CN114752841B

CN114752841B - 一种新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁及制备方法

Info

Publication number: CN114752841B
Application number: CN202210510192.5A
Authority: CN
Inventors: 胡许先; 许元根; 刘守礼
Original assignee: Changsha Weierbao New Materials Co ltd
Current assignee: Changsha Weierbao New Materials Co ltd
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2042-05-11
Also published as: CN114752841A

Abstract

本发明提供了一种新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁及制备方法，采用独特的粉末混合加工成多孔坯体，再利用液锻和浸润的工艺来制备。材料中主要化学元素质量的质量含量为C：6~10%，Cr：10~40%，Fe：48~83%，材料中碳与铬形成的碳化物呈颗粒状弥散分布于基体中。本发明的材料中碳含量实现极限突破，可达6%以上，不仅材料的热导系数急剧降低，裂纹扩展能急剧降低，从而有效解决了材料的在热量聚集时极易开裂难题；并且制备中完全不需要添加镍、钼等贵重的有色金属，可与同级加的普通高铬白口抗磨铸铁的同等硬度和同等耐磨性能，且材料韧性值可提高到5~8J，可大大降低材料的成本。

Description

一种新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸铁类材料及制备方法，特别涉及一种新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁及制备方法。

背景技术

高铬白口抗磨铸铁材料作为第三代耐磨材料，已经得到广泛使用，由于材料中存在30%左右的碳化物，基体又是以马氏体为主，组织畸变能大，裂纹扩展的有利因素多，一旦有热应力存在，开裂的概率非常高，因此一方面在实际使用或生产制造过程中，由于受热不均匀导致的高铬白口抗磨铸铁材料失效或者产品报废率高；另一方面，长期业界对高铬白口抗磨铸铁材料的认识普遍认为，由于在电焊时，热量集中在焊缝处，导致热应力集聚，材料的开裂达到100%，因此，业界的共识是高铬白口抗磨铸铁材料不宜直接对其电焊操作，是一种不能直接电焊的材料。为改善高铬白口抗磨铸铁材料硬而脆、热应力的性能，一般会在制备时添加足量镍、钼等贵重有色金属，但由于这些有色金属成本高、储量低，且并未从根本上改变高铬白口抗磨铸铁的基体晶构，组织畸变能仍较高，铸铁的硬度、韧性值仍未有明显提高，特别是材料的因受热不均匀导致的失效、报废等问题未能明显解决。

发明内容

本发明旨在提供一种新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁材料的制备方法和材料，不仅具有传统的耐磨性能，更重要的是很显著地解决了其热应力的问题，并且在制备中可完全不添加镍、钼等贵重有色金属，明显地降低了材料的成本。本发明的方案如下。

一种制备新型高铬白口抗磨铸铁的方法，按以下步骤实施：

第（1）步：将按一定比例的碳粉、铁粉、高碳铬铁粉、粘结剂和造孔剂混合至少20小时；

第（2）步：将第（1）步混合后的粉末置于模具中压制后再经热处理一定时间得到多孔坯体，所述多孔坯体的孔隙率为25~40%；

第（3）步：将第（2）步制得的多孔坯体放置于液锻模具中，将预先熔化的呈完全液态的普通未添加镍和钼的高铬白口抗磨铸铁炉料倒入模具腔体中，静置后，通过施加压力的装置合模，保持200~400吨的合模压力一定时间后，再向其施加至少800吨的压力，直至模具内液态的高铬白口抗磨铸铁炉料凝固，再冷却至室温后，从模具中取出，得到新型高铬白口抗磨铸铁，制得的铸铁中没有特别添加镍、钼等贵重金属，在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。

实验发现，在第（1）步中，碳粉、铁粉、高碳铬铁粉、粘结剂和造孔剂的质量比例为：（6~ 10）：（36~70）:（10~ 50）:（ 0.5~1）:（1 ~ 5）时，多孔坯体的孔隙率可达到约30%，更利于后续液锻加工中的高铬白口抗磨铸铁炉料对其的浸润，使材料性能更优。

