CN113481425A

CN113481425A - 一种高耐磨高铬白口铸铁及其制备方法

Info

Publication number: CN113481425A
Application number: CN202110573470.7A
Authority: CN
Inventors: 李卫; 易艳良; 涂小慧
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
Anticipated expiration: 2041-05-25
Also published as: CN113481425B

Abstract

本发明属于抗磨金属材料技术领域，具体涉及一种高耐磨高铬白口铸铁及其制备方法。该铸铁的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：2～3C，0.5～1Si，0.5～1Mn，12～15Cr，0.3～0.5B，0.2～0.5Ni，0.2～0.4Ti，余量为Fe。本发明的高耐磨含硼高铬白口铸铁经中频感应电炉熔炼成形，进行淬火和回火处理，生成的马氏体呈现针片状，具有高硬度(63～65HRC)、高韧性(13.5～15.5J/cm²)和高耐磨性(较Cr15高铬铸铁提高35～45％)，且残余应力较低(‑180～‑220MPa)。

Description

一种高耐磨高铬白口铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属于抗磨金属材料技术领域，具体涉及一种高耐磨高铬白口铸铁及其制备方法。

背景技术

目前，工业上应用较多的耐磨材料有耐磨涂层材料、耐磨陶瓷材料、耐磨复合材料、耐磨金属材料等。由于具有制备工艺简单、成本低及零件形状灵活性高等优点，目前耐磨金属材料是工程应用较广的耐磨材料之一。现阶段，耐磨金属材料主要有锰系耐磨钢、铬系耐磨合金钢和抗磨白口铸铁等，它们均具有各自的特点。其中，高铬白口铸铁是应用较早也是比较广泛的一类耐磨金属材料。在人们的日常生产生活中，高铬白口铸铁广泛应用于耐磨零件，例如破碎机锤头、面粉机磨辊及球磨机磨段等。

高铬白口铸铁相比于其他材料具有优良的耐磨性和耐蚀性、较高的强度和韧性，且生产成本低、铸造方法简便。但是，由Fe-C-Cr三元相图可知，只有在碳与铬配比适当时才可获得呈孤立六角形杆状或片状分布于基体中的M₇C₃型碳化物，获得这种碳化物耗时耗力的同时增加了生产成本。相关研究表明，高铬铸铁中添加B元素，可获得稳定性和抗磨性优异的M₂B型硼化物。所以，只要对高铬白口铸铁中添加获B元素获得的M₂B型硼化物进行研究分析，这样就可以提高高铬白口铸铁韧性和耐磨性。

然而，为了降低含硼高铬白口铸铁生产成本，在合金成分设计时往往降低或不添加贵重金属元素，致使合金淬透性不高，难以直接应用于厚壁耐磨部件。通常，耐磨金属材料硬度越高，其耐磨性越好，而其硬度提高主要依赖于淬火处理来获得力学性能较优的基体组织。但淬火处理易导致工件内部形成较大残余应力，并在局部区域(拐角、尖角处等)形成应力集中。由于M₇C₃和M₂B具有本质脆性，应力过大易导致其在淬火处理后开裂。因此，在工业应用时，需在较缓慢的热处理冷却条件下得到性能较优的马氏体基体组织。当前，对含硼高铬白口铸铁的研究主要集中于M₇C₃和M₂B韧化及其形态改善等方面，而关于淬火冷速的调控研究颇少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高耐磨高铬白口铸铁，该铸铁硬度高、冲击韧性好，且制备方法工艺简单、生产周期短、能耗低。

本发明利用不同浓度PAG(聚烷撑乙二醇)溶液(注：冷却速度可随着PAG浓度变化而变化)实现不同冷速的调控，探究冷却速度对含硼高铬铸铁的耐磨性和力学性能影响，为制备一种高耐磨高铬白口铸铁提供了实际价值。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高耐磨高铬白口铸铁，该铸铁的化学成分，以质量百分数计(wt％)，包括：2～3％C，0.5～1％Si，0.5～1％Mn，12～15％Cr，0.3～0.5％B，0.2～0.5％Ni，0.2～0.4％Ti，余量为Fe。

