CN113481424A

CN113481424A - 一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁

Info

Publication number: CN113481424A
Application number: CN202110573446.3A
Authority: CN
Inventors: 易艳良; 李卫; 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: 2021-10-08

Abstract

本发明属于抗磨金属材料技术领域，具体涉及一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁。该铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2.5～3.0％C，0.6～1.0％Si，0.3～0.5％Mn，24～30％Cr，0.1～0.6％B，0.3～0.6％Ni，0.5～1％Cu，余量为Fe。本发明的含硼白口铸铁经电炉熔炼成形，随着B/M含量的控制后获得的铸件铸态下就可获得低残余应力(‑150～‑200MPa)、高硬度(63～67HRC)、高冲击韧性(8.5～13.5J/cm²)和高耐磨性等特点，且硬质相孤立杆状且均匀分布，可显著提高耐磨部件的使用寿命，具有很好的应用前景。

Description

一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁

技术领域

本发明属于抗磨金属材料技术领域，具体涉及一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁。

背景技术

高铬铸铁是一种新型白口铸铁，具有高强度、高耐磨性和低成本等特点，高铬铸铁在低应力磨损服役条件下具有优良的耐磨性，但是与硬质合金相比，高铬铸铁在硬度与耐磨性能方面仍需要改善。高铬铸铁的磨损性能主要受硬质相和基体组织的影响。目前，增强高铬铸铁耐磨性的主要方法有表面涂层、表面改性和合金化等，这些方法在一定程度上可以改善高铬铸铁的力学性能，但存在如工艺技术、生产成本等缺陷。因此，研究一种制备方法工艺简单、生产周期短、能耗低的高硬度耐磨高铬铸铁具有重要意义。

当前，对高铬铸铁的研究主要集中于M₇C₃韧化及其形态改善等方面，而关于铸铁淬透性的研究颇少。此外，淬透性是制定热处理工艺的重要依据，如果工件未淬透，则其表里的性能存在差异，无法充分发挥合金的机械性能。对于服役在磨料磨损工况下的耐磨件而言，整体性能为均匀的理想组织是十分重要的。而B元素对合金淬透性具有极大的改善作用，可显著推迟合金中先共析铁素体和珠光体转变。B可显著改善合金淬透性主要归功于B在淬火时易向奥氏体晶界非平衡偏聚。为了研究B在晶界非平衡偏聚，万小军等人计算了含B钢中B原子的扩散激活能，研究结果表明，在高温1000℃奥氏体化时，γ-Fe中将形成大量双空位，而通常双空位的迁移能比单空位小得多，当溶质原子和空位有正的相互作用能时，空位的迁移将会把溶质原子拖向晶界，进而导致晶界处的溶质原子非平衡偏聚，因此具有较好的淬透性。

然而，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.％，可知加入铸铁中的B几乎全与Fe结合形成Fe₂B。相比碳化物(Fe₃C，Cr₇C₃)，Fe₂B易连续网状分布，裂纹一旦形成极易沿着Fe₂B快速扩展，进而导致材料过早失效。

可见，微量B元素添加是一种可在不改变碳化物形态基础上，获得硬质相的一种有效方法。但是B元素添加量过少，材料淬透性不足，导致其硬度较低，而过量B添加易导致大量网状M₂B形成，降低材料韧性。

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硬度耐磨含硼高铬铸铁，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硬度耐磨含硼高铬铸铁的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，该铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2.5～3.0％C，0.6～1.0％Si，0.3～0.5％Mn，24～30％Cr，0.1～0.6％B，0.3～0.6％Ni，0.5～1％Cu，余量为Fe。

适量添加B可在不影响硼碳化合物整体形态基础上，提高材料整体硬度。相比普通高铬铸铁，含微量硼高铬铸铁具有制备工艺简单、成形性好和成本低等优点，本发明在B元素固有的特点之上，进一步发现Cu和Ni元素的淬透性，研制出一种高淬透性的高铬铸铁，为耐磨金属材料的发展开拓了一条新路，使其在磨损领域具有较大的市场竞争力。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2.51％C，0.63％Si，0.33％Mn，25.9％Cr，0.11％B，0.46％Ni，0.9％Cu，余量为Fe。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2.58％C，0.77％Si，0.49％Mn，25.6％Cr，0.28％B，0.45％Ni，0.78％Cu，余量为Fe。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2.79％C，0.69％Si，0.44％Mn，25.9％Cr，0.51％B，0.49％Ni，0.81％Cu，余量为Fe。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的碳化物形状因子K为0.15～0.24，粒度因子D为11.8～14.2μm。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的残余应力为-150～-200MPa。

更优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的残余应力为-180～-190MPa。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的硬度为63～67HRC。

优选的，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的冲击韧性为8.5～13.5J/cm²。

所述的高硬度耐磨含硼高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：

1)取废钢、铬铁、锰铁及纯铁按质量比例40～44％：8～9％：1～1.5％：32.2～48.9％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200～300℃下烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入0.1～0.5％硼铁；

3)将熔炼炉温度升至1450～1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.5～1％纯铜棒和0.3～0.8％纯镍棒；

4)当钢水温度达1400～1480℃时，浇注成铸件，随后在200～300℃下进行3～6h回火处理后，空气冷却至室温，制得高硬度耐磨含硼高铬铸铁。

上述制备步骤中，废钢、铬铁、锰铁、纯铁、硼铁、纯铜、纯镍的质量百分比之和为100％。

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(wt％)

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明的高铬铸铁，具有较低的生产成本，且制备工艺简单、成形性好；

