CN116516256A

CN116516256A - 稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN116516256A
Application number: CN202310504091.1A
Authority: CN
Inventors: 宋晓燕; 马志宏; 周利光; 王俊; 贾怀宇
Original assignee: Inner Mongolia Zhongrun Huantou Technology Co ltd; Inner Mongolia Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Inner Mongolia Zhongrun Huantou Technology Co ltd; Inner Mongolia Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2023-05-06
Filing date: 2023-05-06
Publication date: 2023-08-01

Abstract

本发明涉及稀土改性V‑Cr‑Mn铁基耐磨合金材料及其制备方法，包括碳2.0％～3.0％，硅0.8％～1.6％，铬6.0％～12.0％，锰4.0％～8.0％，钒5.0～8.0％，稀土元素铈0.1％～0.3％，其余为铁Fe。根据上述组份含量和原材料成分设定原材料的配比，配置炉料。炉料在感应炉中以1500‑1550℃的温度熔炼10～30分钟后，在同样温度条件下保温30‑50分钟。之后将温度为1500‑1550℃的铁水到预热钢包中，用干燥的放热粉末覆盖熔体，在保持温度的同时进行扒渣。出炉前用铝丝终脱氧后倒入树脂砂型中浇注成形，得到稀土改性V‑Cr‑Mn铁基耐磨合金材料。减少钒使用量的同时降低熔炼温度。

Description

稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料，具体涉及稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料及其制备方法。

背景技术

机械设备中的一些关键部件的材料需要同时具备高硬度、高耐磨性和高韧性，例如，球磨机中的衬板、磨球。球磨机是用于粉磨各种矿石等物料的设备，在将矿石等物料磨碎时，衬板、磨球会受到频繁不定向的撞击以及与物料之间的反复碾磨，通常选用高硬度的高铬(Cr)铸铁或高韧性的高锰(Mn)钢等耐磨合金材料制作，以防止被粉状物料快速磨损。但高铬铸铁、高锰钢的缺点是，耐磨性偏低，衬板、磨球的使用周期短需要频繁更换，使用成本高。

作为耐磨合金，V-Cr-Mn铁基耐磨合金具有比高铬铸铁、高锰钢更优异的性能。V-Cr-Mn铁基耐磨合金的性能取决于钒的含量和组织，其中起主要作用的是聚合形态的碳化钒(VC)颗粒。产生理想的碳化钒颗粒需要钒的含量(百分比)达到9％甚至12％以上、并且需要在1700℃以上的温度条件下熔炼以及后续的热处理，不仅熔炼温度高、工艺流程复杂，还需要大量价格昂贵的钒，限制了V-Cr-Mn铁基耐磨合金的使用。

发明内容

本发明的目的是，解决现有V-Cr-Mn铁基耐磨合金存在的含钒量高、工艺流程复杂的问题。

第一技术方案为稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料由以下质量百分比的组份组成：

碳(C)：2.0％～3.0％，硅(Si)：0.8％～1.6％，铬(Cr)：6.0％～12.0％，锰(Mn)：4.0％～8.0％，钒(V)：5.0～8.0％，稀土元素铈(Ce)：0.1％～0.3％，其余为铁(Fe)，

稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料由符合上述组份的原材料，以规定熔炼温度1500-1550℃和规定熔炼时间(T1)进行熔炼，之后以规定保温时间(T2)进行保温获得1500-1550℃的铁水浇注而成。

优选，由以下质量百分比的组份组成：

碳(C)：2.0％～2.3％，硅(Si)：0.80％～1.0％，铬(Cr)：6.0％～8.0％，锰(Mn)：4.0％～5.0％，钒(V)：5.0～6.0％，稀土元素铈(Ce)：0.1％～0.2％，其余为铁(Fe)。

优选，规定熔炼时间(T1)为30-50min，规定保温时间(T2)为10-30min。

优选，材料包括废钢、生铁、钒铁、铬铁、锰铁和/或增碳剂。

第二技术方案为稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料的制备方法，耐磨合金由以下质量百分比的组份组成：

制备方法包括以下步骤：

配料步骤(S1)：测定各种材料的元素含量，根据测定结果，计算出配置耐磨合金元素组份的各种材料的质量，依此称取材料，再称取一定量的稀土孕育剂，将称量好的材料、稀土孕育剂作为炉料，

