CN113444964A

CN113444964A - 一种高强高韧耐磨高铬铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN113444964A
Application number: CN202110573450.XA
Authority: CN
Inventors: 李卫; 易艳良; 涂小慧; 陈鹏
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2021-09-28

Abstract

本发明属于抗磨金属材料技术领域，具体涉及一种高强高韧耐磨高铬铸铁及其制备方法。该铸铁的化学成分，以质量分数计，包括(wt％)：2.5～3.5％C，0.5～1.0％Si，15～18％Cr，0.4～0.6％B，0.3～0.5％Nb，0.3～0.5％Ti，0.6～1％K/Na，0.3～0.5％Re，余量为Fe。本发明通过添加有效的合金元素和变质处理可以细化高铬铸铁基体组织，改善相应碳化物的形态和分布使高铬铸铁的强度和韧性改善，可提高高铬铸铁的耐磨性。本发明所述铸铁宏观硬度可达到63～66HRC，冲击韧性可达到13.5～17.5J/cm²。

Description

一种高强高韧耐磨高铬铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于抗磨金属材料技术领域，具体涉及一种高强高韧耐磨高铬铸铁及其制备方法。

背景技术

提高机械零部件的耐磨性与使用寿命，始终是科研工作者们最关注的问题，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，高铬铸铁材料成为了新一代耐磨材料，也是新世纪信息、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。

高铬铸铁在铸态时，表现出力学性能较差，体现在脆性和韧性上。在工程使用过程中一些零部件出现断裂、局部区域破坏等一系列严重事故，使得高铬铸铁在工程应用范围受到了一定的限制。材料硬度不变的条件下，能够提高其韧性和其他的力学性能是至关重要的，现有研究者试图通过热处理工艺改善、使用高精端设备仪器等改善相应的综合使用性能。但是，这样生产出一种高强高韧耐磨高铬铸铁材料会增加生产工序，增加生产成本。

碳化物形成元素主要包括Ti,Zr,Nb,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe等，这些元素都位于元素周期表中铁元素的左边，它们都可与碳元素形成化合物，但形成的碳化物的性质差别很大。高铬铸铁有三个基本的相变过程：加热时奥氏体的形成、冷却时过冷奥氏体的分解以及淬火马氏体回火时的转变。合金元素对它加热时奥氏体形成过程的影响合金元素对减小奥氏体晶粒长大倾向的作用也各不相同。Ti、V、Zr、Nb等强碳化物形成元素强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒。W、Mo、Cr阻止奥氏体晶粒长大的作用中等。非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻止奥氏体晶粒长大的作用轻微。Mn、P有助于奥氏体晶粒的长大。合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响几乎所有的合金元素(除C)外都使C曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度除Co、Al以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高淬透性的元素主要有Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B合金元素对回火过程的影响。

迄今，耐磨金属材料中硬质相尺度、形态和分布调控应用较多的仍属微合金变质处理。变质处理的核心是改变凝固过程中硬质相的形核和生长条件，而完成这个目的的关键在于变质剂的选择。从根本上讲，合金的变质方法都可以归纳为两类：(一)影响待变质相的长大速度；(二)提高待变质相的形核率。针对(一)具体措施有：加入抑制硬质相生长的活性元素，如K、Na、Mg、Al、Ca、Sr等，在硬质相表面形成吸附薄膜，阻碍硬质相生长，达到细化目的；针对(二)具体措施有：加入可作为硬质相异质形核核心的元素，如Nb、Ti、V、Ce、Zr等，提高硬质相的形核率，进而达到减小硬质相的尺寸、细化组织的目的。

目前，对铸造高铬铸铁进行微合金变质处理，从而实现脆性硬质相尺度、形态和分布调控，国内外已做过大量研究。但大部分研究仍集中于单元素和双元素变质。所以，研究一种高强高韧耐磨高铬铸铁材料将具有重要的实际应用前景。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高强高韧耐磨高铬铸铁。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。

