雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵及其制備方法，其化學(xué)成分的重量百分含量為：C2.0%～3.5%，Si1.0%～3.0%，Mn0.5%～1.5%，P≤0.10%，S≤0.05%，Cr9.0%～14.0%，V0.10%～1.0%，Ti0.10%～0.30%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本高鉻鑄鐵基于V、Ti合金化改善、細(xì)化組織，并析出硬質(zhì)碳化物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高耐磨性；通過添加少量的V、Ti元素，并適當(dāng)調(diào)節(jié)Si含量，顯著改善高鉻鑄鐵的組織狀態(tài)，獲得更加優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，沖擊韌性和耐磨性顯著增加。本方法工藝簡單，可操作性強(qiáng)，與現(xiàn)有工藝下制得的復(fù)合管內(nèi)襯高鉻鑄鐵相比，沖擊韌性更好、硬度高，耐磨損性能大幅提高。
【專利說明】雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于抗磨金屬材料領(lǐng)域，尤其是一種雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵及其 制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高鉻鑄鐵具有較高的含鉻量、良好的硬度、抗蝕性及抗氧化性，同時(shí)具有較普通白 口鐵更高的韌性，因此廣泛應(yīng)用于各種磨料磨損場合及各種髙溫磨損和腐蝕磨損的工況； 在采礦、電力、水泥、機(jī)械和耐火材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，電力和建材行業(yè)干式球磨 機(jī)已廣泛使用高鉻鑄鐵磨球,冶金礦山濕式球磨機(jī)中高鉻鑄鐵磨球也具有較好的抗磨性。
[0003] 近年來，為了使同一種耐磨材料具有高強(qiáng)度和高韌性，雙金屬復(fù)合管得到了快速 發(fā)展，通過雙金屬離心鑄造實(shí)現(xiàn)包覆材料與基材界面的冶金結(jié)合，完全實(shí)現(xiàn)基層和耐磨層 的力學(xué)互補(bǔ)，管徑可以達(dá)到1〇8_?1000mm。高鉻鑄鐵雙金屬復(fù)合管道外層采用普通鋼管， 內(nèi)襯用高鉻鑄鐵復(fù)合而成，使該雙金屬耐磨復(fù)合管道具有鋼的韌性，又具有良好的耐磨、耐 蝕、耐熱性。該管道較傳統(tǒng)使用的耐磨合金鑄鐵、耐磨合金鑄鋼、陶瓷復(fù)合管及鑄石管相比 有諸多的優(yōu)點(diǎn)和顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，可廣泛應(yīng)用于電力、冶金、礦山、煤炭、化工等 行業(yè)；特別是應(yīng)用于輸送渣漿、煤漿以及電廠鍋爐系統(tǒng)中的輸煤、送粉、除灰排渣等領(lǐng)域。由 于此類工況下服役條件十分苛刻，材料的磨損也十分嚴(yán)重，因此對高鉻鑄鐵的耐磨性提出 了更高的要求。
[0004] 一般來說，材料的表面硬度越高，抵抗磨粒壓入表層的能力越強(qiáng)，磨料去除材料的 體積越少，材料的耐磨性越好，然而研究也表明：硬度最低的金屬的耐磨性相對較差，但在 相當(dāng)多的條件下，硬度最高時(shí)耐磨性并非最好。根據(jù)磨料磨損的基本原理，磨料在壓力的作 用下壓入材料的表層，材料因塑性變形產(chǎn)生微犁溝、微切屑和微觀斷裂(脆性材料)，從而引 起材料磨損。另一方面，材料的組織不同，其抵抗壓力而產(chǎn)生的塑性變形也不同，因而磨損 也不相同，因此在相同的工況條件下，金屬抗磨料磨損的能力不僅取決于金屬的硬度，也取 決于金屬的顯微組織。