熔炼步骤(S2)：将配置好的炉料投入电炉熔炼，以熔炼温度1500-1550℃和规定熔炼时间(T1)进行熔炼，之后以规定保温时间(T2)进行保温，获得1500-1550℃的铁水，

出炉、浇铸步骤(S3)：将1500-1550℃的铁水出炉，倒入到预热钢包中作为熔体，保持熔体的温度同时进行扒渣，之后倒入模型中浇注成形，制成稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料。

优选，耐磨合金由以下质量百分比的组份组成：

附图说明

图1是稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料(耐磨合金)的制备方法的步骤说明图；

图2是对比例1制备的耐磨合金的SEM/EDS分析说明图；

图3是实施例1制备的耐磨合金的金相分析的说明图；

图4是对比例1制备的V-Cr-Mn铁基合金的金相分析的说明图；

图5是对比例2制备的V-Cr-Mn铁基合金的金相分析的说明图；

图6是实施例1和对比例2中合金硬度的对比说明图；

图7是实施例1和对比例2中合金磨损量的对比说明图。

具体实施方式

下面结合附图，通过列举三个实施例和两个对比例，对本发明的稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料(以下简称耐磨合金)的具体实施方式进行详细阐述。

实施例1

耐磨合金中由以下质量百分比的元素组份组成：

碳C：2.0％，硅Si：0.80％，铬Cr：6.0％，锰Mn：4.0％，钒V：5.0％，铈Ce：0.10％，其余为铁Fe。表1为元素和对应的组份。

表1 实施例1中耐磨合金的元素组份表

组份

C

Si

Cr

Mn

V

Ce

Fe

质量百分比(％)

2

0.8

6

4

5

0.1

其余为铁Fe

以下对稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料的制备方法进行说明。

图1是稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料(耐磨合金)的制备方法的步骤说明图。原料选用废钢、生铁、铬铁、锰铁、钒铁、硅铁，添加含有铈Ce的稀土孕育剂(以下简称稀土孕育剂)进行熔炼。

如图1所示，制备上述耐磨合金方法包括以下步骤：

配料步骤S1：根据耐磨合金的元素组份，以及原料中的成分进行配料，确定废钢、生铁、铬铁、锰铁、钒铁、硅铁和稀土孕育剂的使用量配置炉料。

首先，分析原料的元素组份。本实施方式中，废钢中的元素含量为碳C：0.20％，硅Si：0.40％，锰Mn：0.45％，钒V：0％、铬Cr：0％，硫S：0.01％，磷P：0.04％，其余为铁Fe；生铁中的元素含量为碳C：4.37％，硅Si：0.68％，锰Mn：0.12％，钒V：0％、铬Cr：0％，硫S：0.026％，磷P：0.05％，其余为铁Fe；硅铁中的元素含量为碳C：0.15％，硅Si：72.1％，锰Mn：0％，钒V：0％、铬Cr：0％，硫S：0.016％，磷P：0.034％，其余为铁Fe；钒铁中的元素含量为碳C：0.53％，硅Si：0.61％，锰Mn：0.43％，钒V：49.38％、铬Cr：0％，硫S：0.032％，磷P：0.058％，其余为铁Fe；铬铁中的元素含量为碳C：8％，硅Si：1.89％，锰Mn：0％，钒V：0％、铬Cr：59.01％，硫S：0.026％，磷P：0.144％，其余为铁Fe；锰铁中的元素含量为碳C：6.5％，硅Si：0.8％，锰Mn：65.1％，钒V：0％、铬Cr：0％，硫S：0.02％，磷P：0.17％，其余为铁Fe(汇总为表2)。

表2各种原料的元素组份表

根据耐磨合金的元素组成和原料的元素组成，设定原材料的配比，算出炼制10kg(一炉)的耐磨合金，确定炉料为废钢4.84kg、生铁2.5kg、硅铁0.0453kg、钒铁1.0547kg、铬铁1.0375kg、锰铁0.523kg，以及稀土含量10％的稀土孕育剂0.01kg(总结为表3)。

表3实施例1中原料使用量表

按废钢、生铁、铬铁、锰铁、钒铁、硅铁、稀土孕育剂的顺序，将炉料加入到中频感应电炉进行熔炼。

熔炼步骤S2：

调节中频感应电炉功率温度至1550℃，将炉料炼制30min，之后保温30min，获得1550℃的铁水。

出炉、浇铸步骤S3：

将1550℃的铁水出炉，倒入到预热钢包中作为熔体，用干燥的放热粉末覆盖熔体，保持熔体的温度同时进行扒渣，出炉前用铝丝终脱氧后倒入板状树脂砂型中浇注成形，得到耐磨合金。