优选的，所述高耐磨高铬白口铸铁的化学成分，以质量百分数计(wt％)，包括：2.08％C，0.57％Si，0.64％Mn，13.9％Cr，0.32％B，0.29％Ni，0.24％Ti，余量为Fe。

优选的，所述高耐磨高铬白口铸铁的化学成分，以质量百分数计(wt％)，包括：2.35％C，0.57％Si，0.59％Mn，13.2％Cr，0.37％B，0.27％Ni，0.25％Ti，余量为Fe。

优选的，所述高耐磨高铬白口铸铁的化学成分，以质量百分数计(wt％)，包括：2.19％C，0.53％Si，0.56％Mn，14.3％Cr，0.36％B，0.31％Ni，0.26％Ti，余量为Fe。

优选的，所述高耐磨高铬白口铸铁的残余应力为-180～-220MPa。

优选的，所述高耐磨高铬白口铸铁的硬度为63～65HRC。

优选的，所述高耐磨高铬白口铸铁的冲击韧性为13.5～15.5J/cm²。

上述高耐磨高铬白口铸铁的制备方法，包括以下步骤：

(1)取废钢、铬铁、锰铁、钛铁及纯铁，按废钢40～44％、铬铁8～9％、锰铁1～1.5％、钛铁1.5～3％、纯铁42.5～49.5％、0.3～0.5％硼铁的质量比例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20mm块体、在200～250℃烘干后，放置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入硼铁块；

(3)将熔炼炉温度升至1500～1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.2～0.5％纯镍棒；

(4)当钢水温度达1350～1450℃时，浇注成铸件，然后将铸件在900～1000℃下保温2～4h淬火处理，放入浓度为3～10wt％PAG溶液冷至150℃，随后在200～300℃下保温3～6h回火处理，空冷至室温，制得白口铸铁。

上述制备方法中废钢、铬铁、锰铁、钛铁、纯铁、硼铁和纯镍的质量百分比之和为100％。

优选的，所述PAG溶液的浓度为3wt％、5wt％、7wt％或10wt％。

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、本发明高耐磨高铬白口铸铁的残余应力较低为-180～-220MPa，较水淬处理降低50～60％；

2、本发明高耐磨高铬白口铸铁的硬度较高，可达到63～65HRC；

3、本发明高耐磨高铬白口铸铁的冲击韧性高，可达到13.5～15.5J/cm²；

4、本发明高耐磨高铬白口铸铁的冲击磨料磨损性能优，较Cr15高铬铸铁提高35～45％。

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1000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40.8％废钢、8.3％铬铁、1.3％锰铁、1.5％钛铁及47.5％纯铁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20mm块体、在200℃烘干后，放置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入0.3％硼铁块；

(3)将熔炼炉温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.3％纯镍棒；

(4)当钢水温度达1400℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温3h淬火处理，放入浓度为3wt％PAG溶液冷至150℃，随后在300℃下保温5h回火处理，空冷至室温，制得白口铸铁。

经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，本实施例高耐磨高铬白口铸铁的残余应力为-180MPa，宏观硬度较高可达到63HRC；冲击韧性高，可达到15.5J/cm²；冲击磨料磨损性能优，较Cr15高铬铸铁提高38.0％。

实施例2

(1)取42.8％废钢、8.6％铬铁、1.4％锰铁、1.4％钛铁及45.2％纯铁混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

(4)当钢水温度达1400℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温3h淬火处理，放入浓度为8wt％PAG溶液冷至150℃，随后在300℃下保温5h回火处理，空冷至室温，制得白口铸铁。

经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，本实施例高耐磨高铬白口铸铁的残余应力为-200MPa，宏观硬度可达到63.5HRC；冲击韧性高，可达到14.5J/cm²；冲击磨料磨损性能优，较Cr15高铬铸铁提高42.0％。

实施例3

(1)取43.8％废钢、8.8％铬铁、1.5％锰铁、1.5％钛铁及43.8％纯铁混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；

