CN1425791A

CN1425791A - 含钛铬耐磨铸铁及其热处理工艺

Info

Publication number: CN1425791A
Application number: CN 03112640
Authority: CN
Inventors: 丁丽; 宋润泽; 刘怀钧; 沈卫东; 谢平
Original assignee: JIANGSU PROV ELECTROCHEMICAL INST CO Ltd
Current assignee: JIANGSU PROV ELECTROCHEMICAL INST CO Ltd
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2003-06-25

Abstract

含钛铬耐磨铸铁，其组成和重量百分比是：C：2.0～3.5％；Ti：1.5～5.0％；Cr：11.0～14.0％；Mn：≤1.0％；Si：0.6～1.8％；P≤0.06％；S≤0.05％；其余为Fe和不可避免的杂质。优化方案有：1、当Ti＞4.0％时，Si＞1.5％。2、含钛铬耐磨铸铁的组分中还可加入：Mo，0.5～1.5％(重量百分数)。3、含钛铬耐磨铸铁的组分中还可加入：Re，其重量百分数：0.03～0.05％。本发明提供的热处理工艺是：加热至淬火温度1040℃～1060℃，保温一段时间(5～15分钟)，空冷至室温。本发明具有比高铬白口铸铁高得多的耐磨性和冲击韧性。

Description

含钛铬耐磨铸铁及其热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种含钛铬耐磨铸铁，以及这种含钛铬耐磨铸铁的热处理工艺。

背景技术

目前，仅我国矿山、电力、水泥等行业每年耗费的金属耐磨材料就超过百万吨，常用的材质主要为高锰钢、低合金钢和高铬白口铸铁。高锰钢的冲击韧性高(α_K≥147J/cm²)，但其耐磨性只有在大冲击工况条件下通过加工硬化才能实现，而在冲击较小时不足以使高锰钢产生加工硬化，易被磨损；低合金钢是近20年来国内外根据各自的用途和资源状况发展起来的，类别较多，如Cr-Mo钢、Cr-Mn-Si-Mo钢、Cr-Ni-Mo钢及Cr-Mn-Mo钢等，其综合性能较好，一般应用于中等冲击又要求一定耐磨性的工况下，不适用于要求强磨料磨损的场合；高铬白口铸铁是近几十年来应用较广泛的材质，其淬火后硬度很高(≥HRC60)，但是冲击韧性很低(α_K≤6J/cm²)，在一些中、大冲击强磨粒磨损工况条件下(如破碎石英岩)，其耐磨性、耐冲击性则难以满足实际需要。这与高铬白口铸铁的组织及其形态有关，其淬火态组织一般为马氏体+M₇C₃型碳化物，该类型碳化物呈条状或块状，对基体割裂作用较大，显微硬度约为Hv1200～1800。作业过程中，基体磨损后，失去保护的条块状M₇C₃型碳化物受力后易崩裂、剥落，从而磨损速度加快。因此欲提高材料的耐磨性，方法之一是提高碳化物的硬度，改善其形态。

钛是一种强碳化物形成元素，所形成的TiC碳化物显微硬度(Hv3200)比Cr₇C₃碳化物硬度(Hv1200～1800)高的多。在耐磨铸铁和耐磨铸钢中，少量的钛(0.05-0.6％)就具有细化晶粒、产生弥散强化等作用，提高耐磨性。专利号为8710553.7的中国发明专利申请文献公开了一种磷铜钛多元素中锰耐磨铸铁，其具体化学成分(重量百分数)如下：C3.0-4.0％，Si3.0-4.5％，Mn4.0-7.0％，P0.4-0.08％，S＜0.03％，Cu0.4-0.9％，V0.02-0.12％，Ti0.07-0.15％，Re0.005～0.02％，Mg0.005-0.02％，余量为铁。其中的钛一方面与钒元素形成钒钛碳氮化合物，具有很高的显微硬度呈弥散状态分布于铸铁基体中，提高了铸铁的强度和硬度，一方面有利于石墨化并细化石墨，提高了耐磨性，但其平均硬度仅为HRC45，组织中的钒钛碳氮化合物仅占极少量，难以起到抵抗坚硬磨料刮擦、磨削的支撑点作用，耐磨性仍然不佳。专利申请号为89104726.3的文献公开了一种耐磨高铬铸铁，其具体化学成分(重量百分数)如下：C2.9～3.2％，Mo1.2～2.0％，Cr18.0～20.0％，V4.0～5.0％，Si0.4～0.8％，Mn0.4～1.0％，Cu0.8～1.2％，Re0.05～0.5％，S≤0.05％，P≤0.08％，其余为铁。该材质不含钛元素，而是在高铬白口铸铁的基础上增加钒的含量，形成了高硬度VC碳化物，提高了材质耐磨性。其材质的组织特征及性能特点也基本与高铬白口铸铁相同，耐磨性虽然提高了约30％，但其性能价格比并不比高铬白口铸铁高，不易在市场推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种含钛铬耐磨铸铁化学成分，具有比高铬白口铸铁高得多的耐磨性和冲击韧性。同时，为了进一步提高其硬度，针对这种钛铬耐磨铸铁的特定成分与化学性质，本发明还提供了它的热处理工艺。

