CN113265580A - 一种高氮高钒高铬耐磨合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铁合金领域，具体涉及一种高氮高钒高铬耐磨合金及其制备方法。该高氮高钒高铬耐磨合金由以下质量百分比的元素组成：C 2.8‑3.1％、V 5.0‑7.0％、Cr 14.0‑16.0％、N0.09‑0.3％、Mo 3.0‑5.3％、Si 0.5‑1.0％、Mn 0.4‑1.0％、Ce 0.1‑0.3％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的耐磨合金中，钒元素能形成高硬度的初生碳化钒VC，初生VC作为共晶相形核核心，减小M7C3型碳化物的尺寸和奥氏体枝晶臂间距；较高的N、V、Cr合用配合铸铁中的其他元素，能够显著改善铸铁的硬度、冲击韧性，多类型的碳化物协同作用有利于提高材料的磨损性能。

Description

一种高氮高钒高铬耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铁合金领域，具体涉及一种高氮高钒高铬耐磨合金及其制备方法。
背景技术
磨损、腐蚀及断裂是材料失效的主要形式。
腐蚀磨损和磨粒磨损(磨料)是耐磨材料应用最为广泛的两个场景之一。本课题组在前期报道了针对腐蚀磨损的相关耐蚀合金(公开号为CN109295382A)，其应用场景为渣浆泵等同时具有腐蚀和磨损作用的场合。矿山、机械、冶金、电力、建筑等领域用耐磨材料，主要用于抵抗磨料磨损，目前主要使用高铬铸铁。
高铬铸铁的耐磨性主要与碳化物有关。高铬铸铁的碳化物主要有M7C3和M23C6两种类型，其优良的耐磨性主要与有较高硬度的M7C3碳化物有关。然而高铬铸铁中，M7C3碳化物呈粗大的六边形杆状或条状，脆性大，韧性差，在一定程度影响材料的耐磨性能。这造成了高铬铸铁在使用过程中难以抵抗严重的磨料磨损，失效频率较高，使用寿命并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高氮高钒高铬耐磨合金，进一步改善现有铸铁合金的磨料磨损性能。
本发明的第二个目的在于提供上述高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明的高氮高钒高铬耐磨合金的技术方案是：
一种高氮高钒高铬耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.8-3.1％、V：5.0-7.0％、Cr：14.0-16.0％、N：0.09-0.3％、Mo：3.0-5.3％、Si：0.5-1.0％、Mn：0.4-1.0％、稀土元素Ce：0.1-0.3％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的高氮高钒高铬耐磨合金，氮元素是稳定奥氏体元素，能细化晶粒和提高高铬铸铁的硬度；铬元素能形成M7C3型碳化物，钼元素能形成M2C型碳化物，钒元素能形成高硬度的初生碳化钒VC，初生VC作为共晶相形核核心，减小M7C3型碳化物的尺寸和奥氏体枝晶臂间距；较高的N、V、Cr合用配合铸铁中的其他元素，能够显著改善铸铁的硬度、冲击韧性，多类型的碳化物协同作用有利于提高材料的磨损性能。
优选的，上述高氮高钒高铬耐磨合金由以下质量百分比的元素组成：C：2.9-3.1％、V：5.0-7.0％、Cr：14.0-16.0％、N：0.1-0.2％、Mo：3.0-4.0％、Si：0.9-1.0％、Mn：0.4-1.0％，稀土元素Ce：0.1-0.3％，余量为铁及不可避免的杂质。
制备高氮高钒高铬耐磨合金可采用真空感应正压熔炼的方法。
高氮高钒高铬耐磨合金在制备的过程中氮元素容易形成氮气析出，而真空感应正压熔炼的方法可以通过加压减小氮元素在制备过程中的析出。但是这种方法操作复杂，合适压力的选择需要耗费大量的人力物力，不适合应用于大批量的材料生产。
相对于上述熔炼方法，本发明另外提供一种中频感应熔炼的方法。
本发明的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法的技术方案是：
一种高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：按配方取原料熔炼，得到熔炼液，浇注成型，得到铸锭；将铸锭先在850-1050℃进行淬火处理，然后在240-260℃进行回火处理。
采用中频感应熔炼法制备高氮高钒高铬耐磨合金，通过固氮元素钒、铬阻止氮元素的析出，操作简单，成本较低。
优选的，所述高氮高钒高铬耐磨合金中的组织相包括马氏体、残余奥氏体和碳化物。碳化物包括M7C3、M23C6、VC、M2C，M代表Fe或Cr。
进一步提高热处理的效率，更优选的，所述淬火处理包括先升温至780-820℃，保温0.5-1.5h，然后升温至1000-1050℃，保温2-4h，空冷至室温。所述回火处理是在250℃保温2-2.5h，然后空冷至室温。
优选的，所述熔炼时，加入铝作为脱氧剂。
优选的，所述原料包括高碳铬铁、钒铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁、生铁和稀土硅铁合金，先进行高碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁、生铁的熔炼，加入铝脱氧，再加入钒铁熔炼，然后使用稀土硅铁合金终脱氧。