(4)当钢水温度达1400℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温3h淬火处理，放入浓度为10wt％PAG溶液冷至150℃，随后在300℃下保温5h回火处理，空冷至室温，制得白口铸铁。

经本实施例制得的高强韧高耐磨含硼白口铸铁的具体成分见表2，本实施例高耐磨高铬白口铸铁的残余应力为-220MPa，宏观硬度可达到65.0HRC；冲击韧性高，可达到13.5J/cm²；冲击磨料磨损性能优，较Cr15高铬铸铁提高45％。

表2白口铸铁的化学成分(质量分数，wt％)

实施例1～3制得的高耐磨高铬白口铸铁组织由碳化物和马氏体基体组成，马氏体基体起到支撑和固定硬质相碳化物的作用，反过来碳化物起到保护基体被磨耗的作用。本发明的高耐磨含硼高铬白口铸铁经中频感应电炉熔炼成形，进行淬火和回火处理，生成的马氏体呈现针片状，具有高硬度、高韧性和高耐磨性，且残余应力较低。铬元素主要固溶于碳化物中，而碳元素既固溶于碳化物还能固溶于基体中，铸件中加硼元素，它的存在对于铸件的淬透性有一定的改善，并且具有很高的化学活性，在铁中除固溶外，还可以促进二次析出相M₂₃(B,C)₆析出；硼元素在γ-Fe、α-Fe中的固浓度极低，常聚集在晶界上以硼化物Fe₂B形式存在，它具有高硬度，从而提高了逐渐的整体硬度。使得铸件的硬度和韧性大幅度提高，材料具有高强度和冲击韧性等特点，可显著提高耐磨部件的使用寿命，具有很好的应用前景。

实施例4

参照实施例1的步骤，将PAG溶液质量浓度分别改为1％、5％、7％、10％、13％，制备高铬白口铸铁后分别测试其残余应力、宏观硬度以及冲击韧性，并以自来水作为对照，结果如表3-5所示。

表3不同淬火溶液下高铬白口铸铁的残余应力值(MPa)

1％PAG	3％PAG	5％PAG	7％PAG	10％PAG	13％PAG	自来水
							-165.39	-180.00	-190.42	-207.69	-220.00	-253.36	-455.88

表4不同淬火溶液下高铬白口铸铁的宏观硬度值(HRC)

1％PAG	3％PAG	5％PAG	7％PAG	10％PAG	13％PAG	自来水
							57.69	63.00	62.78	63.7	65.0	64.85	64.10

表5不同淬火溶液下高铬白口铸铁的冲击韧性(J/cm²)

1％PAG	3％PAG	5％PAG	7％PAG	10％PAG	13％PAG	自来水
							14.13	15.5	13.36	13.56	13.5	10.29	8.78

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

1.一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，该铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2～3％C，0.5～1％Si，0.5～1％Mn，12～15％Cr，0.3～0.5％B，0.2～0.5％Ni，0.2～0.4％Ti，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，所述高耐磨高铬白口铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.08％C，0.57％Si，0.64％Mn，13.9％Cr，0.32％B，0.29％Ni，0.24％Ti，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，所述高耐磨高铬白口铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.35％C，0.57％Si，0.59％Mn，13.2％Cr，0.37％B，0.27％Ni，0.25％Ti，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，所述高耐磨高铬白口铸铁的化学成分，以质量百分数计，包括：2.19％C，0.53％Si，0.56％Mn，14.3％Cr，0.36％B，0.31％Ni，0.26％Ti，余量为Fe。

5.根据权利要求1所述一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，所述高耐磨高铬白口铸铁的残余应力为-180～-220MPa。

6.根据权利要求1所述一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，所述高耐磨高铬白口铸铁的硬度为63～65HRC。

7.根据权利要求1所述一种高耐磨高铬白口铸铁，其特征在于，所述高耐磨高铬白口铸铁的冲击韧性为13.5～15.5J/cm²。

8.权利要求1-7任一项所述的高耐磨高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的高耐磨高铬白口铸铁的制备方法，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％

10.根据权利要求8所述的高耐磨高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，所述PAG溶液的浓度为3wt％、5wt％、7wt％或10wt％。