[0005] 另一方面，硬質(zhì)相的種類和分布對耐磨性有很大的影響。合金元素形成的復(fù)雜的 共晶、金屬間化合物等硬質(zhì)相對基體有強(qiáng)化作用，從而提高基體的強(qiáng)度和韌性，使基體有較 高的抵抗磨粒壓入的能力，又使基體在磨粒擠壓下，不易產(chǎn)生壓痕和斷裂，從而提高耐磨 性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種優(yōu)化內(nèi)部組織的雙金屬復(fù)合管用高耐磨高 鉻鑄鐵；本發(fā)明還提供了一種雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵的制備方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明化學(xué)成分的重量百分含量為：C 2. 0%?3. 5%，Si L 0% ?3. 0%，Mn 0· 5% ?L 5%，P 彡 0· 10%，S 彡 0· 05%，Cr 9. 0% ?14. 0%，V 0· 10% ?L 0%， Ti 0. 10%?0. 30%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0008] 本發(fā)明化學(xué)成分優(yōu)選的重量百分含量為：C 2. 7%?3. 5%，Si I. 5%?2. 5%，Mn 0· 5% ?L 0%，P 彡 0· 10%，S 彡 0· 05%，Cr 9. 0% ?14. 0%，V 0· 10% ?0· 30%，Ti 0· 10% ? 0. 30%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0009] 本發(fā)明所述高鉻鑄鐵的力學(xué)性能：洛氏硬度HRC = 40?50,沖擊功3?5J，IOmin 動載磨損試實(shí)驗(yàn)?zāi)p量低于〇. 〇5g。
[0010] 本發(fā)明中合金元素的主要作用為： C :碳是影響高鉻鑄鐵硬度和韌性的主要元素。碳是高鉻鑄鐵中碳化物含量的決定因 素，隨著碳量的升高基體中M7C3碳化物數(shù)量多，耐磨性變好。碳含量大于共晶成分時(shí)，由于 先共晶組織是粗大的碳化物，這將導(dǎo)致高鉻鑄鐵的韌性急劇下降，因此只有在無沖擊或者 極小沖擊軟磨料磨損工況條件下才選取較高的過共晶碳量。
[0011] Cr是高Cr鑄鐵中最主要的合金元素，對鐵碳合金中碳化物的相結(jié)構(gòu)有重要影響。 鉻含量很低時(shí)，鐵碳合金中的碳化物為（Cr, Fe) 3C，鉻含量較高時(shí)碳化物主要為（Cr, Fe) 7C3。 隨Cr/C增加，共晶碳化物的形貌經(jīng)歷了網(wǎng)-片-桿等連續(xù)程度減少的過程，共晶碳化物的 類型也經(jīng)歷一AM 3C-M7CfM3C-M7C3的變化過程，因此通過獲得不同的類型的碳化物及其在 組織中的含量能夠改善高鉻鑄鐵的性能。此外，鉻還增加淬透性、耐熱性和耐蝕性。
[0012] Mn:錳具有提高淬透性和很強(qiáng)的穩(wěn)定奧氏體的作用。在高鉻鑄鐵中，它既溶于基體 提高合金的淬透性，又可溶于碳化物，降低碳化物硬度。在錳較高時(shí)，鑄態(tài)高鉻鑄鐵在很大 斷面上得到奧氏體組織。鉻、錳含量較高的奧氏體組織，具有較好的韌性、塑性和加工硬化 性能，在沖擊載荷或壓應(yīng)力作用下，容易誘發(fā)生成馬氏體使工件表面形成硬化層，提高抗磨 能力，使高鉻鑄鐵在鑄態(tài)下使用成為可能；但另一方面錳使淬火后殘余奧氏體量增加，降低 了淬火后的硬度，且過量的錳溶于碳化物中會使碳化物變脆。
[0013] Si :硅是非碳化物元素，主要溶解于基體，降低材料的淬透性。硅能影響共晶碳化 物的形態(tài)，使碳化物孤立、等軸、細(xì)化，使韌性適當(dāng)改善，故在高鉻鑄鐵中，在不使淬透性降 低過多的前提下，適當(dāng)增加硅量對韌性有利。但當(dāng)硅含量> 1.50%時(shí)，一方面它顯著降低淬 透性，有可能出現(xiàn)鐵素體相；另一方面硅在奧氏體晶粒的邊界上分布多于奧氏體晶粒內(nèi)部， 使韌性降低，在磨損過程中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。
[0014] V :銀作為微量添加元素，易生成VC、V2C碳化物，硬度極高，V可以穩(wěn)定高鉻鑄鐵 中的碳化物，提高共析轉(zhuǎn)變溫度。V在高鉻鑄鐵中主要析出二次碳化物，使基體中的含碳量 降低，使Ms升高，獲得馬氏體，含V高鉻鑄鐵極易形成VC和V(CN);另一方面，V取代了共 晶碳化物中的部分鉻，提高硬度，減少粗大柱狀晶組織，達(dá)到細(xì)化白口組織的目的。在常溫 下，隨著含V量增加，高鉻鑄鐵硬度提高，在一定范圍內(nèi)能提高高鉻鑄鐵的強(qiáng)度、韌性 及耐磨性。
