專利名稱：一種亞共晶高鉻白口鑄鐵及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高鉻白口鑄鐵技術(shù)，特別是一種適用于制備具有沖擊磨損磨料的抗磨損件的亞共晶高鉻白口鑄鐵及其制備方法。
背景技術(shù)：
高鉻白口鑄鐵是一類應(yīng)用非常廣泛的重要耐磨材料，由于其組織中大量存在的高硬度M7C3型碳化物而具有優(yōu)良的耐磨性，同時該碳化物呈桿狀分布而較其它白口鑄鐵的韌性有所改善。高鉻白口鑄鐵中大量存在的含鉻的硬質(zhì)相M7C3型碳化物有力提高了材料的磨損抗力。因此廣泛用于磷化工、有色冶煉、水泥、火力發(fā)電、礦山的耐磨件。(如破碎機(jī)板錘、錘頭、鱷板、球磨機(jī)襯板等)
在高鉻白口鑄鐵中，碳化物數(shù)量的增加對抗磨損能力具有重要的影響。但碳化物數(shù)量提高到一定程度，將會出現(xiàn)粗大的初生碳化物，導(dǎo)致高鉻白口鑄鐵的韌性急劇下降。目前鉻系鑄鐵已取代了一些耐磨鍛鋼、中錳球鐵和低合金鋼等材質(zhì)的耐磨件，在礦山、建材、冶金、火力發(fā)電等行業(yè)得到應(yīng)用，成為國內(nèi)外公認(rèn)的、較好的抗磨材料。高鉻鑄鐵是特別受到重視的一種抗磨材料，早在1917年就出現(xiàn)了高鉻鑄鐵專利，它一般指含鉻量在12% 28%范圍內(nèi)的合金白口鑄鐵，含碳量在2. 4% 3. 6%之間。高鉻鑄鐵的特點(diǎn)是共晶碳化物為六角形桿狀及曲面板條狀的(Cr，F(xiàn)e) 7C3型碳化物，呈斷網(wǎng)狀分布，顯微硬度高達(dá)HV1300 - 1800，而且韌性和耐磨性也較高。高硬度的不連續(xù)碳化物要與硬的基體相配合才能表現(xiàn)出高的耐磨性。發(fā)明專利CN1769508A公布了一種低成本高耐磨的過共晶高鉻白口鑄鐵及其制備方法，其主要成分為 C 3. 5-4. 05%, Mn 1. 0-3. 0%, Cr 17-30%, Si 0. 5-1. 5%, Cu 1. 0-2. 0%, P^O. 06%, S ^ 0. 06%, Ni ( 1%，其余為鐵。其制備方法是采用二次孕育變質(zhì)處理的方法細(xì)化初生碳化物，包內(nèi)孕育劑的中間合金含有的TiN、NbN等顆粒作為促進(jìn)初生碳化物形核的基體，增加初生碳化物的形核數(shù)量。稀土、鎂和鉀等富集在初生碳化物的表面，使其細(xì)化、團(tuán)球化。隨流孕育劑的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物來不及長大，從而達(dá)到細(xì)化初生碳化物的目的。該發(fā)明通過預(yù)加含TiN、NbN等顆粒的中間合金在包內(nèi)孕育，作為初生碳化物是異質(zhì)形核基底。該發(fā)明中TiN、NbN等顆粒在鐵水中易團(tuán)聚，分布均勻性差，使碳化物的形態(tài)和分布均勻性較差，導(dǎo)致鑄件性能波動較大。發(fā)明專利CN01173340A公開了一種鑄態(tài)高鉻白口鑄鐵及其制備方法。高碳高鉻鑄鐵化學(xué)組成成分是(質(zhì)量分?jǐn)?shù))4. 5-5. 5C，22. 5-30. 8Cr，3. 0-5. 0V, 0. 7-1. 2Mn，0. 2-0. 5Nb, 0. 5-1. OTi, 0. 08-0. 20Mg，0. 05-0. 20Na，0. 05-0. 20RE，Si < 1. 0，其余為 Fe 和不可避免的微量雜質(zhì)。鑄態(tài)高碳高鉻鑄鐵在出爐時用釩鐵顆粒孕育，并用稀土鎂合金和鈉鹽進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理，在200-280°C下進(jìn)行去應(yīng)力退火處理后可直接使用。