CN113025874B

CN113025874B - 一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法

Info

Publication number: CN113025874B
Application number: CN202110337358.3A
Authority: CN
Inventors: 郭强; 符寒光; 刘显武; 邢振国; 智小慧
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: CN113025874A

Abstract

一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法，属于耐磨铸铁材料技术领域。合金成分为C:4.00‑4.20％,Cr:35.0‑35.2％,Mn:0.51‑0.54％,Mo:1.07‑1.11％,Si:0.69‑0.72％,P:≤0.03％,S:≤0.03％,其余为铁。制备工艺：先制备铁水、脱氧，倒入浇包；在浇包内采用孕育变质的方法进行细化初生碳化物；浇注前在铁液上方撒上除渣剂，待铁液温度降至1440℃‑1460℃时进行浇注；铸件经清砂打磨后进行热处理，1000℃/保温1小时+500℃/保温3小时。使材料在拥有较高硬度和耐磨性能的同时具备一定的韧性。

Description

一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法

技术领域

本发明涉及一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法，该过共晶高铬铸铁适用于渣浆泵过流件如叶轮、护套、前护板和后护板等，属于耐磨铸铁材料技术领域。

背景技术

渣浆泵是用于固液两相流体输送的关键设备，其应用的范围极为广泛，如煤炭、采矿、水利等行业。在渣浆泵在工作时，其过流部件不仅要承受硬质颗粒的冲刷，还要承受浆体的腐蚀，如此恶劣的工况使得过流件使用寿命短，消耗大。据统计，我国的渣浆泵过流件的年消耗量在20万吨以上，其价值达到了35亿元以上。由此可见，开发使用寿命长的渣浆泵过流件新材质迫在眉睫。

高铬铸铁具有较好的耐磨、耐蚀性，是渣浆泵过流件的主导材料。目前渣浆泵过流件常用亚共晶高铬铸铁生产，如我国耐磨材料国家标准中的KMTBCr26 铸铁。但是，在磨损剧烈的工况下，亚共晶高铬铸铁寿命很短。如KMTBCr26高铬铸铁渣浆泵过流件，用在云锡集团华西选矿厂含硫化锡矿石浆料时的平均寿命只有120小时左右。渣浆泵过流件的严重磨损不仅增加了维护费用，还因为停机次数多，降低了渣浆泵效率。

过共晶高铬铸铁由于具有更高的含碳量，其耐磨性能远高于工业亚共晶高铬铸铁，是一种更具有应用前景的耐磨材料。人们通过合理地控制制造工艺过程，使过共晶高铬铸铁可用于渣浆泵过流件的生产制造，获得了更耐磨、使用寿命更长的产品。但随着过共晶高铬铸铁中含碳量的增加，其组织中初生碳化物也变得粗大，导致其韧性相对较差，在承受高冲击或大颗粒冲击的情况下，可能会发生开裂的现象，这一缺陷在一定程度上制约了过共晶高铬铸铁的应用。

近年来，为攻克这一难题，人们通常采用孕育和变质的手段改善铸铁的性能。孕育处理是加入可以形核的元素，提高形核率、细化晶粒和细化碳化物，从而细化组织的一种工艺；而变质处理则是加入改善组织中第二相生长的合金元素，促使碳化物孤立状和团球化，改善碳化物形态，同时还可改善夹杂物形态和分布，提高综合机械性能和减少铸造缺陷的一种工艺。

