CN113481441A - 一种高耐磨抛丸机叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于抗磨抛丸机叶片技术领域，具体涉及一种高耐磨抛丸机叶片及其制备方法。高耐磨抛丸机叶片包括铸铁层与表面耐磨层，铸铁层的化学成分，以质量百分数计，包括：1～2％C、0.5～1％Si、0.5～1％Mn、7～12％Cr、0.2～0.5％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数计，包括：3.5～4.5％C、0.5～1％Si、0.5～1％Mn、6～22％Cr、0.2～0.5％B、余量为Fe。本发明抛丸机叶片为了节约成本，采用表面渗碳和铬处理，采用铸型壳体浇注系统浇注成型，可以提高生产效率，增加经济效益。高耐磨抛丸机叶片具有高强度、冲击韧性等特点，可显著提高耐磨部件的使用寿命，使得抛丸机叶片服役周期更长。

Description

一种高耐磨抛丸机叶片及其制备方法
技术领域
本发明属于抗磨抛丸机叶片技术领域，具体涉及一种高耐磨抛丸机叶片及其制备方法。
背景技术
抛丸机是通过抛丸器将钢砂钢丸高速抛落冲击在材料物体表面的一种处理技术。相比其他表面处理技术来说，它更快、更有效，并可对部分保留或冲压后的铸造过程。国内外抛丸机的应用日益广泛，不在局限在传统的零件的表面处理。抛丸机已经广泛应用于维护和修复高速公路、钢桥以及机场路面等。抛丸机主要由叶轮、定向套、分丸轮及叶片等组成。其中，抛丸器作为抛丸机的关键部位，其质量与使用寿命直接取决于叶片。
目前，国内外抛丸机叶片是整体铸造成型，抛丸机叶片在铸造过程中易产生裂纹、显微疏松、气孔、晶界夹杂物等缺陷，降低了产品的合格率；同时，抛丸机叶片在弹丸的反复冲击下，首先使得基体组织发生形变，表层的基体组织产生挤压流动，并在连续磨损下加速了抛丸机叶片的变形和材料的流失，由于反复受到周期应力的作用和弹丸的磨损，基体损伤的积累，最后甚至导致抛丸机叶片的断裂。
如果将整个抛丸机叶片的硬度和抗冲击韧性进行提升，会极大的增加生产成本。因此，研究一种表层硬度高、耐磨性较好、韧性优良、成本较低的高耐磨抛丸机叶片将具有实际的经济效益和应用前景。
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耐磨抛丸机叶片。该材料硬度高、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耐磨抛丸机叶片的制备方法。
本发明在金属液凝固前，对其进行渗碳和渗铬处理，从而使凝固后得到的叶片表面碳和铬含量得到大幅提升。此时，铸铁表层中的共晶碳化物为M7C3型，硬度较高，具有更高的耐磨性，并且M7C3型碳化物呈块状，显著改善了基体的韧性。同时，基体组织可通过热处理而改变，有利于调整硬度和韧性，使之达到最佳匹配状态。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高耐磨抛丸机叶片的制备方法，包括以下步骤：
1)熔炼：取废钢、铬铁、锰铁、硅铁及纯铁按质量比例40～44％：8～9％：1～1.5％：1.5～3％：42～49.3％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)包底冲入法：在炉内添加0.2～0.5wt％尺寸小于10mm块体硼铁；
3)除杂处理：将熔炼炉温度升至1500～1580℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后进行除杂；
4)浇注成型：当钢水温度达1400～1480℃时，采用铸型壳体浇注系统(双层壳体结构)浇注成型；
5)热处理工艺：将铸件淬火处理，采取油冷方式，随后回火处理，制得高耐磨抛丸机叶片。
上述制备方法中废钢、铬铁、锰铁、硅铁、纯铁、硼铁的质量百分比之和为100％。
步骤4)所述铸型壳体浇注系统，其内壳体原料选择：5～8％水玻璃，5～10％石墨粉，5～10％高铬铸铁粉，5～10％聚乙烯醇，余量为硅砂。
步骤4)所述铸型壳体浇注系统，其外壳体为1：10的水玻璃和硅砂组成。
步骤5)所述热处理工艺，是将铸件在950～1050℃下保温2～4h淬火处理，油冷至100～150℃，随后在200～300℃下保温3～6h回火处理，空气冷却至室温。
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％)
Figure BDA0003082877530000031
上述方法制得的高耐磨抛丸机叶片，该材料包括铸铁层与表面耐磨层，铸铁层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：1～2％C、0.5～1％Si、0.5～1％Mn、7～12％Cr、0.2～0.5％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：3.5～4.5％C、0.5～1％Si、0.5～1％Mn、16～22％Cr、0.2～0.5％B、余量为Fe。
优选的，所述高耐磨抛丸机叶片，铸铁层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：1.2％C、0.62％Si、0.64％Mn、7.86％Cr、0.34％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：3.63％C、0.67％Si、0.61％Mn、17.86％Cr、0.31％B、余量为Fe。