在第（2）步中，对混合后的粉末热处理的温度为1200 ~ 1300℃，时间为16~26小时，更利于加工多孔坯体。

在第（3）步中，炉料倒入模具腔体后，静置的时间为至少5秒，且在保持合模压力时的时间为5~10秒，有利于炉料浸润入多孔坯体并成型。

采用上述方法可制备得一种新型高铬白口抗磨铸铁，材料中各化学元素质量占材料总质量的比分别如下，C：6~10%， Cr：10~40%，Mn：0.5~1.0%，Si：0.3~0.9%，Fe：48~83.2%，余量是不可避免的杂质元素，在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的；碳与铬形成的碳化物呈颗粒状分布于基体中。材料的韧性值可达5~8J。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、现有高铬白口抗磨铸铁材料的碳含量（质量百分比）一般是2~3.5%，最高为3.8~4.0%。这是因为，如果碳含量再增加，材料中的碳化物（主要是碳3铬7的碳化铬和碳1铬1的碳化铬）含量将超过40%，高铬白口抗磨铸铁就会处于脆性区，不但不耐磨，还容易大面积剥落，不能实用，因此现有的高铬白口抗磨铸铁材料的碳含量在本行业内是有公认的上限极限值。本发明的这种新型高铬白口抗磨铸铁材料，碳含量可以达到6%，远超现有材料碳含量的极限，并且在这种超高碳含量下，高铬白口抗磨铸铁的韧性值还可达5J以上，可以满足实用要求。

2、从本发明材料的金相图表明，材料中由碳和铬形成的碳化物（主要是碳3铬7的碳化铬和碳1铬1的碳化铬）完全颗粒状弥散分布，而这种碳化物与材料的马氏体或奥氏体基体，都是细小颗粒分布，且晶界洁净，晶粒间结合力强，无宏观渣孔和气孔，可大大减弱碳化物对基体的割裂情况。由于这处微观结构发生的变化，使得本发明材料的热导系数急剧降低，裂纹扩展能急剧降低，从而有效解决了材料的在热量聚集时极易开裂难题。

3、本发明采用独特的粉末混合加工成多孔坯体，再利用液锻和浸润的工艺，由于可使得碳含量达到6%以上，在同等硬度下，同等耐磨性能下，和普通铸造工艺的高铬白口抗磨铸铁，可以取消钼和镍等贵重金属的加入，从而极大的降低了高铬白口抗磨铸铁的材料成本。

4、本发明方法制得的高铬白口抗磨铸铁，在保证耐磨性的同时，材料的韧性值从现有工艺方法的1~2J，可以提高到5~8J，突破了传统高铬白口抗磨铸铁的性能极限。

附图说明

图1 实施例1的本发明新型可电焊高铬白口抗磨铸铁的金相显微图片；

图2 对比例1普通高铬白口抗磨铸铁的金相显微图片。

具体实施方式

实施例1

一种制备新型高铬白口抗磨铸铁的方法，按以下步骤实施：

第（1）步：碳粉、铁粉、高碳铬铁粉、粘结剂石蜡和造孔剂塑料颗粒混合20小时，上述物质的质量比为：6:80:10:0.5:0.5 ；

第（2）步：将第（1）步混合后的粉末置于模具中压制后，于1300℃条件下热处理26小时，得到多孔坯体，所述多孔坯体的孔隙率为35~40%；

第（3）步：将第（2）步制得的多孔坯体放置于液锻模具中，将预先熔化的呈完全液态的普通未添加镍和钼的高铬白口抗磨铸铁炉料（炉料温度为1400℃）倒入模具腔体中，静置5秒后，通过施加压力的装置合模，保持200吨的合模压力5秒，之后再向其施加至少800吨的压力，直至模具内液态的高铬白口抗磨铸铁炉料凝固，再冷却至室温后，从模具中取出，得到新型铬白口抗磨铸铁，制得的铸铁中没有特别添加镍、钼等贵重金属，在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。

上述方法制得的新型高铬白口抗磨铸铁经检测，其中化学元素的质量百分比为，C：6%， Cr：10%，Mn：≤0.5%，Si：0.3%，83%≤Fe≤83.2%，余量还包括不可避免的杂质元素，在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。材料的冲击韧性值为6J，材料的洛氏硬度HRC为 63。

分别将上述方法制得的新型高铬白口抗磨铸铁和牌号为KmTBCr12的普通传统高铬白口抗磨铸铁（对比例1）在相同条件下用金相显微镜观察，其金相图分别如图1和图2所示，从图1可看出，本实施例方法制得的新型高铬白口抗磨铸铁，其碳化物呈颗粒状弥散分布于基体中，而从图2可看出，对比例1的普通传统高铬白口抗磨铸铁的碳化物呈针条状或者菊花状分布于基体中。