中国发明专利CN110453141A公开了一种用于渣浆泵高韧性高铬铸铁材料及其制备方法，该材料成分为：C 3.0％-3.4％,Cr 18％-24％,Ni1％-2％,W 0.8％-1.2％,其余为Fe。该方法使用包内冲入0.2％-0.5％高效稀土复合变质剂的方法进行孕育处理。孕育处理后可提高渣浆泵过流件的硬度及耐磨性，同时提高铸造性能，使其使用寿命为其它渣浆泵的2-3倍。该发明可有效改善过共晶高铬铸铁的综合性能，但是使用复合变质剂的孕育效果一般。中国发明专利 CN107475599A还公开了一种针对BTMCr26的复合变质处理技术。该专利使用的复合变质剂为稀土、硼和钒。该发明通过加入稀土，降低了铁液中有害的夹杂物，并且可细化晶粒；加入硼，显著的提高了材料的淬透性。加入钒，有利于形成马氏体，细化组织。通过复合变质处理，使得材料的洛氏硬度提高了5％，冲击韧性由7-10J/cm²提高至12-14J/cm²，约提高了53％。中国发明专利 CN107058856A还公开了一种液相变质剂和制备高铬铸铁的方法。该专利提出了一种液相变质剂，由以下质量配方的化学元素成分组成：Al:0.10-0.25％,Ti: 0.10-0.40％,V:0.2.-0.50％,B:0.03-0.10％,Zn:0.005-0.013％,Cu:0.08-0.40％,稀土元素:0.10-0.20％。此发明，可显著提高材料的韧性和硬度，在基本相同的制造成本下，可以增加铸件的使用寿命约30％，增加使用寿命的同时，增加杂质泵使用中的最佳功效的时间限制，节约电力，同时减少了用户在使用过程中检修次数，减轻维修工人的负荷。

中国发明专利CN100453674公开了一种采用二次孕育变质处理的方法。该材料成分为:C 3.5％-4.5％,Cr 17％-30％,Mn 1.0％-3.0％,Si 0.5％-1.5％,Cu 1.0％-2.0％,Ni<1％,其余为Fe。二次孕育指孕育变质和随流变质，其中孕育剂由中间合金、钾盐和铈稀土镁合金组成，随流孕育是通过在浇注的同时向金属液中加入铁合金颗粒。孕育剂的中间合金含有的TiN、NbN等颗粒可作为促进初生碳化物形核的基体，增加初生碳化物的形核数量。稀土、镁和钾等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化。随流孕育剂的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物来不及长大，从而达到细化初生碳化物的目的。该发明的过共晶高铬铸铁硬度高，韧性较好，耐磨性优良，但是在铸造过程中对设备的要求较高，不易于大型铸件的生产。

本发明公开了一种过共晶高铬铸铁及孕育变质处理方法。使用含碳、铬量较高的过共晶高铬铸铁，并使用孕育变质的方法细化组织中的初生碳化物，可使材料在拥有较高硬度和耐磨性能的同时具备一定的韧性。通过合理的热处理工艺，改善基体组织，提高材料的综合性能，宏观硬度可达到62HRC。总的来说，本发明过共晶高铬铸铁生产成本低，综合性能优良，可用于渣浆泵的选材，具有很好的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理的方法，使得该材料可作为制造输送具有强烈磨损性浆料的渣浆泵过流件。

为实现上述目标，本发明采取如下技术方案：

一种过共晶高铬铸铁，其特征在于，各组分质量百分比如下：

C:4.00-4.20％,Cr:35.0-35.2％,Mn:0.51-0.54％,Mo:1.07-1.11％,Si: 0.69-0.72％,P:≤0.03％,S:≤0.03％,其余为铁。

本发明过共晶高铬铸铁采用感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

1)先将部分高碳铬铁置于电炉底部，然后加入废钢、钼铁、锰铁和硅铁混合加热熔化；炉中材料熔化后加入低碳铬铁和剩余的高碳铬铁，调整成分；铁水升温至1520℃-1540℃，加入铝作为脱氧剂，脱氧后立即将熔化的合金液倒入浇包；

2)在浇包内采用孕育变质的方法进行细化初生碳化物，孕育变质所用的孕育变质剂由稀土镁合金和TiBAl合金组成，其中稀土镁合金占合金液质量的0.6％， TiBAl合金占合金液质量的0.3％。

