CN101328556B - 一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及普通白口铸铁领域，公开了一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法，硬质相Fe3C韧化处理后的普通白口耐磨铸铁适用于微、低冲击应力工况，用于制备相应的犁铧、磨片、导板等抗磨部件。该韧化处理方法包括以下步骤：首先，确定普通白口铸铁配料，包括废钢、生铁、硅铁、锰铁，并以普通白口铸铁配料总重量为基准，按照1.0-10％的Cr元素和0-3.5％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和普通白口铸铁配料；然后，将普通白口铸铁配料废钢、生铁、硅铁、锰铁依次加入炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，再加入铬铁、钼铁熔清；最后，待铁水熔清后，静置、除渣、成形，即可。
Description
技术领域
本发明涉及普通白口铸铁领域，尤其涉及一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法，硬质相Fe3C韧化处理后的普通白口耐磨铸铁适用于微、低冲击应力工况，用于制备相应的犁铧、磨片、导板等抗磨部件。
背景技术
磨损是冶金、矿山、机械、电力等许多工业部门普遍存在，并成为引起设备部件失效或材料破坏的一个重要原因，也是造成经济损失最多的原因之一。目前广泛使用的多为高铬白口铸铁，而普通白口铸铁使用较少，这主要原因之一是由于后者组织中抗磨硬质相Fe3C硬度较低，韧性较差，从而导致该材质耐磨性较差。
国内外专利和文献资料主要报道了通过热处理、加入合金元素、合金化处理、变质、孕育等手段来提高高铬白口铸铁的硬度、韧性及耐磨性的目标，以及用高铬白口铸铁辅以多种手段制成的形式多样的抗磨部件。这些均取得了较好的效果，且有的专利内容已得到了广泛应用。
关于如何提高普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧性在国内外没有见到相关报道。实际上高铬铸铁中硬质相(Fe，Cr)7C3就是由Fe3C中固溶大量的Cr元素后使其晶体结构、生长形态发生了明变化，从而使(Fe，Cr)7C3的硬度及韧性明显较Fe3C有所提高，其中(Fe，Cr)7C3的硬度值(Hv)为1300-1800；Fe3C的硬度值(Hv)为：800-1100，这种硬度的差别亦是高铬铸铁中硬质相期望得到(Fe，Cr)7C3的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法，它能够在低成本下，改善硬质相Fe3C的韧性，从而提高普通白口铸铁的耐磨性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，确定普通白口铸铁配料，包括废钢、生铁、硅铁、锰铁，并以普通白口铸铁配料总重量为基准，按照1.0-10％的Cr元素和0-3.5％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和普通白口铸铁配料；
然后，将普通白口铸铁配料废钢、生铁、硅铁、锰铁依次加入炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，再依次加入铬铁、钼铁熔清；
最后，待铁水熔清后，静置、除渣、成形，即可。
本发明的进一步改进在于：所述铬铁、钼铁的粒度均小于15mm。
本发明在普通白口铸铁中，加入少量Cr、Mo元素，使Cr、Mo原子置换固溶于Fe3C相中，提高原子之间较弱的原子键能，进而改善Fe3C相的断裂韧性，其断裂韧性值可从50MPa·m1/2增加到160MPa·m1/2以上，从而可提高Fe3C在普通白口铸铁中有效抗磨作用，而且成本相对较低。与传统的提高普通白口铸铁的韧性和耐磨性方法相比，在不改变Fe3C的晶体结构、生长形态的情况下，实现了硬质相Fe3C的韧性改善。
具体实施方式
为进一步提高普通白口铸铁的耐磨性和使用寿命，本发明提出在普通白口铸铁加入少量Cr、Mo合金元素，使其置换固溶于Fe3C中，来实现其韧性改善的目标。具体的技术方案为：
(1)确定普通白口铸铁的化学成分重量百分比为：C：2.0-4.0％，Mn：0.5-1.5％，Si：0.5-1.5％，P、S＜0.03％，其余为Fe元素；以普通白口铸铁配料总重量为基准，按照1.0-10％的Cr元素和0-3.5％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和废钢、生铁、硅铁、锰铁的重量。
(2)普通白口铸铁中硬质相Fe3C的具体韧化处理工艺为：按照上述配料，将废钢、生铁、硅铁、锰铁依次在中频感应电炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度均小于15mm的铬铁、钼铁加入炉中，熔清后静置1分钟，在铁水液面上方除渣后，将铁水倒入普通砂型浇注成形。
(3)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程(如式Kc＝X·P/C3/2，式中X为残余压痕系数；P为载荷，单位N；C为压痕裂纹长度的一半，单位m。)计算Fe3C相的断裂韧性值Kc，其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值。计算结果表明：Fe3C相的断裂韧性值可从没有加入合金元素之前的50MPa·m1/2增加到加入一定量合金元素后的160MPa·m1/2以上。
下面对本发明的具体实施例进行说明：
实施例(一)
(1)根据本发明的技术方案，确定普通白铸铁的化学成分(wt.％)为：C：2.3％，Mn：0.45％，Si：0.72％，P、S＜0.03％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，没有加入Mo元素的情况下，加入的不同重量百分数的Cr元素，且分别为0.0％，1.0％，2.0％，4.0％，6.0％，8.0％，10.0％，可以得到七组试样，依次定义为0#、1#、2#、3#....6#试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、生铁、铬铁、锰铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1500℃熔化，待钢水熔清后，依次加入生铁、硅铁和锰铁再进一步熔清，然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为5-10mm的铬铁放入炉中，待熔清后静置1分钟，将铁水液面除渣后，迅速出炉倒入浇包，最后将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm的试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程，计算Fe3C相的断裂韧性值，其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，Fe3C断裂韧性测试结果如表一中数据所示。
表一不同Cr加入量对Fe3C相断裂韧性值的影响
