CN87103426A - 耐磨铸铁 - Google Patents

Abstract

本发明是关于铸冶工业。耐磨铸铁的组分包括碳、硅、锰、铬、镍、铝、铈、镁、钙和铁，同时，在铸铁的总碳量中有0.5-2.0重量％的碳是球形石墨夹杂物。本发明适用于生产易受磨料磨损和高温作用的零件。

Description

本发明是关於铸冶工业，更准确地说，是关於耐磨铸铁。

本发明最大的成功在於能用於生产易受磨料磨损的机器零件，例如，粉碎设备、液压泵、矿浆导管等所用的零件。

除此之外，本发明还可以用於生产在工艺过程中要经受高温作用的另件，例如，炉栅、轧辊等。

含碳、硅、锰、铬、镍和铁的耐磨铸铁是已知的（US-A-2662011）

该铸铁具有下列化学组成（重量%）：

碳    3.0-3.7

硅    0.5～3.0

锰    0.2～1.5

镍    4.0～8.0

铬    6.8～15.0

铁    余量

在这种组成的铸铁中，所有的碳都以碳化物相和马氏体相的结合态形式存在，这两种物相使铸铁具有高耐磨性，並有大量过剩的奥氏体。

由于碳处于这种状态，铸铁具有高的弹性模数和线收缩，又由于存在大量奥氏体相，所以其热导性就低，因而提高了收缩的和热的应力水平，而这两种应力使铸铁达到强度极限，足以引起该铸铁铸件的断裂。

因此，由于上述诸因素，已知铸铁的抗裂性是很低的。

此外，由于已知铸铁具有高的线收缩，不能用于双金属制品的制造中，因为用作第二层金属的灰铸铁，在冷却时具有先收缩的（Предусадоцное）和初始珠光体的（Допер

Итное）膨胀。这种性质主要决定了双金属制品在制造过程中的剩余应力水平。

在铸铁结构中，不希望有过量的奥氏体存在，因为奥氏体会降低铸铁的硬度，因而也就降低了由这种铸铁制造的易受磨料磨损的另件的耐久性。为了消除过量奥氏体並提高已知铸铁的耐磨性，人们采用了高温热处理，这就是制取已知铸铁的缺点，因为在工艺过程中引进了附加工序。在热处理过程中，由过量奥氏体中析出二次碳化物，而导致铸铁中碳的贫化，相应地提高了马氏体转变的起始温度。因此，冷却时，过量奥氏体转变成马氏体，而使已知铸铁的耐磨性提高。

铸造时，已知铸铁具有以下范围的基本特性：洛氏法硬度为48～55HRC;弯曲时的强度范围为450～600兆帕（MPa）;挠度为1.0～2.5毫米;线收缩2.2～2.4%;弹性模数20.0～21.5百帕（hPa）;剩余应力300～500兆帕。而经过高温热处理后，已知铸铁就具有下列范围的基本特征：洛氏法硬度58～65HRC;弯曲时的强度范围550～700兆帕;挠度2.0～3.5毫米;弹性模数20.0～22.0百帕;剩余应力80～200兆帕。

本发明的基本任务是创造耐磨铸铁，该铸铁所含碳的形态和化学组分可以降低铸铁的弹性模数和线收缩，並提高其强度和热导性，因此不经过高温热处理还能在保持其耐磨性的条件下提高铸铁的抗裂性。

解决本发明的任务在于，按照本发明，含碳、硅、锰、铬、镍和铁的耐磨铸铁还含有铝、铈、镁和钙，而在铸铁的总碳量中有0.5～2.0%的（重量）碳量是以球形石墨夹杂物形态存在。