以下通过物相检测、金相分析、硬度测试和磨损试验，耐磨合金的优点进行说明，为便于试验，将浇铸出来的将板状试块切割为50mm×50mm×4mm的磨损实验片，将磨损实验片作为耐磨合金试样进行试验，以下是试验内容和结果：

(1)物相检测(SEM/EDS分析)

采用扫描电镜(JCM600，JEOL，Japan)对耐磨合金试样进行组织形貌分析后，使用X射线衍射仪(D-MAX-2500-PC型日本)进行物相检测(SEM/EDS分析)，图2是SEM/EDS分析的结果说明图。

参见图2，从左到右的部分分别展示了元素钒V、元素铬Cr、稀土元素铈Ce的分布，可对照左图、中图、右图下端的长条形色板(虚线框B1、B2、B2中分别是指示V、Cr、Ce元素丰度的色板)，观察图中的元素的位置分布。左图中的亮色部分表示元素钒V的分布位置，右图中的亮色部分表示稀土元素铈Ce的分布位置，二者基本重合，中图的元素铬Cr的分布位置与左图的元素钒V、右图的元素铈Ce区别很大，说明稀土Ce主要存在于碳化钒VC相中。元素钒V的分布形态类似花朵，具有近似圆形的包络面，说明在耐磨合金中碳化钒VC在稀土Ce的影响下趋于圆球形。

(2)金相分析

将耐磨合金试样粗磨、细磨、抛光后，用王水腐蚀，在光学显微镜(OM)(AxioImager,Zeiss,Germany)下进行金相组织拍照，连续拍五张200倍下的金相显微图，取最佳的金相显微图进行金相分析，图3即金相分析的说明图。

如图3所示，图中暗色部分b1是耐磨合金试样的铁基基体，主要以奥氏体为主，说明耐磨合金具备高韧性。图3中的亮色不规则形状是c1碳铬化合物，均匀分散在基体中.图3中亮色的颗粒v1是碳化钒VC，明显呈现出较大的球形颗粒状，均匀分散在基体中，说明耐磨合金的耐磨性好。

(3)硬度测试

按照国标GB/T230-91《金属洛氏硬度试验方法》，在HR-150A型洛式硬度计上对耐磨合金试样进行表面硬度测试(载荷选取150kg)。经测试，耐磨合金试样的表面硬度为47.4HRC，说明耐磨合金具有较高的硬度。

(4)磨损试验

使用SUGA型磨粒磨损试验机，将12×158mm的180目碳化硅砂纸固定在砂轮上作为磨损介质，设定测试载荷为19.6N，将表面光洁度均为0.2μm Ra的耐磨合金试样进行三次磨损测试。对磨损前后的耐磨合金试样进行显微观察和统计，取统计结果平均值。

统计结果如图6、图7所示，即，如图6的左侧、图7黑方框折线所示(图6的右侧、图7的黑三角折线示出的是后文中对比例的试验结果，详见后文)。

如图6所示，磨损后，耐磨合金试样的铁基基体显微硬度由589HV变为774HV，提高了26％，说明耐磨合金在磨损表面发生了相当的加工硬化现象，结合图7，耐磨合金的磨损量和硬度变化成反比，说明耐磨合金试样的磨损量很小，耐磨性好。

以下对实施例2、实施例3进行说明：

实施例2

实施例2与实施例1的不同在于，耐磨合金的元素成分组成为：

碳C：2.3％，硅Si：1.0％，铬Cr：8.0％，锰Mn：5.0％，钒V：6.0％，其余为铁Fe(总结为表4)。

表4 实施例2中耐磨合金的组份表

组份

C

Si

Cr

Mn

V

Ce

Fe

质量百分比(％)

2.3

1

8

5

6

0.2

其余为铁Fe

经计算，炼制10kg耐磨合金需要的炉料为废钢4.84kg、生铁2.5kg、硅铁0.0453kg、钒铁1.0547kg、铬铁1.0375kg、锰铁0.523kg、稀土孕育剂0.02kg(总结为表5)，相较于实施例1具有更多的合金元素和稀土。其余与实施例1相同。

在熔炼时，熔炼的温度是1520℃，炼制50min，之后保温10min，获得的铁水温度是1520℃，相较于实施例1，熔炼温度降低30℃，保温时长减少20min。其余与实施例1相同。