优选的，钒铁熔炼后，熔液的温度保持为1500-1550℃。
优选的，所述稀土硅铁合金由如下质量百分比的组分构成：Ce39-42％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。
附图说明
图1为本发明实施例1的耐磨合金的X射线衍射图；
图2为本发明实施例1的耐磨合金的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1-4的耐磨合金在不同磨料粒度下的磨损失重量；
图4为本发明实施例1-4的耐磨合金在不同载荷下的磨损失重量。
具体实施方式
以下实施例中，高碳铬铁、钒铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁和生铁等原料均为市售商品。
高碳铬铁的成分组成为C：7.3％、Cr：60.12％、Si：1.5％、P：0.02％、S：0.01％和铁。
钒铁的成分组成为C：0.3％、V：50.2％、Si：0.18％、P：0.05％、S：0.03％和铁。
氮化铬铁的成分组成为C：0.058％、Cr：60.02％、N：6.6％、Si：1.47％、Mn：0.496％、P≤0.028％、S≤0.03％和铁。
钼铁的成分组成为C：0.13％、Mo：60.5％、Si：1.8％、Cu：0.4％、Sb：0.03％、Sn：0.03％、P≤0.04％、S≤0.08％和铁。
锰铁的成分组成为C：6.3％、Mn：65.83％、Si：1.25％、P≤0.01％、S≤0.01％和铁。
生铁的成分组成为C：4.29％、Si：0.87％、Mn：0.126％、P≤0.034％、S≤0.022％、Ti：0.038％、V：0.019％、Cr：0.005％、As：0.008％和铁。
合金中不可避免的杂质主要包括S和P。优选的，S的质量百分比<0.05％，更优选S≤0.01％。P的质量百分比P<0.05％，更优选P≤0.01％。
稀土元素Ce来自于稀土硅铁合金。稀土硅铁合金的化学成分组成为：Ce 39％～42％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。更优选为：Ce 39％～42％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
实施例1
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.818％、V：5.5％、Cr：14.03％、N：0.09％、Mo：3.271％、Si：0.861％、Mn：0.496％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.1％，余量为铁及不可避免的杂质。余量为铁和其它不可避免的杂质。
实施例2
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：2.926％、V：6.0％、Cr：14.66％、N：0.1％、Mo：3.894％、Si：0.907％、Mn：0.564％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.1％，余量为铁及不可避免的杂质。余量为铁和其它不可避免的杂质。
实施例3
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：3.068％、V：6.5％、Cr：15.04％、N：0.12％、Mo：4.532％、Si：0.961％、Mn：0.603％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.1％，余量为铁及不可避免的杂质。余量为铁和其它不可避免的杂质。
实施例4
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金，由以下质量百分比的元素组成：C：3.105％、V：7.0％、Cr：15.92％、N：0.14％、Mo：5.247％、Si：1.093％、Mn：0.681％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.1％，余量为铁及不可避免的杂质。
高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法的实施例1
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)在18kg的中频感应熔炼炉中，先将配比好的高碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁和生铁放入炉内坩埚熔炼，然后加入铝块脱氧，脱氧后添加钒铁。铝块的加入量为总质量的0.1％，脱氧后形成浮渣，会有微量Al进入合金中，该部分Al量在合金体系中可忽略。
(2)利用中频感应加热，保持熔炼液温度为1500℃，取样检验，如果各元素含量不符合成分要求，调相应元素的含量使其符合要求。
(3)在浇包中加入稀土硅铁合金进行终脱氧，稀土硅铁合金加入量为总质量的0.3％，然后利用液压系统将坩埚中的熔炼液浇注到浇包中，之后将熔炼液凝固成型，得到铸锭。稀土硅铁合金由如下重量百分比的组分组成：Ce 39％，Si 30％，Mn 1.3％，余量为铁和不可避免的杂质。