优选的，所述高耐磨抛丸机叶片，铸铁层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：1.41％C、0.65％Si、0.62％Mn、8.16％Cr、0.35％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：3.93％C、0.71％Si、0.59％Mn、19.38％Cr、0.33％B、余量为Fe。
优选的，所述高耐磨抛丸机叶片，铸铁层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：1.81％C、0.86％Si、0.56％Mn、10.63％Cr、0.48％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数(wt％)计，包括：4.2％C、0.62％Si、0.64％Mn、21.86％Cr、0.31％B、余量为Fe。
优选的，所述高耐磨抛丸机叶片的表面耐摩层厚度为8～12mm。
优选的，所述高耐磨抛丸机叶片的表面硬度为64～68HRC。
优选的，所述高耐磨抛丸机叶片的冲击韧性为10～12J/cm2。
所述表面耐磨层(即渗碳和渗铬层，简称表层)，通过上述制备方法中的步骤(4)获得，在浇铸过程中内壳体材料的部分化学成分(如C，Cr)渗透到与内壳体接触部分的钢水中，形成表面耐摩层，表面耐磨层厚度由内壳体材料组分浓度确定，厚度可达到8～12mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明高耐磨抛丸机叶片通过表面渗碳和渗铬处理后，表面的碳和铬含量大幅提高，含碳量增加从1.0～2.0wt％至3.5～4.5wt％，含铬量增加从7.0～12.0wt％至16～22wt％，避免了铸件整体加碳和铬元素，使得生产成本较低；
(2)本发明高耐磨抛丸机叶片通过表面渗碳和渗铬处理后，渗C/Cr层厚度可达到8～12mm；
(3)本发明高耐磨抛丸机叶片通过表面渗碳和渗铬处理后，使得零部件的表面硬度提高，可达到64～68HRC，增加零部件的服役寿命；
(4)本发明高耐磨抛丸机叶片的冲击韧性较高，可达到10～12J/cm2，较现有常规高铬铸铁提高近18.0％。
附图说明
图1为实施例1中制得的高耐磨抛丸机叶片由表及里的宏观硬度分布图。
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、硅铁及纯铁按比例41.0％：8.2％：1.0％：1.8％：47.7％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)在炉内添加0.3％尺寸小于10mm块体硼铁；
3)将熔炼炉温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后进行除杂；
4)当钢水温度达1450℃时，采用铸型壳体浇注系统浇注成型(内壳体原料选择：5.0％水玻璃，6.0％石墨粉，6.0％高铬铸铁粉，5％聚乙烯醇，其余为硅砂；外壳体的原料是质量比1：10的水玻璃和硅砂)；
5)将铸件在1000℃下保温3h淬火处理，油冷至150℃，随后在300℃下保温5h回火处理，空气冷却至室温，制得高耐磨抛丸机叶片。
经本实施例制得的高耐磨抛丸机叶片的具体成分见表2；本实施例高耐磨抛丸机叶片通过表面渗碳和渗铬处理后，使得零部件的表面硬度提高，可达到65HRC；冲击韧性较高，可达到10.0J/cm2，较现有常规高铬铸铁提高近12％；通过表面渗碳和渗铬处理后，渗C/Cr层厚度可达到8mm。
实施例2
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、硅铁及纯铁按比例42.0％：8.5％：1.2％：2.5％：45.8％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)在炉内添加0.3％尺寸小于10mm块体硼铁；
3)将熔炼炉温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后进行除杂；
4)当钢水温度达1450℃时，采用铸型壳体浇注系统浇注成型(内壳体原料选择：6.0％水玻璃，7.0％石墨粉，7.0％高铬铸铁粉，7％聚乙烯醇，其余为硅砂；外壳体的原料是质量比1：10的水玻璃和硅砂)；
5)将铸件在1000℃下保温3h淬火处理，油冷至150℃，随后在300℃下保温5h回火处理，空气冷却至室温，制得高耐磨抛丸机叶片。
经本实施例制得的高耐磨抛丸机叶片的具体成分见表2；本实施例高耐磨抛丸机叶片通过表面渗碳和渗铬处理后，使得零部件的表面硬度提高，可达到66HRC；冲击韧性较高，可达到10.5J/cm2，较现有常规高铬铸铁提高近15％；通过表面渗碳和渗铬处理后，渗C/Cr层厚度可达到10mm。
实施例3
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、硅铁及纯铁按比例44.0％：9.0％：1.5％：3.0％：42.2％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)在炉内添加0.3％尺寸小于10mm块体硼合金；
3)将熔炼炉温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后进行除杂；
4)当钢水温度达1450℃时，采用铸型壳体浇注系统浇注成型(内壳体原料选择：5.0％水玻璃，8.0％石墨粉，10.0％高铬铸铁粉，10％聚乙烯醇，其余为硅砂；外壳体的原料是质量比1：10的水玻璃和硅砂)；
5)将铸件在1000℃下保温3h淬火处理，油冷至150℃，随后在300℃下保温5h回火处理，空气冷却至室温，制得高耐磨抛丸机叶片。
