CN104451370A - 含钒过共晶高铬铸铁及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含钒过共晶高铬铸铁，属于高铬铸铁技术领域，其通过脱氧处理并经包底冲入法孕育制得，其以重量百分比表示的化学成分为：碳C3.5～4.4％，锰Mn0.1～1.2％，铬Cr15.5～21.5％，硅Si0.5～1.5％，钒V5.5～7.5％，磷P≤0.06％，硫S≤0.06％，其余为铁。本铸铁能够用于制造渣浆泵过流件等受到强烈磨损的部件，其制造方法简单经济，产品质量稳定，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及高铬铸铁技术领域。
背景技术
高铬铸铁是一类应用非常广泛的重要耐磨材料，它被广泛应用于冶金、矿山、水利、电力、化工等领域的各类磨损部件以及各种输送含固体颗粒流体泵的过流件（叶轮、护套和护板）中。高铬铸铁的组织中存在大量的高硬度M7C3型碳化物，因而具有优良的耐磨性，同时由于共晶碳化物形貌呈杆状分布，因此较其它白口铸铁在韧性上也有所改善。高铬铸铁中的铬不仅能够有效提高材料在浆料中的腐蚀抗力，同时大量存在的含铬M7C3型碳化物有力地提高了材料的磨损抗力，提高了过流件的使用寿命。高铬铸铁中碳化物数量的增加对过流件冲蚀磨损抗力的提高具有重要的影响，但是，碳化物数量提高到一定程度时，在高铬铸铁中将会出现粗大的初生碳化物，导致高铬铸铁的韧性急剧下降，从而使过共晶高铬铸铁失去使用价值。因此，目前用于这一类过流件的高铬铸铁通常为碳当量不超过共晶点为上限的亚共晶高铬铸铁，如我国耐磨材料国家标准中的KMTBCr26和KMTBCr15Mo3等铸铁。
过共晶高铬铸铁中由于存在脆硬、粗大的碳化物因而强度和韧性较低，易产生裂纹等铸造缺陷，这些缺陷限制了过共晶高铬铸铁在耐磨部件上的应用。既要保持过共晶材料的高硬度特点，又要提高其强度及韧性，最好的办法就是细化其初生碳化物。所以，细化碳化物、改变其分布形态，是提高过共晶高铬铸铁韧性的重要手段。
申请号为200710178680.6的中国专利公开了一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法，其中高碳高铬铸铁的化学组成成分是（重量%）：C 4.5～5.5，Cr 22.5～30.8，V 3.0～5.0，Mn 0.7～1.2，Nb 0.2～0.5，Ti 0.5～1.0，Mg 0.08～0.20，Na 0.05～0.20，Re 0.05～0.20，Si＜1.0，余量为铁和不可避免的微量杂质，并且铬碳比≥5.0且≤5.6。该专利的主要特点是在高铬铸铁中提高碳含量，增加初生碳化物，从而改善其耐磨性。但是，由于该专利中含有0.5～1.0的Ti，而Ti元素非常容易氧化，造成铸件易产生夹渣等缺陷。另外，该专利提供的制备方法中在合金熔液出炉时需采用钒铁颗粒孕育并用稀土镁合金和钠盐复合变质处理，这增大了制造难度，且材料的性能不易控制。
专利WO2004/103608介绍了一种用消失模生产过共晶铸铁的方法，可用于生产渣浆泵、旋流器和破碎机等设备的部件。该方法的缺点是：模具投资大，不适于单件小批的渣浆泵部件的生产；其能加入的孕育剂的最大量受到限制（一般不超过1％，最大不超过2％）；孕育剂的粒度较小，一般不超过100um，其表面的氧化物等杂质相对较多，而在该发明条件下，这些杂质都残留在铸件里，对材料的韧性有不利的影响。
专利WO4047760-A1和EP147422-A1公开了一种耐磨过共晶高铬铸铁，该铸铁中Cr含量过高，虽然硬度较高，但韧性偏低，需采用较低的浇注温度（浇注温度不超过其液相线100度），获得的初生碳化物尺寸约75μm。由于需采用较低的浇注温度，因此在浇注薄壁或复杂件时成型困难，铸造生产时易出现冷隔、浇不足和裂纹等缺陷。
申请号为201210182532.2的中国专利公开了一种高碳高钒耐磨钢，其成分质量百分比为：碳（C）2.0%～2.6%，钒（V）8.0%～9.0%，铬（Cr）5.5%～6.5%，钼（Mo）2.0%～3.0%，镍（Ni）0.5%～1.0%，铌（Nb）1.0%～2.0%，硅（Si）0.4%～1.0%，磷（P）＜0.04%，硫（S）＜0.04%，余量为铁（Fe）。该钢材由于加入了Mo、Ni和Nb等贵重元素，因而成本较高。
公开号为5803152的美国专利“Microstructurally refined multiphase castings”介绍了一种细化初生相的方法，该方法适用于所有共晶相的合金（铝/硅，铜/银，特别针对白口铸铁）。该工艺是在浇注铸件的同时向金属液里加入孕育剂。其缺点是：孕育剂的加入量偏高，其表面的氧化物等杂质一般都残留在铸件里，对材料的韧性有不利的影响；此外，该方法浇注温度偏低，合金液的流动性不好，不大适合生产渣浆泵过流件之类的复杂件。