該發(fā)明雖然不需要淬火處理， 能耗低，生產(chǎn)周期短，但是由于加入價格較貴的Nb、Ti、V合金元素使產(chǎn)成本同樣會增加。專利W08404760-A1和EP147422-A1公開了一種耐磨鑄造過共晶高鉻白口鑄鐵，其主要成分(wt%)為C > 4. 0 ；Cr25-45 ；MnO—15 ；M00-10 ；NiO-IO ；B0-2 ；Ti、V、W、Ta 禾口 Nb 至少加入一種，每一種元素加入量< 5. 0且Ti、V、W、Ta和Nb的總量小于15. 0%。這種合金采用低溫澆注，澆注溫度不超過液相線溫度100°C。由于這種材質(zhì)需要較低的澆注溫度，在澆注薄壁、復(fù)雜件時成形困難。張山綱等人發(fā)表《高鉻白口鑄鐵材料及其應(yīng)用》的論文主要內(nèi)容為在低溫澆注的條件下，通過在鐵液中加入一種細(xì)化劑(沒有提供細(xì)化劑的成分)和1%左右的0. 2mm-0. 3mm 合金鐵丸，雖然達(dá)到了使過共晶合金(4. 0-6. OC一一30. 0-40. OCr)中初生碳化物細(xì)化的效果，但是由于采用低溫澆注的方法，使鑄件易產(chǎn)生冷隔等缺陷，成品率較低，質(zhì)量不穩(wěn)定。另外由于加入了 2-3%左右的鉬以及鉻含量太高，原材料成本增加，約為KMTBCr26成本的3倍以上。申請?zhí)?00810018387. 8，公開號CN101302597專利公開了一種耐磨白口鑄鐵及其制備方法，特別是一種過共晶高鉻白口鑄鐵及其制備方法，該鑄鐵適用于制備輸送具有沖蝕磨損的渣漿泵、抽黃泵的過流件(如葉輪、護(hù)板和殼體等)。它的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3. 0-4. 5C， 15-35Cr,0. 5-1. 5Ti，0. 5-2. 5Μη，0· 001-0. 5Β，0· 5-1. 5Si, P < 0· 06，S < 0. 06，其余為 Fe 和不可避免的微量雜質(zhì)。當(dāng)鐵水溫度為1350-1380°C時，將鐵水倒入普通砂型澆注成形， 即得到過共晶高鉻白口鑄鐵件，將過共晶高鉻白口鑄鐵件放置在熱處理爐進(jìn)行熱處理，熱處理爐以小于3000C (其實(shí)例為150、180、280°C /小時)/小時緩慢升溫至950_1000°C，保溫2-3小時，然后在空氣中冷卻至室溫；經(jīng)淬火后的過共晶高鉻白口鑄鐵件在熱處理爐中 250-300°C條件下，保溫2-3小時后空冷，即可得到HRC65-68，沖擊韌性為5. 0-6. 5J/cm2的過共晶高鉻白口鑄鐵材料。由于該發(fā)明的沖擊韌性較低，不能用于有沖擊要求的破碎、磨損使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種亞共晶高鉻白口鑄鐵及其制備方法，此亞共晶高鉻白口鑄鐵成本低、耐磨性高、使用安全性可靠，能夠適用于磷化工、有色冶煉、水泥、火力發(fā)電、礦山的破碎機(jī)錘頭、板錘、鱷板、球磨機(jī)襯板等；而且其制備方法較為簡單，容易操作，實(shí)用性強(qiáng)。具體為
一種亞共晶高鉻白口鑄鐵，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:1.9-2. 4C，16-22Cr，( 0. 8Si，( 0. 7Mn， 0. 5-1. ONi, 1. 0-1. 7Mo, < 0. 04S, < 0. 06P,0. 05-0. 4RE, CuO. 5-1. 0,0. 05-0. 15Zn, 0. l-o. 3V，其余為 Fe。這種亞共晶高鉻白口鑄鐵的制備方法包括以下步驟