2、本发明中添加微量B/M(M表示Ni/Cu)元素后，碳化物形态无明显变化，其形状因子K为0.15～0.24，粒度因子D为11.8～14.2μm；

3、本发明高耐磨高铬白口铸铁的残余应力较低为-150～-200MPa；

4、本发明中添加微量B/M元素后，铸态下铸铁基体组织全为马氏体基体，且其铸铁宏观硬度可高达63～67HRC，较现有常规高铬铸铁提高到13.5％；

5、本发明高硬度耐磨含硼高铬铸铁经过冲击试验后，发现冲击韧性高，可达到8.5～13.5J/cm²。

附图说明

图1为实施例1制得的高硬度耐磨含硼高铬铸铁组织形貌图。

图2为实施例3制得的高硬度耐磨含硼高铬铸铁组织形貌图。

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、锰铁及纯铁按质量比例40.5％：8.2％：1.0％：48.9％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200℃下烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入0.1％硼铁；

4)将熔炼炉温度升至1500℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.8％纯铜棒和0.5％纯镍棒；

4)当钢水温度达1450℃时，浇注成铸件，随后在300℃下进行5h回火处理后，空气冷却至室温，制得高硬度耐磨含硼高铬铸铁。

经本实施例制得的高硬度耐磨含硼高铬铸铁的具体成分见表2；本实施例高硬度耐磨含硼高铬铸铁残余应力较低至-180MPa，碳化物形状因子K为0.24，粒度因子D为12.1μm，铸铁宏观硬度高达到65HRC，较现有常规高铬铸铁提高9.0％；冲击韧性高，可达到13.5J/cm²。

实施例2

1)取废钢、铬铁、锰铁及纯铁按质量比例41.5％：8.5％：1.3％：46.8％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200℃下烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入0.3％硼铁；

5)将熔炼炉温度升至1500℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.8％纯铜棒和0.8％纯镍棒；

4)当钢水温度达1450℃时，浇注成铸件，然后在300℃下进行5h回火处理后，空气冷却至室温，制得高硬度耐磨含硼高铬铸铁。

经本实施例制得的高硬度耐磨含硼高铬铸铁的具体成分见表2；本实施例高硬度耐磨含硼高铬铸铁残余应力较低至-190MPa，碳化物形状因子K为0.23，粒度因子D为11.8μm，铸铁宏观硬度高达到66HRC，较现有常规高铬铸铁提高9.5％；冲击韧性高，可达到11.5J/cm²。

实施例3

1)取废钢、铬铁、锰铁及纯铁按质量比例42.0％：8.8％：1.5％：45.6％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

2)将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200℃下烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入0.5％硼铁；

6)将熔炼炉温度升至1500℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.8％纯铜棒和0.8％纯镍棒；

经本实施例制得的高硬度耐磨含硼高铬铸铁的具体成分见表2；本实施例高硬度耐磨含硼高铬铸铁残余应力较低至-185MPa，碳化物形状因子K为0.15，粒度因子D为14.2μm，铸铁宏观硬度高达到67HRC，较现有常规高铬铸铁提高11.0％；冲击韧性高，可达到8.5J/cm²。

表2硼白口铸铁的化学成分(质量分数，wt％)

实施例1～3制得的高硬度耐磨含硼高铬铸铁组织由硬质相和马氏体基体组成，马氏体基体起到支撑和固定硬质相的作用，反过来硬质相起到保护基体被磨耗的作用。实施例3中，有少量网状、团簇状M₂B共晶硼化物形成(见图2)，即碳化物类型、结构与形态均发生了改变。且硼化物连续网状分布，可预见裂纹一旦形成，会快速沿着硼化物扩展，因此实施例3制得的高硬度耐磨高铬铸铁的冲击韧性和两体耐磨性低。然而，实施例2和1制得的高硬度耐磨高铬铸铁中硬质相孤立杆状且均匀分布，是典型M₇C₃型碳化物(见图1)。此外，实施例1～3均在铸态下就可获得全马氏体基体组织，有效避免了淬火速度过快而导致过大的应力集中，此时铸铁的硬度、韧性及抗冲击耐磨性也随之提高。相比之下，实施例1和2制得的硼白口铸铁的耐磨性高于实施例3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

1.一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，该铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.5～3.0％C，0.6～1.0％Si，0.3～0.5％Mn，24～30％Cr，0.1～0.6％B，0.3～0.6％Ni，0.5～1％Cu，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.51％C，0.63％Si，0.33％Mn，25.9％Cr，0.11％B，0.46％Ni，0.9％Cu，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.58％C，0.77％Si，0.49％Mn，25.6％Cr，0.28％B，0.45％Ni，0.78％Cu，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.79％C，0.69％Si，0.44％Mn，25.9％Cr，0.51％B，0.49％Ni，0.81％Cu，余量为Fe。

5.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的碳化物形状因子K为0.15～0.24，粒度因子D为11.8～14.2μm。

6.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的残余应力为-150～-200MPa。

7.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的硬度为63～67HRC。

8.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨含硼高铬铸铁，其特征在于，所述高硬度耐磨含硼高铬铸铁的冲击韧性为8.5～13.5J/cm²。

9.权利要求1-8任一项所述的高硬度耐磨含硼高铬铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取废钢、铬铁、锰铁及纯铁按质量比例40～44：8～9：1～1.5：32.2～48.9混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

4)当钢水温度达1400～1480℃时，浇注成铸件，然后在200～300℃下进行3～6h回火处理后，空气冷却至室温，制得高硬度耐磨含硼高铬铸铁。

10.根据权利要求9所述的高硬度耐磨含硼高铬铸铁的制备方法，其特征在于，所用各炉料的化学成分，以质量分数计，如表1所示：

表1 各炉料化学成分，wt％