经本实施例制得的高耐磨抛丸机叶片的具体成分见表2；本实施例高耐磨抛丸机叶片通过表面渗碳和渗铬处理后，使得零部件的表面硬度提高，可达到68HRC；冲击韧性较高，可达到12.0J/cm2，较现有常规高铬铸铁提高近18％；通过表面渗碳和渗铬处理后，渗C/Cr层厚度可达到12mm。
表2铸铁的化学成分(质量分数，wt％)
Figure BDA0003082877530000061
Figure BDA0003082877530000071
本发明制得的高耐磨抛丸机叶片组织由碳化物和马氏体基体组成，实施例1～3中铸件随着由表及里含碳和含铬量铸件增加，达到高铬铸铁的成分含量，在这种条件下，生成的M7C3型碳化物几乎很大一部分替代了M3C型碳化物。低、中铬白口铸铁中的M3C型碳化物呈网状分布，割断了基体的连续性，降低了铸铁的韧性，而M7C3型碳化物通常以孤立形态存在，大大增加了基体的连续性，材料的一些力学性能因而显著提高。因此，实施例3的力学性能相对于实施例1和2提升较高，最终高耐磨抛丸机叶片的基体组织具有了高强度和冲击韧性特点。本发明抛丸机叶片为了节约成本，采用表面渗碳和铬处理，采用铸型壳体浇注系统浇注成型，可以提高生产效率，增加经济效益。高耐磨抛丸机叶片具有高强度、冲击韧性等特点，可显著提高耐磨部件的使用寿命，使得抛丸机叶片服役周期更长。
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 (10)

1.一种高耐磨抛丸机叶片，其特征在于，该材料包括铸铁层与表面耐磨层，铸铁层的化学成分，以质量百分数计，包括：1～2％C、0.5～1％Si、0.5～1％Mn、7～12％Cr、0.2～0.5％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数计，包括：3.5～4.5％C、0.5～1％Si、0.5～1％Mn、6～22％Cr、0.2～0.5％B、余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨抛丸机叶片，其特征在于，所述铸铁层的化学成分，以质量分数计，包括：1.2％C、0.62％Si、0.64％Mn、7.86％Cr、0.34％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数计，包括：3.63％C、0.67％Si、0.61％Mn、17.86％Cr、0.31％B、余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨抛丸机叶片，其特征在于，所述铸铁层的化学成分，以质量分数计，包括：1.41％C、0.65％Si、0.62％Mn、8.16％Cr、0.35％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数计，包括：3.93％C、0.71％Si、0.59％Mn、19.38％Cr、0.33％B、余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨抛丸机叶片，其特征在于，所述铸铁层的化学成分，以质量分数计，包括：1.81％C、0.86％Si、0.56％Mn、10.63％Cr、0.48％B、余量为Fe；表面耐磨层的化学成分，以质量分数计，包括：4.2％C、0.62％Si、0.64％Mn、21.86％Cr、0.31％B、余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的一种高耐磨抛丸机叶片，其特征在于，所述高耐磨抛丸机叶片的表面耐摩层厚度为8～12mm；
所述高耐磨抛丸机叶片的表面硬度为64～68HRC；
所述高耐磨抛丸机叶片的冲击韧性为10～12J/cm2。
6.权利要求1-5任一项所述的高耐磨抛丸机叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)熔炼：取废钢、铬铁、锰铁、硅铁及纯铁按质量比例40～44％：8～9％：1～1.5％：1.5～3％：42～49.3％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)包底冲入法：在炉内添加0.2～0.5wt％尺寸小于10mm块体硼铁；
3)除杂处理：将熔炼炉温度升至1500～1580℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后进行除杂；
4)浇注成型：当钢水温度达1400～1480℃时，采用铸型壳体浇注系统浇注成型；
5)热处理工艺：将铸件淬火处理，采取油冷方式，随后回火处理，制得高耐磨抛丸机叶片。
7.根据权利要求6所述的高耐磨抛丸机叶片的制备方法，其特征在于，步骤4)所述铸型壳体浇注系统，其内壳体原料选择：5～8wt％水玻璃，5～10wt％石墨粉，5～10wt％高铬铸铁粉，5～10wt％聚乙烯醇，余量为硅砂。
8.根据权利要求6所述的高耐磨抛丸机叶片的制备方法，其特征在于，步骤4)所述铸型壳体浇注系统，其外壳体为质量比1：10的水玻璃和硅砂组成。
9.根据权利要求6所述的高耐磨抛丸机叶片的制备方法，其特征在于，步骤5)所述热处理工艺，是将铸件在950～1050℃下保温2～4h淬火处理，油冷至100～150℃，随后在200～300℃下保温3～6h回火处理，空气冷却至室温。
10.根据权利要求6所述的高耐磨抛丸机叶片的制备方法，其特征在于，步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％
Figure FDA0003082877520000021
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