R.J.Llewellyn等人发表了一篇题名为《Scouring erosion resistance of metallic materials used in slurry pump service》的论文。该论文介绍了一种用常规铸造工艺生产的过共晶高铬铸铁，该铸铁具有较好的耐腐蚀耐冲刷性能，但该论文并没有介绍细化初生碳化物的方法。
综上所述，现有技术虽然对含钒铸铁、过共晶铸铁及高铬铸铁均有研究，但也存在成本高、工艺复杂、适用性窄、效果不理想等种种缺陷，尤其是还缺少一种适用于制造过流件及磨损部件的高耐磨、高韧性、高硬度材质。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种含钒过共晶高铬铸铁及其制造方法，该过共晶高铬铸铁具有高耐磨、高韧性、高硬度的特点，能够用于制造渣浆泵过流件等容易受到强烈磨损的部件，其制造方法简单经济，产品质量稳定。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种含钒过共晶高铬铸铁，该铸铁通过脱氧处理并经包底冲入法孕育制得，其以重量百分比表示的化学成分为：
碳C 3.5～4.4％， 锰Mn 0.1～1.2％，
铬Cr 15.5～21.5％， 硅Si 0.5～1.5％，
钒V 5.5～7.5％， 磷P ≦0.06％，
硫S ≦0.06％， 其余为铁。
作为优选，上述含钒过共晶高铬铸铁以重量百分比表示的化学成分为：
碳C 3.99％， 锰Mn 0.81％，
铬Cr 20.51％， 硅Si 0.86％，
钒V 6.1％， 磷P 0.028％，
硫S 0.024％， 其余为铁。
上述含钒过共晶高铬铸铁的制造方法，其具有如下步骤：
（1）以废钢、炼钢生铁、高碳铬铁和高碳锰铁为原料，在1500～1600℃温度下将原料熔融为铁液；
（2）向铁液中加入用于脱氧的铝粉，加入量为铁液重量的0.08～0.12%；
（3）将预热至470～580℃的钒铁加入铁液中，在1400～1450℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中，然后将铁液温度提升至1500～1600℃并出炉；
（4）采用包底冲入法对铁液进行孕育处理，孕育剂为占铁液重量0.2～0.5%的粒度小于10mm的钛铁颗粒；孕育完毕并镇静除渣后，在1360～1400℃温度下将铁液浇入砂型中铸型；最终得到的铸铁以重量百分比表示的化学成分为：
碳C 3.5～4.4％， 锰Mn 0.1～1.2％，
铬Cr 15.5～21.5％， 硅Si 0.5～1.5％，
钒V 5.5～7.5％， 磷P ≦0.06％，
硫S ≦0.06％， 其余为铁。
作为优选，上述步骤（1）至步骤（3）中的加热设备为中频感应炉。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本方法创造性地在高铬铸铁中添加了钒，从而得到了一种含钒的过共晶高铬铸铁，该铸铁具有高耐磨、高韧性、高硬度的特点，铸型后可以省略热处理工序，能够用于制造渣浆泵过流件等容易受到强烈磨损的部件，其制造方法简单经济，产品质量稳定，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是实施例3中本发明铸铁的金相照片；
图2是实施例3中对比合金的金相照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种含钒过共晶高铬铸铁的制造方法，其具有如下步骤：
（1）将205kg高碳铬铁（FeC55C600II）、110kg炼钢生铁（L04）、127kg废钢加入到500kg中频感应炉中，加热将它们熔融为铁液；
（2）将铁液升温至1500～1600℃，向铁液中加入0.5kg铝粉；
（3）将重量为58kg的钒铁（FeV50-B）预热至470～580℃后加入铁液中，在1400～1450℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中，然后将铁液温度提升至1500～1600℃并出炉；
（4）在包底放入2.0kg的粒度小于10mm的钛铁颗粒，采用冲入法对铁液进行孕育处理；孕育完毕并镇静除渣后，在1360℃的温度下将铁液浇入呋喃树脂砂型中，生产护板和护套等渣浆泵过流件并随型浇注冲击韧性试样，试样尺寸为20 mm×20mm×110mm。
上述方法生产的铸铁以重量百分比表示的化学成分和力学性能见下表1：