[0015] Ti :Ti有細(xì)化晶粒的作用，鈦的碳化物TiC析出可作為滲碳體的形核核心，且使碳 化物的生長受到抑制，從而使其孤立，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，同時(shí)TiC的硬度高，為優(yōu)良的 耐磨質(zhì)點(diǎn)。另一方面，Ti使斷網(wǎng)狀分布的碳化物轉(zhuǎn)為團(tuán)塊狀分布，在很大程度上改善共晶 碳化物的形態(tài)和分布，但考慮到生產(chǎn)中鈦量不易穩(wěn)定，可使V、Ti聯(lián)合使用細(xì)化晶粒，凈化 晶界，改善碳化物的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布，進(jìn)一步改善材料的綜合性能。
[0016] S、P :S和P是鋼中的有害元素，因此嚴(yán)格控制鋼中P、S的含量。
[0017] 本發(fā)明方法包括冶煉、澆鑄和熱處理工序，所述高鉻鑄鐵采用上述重量百分含量 的化學(xué)成分。
[0018] 本發(fā)明方法所述冶煉工序：采用中頻感應(yīng)爐熔煉并進(jìn)行V、Ti合金化處理，合金 化處理之前加入占所述合格鐵水質(zhì)量0. 20%?0. 40%的鋁進(jìn)行脫氧；出爐溫度為1500? 1540°C。
[0019] 本發(fā)明方法所述熱處理工序：采用淬火+中溫回火處理；所述淬火溫度為940? 980°C，保溫2?3h，風(fēng)冷；所述回火溫度350?450°C，保溫3?4h，空冷。
[0020] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種基于V、Ti合金化 改善、細(xì)化組織，并析出硬質(zhì)碳化物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高耐磨性的高鉻鑄鐵；通過添加少量的V、Ti 元素，并適當(dāng)調(diào)節(jié)Si含量，顯著改善高鉻鑄鐵的組織狀態(tài)，獲得更加優(yōu)良綜合力學(xué)性能，與 未經(jīng)V、Ti合金化的復(fù)合管內(nèi)襯高鉻鑄鐵相比，沖擊韌性和耐磨性顯著增加，沖擊功為3? 5J，硬度（HRC) 40?50,耐磨性也大幅提高，IOmin動載磨損試實(shí)驗(yàn)?zāi)p量低于0. 05g。
[0021] 本發(fā)明通過適當(dāng)調(diào)整化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝，優(yōu)化其組織構(gòu)提高其耐磨性；在不大 幅增加生產(chǎn)成本的情況下，具有了更高韌性和耐磨性；本發(fā)明工藝簡單，可操作性強(qiáng)，與現(xiàn) 有工藝下制得的復(fù)合管內(nèi)襯1?絡(luò)鑄鐵相比，沖擊初性更好、硬度1?，耐磨損性能大幅提1?。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023] 圖1是常規(guī)配比和工藝獲得的高鉻鑄鐵的組織照片； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所獲得的高鉻鑄鐵的組織照片； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所獲得的高鉻鑄鐵的組織照片； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例3所獲得的高鉻鑄鐵的組織照片； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例4所獲得的高鉻鑄鐵的組織照片； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例5所獲得的高鉻鑄鐵的組織照片； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例6所獲得的高鉻鑄鐵的組織照片。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 實(shí)施例1 :本雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵采用下述成分配比和制備方法。