表5 实施例2中原料使用量表

经金相分析，实施例2的耐磨合金与实施例1的金相结构相似，基体以奥氏体为主，并且具有比实施例1稍多的碳铬化合物和球状碳化钒VC，说明其硬度、韧性与实施例1相同，并具有更好的耐磨性。

实施例3

碳C：2.3％，硅Si：1.0％，铬Cr：8.0％，锰Mn：5.0％，钒V：6.0％，其余为铁Fe(总结为表6)。

表6 实施例3中耐磨合金的组份表

组份

C

Si

Cr

Mn

V

Ce

Fe

质量百分比(％)

3

1.3

10

8

0.3

其余为铁Fe

经计算，炼制10kg耐磨合金需要的炉料为废钢3.6kg、生铁1.7kg、硅铁0.111kg、钒铁1.6876kg、铬铁1.7292kg、锰铁1.1077kg、稀土孕育剂0.03kg、增碳剂0.08(总结为表5)，相较于实施例2具有更多的合金元素和稀土，并且为了补足碳的含量，还添加了增碳剂。其余与实施例1相同。

在熔炼时，熔炼的温度是1500℃，炼制50min，之后保温20min，获得的铁水温度是1500℃，熔炼时间较长，保温时间适中。其余与实施例1相同。

表5 实施例2中原料使用量表

经金相分析，实施例3的耐磨合金与实施例1的金相结构相似，基体以奥氏体为主，并且具有稍多的碳铬化合物和球状碳化钒VC，说明其硬度、韧性与实施例1相同，并具有更好的耐磨性。

实施例总结

上述实施例1和实施例3中列举出的耐磨合金中各个合金元素组份的质量百分比分别对应耐磨合金中各个合金元素的含量下限和含量上限，即，耐磨合金的元素组份组成的取值范围是：碳C：2.0％～3.0％，硅Si：0.8％～1.6％，铬Cr：6.0％～12.0％，锰Mn：4.0％～8.0％，钒V：5.0～8.0％，稀土元素铈Ce：0.1％～0.3％，其余为铁Fe，(总结为表6)

表1 稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料的组份表

成分

C

Si

Cr

Mn

V

Ce

Fe

质量百分比(％)

2～3

0.8～1.6

6～12

4～8

5～8

0.1～0.3

其余为铁Fe

相对来说，实施例1中的合金元素含量较少，尤其是金属钒的用量远小于一般高钒铁基耐磨合金，仍能达到甚至超过一般高钒耐磨合金的耐磨效果，具有炼制成本低廉、炼制温度低、工艺简单的优点。

实施例3中使用的合金元素较多，虽然成本较高，但能形成更多有利于提高合金性质的化合物，具备更高的耐磨性、硬度，且能够具有良好的韧性。

实施例2中除铁之外的各合金元素质量百分比之和为22.3％，接近于20％，是兼顾耐磨合金炼制成本和性能的方案。

对比试验

以下通过对比例1、对比例2，与实施例1进行对照，来说明实施例1的耐磨合金的有益效果。

对比例1

对比例1与实施例1的不同在于，原料中不包括稀土孕育剂，其他均与实施例1相同。

取对比例1制成的合金(V-Cr-Mn铁基合金/1550℃)的试样(简称对比试样1)进行金相分析，金相分析结果参见图4。

图4示出了碳化钒VC的放大后的形态，可见仅有图中边缘部分的碳化钒VC形成不规则的颗粒状(图中v21部分)，中间的大部分碳化钒VC是不规则的花瓣状(图中v22部分)，并且碳化钒的分布不均匀，没有形成类似图3中均匀分布在基体中的球状颗粒碳化钒VC，说明以熔炼温度1550℃制备的不包含稀土元素铈Ce的V-Cr-Mn铁基合金更容易应力集中，耐磨性比实施例1差。

对比例2

对比例1与实施例1的不同在于，原料中不包括稀土孕育剂，熔炼温度上升至1700℃，其他均与实施例1相同。

取对比例2制成的合金(V-Cr-Mn铁基合金/1700℃)的试样(简称对比试样2)进行金相分析，金相分析结果参见图5。

如图5所示，暗色部分b3是合金的基体，以奥氏体为主，亮色不规则形状是碳铬化合物b3，与图3中基本相同；在基体中的分布的亮点v3是在高温下球化的颗粒状碳化钒VC，其相较于图3来说数量明显较少且体积明显较小，耐磨性比对比例1好，但仍比实施例1差。