本发明的另一目的在于提供上述高强高韧耐磨高铬铸铁的制备方法。

本发明对含硼高铬铸铁进行复合变质，结合K/Na和Re元素的表面吸附效果和NbC/TiC等粒子的异质形核作用，协同调控凝固过程中硬质相的结构形态，进而有效改善高铬铸铁的韧性和耐磨性。

本发明避免现有技术的不足，通过添加有效的合金元素和变质处理可以细化高铬铸铁基体组织，改善相应碳化物的形态和分布，使得一些连续分布的碳化物变成孤立六角形杆状或者块状分布，使高铬铸铁的强度和韧性改善，可提高高铬铸铁的耐磨性。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高强高韧耐磨高铬铸铁，该铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2.5～3.5％C，0.5～1.0％Si，15～18％Cr，0.4～0.6％B，0.3～0.5％Nb，0.3～0.5％Ti，0.6～1％K/Na，0.3～0.5％Re，余量为Fe。

优选的，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：3％C，0.5％Si，15％Cr，0.4％B，0.3％Nb，0.3％Ti，0.6％K/Na，0.3％Re，余量为Fe。

优选的，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：3.5％C，0.8％Si，18％Cr，0.6％B，0.4％Nb，0.4％Ti，0.9％K/Na，0.4％Re，余量为Fe。

优选的，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的碳化物粒化且均匀分布，其形状因子K为0.2～0.41，粒度硬度D为10.1～13.5μm。

优选的，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的晶粒分布均匀，晶粒尺寸为7～10μm。

优选的，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的硬度为63～66HRC，冲击韧性为13.5～17.5J/cm²。

所述的高强高韧耐磨高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1)取废钢、铬铁及纯铁按质量比例40～44％：8～9％：44.2～50.2％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)在熔炼炉里面添加微元素粉末：0.3～0.5％Nb，0.3～0.5％Ti，0.3～0.5％Re进行微合金化，同时通入氩气除杂，时间为20～30min；

3)包底冲入法：在炉内添加0.2～0.5％尺寸小于10mm的块体硼铁；

4)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镍棒；

5)通过包底冲入法，将0.6～1％K/Na变质剂添加至熔融的钢液中；

6)当钢水温度达1400～1480℃时，浇注成铸件，然后将铸件淬火处理，随后回火处理，空气冷却至室温，制得高强高韧耐磨高铬铸铁。

上述制备步骤中，废钢、铬铁、纯铁、微元素粉末(Nb、Ti、Re)、硼铁、K/Na变质剂的质量百分比之和为100％。

步骤6)所述淬火处理，是将铸件在950～1050℃下保温2～4h，空冷至室温，随后在200～300℃下进行3～6h回火处理。

所用各炉料的化学成分，以质量百分数计，如表1所示：

表1各炉料化学成分

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明在添加变质元素后，M₇C₃碳化物粒化且均匀分布，其形状因子K为0.2～0.41，粒度硬度D为10.1～13.5μm；

2、本发明在添加变质元素后，晶粒分布均匀且细化，晶粒尺寸为7～10μm(见附图2)；

3、变质处理后，铸铁宏观硬度可达到63～66HRC，冲击韧性可达到13.5～17.5J/cm²；

4、变质处理后，铸铁抗冲击磨损性能较现有Cr15可提高20～30％。

附图说明

图1变质处理后高铬铸铁中碳化物形貌图：(a)实施例1(碳化物连续分布)；(b)实施例2(碳化物孤立杆状或块状分布)。

图2变质处理后高铬铸铁中晶粒尺寸及分布统计：(a)实施例1(晶粒粗大且不均匀)；(b)实施例2(晶粒细小且均匀)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明涉及的原料均可从市场上直接购买。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