[0025] 化學(xué)成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)：C 2. 56%，Mn L 0%，Si 2. 5%，P 0· 08%，S 0· 04%，Cr 9. 47%，V 0. 10%，Ti 0. 16%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0026] 制備方法：采用500kg中頻感應(yīng)爐熔煉并進(jìn)行V、Ti合金化處理，合金化處理之前 加入占所述合格鐵水質(zhì)量〇. 30%的鋁進(jìn)行脫氧，出爐溫度為1520°C ;爐襯采用酸性或堿性 爐襯，爐襯的配比、打結(jié)、烘干和燒結(jié)均按常規(guī)工藝執(zhí)行。出爐后通過離心鑄造制成雙金屬 復(fù)合管，然后進(jìn)行熱處理，具體工藝為：980°C，保溫2h，風(fēng)冷；回火溫度350°C，保溫3h，空 冷，即可得到所述高耐磨高鉻鑄鐵。
[0027] 本實(shí)施例所得高鉻鑄鐵按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。
[0028] 實(shí)施例2 :本高耐磨高鉻鑄鐵采用下述成分配比和制備方法。
[0029] 化學(xué)成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)：C 3· 25%，Mn 0· 59%，Si 3· 0%，P 0· 065%，S 0· 03%，Cr 11. 37%，V 0. 89%，Ti 0. 20%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0030] 制備方法：加入合格鐵水質(zhì)量0. 20%的鋁進(jìn)行脫氧，出爐溫度為1500°C;熱處理工 序?yàn)椋?60°C，保溫2. 5h，風(fēng)冷；回火溫度400°C，保溫4h，空冷；其余同實(shí)施例1。
[0031] 本實(shí)施例所得高鉻鑄鐵按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。
[0032] 實(shí)施例3 :本高耐磨高鉻鑄鐵采用下述成分配比和制備方法。
[0033] 化學(xué)成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)：C 2. 70%，Mn 0. 82%，Si 2. 69%，P 0. 059%，S 0. 017%， Cr 12. 13%，V 0. 21%，Ti 0. 15%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0034] 制備方法：加入合格鐵水質(zhì)量0. 40%的鋁進(jìn)行脫氧，出爐溫度為1540°C ;熱處理工 序?yàn)椋?70°C，保溫3h，風(fēng)冷；回火溫度420°C，保溫3. 5h，空冷；其余同實(shí)施例1。
[0035] 本實(shí)施例所得高鉻鑄鐵按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。
[0036] 實(shí)施例4 :本高耐磨高鉻鑄鐵采用下述成分配比和制備方法。
[0037] 化學(xué)成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)：C 2· 0%，Μη 0· 50%，Si I. 5%，P 0· 052%，S 0· 021%，Cr 9. 0%，V 0. 3%，Ti 0. 10%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0038] 制備方法：加入合格鐵水質(zhì)量0. 25%的鋁進(jìn)行脫氧，出爐溫度為1530°C ;熱處理工 序?yàn)椋?40°C，保溫3h，風(fēng)冷；回火溫度450°C，保溫3. 5h，空冷；其余同實(shí)施例1。
[0039] 本實(shí)施例所得高鉻鑄鐵按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。
[0040] 實(shí)施例5 :本高耐磨高鉻鑄鐵采用下述成分配比和制備方法。
[0041] 化學(xué)成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)：C 3. 11%，Mn 0· 73%，Si L 0%，P 0· 10%，S 0· 02%，Cr 14. 0%，V 0. 19%，Ti 0. 17%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0042] 制備方法：加入合格鐵水質(zhì)量0. 35%的鋁進(jìn)行脫氧，出爐溫度為1510°C;熱處理工 序?yàn)椋?50°C，保溫2. 5h，風(fēng)冷；回火溫度380°C，保溫4h，空冷；其余同實(shí)施例1。
