3个位置的样品，测得冲击韧性分别为2.8J/cm2、2.2J/cm2、2.6J/cm2；洛氏硬度分别为65.2HRC、65.5HRC、65.4HRC。
与实施例1相比，对比例1的碳含量升高，硬度有所提升，但冲击韧性下降，更容易产生断裂事故。
对比例2板锤
成份：碳2.9％、硅0.7％、锰0.6％、铬26.3％、钼0.88％、镍0.8％、钒0.2％、钨0.18％、硼0.01％、钛0.02％、铌0.15％，余量为铁。
热处理：
淬火：1020℃保温5小时，出炉风冷；
回火：480℃保温5小时，出炉空冷。
取3个位置的样品，测得冲击韧性分别为4.5J/cm2、4.2J/cm2、5.3J/cm2；洛氏硬度分别为61.1HRC、61.3HRC、61.5HRC。
与实施例1相比，对比例2的碳含量降低，硬度会降低，而冲击韧性也无提升。
对比例3板锤
成份：碳3.3％、硅0.7％、锰0.6％、铬25％、钼0.3％、镍0.3％、钒0.1％，余量为铁。
热处理：
淬火：1020℃保温5小时，出炉风冷；
回火：480℃保温5小时，出炉空冷。
取3个位置的样品，测得冲击韧性分别为2.7J/cm2、3.0J/cm2、2.8J/cm2；洛氏硬度分别为61.8HRC、61.5HRC、61.3HRC。
与实施例1相比，对比例3的钼、镍、钒、钨、钛、铌等元素含量降低或取消加入，硬度会降低，冲击韧性也下降明显。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高铬铸铁耐磨材料，包括：
Figure FDA0002906968020000011
2.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，所述C的含量为3.2～3.5wt％。
3.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，所述Cr的含量为24～26wt％。
4.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，所述Mo的含量为0.8～1.0wt％。
5.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，所述V的含量为0.2～0.4wt％。
6.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，所述W的含量为0.1～0.2wt％。
7.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，所述Nb的含量的0.05～0.15wt％。
8.根据权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料，其特征在于，包括C3.5wt％、Si0.7wt％、Mn0.6wt％、Cr26wt％、Mo0.9wt％、Ni0.8wt％、V0.2wt％、W0.18wt％、B0.01wt％、Ti0.02wt％、Nb0.15wt％，Fe余量。
9.权利要求1所述的高铬铸铁耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
按照成分配比配料后熔炼、浇注，得到铸件；
将所述铸件依次进行淬火和回火，得到高铬铸铁耐磨材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为1000～1020℃，保温时间为2～5h，冷却方式为风冷；所述回火的温度为450～520℃，保温时间为3～6h，冷却方式为空冷。
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