(1)制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞共晶高鉻白口鑄鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求確定廢鋼、生鐵、 高碳鉻鐵、錳鐵、鎳、鉬、釩、稀土、鋅錠的成分，確定它們的配比關(guān)系，并進(jìn)行配料；
(2)將廢鋼、生鐵混合，在中頻感應(yīng)電爐中加熱至熔化，待鐵水熔清后，依次加入高碳鉻鐵和錳鐵、鎳、鉬，再進(jìn)一步熔清；
(3)將小粒度的鋅錠和稀土或釩放入澆包底部并覆蓋薄鋼板或鐵屑壓實(shí)；
(4)采用鋁絲脫氧后，將鐵水倒入澆包，進(jìn)行變質(zhì)、除渣處理；
(5)當(dāng)鐵水溫度為1360-1450°C時，將鐵水澆入水玻璃砂型或消失模砂型澆注成型，即得到亞共晶高鉻白口鑄鐵件；(6)將亞共晶高鉻白口鑄件放置在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，具體為 先淬火熱處理爐以小于200°C /小時均勻升溫至960-980°C保溫，然后出爐噴霧淬火或強(qiáng)制風(fēng)冷至室溫；
最后回火經(jīng)淬火后的亞共晶高鉻白口鑄件在熱處理爐內(nèi)360-400°C保溫，出爐油冷至室溫，即可得到硬度在60-66HRC，沖擊韌性為10-14J/cm2的亞共晶高鉻白口鑄鐵材料。本發(fā)明的原理
合金材質(zhì)的性能是由組織決定的，而化學(xué)成分和熱處理工藝等均對材質(zhì)的組織有著決定性的作用。1、化學(xué)成分確定
碳是影響材質(zhì)硬度和韌性的主要元素。一般應(yīng)選擇在亞共晶成分和共晶成分。超過該范圍時，材料的沖擊韌性較差。碳和鉻是高鉻鑄鐵中兩個重要的化學(xué)元素，碳和鉻有助于增加碳化物數(shù)量，這將使耐磨性能提高而韌性降低，碳化物數(shù)量可以用下式來估算。碳化物含量(％)=12.33(% O+0. 55(% Cr) 一 15. 2其中鉻增加碳化物數(shù)量的效果遠(yuǎn)比碳差，因此工藝上常常用調(diào)整碳量來達(dá)到改變碳化物數(shù)量的目的。另一方面，鉻與碳的比值Cr / C，影響鑄鐵中M7C3型碳化物的相對數(shù)量。一般Cr / C大于5就能獲得大部分的M7C3型碳化物；同時鉻碳比越高， 鑄鐵的淬透性越增強(qiáng)。碳含量高，則碳化物含量高，提高材料的耐磨性，但同時降低了韌性。 碳在奧氏體中的濃度增加，淬透性變差，Ms點(diǎn)降低。含碳量并非越高越好，因?yàn)樘蓟矬w積百分?jǐn)?shù)過多，將增加材料的脆性，結(jié)合使用條件考慮，將含碳量控制在1. 9-2. 4%。鉻是決定碳化物類型的主要因素。只有當(dāng)W (Cr)量大于12%時，顯微組織中才能得到高硬度的M7C3型碳化物。同時，Cr/C比值也是一個很重要的參數(shù)。隨Cr/C增大， 高鉻鑄鐵的韌性提高。一般情況下，其選擇范圍在5 - 8之間，可以保證獲得M7C3型碳化物。合適的Cr/C比之所以對高鉻鑄鐵性能影響頗大，其中一個重要原因是Cr、C若配合不好會形成M7C3和M3C型的混合組織，或形成M3C型網(wǎng)狀組織，這二種導(dǎo)熱性能都差，尤其前者，會加劇鑄件的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)Cr/C >5時，鑄鐵中的碳化物為硬度較高的M7C3型，綜合考慮，將鉻含量控制在16-22%。鎳鎳是一種擴(kuò)大奧氏體區(qū)、穩(wěn)定奧氏體的合金元素，它不形成碳化物，主要溶于基體，與鉻、鉬等聯(lián)合加到鐵合金中，能顯著提高鐵合金的熱強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度，并能在一定程度上提高合金的抗氧化能力?