加入方法为：先将包内孕育变质剂按要求量放入浇包底部，用冲入法将过共晶高铬铸铁液迅速冲入；

3)浇注前在铁液上方撒上除渣剂，挡渣浇注，待铁液温度降至1440℃-1460℃时进行浇注，浇注后在浇道口覆盖耐火石棉保温，防止开裂；

4)铸件经清砂打磨后进行热处理，其方法是：

淬火：从室温缓慢升温至1000℃，保温1小时，然后风冷至室温。

回火：经淬火后的过共晶高铬铸铁在回火温度为500℃的条件下，保温3小时。

附图说明

图1未经孕育变质处理的过共晶高铬铸铁组织图。

图2经孕育变质处理的过共晶高铬铸铁组织图。

具体实施方式

过共晶高铬铸铁的性能由金相显微组织决定，而组织主要取决于化学成分、热处理工艺和制备过程。

1)本发明过共晶高铬铸铁化学成分的确定：

碳：提高碳含量能增加碳化物数量，其效果远比提高铬含量更为显著，碳化物百分数K可以用下式估算：

K％＝11.3％(C％)+0.5(Cr％)-13.4

增加碳化物数量能提高抗磨性，但是降低韧性，所以不宜太高，故设定为 4.0-4.2％。

铬：铬元素作为高铬铸铁的主要合金元素，一部分铬原子会置换碳化物中的铁原子形成新的碳化物，提高硬度，另一部分会溶于奥氏体中，稳定基体，使材料淬透性得到改善。淬透性随Cr/C比的增加而提高。

锰：锰能稳定奥氏体，锰对高铬铸铁凝固过程的主要影响是改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围，在锰量较高时，如在4％左右时，铸态高铬铸铁得到全奥氏体组织，使高铬铸铁在铸态下直接使用成为可能；锰还对碳化物的数量、结构没有显著影响，碳化物中固溶少量锰后，硬度稍有增加。但是，由于锰大大降低了Ms点温度，增加淬火后残余奥氏体量，降低淬火后的最高硬度，而且过量的锰溶于碳化物中，会使碳化物变得更脆，易产生裂纹。故锰在高铬铸铁中的使用应受到限制。本发明的过共晶高铬铸铁的含锰量为0.5％左右。

钼：钼有一部分进入碳化物，一部分融入奥氏体，融入的钼量可以有效的提高Ms温度，减少室温组织中的残余奥氏体的含量；可以有效的抑制二次碳化物析出和提高淬透性。钼在高铬铸铁中的含量一般应根据含铬量、铬碳比、铸铁的厚度、铸型种类及其他合金元素的加入的量而定。依据以上所述的影响因素，本发明选取钼的含量为1.07-1.11％。

硅：硅是钢铁材料中的常存元素。由于硅和氧的亲合力大于锰、铬等，在熔炼过程中，它可以减少以上所述合金元素的氧化损失。硅可降低淬透性，所以硅一般限制在0.8％以下。但是硅可提高Ms所以，在高铬铸铁中加入一定量的硅元素是必要的。本发明的过共晶高铬铸铁选区的含硅量为0.69-0.72％。因此，最终的化学成分见表1.

表1过共晶高铬铸铁化学成分(wt％)

2)孕育变质剂的确定

本发明中，采用复合孕育变质剂细化初生碳化物，孕育变质剂由0.6wt.％的稀土镁合金和0.3wt.％的TiBAl合金组成。

本发明选用的稀土镁合金化学成分如表2所示。稀土是应用比较广泛的变质剂。稀土元素的熔点低，原子半径大，在Fe-C-Cr合金中是强成分过冷元素，同时又是非碳化物形成元素。因此，在凝固过程中就会通过溶质再分配而富集在初生奥氏体枝晶前沿熔体中，造成成分过冷，使产生奥氏体细化。稀土元素在生长的共晶碳化物上活化吸附，促使共晶过冷度加大和共晶凝固范围增大，导致共晶碳化物大量形核。偏聚在共晶碳化物择优长大方向或长大前沿熔体中的稀土元素阻碍铁、碳和铬原子的扩散，降低了共晶碳化物择优长大方向上的长大速度，导致碳化物的分散化，从而促使碳化物均匀分布。同时稀土元素可以形成氧硫化物，在净化铁液的同时可作为异质形核点，增加形核率，从而细化初生碳化物。

Mg基变质剂的除气和净化作用使得热力学过冷度增加，促进了熔液的均匀形核，使形核率提高；由于相变温度的降低，原子扩散速度变慢，形核后长大速度下降，使凝固组织进一步得到细化。同时Mg是表面活性元素，极易吸附于铸铁熔液的液固界面处，Mg在形核核心表面的富集将起到一层膜的作用，这层膜可阻碍基体及碳化物的长大。