表1。
实施例2：
一种含钒过共晶高铬铸铁的制造方法，其具有如下步骤：
（1）将155kg高碳铬铁（FeC55C1000II）、90kg炼钢生铁（L04）、179kg废钢和3kg高碳锰铁（FeMn78C8.0）加入到500kg中频感应炉中，加热将它们熔融为铁液；
（2）将铁液升温至1500～1600℃，向铁液中加入0.5kg铝粉；
（3）将重量为73kg的钒铁（FeV50-B）预热至470～580℃后加入铁液中，在1400～1450℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中，然后将铁液温度提升至1500～1600℃并出炉；
（4）在包底放入2.0kg的粒度小于10mm的钛铁颗粒，采用冲入法对铁液进行孕育处理；孕育完毕并镇静除渣后，在1400℃的温度下将铁液浇入呋喃树脂砂型中，生产护板和护套等渣浆泵过流件并随型浇注冲击韧性试样，试样尺寸为20 mm×20mm×110mm。
上述方法生产的铸铁以重量百分比表示的化学成分和力学性能见下表2：
表2。
实施例3：
一种含钒过共晶高铬铸铁的制造方法，其具有如下步骤：
（1）将200kg高碳铬铁（FeC55C600II）、188kg炼钢生铁（L04）、50kg废钢和2kg高碳锰铁（FeMn78C8.0）加入到500kg中频感应炉中，加热将它们熔融为铁液；
（2）将铁液升温至1500～1600℃，向铁液中加入0.5kg铝粉；
（3）将重量为60kg的钒铁（FeV50-B）预热至470～580℃后加入铁液中，在1400～1450℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中，然后将铁液温度提升至1500～1600℃并出炉；
（4）在包底放入2.0kg的粒度小于10mm的钛铁颗粒，采用冲入法对铁液进行孕育处理；孕育完毕并镇静除渣后，在1390℃的温度下将铁液浇入呋喃树脂砂型中，生产护板和护套等渣浆泵过流件，并随型浇注冲击韧性试样，试样尺寸为20 mm×20mm×110mm。
以实施例3中的试样为例，将不含钒的对比合金与本试样进行比较，其中对比合金也采用与实施例3相同的浇注温度和相同的试样尺寸，结果见下表3：
表3。
实施例3中本含钒铸铁的金相图见图1，对比合金试样的金相图见图2。
通过比较可见，实施例3中本含钒过共晶高铬铸铁的初生碳化物得到明显细化，并具有更高的硬度及冲击韧性，因此更适合于制造渣浆泵过流件等在使用中受到强烈磨损的部件，实施例1和实施例2的铸铁也具有与实施例3试样类似的特性。本铸铁制造方法简单经济，产品质量稳定，铸型后可以省略热处理工序，具有广阔的应用前景。
Claims (4)
1.一种含钒过共晶高铬铸铁，其特征在于：通过脱氧处理并经包底冲入法孕育制得，其以重量百分比表示的化学成分为：
碳C 3.5～4.4％， 锰Mn 0.1～1.2％，
铬Cr 15.5～21.5％， 硅Si 0.5～1.5％，
钒V 5.5～7.5％， 磷P ≦0.06％，
硫S ≦0.06％， 其余为铁。
2. 根据权利要求１所述的含钒过共晶高铬铸铁，其特征在于：其以重量百分比表示的化学成分为：
碳C 3.99％， 锰Mn 0.81％，
铬Cr 20.51％， 硅Si 0.86％，
钒V 6.1％， 磷P 0.028％，
硫S 0.024％， 其余为铁。
3. 权利要求１所述含钒过共晶高铬铸铁的制造方法，其特征在于：具有如下步骤：
（1）以废钢、炼钢生铁、高碳铬铁和高碳锰铁为原料，在1500～1600℃温度下将原料熔融为铁液；
（2）向铁液中加入用于脱氧的铝粉，加入量为铁液重量的0.08～0.12%；
（3）将预热至470～580℃的钒铁加入铁液中，在1400～1450℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中，然后将铁液温度提升至1500～1600℃并出炉；
（4）采用包底冲入法对铁液进行孕育处理，孕育剂为占铁液重量0.2～0.5%的粒度小于10mm的钛铁颗粒；孕育完毕并镇静除渣后，在1360～1400℃温度下将铁液浇入砂型中铸型；最终得到的铸铁以重量百分比表示的化学成分为：
碳C 3.5～4.4％， 锰Mn 0.1～1.2％，
铬Cr 15.5～21.5％， 硅Si 0.5～1.5％，
钒V 5.5～7.5％， 磷P ≦0.06％，
硫S ≦0.06％， 其余为铁。
4.根据权利要求3所述的含钒过共晶高铬铸铁制造方法，其特征在于：所述步骤（1）至所述步骤（3）中的加热设备为中频感应炉。
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