实施例2

一种制备新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁的方法，按以下步骤实施：

第（1）步：碳粉、铁粉、高碳铬铁粉、粘结剂石蜡和造孔剂塑料颗粒混合30小时，上述物质的质量比为：10:45:40:1:1；

第（2）步：将第（1）步混合后的粉末置于模具中压制后，于1200℃条件下热处理26小时，得到多孔坯体，所述多孔坯体的孔隙率为25~29%；

第（3）步：将第（2）步制得的多孔坯体放置于液锻模具中，将预先熔化的呈完全液态的普通未添加镍和钼的高铬白口抗磨铸铁炉料（炉料温度为1400℃）倒入模具腔体中，静置8秒后，通过施加压力的装置合模，保持200吨的合模压力10秒，之后再向其施加至少800吨的压力，直至模具内液态的高铬白口抗磨铸铁炉料凝固，再冷却至室温后，从模具中取出，得到新型高铬白口抗磨铸铁，制得的铸铁中没有特别添加镍、钼等贵重金属，在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。

上述方法制得的新型无贵重金属高铬白口抗磨铸铁经检测，其中化学元素的质量百分比为，C：10%， Cr：40%，Mn：≤1%，Si：≤0.9%，：48≤Fe≤48.1%，余量还包括杂质元素。在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。材料的冲击韧性值为5J，材料的洛氏硬度HRC为 66。

实施例3

第（1）步：碳粉、铁粉、高碳铬铁粉、粘结剂石蜡和造孔剂塑料颗粒混合30小时，上述物质的质量比为：7:58:29:1:2；

第（2）步：将第（1）步混合后的粉末置于模具中压制后，于1200℃条件下热处理16小时，得到多孔坯体，所述多孔坯体的孔隙率为30~32%；

第（3）步：将第（2）步制得的多孔坯体放置于液锻模具中，将预先熔化的呈完全液态的普通未添加镍和钼的高铬白口抗磨铸铁炉料（炉料温度为1400℃）倒入模具腔体中，静置10秒后，通过施加压力的装置合模，保持200吨的合模压力8秒，之后再向其施加至少800吨的压力，直至模具内液态的高铬白口抗磨铸铁炉料凝固，再冷却至室温后，从模具中取出，得到新型高铬白口抗磨铸铁，制得的铸铁中没有特别添加镍、钼等贵重金属，在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。

上述方法制得的新型高铬白口抗磨铸铁经检测，其中化学元素的质量百分比为，C：7%， Cr：28~30%，Mn：≤1%，Si：0.5%，61.5%≤Fe≤63.5%，余量包括杂质元素。在材料中若存在钼和镍，也是以不可避免的杂质形式存在的。材料的冲击韧性值为7J，材料的洛氏硬度HRC为 62。

Claims

1.一种制备新型高铬白口抗磨铸铁的方法，其特征在于：按以下步骤实施，

第（1）步：将碳粉、铁粉、高碳铬铁粉、粘结剂和造孔剂按（6~ 10）：（36~70）:（10~ 50）:（ 0.5~1）:（1 ~ 5）的质量比例混合至少20小时；

第（2）步：将第（1）步混合后的粉末置于模具中压制后再经1200 ~ 1300℃的温度热处理16~26小时得到多孔坯体，所述多孔坯体的孔隙率为25~40%；

第（3）步：将第（2）步制得的多孔坯体放置于液锻模具中，将预先熔化的呈完全液态的普通未添加镍和钼的高铬白口抗磨铸铁炉料倒入模具腔体中，至少静置5秒后，通过施加压力的装置合模，保持200~400吨的合模压力5~10秒后，再向其施加至少800吨的压力，直至模具内液态的高铬白口抗磨铸铁炉料凝固，再冷却至室温后，从模具中取出，得到新型高铬白口抗磨铸铁；所述新型高铬白口抗磨铸铁的材料中各化学元素质量占材料总质量的比分别如下，C：6~10%，Cr：10~40%，Mn：0.5~1.0%，Si：0.3~0.9%，Fe：48~83.2%，余量是不可避免的杂质元素；碳与铬形成的碳化物呈颗粒状弥散分布于基体中。

2.一种新型高铬白口抗磨铸铁，其特征在于：采用权利要求1所述的制备新型高铬白口抗磨铸铁的方法得到，材料中各化学元素质量占材料总质量的比分别如下，C：6~10%， Cr：10~40%，Mn：0.5~1.0%，Si：0.3~0.9%，Fe：48~83.2%，余量是不可避免的杂质元素；碳与铬形成的碳化物呈颗粒状弥散分布于基体中。

3.如权利要求2所述的新型高铬白口抗磨铸铁，其特征在于：材料的韧性值为5~8J。