；w組織的高溫強(qiáng)度對發(fā)揮碳化物抵抗高溫磨料磨損的作用將起到不容忽視的作用，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到能否對碳化物提供良好的支撐條件，因此它是有利于提高合金高溫強(qiáng)度的元素，也有利于提高合金的耐磨性，向鑄鐵中加鎳可以大大增加不形成珠光體的半冷卻時間，從而增大鑄鐵的淬透性。但鎳價格較高，綜合考慮將鎳含量控制在0. 5 1. 0 %。鉬可以提高淬透性，同時可使鑄態(tài)組織得到細(xì)化，提高韌性。如果高鉻鑄鐵淬透性不夠，厚壁鑄件淬火后，顯微組織中可能出現(xiàn)珠光體，這不僅降低鑄鐵的硬度及抗磨性， 而且增大鑄件的內(nèi)應(yīng)力。因?yàn)樵谶@種情況下，奧氏體冷卻時一部分首先轉(zhuǎn)變成珠光體，發(fā)生相變膨脹，其后再轉(zhuǎn)變成馬氏體，也產(chǎn)生膨脹(約膨脹6 % )，交替相變形成的相變應(yīng)力更為復(fù)雜，使之易形成裂紋。綜合考慮將鉬含量控制在1. 0 1. 7 %。
硅硅是熔煉脫氧元素，加適量的硅，可防止其它合金元素氧化，但硅又是非碳化物形成元素，主要溶于基體，降低淬透性，此外，由于硅使共晶點(diǎn)左移，會使碳化物變粗大，不利于韌性提高，考慮其利弊，將硅含量控制在< 0. 8%。錳錳能提高高鉻鑄鐵的淬透性，但它降低Acl，加熱時晶粒容易長大，增大材質(zhì)熱裂傾向，因此錳含量控制在< 0. 7%。稀土 稀土元素的特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，原子半徑大，在狗一&一C合金中是強(qiáng)過冷元素，同時又是非碳化物形成元素。因此，在凝固過程中就會通過溶質(zhì)再分配而富集在初生奧氏體結(jié)晶前沿熔體中，造成成分過冷，使初生奧氏體枝晶細(xì)化。稀土元素在生長的共晶碳化物上活化吸附，促使共晶過冷度加大和共晶凝固范圍增大，導(dǎo)致共晶碳化物形成大量形核。 偏聚在共晶碳化物擇優(yōu)長大方向成長前沿熔體上的稀土元素，阻止熔體中鐵、鉻、碳原子正常進(jìn)入共晶碳化物晶體中，降低了共晶領(lǐng)先相碳化物擇優(yōu)長大方向上的長大速度，導(dǎo)致碳化物的分散化，從而促使碳化物均勻分布。正是由于碳化物形貌的改善，使脆性斷裂時裂紋擴(kuò)展路徑受到阻礙，因而提高了沖擊韌性，RE控制在0. 05-0. 4%。鋅含低沸點(diǎn)組元(Zn)的高鉻白口鑄鐵變質(zhì)劑具有處理操作簡便、變質(zhì)效果穩(wěn)定的特點(diǎn)，可明顯改善高鉻白口鑄鐵的組織與性能。該變質(zhì)劑的作用主要是(1)加入熔液中，迅速氣化，凈化鐵液，減少夾雜的含量；(2)細(xì)化碳化物，同時使碳化物呈短桿狀孤立， 頭部圓鈍化，基本上不出現(xiàn)長條碳化物狀；(3)可使鐵液中的非金屬夾雜形成比重小的氧化物、硫化物及復(fù)合夾雜物上浮至渣中，有些高熔點(diǎn)、細(xì)小的夾雜物殘存在鐵液中，可作為初晶奧氏體的晶核基底，使奧氏體晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。這些作用都可改善高鉻白口鑄鐵的組織與性能，將Si控制在0. 05-0. 15%。不可避免的微量雜質(zhì)是由爐料帶入的，其中有P、S均為有害元素，為了保證材料的韌性和耐磨性，將P控制在< 0. 06%，S控制在< 0. 04%。因此最終確定的化學(xué)成分見下表
亞共晶高鉻白口鑄鐵化學(xué)成分(Wt%)
權(quán)利要求