当铸铁中，总碳量中有0.5～2.0%（重量）的碳量是以球形石墨夹杂物形式存在，且铸铁组分中有铝、钙、镁和铈存在时，就可保证降低铸铁的弹性模数和线收缩，並提高其强度性质和热导性，由此也就提高了抗裂性。除此之外，上述成分和碳的存在形态保证了制取过量奥氏体含量不大于10%（重量）的铸铁的初生结构，从而保证了由这种铸铁制成的铸件在铸造时达到必要的物理-力学、铸造以及加工操作性能而无需经过高温热处理。

众所周知，铸铁的碳化物相能提高弹性模数和线收缩，並且因削弱铸铁金属母体的作用而降低强度，同时人们也知道，奥氏体相和碳化物相具有低的热导性。

同时，游离球形石墨在减少铸铁碳化物相和过量奥氏体方面具有作用，所以能使本发明达到目的。

与原样品比较，铸铁中碳化物相的量的减少是由于要参与形成碳化物相的碳量减少而引起的，而过量奥氏体量的减少是由于碳在部分石墨化时成为游离态石墨而引起奥氏体碳的贫化，因此提高了马氏体转变的起始点。在冷却过程中奥氏体能向具有更高耐磨性、强度和硬度指标的马氏体转变，因而也就没有必要进行高温处理。

我们已确证，当球形石墨夹杂物形式的石墨化碳量降低到0.5重量%以下时，就不会引起铸铁的弹性模数、线收缩的降低和其强度的提高。若超出上限2.0重量%时，则使铸铁的耐磨性急剧下降。

耐磨铸铁最好具有以下相关重量%的组分：

碳（其中包括球形石墨）    3.2～4.0

硅    1.4～3.5

锰    0.4～1.2

铬    7.0～10.0

镍    2.5～5.5

铝    0.05～0.3

铈和镁总重量    0.03～0.25

钙    0.05～0.3

铁    余量

众所周知，硅能降低碳在奥氏体中的溶介度，所以含量为1.4～3.5重量%的硅能促使铸铁结构中的游离碳以石墨形式析出。为了易於实现硅的这个作用，在有镍、铝和钙组分存在的条件下，应把铸铁含碳量提高到4.0重量%。

众所周知，球墨铸铁具有高强度特性，而镁和铈能保证球形石墨。

众所周知，为了抑制奥氏体的高温分解，以便在铸铁中获得马氏体-奥氏体金属母体，铸铁就应含有足够量的锰和镍。而为了形成高耐磨性的碳化物相，铸铁还应含有碳和铬。

我们确证，当铸铁中的含硅量低于1.4重量%时，硅不能促使铸铁结构中的游离碳析出。已确定铸铁中硅含量的上限为3.5重量%。当硅含量更高时，则可观察到在铸铁结构中生成奥氏体的高温分解产物，这种产物可降低它的强度和耐磨性。

铸铁中的碳有两种作用，首先它参与了硬碳化物相的形成，而后参与石墨的析出。

因此，当铸铁中，在硅含量降低的条件下，碳含量低于3.2重量%，而且不含有铝时，碳就完全进入碳化物相的形成，也就是说没有游离碳析出。

然而在碳含量过高时，即超过4.0重量%，则在铸铁结构中会出现奥氏体高温分解产物。此外，如果铸铁中游离的碳量高于我们所规定的2.0重量%时，铸铁耐磨性就变坏，这就确定了碳含量的上限为4.0重量%。

铸铁组成中存在的铝也和硅一样，能促使部分游离态碳从奥氏体中析出。此外，借助于铝的脱氧作用，部分氧和其本身结合，因而一方面增加了晶核的数量，另一方面防止了生成铈和镁的氧化物，而减少了在获得球形石墨夹杂物中所必需的铈镁消耗量。

因此，当铝量低于下限0.05重量%时，游离碳的析出过程就变得困难，同时提高了铈和镁的消耗量。铸铁组成中的铝含量如超过上限0.3重量%时，则将在铸铁结构中导致具有低耐磨性的奥氏体高温分解的不良产物出现。