| 试样编号 | 0# | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# |
| Fe<sub>3</sub>C断裂韧性值/MPa·m<sup>1/2</sup> | 50.0 | 63.5 | 75.1 | 84.6 | 91.3 | 105.9 | 111.3 |
实施例(二)
(1)根据本发明的技术方案，确定普通白口铸铁的化学成分(wt.％)为：C：3.30％，Mn：0.63％，Si：0.92％，P、S＜0.03％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，加入的不同重量百分数的Cr、Mo元素，Cr、Mo加入的重量百分比(共六个百分比组合)如表二中所示，可以得到六组试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1500℃熔化，待钢水熔清后，依次加入生铁、硅铁和锰铁再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为15mm的铬铁、钼铁依次放入炉中，待熔清后静置1分钟，在铁水液面除渣后，将其迅速出炉倒入浇包，最后将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm的试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程计算Fe3C相的断裂韧性值，其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，Fe3C断裂韧性测试结果如表二中数据所示。
表二不同Cr、Mo加入量对Fe3C相断裂韧性值的影响
| Cr/Mo重量百分比(％) | 1.0/0.01 | 2.0/0.5 | 4.0/0.5 | 6.0/0.5 | 8.0/1.0 | 10.0/2.0 |
| Fe<sub>3</sub>C断裂韧性值/MPa·m<sup>1/2</sup> | 63.7 | 89.4 | 103.2 | 125.5 | 145.1 | 154.1 |
实施例(三)
(1)根据本发明的技术方案，确定铁普通白口铸铁的化学成分(wt.％)为：C：3.80％，Mn：0.92％，Si：1.31％，Cu：0.80％，Ni：0.10％，Re：0.20％，P、S＜0.03％，其余为Fe元素。在上述化学成分相同的基础上，加入的不同重量百分数的Cr、Mo元素，Cr、Mo加入的重量百分比(共五个百分比组合)分别见表三中所示，可以得到五组试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、镍块、铜板的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤的配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1500℃熔化，待钢水熔清后，依次加入生铁、硅铁和锰铁、镍块，再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为10mm的铬铁、钼铁依次放入炉中，待熔清后依次加入铜板(等效直径约为15mm，厚度约为3mm)，进一步熔清后静置30秒，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入已放入稀土Re的浇包中静置10秒，最后将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm的试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程计算Fe3C相的断裂韧性值，其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，Fe3C断裂韧性测试结果如表三中数据所示。
表三不同Cr、Mo加入量对Fe3C相断裂韧性值的影响
| Cr/Mo重量百分比(％) | 10.0/0.1 | 10.0/3.5 | 6.0/3.0 | 2.0/2.0 | 5.0/0.3 |
| Fe<sub>3</sub>C断裂韧性值/MPa·m<sup>1/2</sup> | 132.7 | 167.6 | 139.5 | 102.4 | 124.1 |
实施例(四)
(1)根据本发明的技术方案，确定普通白口铸铁的化学成分(wt.％)为：C：2.90％，Mn：1.62％，Si：0.64％，B：0.02％，P、S＜0.03％，在上述化学成分相同的基础上，加入的不同重量百分数的Cr、Mo元素，其余为Fe元素。Cr、Mo加入的重量百分比(共四个百分比组合)分别见表四中所示，可以得到四组试样。
(2)根据步骤(1)中确定的化学成分，以及废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、硼铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为100公斤配料。
(3)将废钢在感应电炉中加热至1500℃熔化，待钢水熔清后，依次加入生铁、硅铁和锰铁再进一步熔清；然后采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，将粒度约为5-10mm的铬铁、钼铁块依次放入炉中待熔清后，加入粒度约为5-10mm的硼铁后熔清，静置30秒，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包中，最后将铁水倒入水玻璃砂型铸造成20mm×20mm×110mm的试样。
(4)浇注完成12小时之后，打箱，取样、金相试样制备，然后借助维氏计测试和断裂韧性方程计算Fe3C相的断裂韧性值，其中每个试样测试数据为10组，然后取平均值，Fe3C断裂韧性测试结果如表四中数据所示。
表四不同Cr、Mo加入量对Fe3C相断裂韧性值的影响
| Cr/Mo重量百分比(％) | 9.0/3.0 | 8.0/2.5 | 6.0/2.0 | 4.0/2.0 |
| Fe<sub>3</sub>C断裂韧性值/MPa·m<sup>1/2</sup> | 145.7 | 151.6 | 129.5 | 121.4 |
由实施例(一)、(二)、(三)、(四)中测试的Fe3C断裂韧性值可以看出，Cr、Mo合金元素复合按一定比例加入才能使Fe3C断裂韧性值更大幅度地提高。
Claims (2)
1.一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，确定普通白口铸铁配料，包括废钢、生铁、硅铁、锰铁，并以普通白口铸铁配料总重量为基准，按照1.0-10％的Cr元素和0-3.5％的Mo元素，分别计算称取铬铁、钼铁和普通白口铸铁配料；
然后，将普通白口铸铁配料废钢、生铁、硅铁、锰铁依次加入炉中熔炼，熔清之后，采用铁水重量0.01％的铝丝脱氧后，再加入铬铁、钼铁熔清；
最后，待铁水熔清后，静置、除渣、成形，即可。
2.根据权利要求1所述的一种普通白口铸铁中硬质相Fe3C的韧化处理方法，其特征在于，所述铬铁、钼铁的粒度均小于15mm。
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