以下实施例的制备步骤中，所述百分数均为质量百分数。

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)取废钢、铬铁及纯铁按质量比例40％：9％：49.2％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)在熔炼炉里面添加微元素粉末：0.3％Nb，0.3％Ti，0.3％Re进行微合金化，同时通入氩气除杂，时间为25min；

3)包底冲入法：在炉内添加0.3％尺寸小于10mm的块体硼铁；

4)将熔炼炉温度升至1500℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后包底冲入法加入0.6％K/Na变质剂；

5)当钢水温度达1450℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温4h，空冷至室温，随后在300℃下进行5h回火处理，制得高强高韧耐磨高铬铸铁。

经本实施例制得的高强高韧耐磨高铬铸铁的具体成分见表2，形状因子K为0.21，粒度硬度D为13.46μm，其宏观硬度达到64HRC，冲击韧性达到13.5J/cm²，两体耐磨性较常规高铬铸铁提高25％。

实施例2

1)取废钢、铬铁及纯铁按质量比例40％：9％：48.4％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)在熔炼炉里面添加微元素粉末：0.4％Nb，0.4％Ti，0.5％Re进行微合金化，同时通入氩气除杂，时间为30min；

3)包底冲入法：在炉内添加0.3％尺寸小于10mm的块体硼铁；

4)将熔炼炉温度升至1500℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后包底冲入法加入1.0％K/Na变质剂；

经本实施例制得的高强高韧耐磨高铬铸铁的具体成分见表2，形状因子K为0.41，粒度硬度D为11.13μm，其宏观硬度达到65HRC，冲击韧性达到15.5J/cm²，两体耐磨性较常规高铬铸铁提高30％。

表2硼白口铸铁的化学成分(质量分数，wt％)

如图1，实施例1和2制得的高强高韧耐磨高铬铸铁组织由马氏体基体组成，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。从实施例1可见，碳化物杆状连续分布于金属基体中，且组织排列不密集，因此实施例1制得的高强高韧耐磨高铬铸铁的冲击韧性和宏观硬度较低。然而，实施例2制得的高强高韧耐磨高铬铸铁中的碳化物团球化且均匀分布，此时铸铁的冲击韧性和宏观硬度也随之提高。相比之下，实施例2制得的白口铸铁的耐磨性高于实施例1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

1.一种高强高韧耐磨高铬铸铁，其特征在于，该铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.5～3.5％C，0.5～1.0％Si，15～18％Cr，0.4～0.6％B，0.3～0.5％Nb，0.3～0.5％Ti，0.6～1％K/Na，0.3～0.5％Re，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨高铬铸铁，其特征在于，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的化学成分，以质量分数计，包括：3％C，0.5％Si，15％Cr，0.4％B，0.3％Nb，0.3％Ti，0.6％K/Na，0.3％Re，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨高铬铸铁，其特征在于，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的化学成分，以质量分数计，包括：3.5％C，0.8％Si，18％Cr，0.6％B，0.4％Nb，0.4％Ti，0.9％K/Na，0.4％Re，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨高铬铸铁，其特征在于，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的碳化物粒化且均匀分布，其形状因子K为0.2～0.41，粒度硬度D为10.1～13.5μm。

5.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨高铬铸铁，其特征在于，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的晶粒分布均匀，晶粒尺寸为7～10μm。

6.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐磨高铬铸铁，其特征在于，所述高强高韧耐磨高铬铸铁的硬度为63～66HRC，冲击韧性为13.5～17.5J/cm²。

7.权利要求1-6任一项所述的高强高韧耐磨高铬铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的高强高韧耐磨高铬铸铁的制备方法，其特征在于，步骤6)所述淬火处理，是将铸件在950～1050℃下保温2～4h，空冷至室温，随后在200～300℃下进行3～6h回火处理。

9.根据权利要求7所述的高强高韧耐磨高铬铸铁的制备方法，其特征在于，所用各炉料的化学成分，以质量百分数计，如表1所示：

表1各炉料化学成分，wt％