钙和铝一样，依赖於作辅助石墨晶核的硫化钙的形成，而使得部分游离态碳易於析出。铸铁的脱硫作用，就是游离硫结合成硫化物的过程，将会导致镁和铈的消耗量降低。

铸铁中钙含量低於下限0.05重量%时，其作用与铝相似。而高於上限0.3重量%时，将会增加能降低铸铁强度的非金属夹杂物。

为了获得球形石墨，铸铁组成中应有镁和铈，其总量按我们所确定的，应在0.03～0.25重量%的范围内。

当铸铁中的镁和铈的总含量低于下限0.03重量%时，在铸铁结构中不仅会出现球形石墨，而且还会出现蛭石状（вермику

ярнои）和片状的石墨，这就会使材料的强度急剧降低。当镁和铈的总含量过高时，则将会引起铸铁变性，因此获得如同这两种元素在铸铁中含量不足时同样的负效果。所以镁和铈的含量不应超出其总量的上限0.25重量%。

铸铁中的镍能使奥氏体变成马氏体，因而当镍的含量低於下限2.5重量%时，铸铁结构中将会出现奥氏体高温分解产物，而使碳难以石墨化。当镍的含量超过上限5.5%（重量）时，奥氏体的稳定性得以增强。正是由于这个原因，铸铁的金属母体能够完全变成奥氏体。在这种情况下，为了获得铸铁的马氏体结构就必须进行高温热处理，这是增加工艺过程的附加工序。

锰对铸铁结构形成的影响与镍多少有些相似，因此，当铸铁中锰含量不在0.3-1.2重量%的范围时，会观察到与镍相类似的不良现象。

为了获得不连续分布于金属母体中的高耐磨性的碳化物相，铸铁应当含有铬。当其含量低于下限7.0重量%时，在铸铁结构中就会形成渗碳体型的连续碳化物相。以致使铸铁的强度性质恶化。当铸铁组成中的铬含量超过上限10重量%时，铬将抑制游离碳的析出，即全部碳都处于结合态，这就意味着本发明的目的不能实现。

下面用详细描述的实例说明本发明：

所提出的，含有碳、硅、锰、铬、镍和铁的耐磨铸铁，按照本发明还含有铝、铈、镁和钙。同时，铸铁的总碳量中有0.5～2.0重量%的碳是以球形石墨夹杂物形式存在。

铸铁中有0.5～2.0重量%的部分石墨化的碳是以球形石墨夹杂物形式存在，而且铸铁中还存在有铝、钙、镁和铈，这些保证了弹性模数和线收缩的降低，同时使强度和热导性提高。因此就增加了铸铁的抗裂性。

把球形石墨夹杂物形态的石墨化碳量降低到下限0.5重量%以下时，不会引起弹性模数和线收缩的降低，也不会引起铸铁强度的提高。而超过上限2.0重量%时，铸铁的抗裂性就会急剧下降。

本发明铸铁具有下列重量%的相关组分：

碳，铸铁组成中存在的碳有结合态和游离态-球形石墨夹杂物，其量为3.2～4.0。

硅    1.4～3.5

锰    0.4～1.2

铬    7.0～10.0

镍    2.5～5.5

铝    0.05～0.3

铈和镁的总量    0.03～0.25

钙    0.05～0.3

铁    余量

当铸铁中所含的硅低于1.4重量%时，就不能使铸铁结构中的游离碳析出。铸铁中硅含量的上限确定为3.5重量%，如硅含量更高时，则在铸铁结构中能观察到奥氏体高温分解产物的形成。这样，既降低强度又降低耐磨性。

铸铁中，如果在硅含量降低的条件下，碳含量低于3.2重量%，又没有铝存在时，碳就会全部形成碳化物相，也就是说无游离碳析出。

然而碳含量过高时，即超过4.0重量%，将会导致在铸铁结构中出现奥氏体高温分解产物。此外，当铸铁中游离碳的含量超过2.0重量%时，铸铁的耐磨性就会恶化。这就确定了碳含量的上限为4.0重量%。