(4)将步骤(3)所得铸锭先进行淬火处理，再进行回火处理。淬火处理时，先升温至800℃保温1h，然后升温至1000℃保温2h，空冷至室温。回火处理是在250℃保温2h，然后空冷至室温，即得实施例1的耐磨合金。
高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法的实施例2
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)在18kg的中频感应熔炼炉中，先将配比好的高碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁和生铁放入炉内坩埚熔炼，然后加入铝块脱氧，脱氧后添加钒铁。铝块的加入量为总质量的0.1％，脱氧后形成浮渣，会有微量Al进入合金中，该部分Al量在合金体系中可忽略。
(2)利用中频感应加热，保持熔炼液温度为1500℃，取样检验，如果各元素含量不符合成分要求，调相应元素的含量使其符合要求。
(3)在浇包中加入稀土硅铁合金进行终脱氧，稀土硅铁合金加入量为总质量的0.3％，然后利用液压系统将坩埚中的熔炼液浇注到浇包中，之后将熔炼液凝固成型，得到铸锭。稀土硅铁合金由如下重量百分比的组分组成：Ce 39％，Si 30％，Mn 1.3％，余量为铁和不可避免的杂质。
(4)将步骤(3)所得铸锭先进行淬火处理，再进行回火处理。淬火处理时，先升温至800℃保温1h，然后升温至1000℃保温3h，空冷至室温。回火处理是在250℃保温2h，然后空冷至室温，即得实施例2的耐磨合金。
高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法的实施例3
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，对实施例3的耐磨合金的制备进行详细说明，包括以下步骤：
(1)在18kg的中频感应熔炼炉中，先将配比好的高碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁和生铁放入炉内坩埚熔炼，然后加入铝块脱氧，脱氧后添加钒铁。铝块的加入量为总质量的0.1％，脱氧后形成浮渣，会有微量Al进入合金中，该部分Al量在合金体系中可忽略。
(2)利用中频感应加热，保持熔炼液温度为1550℃，取样检验，如果各元素含量不符合成分要求，调相应元素的含量使其符合要求。
(3)在浇包中加入稀土硅铁合金进行终脱氧，稀土硅铁合金加入量为总质量的0.3％，然后利用液压系统将坩埚中的熔炼液浇注到浇包中，之后将熔炼液凝固成型，得到铸锭。稀土硅铁合金由如下重量百分比的组分组成：Ce 39％，Si 30％，Mn 1.3％，余量为铁和不可避免的杂质。
(4)将步骤(3)所得铸锭先进行淬火处理，再进行回火处理。淬火处理时，先升温至800℃保温1h，然后升温至1050℃保温2h，空冷至室温。回火处理是在250℃保温2.5h，然后空冷至室温，即得实施例3的耐磨合金。
高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法的实施例4
本实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)在18kg的中频感应熔炼炉中，先将配比好的高碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁和生铁放入炉内坩埚熔炼，然后加入铝块脱氧，脱氧后添加钒铁。铝块的加入量为总质量的0.1％，脱氧后形成浮渣，会有微量Al进入合金中，该部分Al量在合金体系中可忽略。
(2)利用中频感应加热，保持熔炼液温度为1500℃，取样检验，如果各元素含量不符合成分要求，调相应元素的含量使其符合要求。
(3)在浇包中加入稀土硅铁合金进行终脱氧，稀土硅铁合金加入量为总质量的0.3％，然后利用液压系统将坩埚中的熔炼液浇注到浇包中，之后将熔炼液凝固成型，得到铸锭。稀土硅铁合金由如下重量百分比的组分组成：Ce 39％，Si 30％，Mn 1.3％，余量为铁和不可避免的杂质。
(4)将步骤(3)所得铸锭先进行淬火处理，再进行回火处理。淬火处理时，先升温至800℃保温1h，然后升温至1050℃保温3h，空冷至室温。回火处理是在250℃保温2.5h，然后空冷至室温，即得实施例4的耐磨合金。
对比例
对比例的普通高铬铸铁由如下质量百分比的元素组成：C：3.2％、Cr：23.7％、Mo：0.45％、Mn：1.23％、Si：0.52％、Ni：0.42％、Cu：0.18％、P≤0.01％、S≤0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。其具体制备方法参考高氮高钒高铬耐磨合金相应的制备方法的实施例。
试验例1
对实施例1的高氮高钒高铬耐磨合金材料取典型区域用砂纸进行打磨、抛光，在X射线衍射仪上进行相结构分析，利用扫描电镜进行组织形貌分析，测试结果分别如图1和图2所示。
由图1可知，实施例1的材料的相组成为马氏体、残余奥氏体、AlN和碳化物(M7C3，M23C6、VC、M2C；M为Fe或Cr)，因而具有较高的耐磨性。因加入铝块脱氧，体系中含有少量的AlN。
由图2可知，实施例制备的高氮高钒高铬耐磨合金中的M7C3碳化物主要为中间带小孔的多边形共晶，其次为均匀分布在基体中的颗粒状二次析出物，二次析出物的含量较多，对提高材料的耐磨性有利。