[0043] 本實(shí)施例所得高鉻鑄鐵按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。
[0044] 實(shí)施例6 :本高耐磨高鉻鑄鐵采用下述成分配比和制備方法。
[0045] 化學(xué)成分按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)：C 3. 50%，Mn L 50%，Si L 90%，P 0· 053%，S 0· 05%， Cr 10. 51%，V 1.0%，Ti 0.30%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0046] 制備方法同實(shí)施例1。
[0047] 本實(shí)施例所得高鉻鑄鐵按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。
[0048] 表1 :常規(guī)工藝高鉻鑄鐵與本高鉻鑄鐵的性能

【權(quán)利要求】
1. 一種雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵，其特征在于，其化學(xué)成分的重量百分含量為： C 2. 0% ?3. 5%，Si 1. 0% ?3. 0%，Mn 0? 5% ?1. 5%，P 彡 0? 10%，S 彡 0? 05%，Cr 9. 0% ? 14. 0%，V 0? 10%?1. 0%，Ti 0? 10%?0? 30%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵，其特征在于，其化學(xué)成 分的重量百分含量為：C 2. 7% ?3. 5%，Si 1. 5% ?2. 5%，Mn 0? 5% ?1. 0%，P 彡 0? 10%， S 彡 0? 05%，Cr 9. 0% ?14. 0%，V 0? 10% ?0? 30%，Ti 0? 10% ?0? 30%，余量為 Fe 和不可避 免的雜質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵，其特征在于，所述高鉻 鑄鐵的力學(xué)性能：HRC 40?50,沖擊功3?5J，lOmin動載磨損試實(shí)驗(yàn)?zāi)p量低于0. 05g。
4. 一種雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵的制備方法，其包括冶煉、澆鑄和熱處理工序， 其特征在于，所述高鉻鑄鐵化學(xué)成分的重量百分含量為：C 2. 0%?3. 5%，Si 1. 0%?3. 0%， Mn 0? 5% ?1. 5%，P 彡 0? 10%，S 彡 0? 05%，Cr 9. 0% ?14. 0%，V 0? 10% ?1. 0%，Ti 0? 10% ? 0. 30%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵的制備方法，其特征在于， 所述冶煉工序：采用中頻感應(yīng)爐熔煉并進(jìn)行V、Ti合金化處理，合金化處理之前加入占所述 合格鐵水質(zhì)量〇. 20%?0. 40%的鋁進(jìn)行脫氧；出爐溫度為1500?1540°C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵的制備方法，其特征在于， 所述熱處理工序：采用淬火+中溫回火處理；所述淬火溫度為940?980°C，保溫2?3h，風(fēng) 冷；所述回火溫度350?450°C，保溫3?4h，空冷。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的雙金屬復(fù)合管用高耐磨高鉻鑄鐵的制備方法，其特 征在于，所述高鉻鑄鐵化學(xué)成分的重量百分含量為：C 2. 7%?3. 5%，Si 1. 5%?2. 5%，Mn 0? 5% ?1. 0%，P 彡 0? 10%，S 彡 0? 05%，Cr 9. 0% ?14. 0%，V 0? 10% ?0? 30%，Ti 0? 10% ? 0. 30%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
【文檔編號】C22C37/10GK104328334SQ201410547994
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】王建玲, 楊躍輝, 李敬, 孫秀偉, 梁國俐, 馬良, 張洪潮 申請人:唐山學(xué)院