表2稀土镁合金化成分(wt.％)

本文选用的TiBAl合金化学成分如表3所示。钛合金化细化过共晶高铬铸铁的机理为：Ti和C化合生成高熔点TiC，TiC颗粒可作为初生M₇C₃型碳化物异质形核质点，起到促进形核的作用；钛元素富集在碳化物表面，起到阻碍熔体中的Fe、C、Cr等碳化物形成元素的原子向碳化物晶体扩散的作用，从而减缓了碳化物的生长速率并细化碳化物。

B能取代部分碳形成硼碳化物，且B能提高高铬铸铁的淬透性，促进马氏体的生成，可提高材料的耐磨性能。Al能脱氧、除气、净化铁液并降低初生奥氏体形核阻力的作用，还有细化初生碳化物，并改善碳化物分布均匀性的作用。

表3 TiBAl合金的化学成分(wt.％)

3)热处理工艺的确定

本发明选用的热处理工艺是：淬火(从室温缓慢升温至1000℃，保温1小时，然后风冷至室温)+回火(回火温度为500℃的条件下，保温3小时)。热处理后金相组织为：初生碳化物+共晶碳化物+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。

本发明的过共晶高铬铸铁有以下特点：

1.采用C:4.00-4.20％,Cr:35.0-35.2％的化学成分，不含镍、铌、钒等贵重元素，原材料来源丰富，成本与KMTBCr26相当。

2.使用稀土镁和TiBAl合金组成的复合孕育变质剂，可明显细化初生碳化物，使得材料的综合性能得到提高。

3.本发明中含碳量和含铬量均较高，使得组织中碳化物的体积分数较高，增加了材料的硬度和耐磨性。宏观硬度达到了62HRC，高出KMTBCr26约5HRC。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法，其特征在于用1000公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先将部分高碳铬铁置于电炉底部，然后加入废钢、钼铁、锰铁和硅铁混合加热熔化。炉中材料熔化后加入低碳铬铁和剩余的高碳铬铁。铸铁化学组成及其质量分数控制为：C:4.00％,Cr:35.2％,Mn:0.54％, Mo:1.07％,Si:0.72％,0.027％P,0.008％S,其余为铁。炉前调整成分合格后，将铁水升温至1530℃，加入0.08％的铝作为脱氧剂，脱氧后立即将熔化的合金液倒入浇包。在浇包内采用孕育变质的方法进行细化初生碳化物，孕育变质所用的孕育变质剂由稀土镁合金和TiBAl合金组成，其中稀土镁合金占铁液的0.6％，TiBAl 合金占铁液的0.3％。稀土镁合金的化学组成见表4，TiBAl合金的化学组成见表 5。加入方法为：先将包内孕育变质剂按要求量放入浇包底部，用冲入法将过共晶高铬铸铁液迅速冲入。浇注前在铁液上方撒上除渣剂，挡渣浇注，待铁液温度降至1440℃时进行浇注，浇注后在浇道口覆盖耐火石棉保温，防止开裂。铸件经清砂打磨后进行热处理，其方法是：从室温缓慢升温至1000℃，保温1小时，然后风冷至室温。经淬火后的过共晶高铬铸铁在回火温度为500℃的条件下，保温3小时。其力学性能和耐磨性见表6。

表4稀土镁合金化成分(wt.％)

表5TiBAl合金的化学成分(wt.％)