将对比例2的试样进行耐磨试验，结果如图6、图7所示。

如图6所示，磨损后，对比试样2的铁基基体的显微硬度由585HV变为719HV，提高了23％，比实施例1低，结合图7，对比试样2的磨损曲线也比较平整，从磨损量来看，实施例1的耐磨合金比对比例2少15％。因此，实施例1的耐磨合金试样具有更好的耐磨性。

以下将对本发明中用到的几种元素的作用进行介绍：

合金元素在金属材料中发挥了极其重要的作用，它们既影响了材料的组织形态，又影响了材料的自身性能。

碳C是决定材料硬度和韧性最为重要的元素。它能提高淬透性，影响显微组织。在耐磨合金中具有中高碳含量(2～3％)，因此材料能够应对较大冲击载荷，具有高硬度、高韧性的优点。此外，碳可以与材料中的其他合金元素(钒、铬)形成碳化物，使材料具有一定的特殊性能(具体参见关于元素钒、铬的描述)，提高耐磨合金的耐磨性。

少量硅Si可以使材料的屈服极限和弹性极限得到显著提高，对疲劳强度也有较好的改善。

铬Cr与碳可以形成不同类型的碳化物，能够将渗碳体中部分铁原子置换出来而形成具有较高显微硬度的(Fe,Cr)₃C的含铬合金渗碳体，当材料中铬含量较高时，会形成显微硬度更高的(Cr,Fe)₂₃C₆和(Cr,Fe)₇C₃的复杂碳化物，因此耐磨合金具有高硬度。另外，较高的铬含量可以增加奥氏体区域的大小，有利于增加耐磨合金的韧性。铬还可以少量的溶于奥氏体中，提高基体的淬透性。

锰Mn能扩大耐磨合金的γ相区，是稳定奥氏体元素。当合金中的钛、钒形成难溶于奥氏体的碳化物时，会降低材料的淬透性，加入锰可以使这些难溶碳化物元素的不利影响发生改变，提高材料的淬透性。同时，锰Mn参与形成Fe-Mn-C原子团能够，能够在耐磨合金收到冲击时诱变奥氏体转变为马氏体，增强耐磨合金的加工硬化能力，提高耐磨合金的韧性。

钒V是强碳化物形成元素，与碳结合形成显微硬度很高的碳化钒(VC)，在耐磨合金中，碳化钒是近似球形的颗粒状，对提高材料的耐磨性极为有利。

稀土元素加入耐磨合金中，变质处理可以起到细化晶粒、强化晶界的作用，同时也具有改善碳化物的形态，还有脱氧、脱硫净化铁液的作用。

在本发明中，稀土元素铈Ce能够降低耐磨合金的熔炼温度至1500℃左右，并且能够改善碳化钒的形态。

在本发明中，熔炼时，需将铁水保温10～30min，这样有助于稀土Ce与合金元素充分混合，发生反应，有利于颗粒状碳化钒的形成。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

Claims

1.稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的组份组成：

所述稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料由符合上述组份的原材料，以规定熔炼温度1500-1550℃和规定熔炼时间(T1)进行熔炼，之后以规定保温时间(T2)进行保温获得1500-1550℃的铁水浇注而成。

2.根据权利要求1所述的稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的组份组成：

3.根据权利要求1或2所述的稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料，其特征在于，所述规定熔炼时间(T1)为30-50min，所述规定保温时间(T2)为10-30min。

4.根据权利要求3所述的稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料，其特征在于，所述材料包括废钢、生铁、钒铁、铬铁、锰铁、包含铈(Ce)的稀土孕育剂和/或增碳剂。

5.稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金由以下质量百分比的组份组成：

所述制备方法包括以下步骤：

出炉、浇铸步骤(S3)：将所述1500-1550℃的铁水出炉，倒入到预热钢包中作为熔体，保持熔体的温度同时进行扒渣，之后倒入模型中浇注成形，制成所述稀土改性V-Cr-Mn铁基耐磨合金材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金由以下质量百分比的组份组成：

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述规定熔炼时间(T1)为30-50min，所述规定保温时间(T2)为10-30min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述材料包括废钢、生铁、钒铁、铬铁、锰铁、包含铈(Ce)的稀土孕育剂和/或增碳剂。