试验例2
取实施例1-4和对比例的耐磨合金，采用现有技术测试其硬度和冲击韧性。用HR-150A型洛氏硬度计测试试样的宏观硬度，要求试样上下表面平行光滑，取间距大于3mm的五个测点的平均值作为最终硬度值。采用JB-300B(摆锤式)冲击试验机测定试样的冲击韧性。试样为20mm×20mm×110mm无缺陷标准试样。测量跨度是70毫米。测试结果如表1所示：
表1实施例1-4及对比例中材料的力学性能测试对比
试样 硬度/HRC 冲击韧性/J/cm<sup>2</sup>
高铬铸铁 56.54 5.25
实施例1 62.28 8.6
实施例2 63.13 10.54
实施例3 62.5 9.3
实施例4 63.50 9.12
由表1内容可知，采用本发明的高氮高钒高铬耐磨合金硬度和冲击韧性均高于对比例的高铬铸铁，说明本发明的高氮高钒高铬耐磨合金的综合力学性能较好。
试验例3
取实施例1-4和对比例的耐磨合金，测试其在不同载荷(0.35MPa,1.41MPa,2.48MPa and3.54MPa)和磨料粒度(6.5μm、13μm、32μm、68μm)下的磨损失重量。磨粒磨损试验在ML-100型针盘磨料试验机上进行，试验机盘的转速为60rpm。磨粒磨损试验所用的试样的大小为
Figure BDA0003090448360000071
在实验之前用金相砂纸打磨试样，在乙醇溶液中进行超声冲洗、烘干并称重。测试前每个样品都预磨3分钟，以使表面尽可能光滑。试验进行时，试样会随着夹具做往复的直线运动，对磨材料随圆盘做循环往复的圆周运动，最大半径为120mm，最小半径为30mm，每个试样循环15次。试验前后利用精度为0.1g的分析天平称重，用材料的损失量来表征耐磨性能，结果如图3和4所示。
由图3和4可知，实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的耐磨性明显优于对比例的普通高铬铸铁，而且磨料粒度和载荷越大，实施例的高氮高钒高铬耐磨合金的耐磨性改善愈加显著。这增加了实施例的合金制品在强磨损工况中的耐磨表现，有利于提衬板、叶轮、管道等相应铸铁件的服役寿命。

Claims (10)

1.一种高氮高钒高铬耐磨合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成：C：2.8-3.1％、V：5.0-7.0％、Cr：14.0-16.0％、N：0.09-0.3％、Mo：3.0-5.3％、Si：0.5-1.0％、Mn：0.4-1.0％、稀土元素Ce：0.1-0.3％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高氮高钒高铬耐磨合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成：C：2.9-3.1％、V：5.0-7.0％、Cr：14.0-16.0％、N：0.1-0.2％、Mo：3.0-4.0％、Si：0.9-1.0％、Mn：0.4-1.0％，稀土元素Ce：0.1-0.3％，余量为铁及不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按配方取原料熔炼，得到熔炼液，浇注成型，得到铸锭；将铸锭先在850-1050℃进行淬火处理，然后在240-260℃进行回火处理。
4.如权利要求3所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述高氮高钒高铬耐磨合金中的组织相包括马氏体、残余奥氏体和碳化物。
5.如权利要求3所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述淬火处理包括先升温至780-820℃，保温0.5-1.5h，然后升温至1000-1050℃，保温2-4h，空冷至室温。
6.如权利要求3所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述回火处理是在250℃保温2-2.5h，然后空冷至室温。
7.如权利要求3～6中任一项所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼时，加入铝作为脱氧剂。
8.如权利要求7所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述原料包括高碳铬铁、钒铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁、生铁和稀土硅铁合金，先进行高碳铬铁、氮化铬铁、钼铁、锰铁、生铁的熔炼，加入铝脱氧，再加入钒铁熔炼，然后使用稀土硅铁合金终脱氧。
9.如权利要求8所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，钒铁熔炼后，熔液的温度保持为1500-1550℃。
10.如权利要求8所述的高氮高钒高铬耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述稀土硅铁合金由如下质量百分比的组分构成：Ce39-42％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。
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