1.一種亞共晶高鉻白口鑄鐵，其特征在于亞共晶高鉻白口鑄鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1. 9-2. 4C, 16-22Cr,彡 0. 8Si，彡 0. 7Mn，0. 5-1. ONi, 1. 0-1. 7Mo，< 0. 04S, < 0. 06P， 0. 05-0. 4RE, CuO. 5-1. 0,0. 05-0. 15Zn，0. 1-0. 3V，其余為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞共晶高鉻白口鑄鐵的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞共晶高鉻白口鑄鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求確定廢鋼、生鐵、 高碳鉻鐵、錳鐵、鎳、鉬、釩、稀土、鋅錠的成分，確定它們的配比關(guān)系，并進(jìn)行配料；(2)將廢鋼、生鐵混合，在中頻感應(yīng)電爐中加熱至熔化，待鐵水熔清后，依次加入高碳鉻鐵和錳鐵、鎳、鉬，再進(jìn)一步熔清；(3)將小粒度的鋅錠和稀土或釩放入澆包底部并覆蓋薄鋼板或鐵屑壓實(shí)；(4)采用鋁絲脫氧后，將鐵水倒入澆包，進(jìn)行變質(zhì)、除渣處理；(5)當(dāng)鐵水溫度為1360-1450°C時，將鐵水澆入水玻璃砂型或消失模砂型澆注成型，即得到亞共晶高鉻白口鑄鐵件；(6)將亞共晶高鉻白口鑄件放置在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，具體為先淬火熱處理爐以小于200°C /小時均勻升溫至960-980°C保溫，然后出爐噴霧淬火或強(qiáng)制風(fēng)冷至室溫；最后回火經(jīng)淬火后的亞共晶高鉻白口鑄件在熱處理爐內(nèi)360-400°C保溫，出爐油冷至室溫，即可得到硬度在60-66HRC，沖擊韌性為10-14J/cm2的亞共晶高鉻白口鑄鐵材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種亞共晶高鉻白口鑄鐵，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.9-2.4C，16-22Cr，≤0.8Si，≤0.7Mn，0.5-1.0Ni，1.0-1.7Mo，＜0.04S，＜0.06P，0.05-0.4RE，Cu0.5-1.0，0.05-0.15Zn，0.1-0.3V，其余為Fe。制備方法是先按質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求確定成分配比關(guān)系，配料；將廢鋼、生鐵混合在中頻感應(yīng)爐內(nèi)加熱至熔化，待鐵水熔清后，依次加入高碳鉻鐵和錳鐵、鎳、鉬，再熔清；將小粒度的鋅錠和稀土或釩放入澆包底部并覆蓋薄鋼板或鐵屑壓實(shí)；將鐵水倒入澆包，進(jìn)行變質(zhì)、除渣處理；將鐵水澆注成型，即得到亞共晶高鉻白口鑄鐵件；然后將亞共晶高鉻白口鑄件放置在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，先淬火，最后回火即可得到硬度在60-66HRC，沖擊韌性為10-14J/cm2的亞共晶高鉻白口鑄鐵材料。其成本低、耐磨性高、使用安全性可靠。而且其制備方法較為簡單，容易操作，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號C21D1/18GK102330016SQ20111027463
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者李家元, 胡紹波 申請人:昆明市宜良化工設(shè)備鑄造廠