实施例2：

一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法，其特征在于用3000公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先将部分高碳铬铁置于电炉底部，然后加入废钢、钼铁、锰铁和硅铁混合加热熔化。炉中材料熔化后加入低碳铬铁和剩余的高碳铬铁。铸铁化学组成及其质量分数控制为：C:4.02％,Cr:35.1％,Mn:0.52％, Mo:1.08％,Si:0.70％,0.024％P,0.011％S,其余为铁。炉前调整成分合格后，将铁水升温至1540℃，加入0.08％的铝作为脱氧剂，脱氧后立即将熔化的合金液倒入浇包。在浇包内采用孕育变质的方法进行细化初生碳化物，孕育变质所用的孕育变质剂由稀土镁合金和TiBAl合金组成，其中稀土镁合金占铁液的0.6％，TiBAl 合金占铁液的0.3％。稀土镁合金的化学组成见表4，TiBAl合金的化学组成见表5。加入方法为：先将包内孕育变质剂按要求量放入浇包底部，用冲入法将过共晶高铬铸铁液迅速冲入。浇注前在铁液上方撒上除渣剂，挡渣浇注，待铁液温度降至1460℃时进行浇注，浇注后在浇道口覆盖耐火石棉保温，防止开裂。铸件经清砂打磨后进行热处理，其方法是：从室温缓慢升温至1000℃，保温1小时，然后风冷至室温。经淬火后的过共晶高铬铸铁在回火温度为500℃的条件下，保温3小时。其力学性能和耐磨性见表6。

实施例3：

一种过共晶高铬铸铁及其孕育变质处理方法，其特征在于用1500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先将部分高碳铬铁置于电炉底部，然后加入废钢、钼铁、锰铁和硅铁混合加热熔化。炉中材料熔化后加入低碳铬铁和剩余的高碳铬铁。铸铁化学组成及其质量分数控制为：C:4.2％,Cr:35.2％,Mn:0.53％, Mo:1.11％,Si:0.71％,0.020％P,0.012％S,其余为铁。炉前调整成分合格后，将铁水升温至1536℃，加入0.08％的铝作为脱氧剂，脱氧后立即将熔化的合金液倒入浇包。在浇包内采用孕育变质的方法进行细化初生碳化物，孕育变质所用的孕育变质剂由稀土镁合金和TiBAl合金组成，其中稀土镁合金占铁液的0.6％，TiBAl 合金占铁液的0.3％。稀土镁合金的化学组成见表4，TiBAl合金的化学组成见表 5。加入方法为：先将包内孕育变质剂按要求量放入浇包底部，用冲入法将过共晶高铬铸铁液迅速冲入。浇注前在铁液上方撒上除渣剂，挡渣浇注，待铁液温度降至1445℃时进行浇注，浇注后在浇道口覆盖耐火石棉保温，防止开裂。铸件经清砂打磨后进行热处理，其方法是：从室温缓慢升温至1000℃，保温1小时，然后风冷至室温。经淬火后的过共晶高铬铸铁在回火温度为500℃的条件下，保温3小时。其力学性能和耐磨性见表6。

磨损试验在MM-200型环块磨损试验机上进行，试验载荷为294N，时间为 2h,试验机转速为200转/分。试验前后分别称重一次，并将磨损失重记录。对磨环材料为GCr15，其硬度为60HRC。过共晶高铬铸铁磨损失重如表6所示。过共晶高铬铸铁经孕育变质处理后，因碳化物形态和分布的显著改善，冲击韧性显著提高，提高84.5％以上。磨损失重减少，耐磨性大幅度提高，提高54.4％以上。

表6过共晶高铬铸铁力学性能和耐磨性

Claims

1.一种过共晶高铬铸铁，其特征在于，各组分质量百分比如下：

C:4.00-4.20％,Cr:35.0-35.2％,Mn:0.51-0.54％,Mo:1.07-1.11％,Si:0.69-0.72％,P:≤0.03％,S:≤0.03％,其余为铁；

其制备方法包括以下步骤：

2)在浇包内采用孕育变质的方法进行细化初生碳化物，孕育变质所用的孕育变质剂由稀土镁合金和TiBAl合金组成，其中稀土镁合金占合金液质量的0.6％，TiBAl合金占合金液质量的0.3％；

4)铸件经清砂打磨后进行热处理，其方法是：

淬火：从室温缓慢升温至1000℃，保温1小时，然后风冷至室温；

2.制备权利要求1所述的一种过共晶高铬铸铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4)铸件经清砂打磨后进行热处理，其方法是：

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，稀土镁合金的化学组成及质量分数是：Mg11.05-11.37％，RE 2.06-2.33％，Si 40.24-40.67％，Ca 2.11-2.48％，Fe余量。

4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，TiBAl合金的化学组成及质量分数是：Ti5.04-5.19％，B 0.98-1.23％，Fe 0.08-0.15％，Si 0.04-0.09％，Al余量。