本发明的技术方案是：含钛铬耐磨铸铁，其组成和重量百分比如下：

C： 2.0～3.5％ Ti： 1.5～5.0％

Cr： 11.0～14.0％ Mn： ≤1.0％

Si： 0.6～1.8％ P≤0.06％ S≤0.05％

其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步改进本发明的上述配方组成，可得到以下优化方案：

1、Ti＞4.0％时，Si＞1.5％。

2、含钛铬耐磨铸铁的组分中还可加入：Mo，0.5～1.5％(重量百分数)。

3、含钛铬耐磨铸铁的组分中还可加入：Re，其重量百分数为：0.03～0.05％。

本发明含钛铬耐磨铸铁的化学成分限定范围理由如下：

(1)碳：C是碳化物的形成元素，而在耐磨铸铁中，碳化物的组成、形态、分布及数量是决定其性能的关键因素。在亚共晶范围内，随含碳量增加，产生碳化物的数量相应增加，硬度提高，但脆性增加，韧性下降。含碳量过低时材质中碳化物减少，对铸铁的耐磨性不利。兼顾考虑碳量控制在2.0～3.5％；

(2)钛：Ti含量在1.5％以上。含量过低，所析出的TiC碳化物量少，材料的性能仍会以Cr₇C₃型碳化物特性为主，只有当TiC碳化物量达10％以上时，其作用才会显著。但钛合金价格较高，含量高成本也相应增加较多，因此其最高含量不超过5.0％；

(3)铬：组织中仅有TiC碳化物是不足以抵抗硬磨料的磨损的，还需加入一定量Cr，以形成显微硬度较高的Cr₇C₃型碳化物，作为对碳化物总含量的补充。铬含量与碳含量有关，即Cr/C值，考虑材质碳化物总含量范围，铬含量控制在11.0～14.0％，Cr/C值控制在3.5以上；

(4)锰：Mn主要起脱氧除气作用，含量过高会产生大量残余奥氏体，对材料耐磨性不利，应控制在1.0％以下。

(5)硅：Si能改善铸铁的铸造性能，且有利于铁水脱氧除气，还能使碳化物团块化。但含硅量过高会增加材质的脆性。试验证明，Si和Ti同时加入比单独加入相同含量的Ti或Si能获得更好的耐磨性，且若Ti＞4.0％，则Si＞1.5％。因而其最高含量控制在0.6-1.8％以内；

(6)磷、硫：P、S是随炉料或合金化过程中混入的有害杂质，应越低越好；

(7)钼：Mo是显著提高淬透性元素，既可固溶于铁素体或奥氏体，又可形成碳化物及复杂的多元碳化物，Mo分布在共晶碳化物和基体间，能细化碳化物和晶粒。但含量过高会使脆性碳化物量增加，提高材料成本，故其含量控制在0.5～1.5％；

(8)稀土：Re在本发明中是以变质剂加入的。它能细化晶粒、净化晶界、改善碳化物形态和分布，促使碳化物呈孤立状均匀分布，对韧性、抗弯强度、硬度的提高均有益处。加入量少时效果不明显，加入量过多又会生成稀土夹杂物，降低材质的韧性，恶化性能。合适的稀土残余量为0.03～0.05％。