当铝含量低于下限0.05重量%时，游离碳的析出过程难以进行，並且增加铈和镁的消耗量。当铸铁组成中铝含量超过上限3.0重量%时，则在铸铁结构中会出现具有低耐磨性的不良奥氏体高温分解产物。

当铸铁中的钙含量低于下限0.05重量%时，其作用类似于铝。然而当含量高於上限0.3重量%时，会引起降低铸铁强度的非金属夹杂物增加。

当铸铁中的镁和铈的总含量低於下限0.03重量%时，在铸铁结构中不仅会出现球形石墨，而且还会出现蛭石状和片状石墨，这会使材料强度急剧下降。过量的镁和铈总量会使铸铁变性，因而得到与含量不足时同样的负效果。因此确定镁和铈的总量不得超过上限0.25重量%。

铸铁中镍含量低于下限2.5重量%时，在铸铁结构中会出现奥氏体高温分解产物而使碳的石墨化难以进行。

镍含量高于上限5.5重量%时，会增强奥氏体的稳定性，因而使铸铁的金属母体全部变成奥氏体。

当铸铁中锰含量不在0.03～1.2重量%范围内时，将会观察到与镍同样的负结果。

铸铁中的铬含量低于下限7.0重量%时，则在铸铁结构中能形成渗碳体型的连续碳化物相，以致使铸铁强度变坏。当铬含量高于上限10.0重量%时，则抑制游离碳的析出，即全部碳都处于结合态。

由于提出的铸铁含碳形态和铸铁的组成，使铸铁在铸造情况下具有必要的物理-力学、铸造和加工操作性质。该铸铁的制品无须经高温处理。此外，由於弹性模数、线收缩的降低和传热性的提高，该铸铁具有高的抗裂性能。由于冷却时，该铸铁具有先收缩和马丁体膨胀现象，所以可与灰铸铁制造双金属制品。

下面在表中列出耐磨铸铁成分的实例。

由表中可见，提出的铸铁组成，在铸制情况下铸件具有所必要的物理-力学、铸造和加工操作的性能，而无须进行高温热处理。尤其是，我们确证，本发明的铸铁在铸造时具有下列基本特征：洛氏法硬度57～61HRC;弯曲时的强度范围750～950兆帕;挠度3.0～4.5毫米;线收缩1.5～1.8%;剩余应力150～200兆帕;弹性模数15.5～17.5百帕。

第一组（Ⅰ-Ⅲ）的铸铁组成可用於生产一次砂型为0.6～10吨重的铸件。

第二组（Ⅳ-Ⅵ）铸铁组成可在采用离心法生产2吨重的双金属铸件中使用。作为双金属铸件的第二层材料可使用便宜的灰铸铁。双金属制品中的剩余应力水平，如我们确定的，不超过200兆帕。

第三组（Ⅶ-Ⅷ）铸铁组成可在固定的冷铸模中生产大到一吨的单金属或双金属铸件。

从本说明书和列举的实例中可以看到，所提出的铸铁组成能保证稳定地获得在铸造时具有必要的物理-力学、铸造和加工操作性能的单金属或双金属制品，无须经高温处理，而且剩余应力水平不超过200兆帕，即具有高的抗裂性。

Claims (2)

1、含有碳、硅、锰、铬、镍和铁的耐磨铸铁，其特征在于除上述成分外，还含有铝、铈、镁和钙，而总碳含量中有0.5～2.0重量%的碳是球形石墨夹杂物。

2、根据权利要求1的耐磨铸铁，其特征在于具有下列重量%的相关组分：

碳（其中包括球形石墨）  3.2～4.0

硅  1.4～3.5

锰  0.4～1.2

铬  7.0～10.0

镍  2.5～5.5

铝  0.05～0.3

铈和镁的总量  0.03～0.25

钙  0.05～0.3

铁  余量