本发明的工艺流程为：配料—熔炼—调整成分—加变质剂—出炉—浇注—热处理。其中热处理工艺为是针对本发明设计的。

含钛铬耐磨铸铁的热处理工艺，其步骤是：加热至淬火温度1040℃～1060℃，保温5～15分钟以均匀化组织，空冷至室温。

本发明优点(与高铬白口铸铁相比)是：通过加入一定量的钛元素，使组织中出现微观尺寸的富钛碳化物颗粒，均匀弥散分布于基体中。由于TiC碳化物显微硬度极高，且呈弥散圆形颗粒状分布，对基体的割裂作用很小，大幅度提高材料耐磨性，其耐磨性是高铬白口铸铁的2-3倍，而成本与其基本相当，且制造工艺简便，是一种新型高性能耐磨材料。

具体实施方式

实施例1，用中频炉(500kg)冶炼，化学成分(重量百分比)如下：

C： 2.3％ Ti： 4.2％ Cr：11.9％

Mn： 0.85％ Si： 1.7％ Mo：0.8％

Re残余量：0.04％

其余为Fe和不可避免的杂质。

根据以上重量百分数，其工艺步骤是：

将生铁、废钢、铬铁、钼铁放入炉内加热熔化，将钛铁放在加热炉内预热至500℃左右。炉内铁水升温至1550℃～1600℃左右时，插铝充分脱氧后分批加入钛铁。出炉前5min内加入硅铁、锰铁。温度升至1500℃左右时再次插铝脱氧后出炉。采用包内冲入法加入稀土变质。

用砂型铸造，浇注温度1430～1450℃，浇注破碎机板锤，每块重约150公斤。板锤冷却后，清理。

热处理：将板锤加热至1050℃，保温3小时，空冷至室温。热处理后的机械性能为：硬度＝HRC 63，冲击韧性α_K值＝7.5-9J/cm²。金相组织为：马氏体+残余奥氏体+碳化物。

装机考核证明，本发明材质板锤的使用寿命是原KmTBCr20Mo高铬白口铸铁材质板锤的2.3倍。

实施例2：熔炼条件与实施例1相同，化学成份(重量百分比)为：

C： 3.2％ Ti： 2.6％ Cr： 13.0％

Mn： 0.85％ Si： 0.75％ Re残余量：0.03％

其余为Fe和不可避免的杂质。

熔炼过程基本同实施例1。

浇注破碎机喷射口衬板，每块重约8公斤。衬板冷却后，清理。

热处理工艺同实施例1。热处理后的机械性能为：硬度＝HRC 64.5，冲击韧性α_K值＝6-8J/cm²。金相组织为：马氏体+残余奥氏体+碳化物。

经装机考核证明，本发明材质喷射口衬板的使用寿命是原KmTBCr15Mo3高铬铸铁材质衬板的2.7倍。

实施例3，与实施例1基本相同，但各组分比例为：

C： 2.0％ Ti：1.5％ Cr： 14.0％

Mn：0.85％ Si：0.60％ Re残余量：0.05％

其余为Fe和不可避免的杂质。

实施例4，与实施例1基本相同，但各组分比例为：

C： 3.5％ Ti： 5.0％ Cr： 11.0％

Mn：0.85％ Si： 1.80％ Re残余量：0.04％

其余为Fe和不可避免的杂质。

实施例5，与实施例1基本相同，但其中Mo为0.5％。

实施例6，与实施例1基本相同，但其中Mo为1.5％。

Claims

1、一种含钛铬耐磨铸铁，其组成和重量百分比如下：

C： 2.0～3.5％ Ti： 1.5～5.0％

Cr： 11.0～14.0％ Mn： ≤1.0％

Si： 0.6～1.8％ P≤0.06％ S≤0.05％其余为Fe和不可避免的杂质。

2、照权利要求1所述的含钛铬耐磨铸铁，其特征是：当Ti＞4.0％时，Si＞1.5％。

3、按照权利要求1或2所述的含钛铬耐磨铸铁，其特征是：组分中还可加入：Mo，其重量百分数为：0.5～1.5％。

4、按照权利要求1或2所述的含钛铬耐磨铸铁，其特征是：组分中还可加入：Re，其重量百分数为：0.03～0.05％。

5、按照权利要求3所述的含钛铬耐磨铸铁，其特征是：组分中还可加入：Re，其重量百分数为：0.03～0.05％。

6、含钛铬耐磨铸铁的热处理工艺，其步骤是：加热至淬火温度1040℃～1060℃，保温一段时间，空冷至室温。