CN105671423A - 一种铬锰硅钒抗磨铸铁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗磨铸铁领域，具体说是一种铬锰硅钒抗磨铸铁及其制备方法，该抗磨铸铁的组分按以下质量百分比组成：C：2.7-3.5%、V：5.5-6.5%、Si：0.5-1.5%、Mn：0.8-1.5%、Cr：6.0-8.0%、S：≤0.06%、P：≤0.06%，余量为铁；该材料利用V取代高铬铸铁中部分Cr元素，在铁基体中可生成高硬度VC碳化物颗粒，从而提高材料的抗磨性。同时其制备方法可使抗磨材料中碳化物颗粒形态更加团球化，分布更加均匀，克服现有技术中碳化物存在大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种不太理想的形态以及颗粒分布存在菊花状分布等形态和分布的不足，提高提高材料的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及抗磨铸铁材料领域，具体说是一种铬锰硅钒抗磨铸铁及其制备方法。
背景技术
随着某些工程机械、矿山机械、冶金机械等工况进一步恶劣以及装备大型化，例如在制砂机设备、热轧辊等装备市场，对具有更高耐磨性的耐磨材料需求越来越迫切。在这种情况下，前人经过大量实验研究，开发了多种耐磨材料来制造耐磨关键零部件，以满足在恶劣工况下提高工件实际使用寿命的服役要求。
在我国已经起步研究开发基于铬、锰、硅等复合耐磨材料，并且成功地开始应用于热轧辊耐磨件。虽然目前使用铸造工艺开发的复合耐磨材料的凝固特性、变质机理和热处理工艺特征等方面的研究基本趋于成熟。在耐磨材料中碳化物颗粒形态有很多种，呈现团球状、大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种形态；其中边界比较圆滑的团球状初生相是最理想的形态，有利于性能提升。因此，通过进一步优化碳化物颗粒形态和分布，对提高耐磨材料的耐磨性能和其性能稳定性是十分有利的。
现有技术对耐磨材料采用的变质处理方法主要是使用稀土硅镁或者（含B、含Zr）钾盐作为孕育变质剂，使用量均在0.5～1.0﹪之间。使用常用的稀土硅、镁作为变质剂，稀土一方面有净化铁液的作用，能与铁液中的氧、氮等生成化合物，同时这些化合物还可以作为形核质点起到细化碳化物的作用；另一方面稀土是一种表面活性元素，在凝固过程中可以富集在碳化物的表面，从而抑制碳化物沿晶界长大，使碳化物细化。
现有技术中常采用稀土作为变质剂，利用稀土净化钢液时产生大量稀土氧化物、氮化物等作为碳化物的形核质点；然而这些稀土氧化物、氮化物的晶格类型不同于碳化物的晶格类型。所以这些稀土氧化物、氮化物并不能作为碳化物碳化物的有效异质形核核心，其效果十分有限。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种性能可靠的铬锰硅钒抗磨铸铁，该材料的组分按以下质量百分比组成：C：2.7-3.5%、V：5.5-6.5%、Si：0.5-1.5%、Mn：0.8-1.5%、Cr：6.0-8.0%、S：≤0.06%、P：≤0.06%，余量为铁；该材料利用V取代高铬铸铁中部分Cr元素，在铁基体中可生成高硬度VC碳化物颗粒，从而提高材料的抗磨性。
本发明还提供一种铬锰硅钒抗磨铸铁的制备方法，其按以下步骤进行：
1）将废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁清理干净，按上述质量百分比要求进行配料，并分类放置；
2）将上述分类放置的废钢、增碳剂、钒铁、锰铁和铬铁放入炉中加热熔炼，待熔清后进行等温处理，再加入铝丝或铝粒进行预脱氧，然后加入脱硫剂脱硫，并扒渣；
3）再加入铝丝或铝粒终脱氧处理后出炉；
4）向出炉后的铁液中加入变质剂，采用包底冲入法对铁液进行孕育和变质处理；
5）将孕育和变质处理的铁液进行浇注；
6）浇注完成后进行冷却、清理处理，再打磨喷砂，并进行热处理。
作为优选，熔炼温度为1500～1540℃，等温处理温度为1550℃，等温处理时间为5-8min。
作为优选，预脱氧和终脱氧采用的铝丝或铝粒的质量分数均占铁液质量的0.1%-0.15%。
作为优选，所述变质剂的组分占铁液质量百分比为：0.25﹪RE、0.15﹪Mg、0.15﹪Zn。
作为优选，将上述组分的复合孕育变质剂破碎至1-5mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，然后将浇包中的铁液孕育和变质处理后静置2-3min，再进行浇注，浇注温度为1510-1540℃。
作为优选，热处理时，先在热处理炉中嵌入木炭或者在工件表面涂覆抗氧化涂料，然后采用1050℃淬火处理，再采用450℃回火处理。
从以上技术方案可知，上述制备方法可使抗磨材料中碳化物颗粒形态更加团球化，分布更加均匀，克服现有技术中碳化物存在大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种不太理想的形态以及颗粒分布存在菊花状分布等形态和分布的不足，提高提高材料的综合性能。
具体实施方式
下面将详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明的铬锰硅钒抗磨铸铁含C：2.7-3.5%、V：5.5-6.5%、Si：0.5-1.5%、Mn：0.8-1.5%、Cr：6.0-8.0%、S：≤0.06%、P：≤0.06%，余量为铁；其中，
碳C对复合耐磨材料的组织与性能来说至关重要，它既可以固溶于基体中起固溶强化作用，又是形成碳化物增强相的基本元素，还能促进马氏体转变，提高复合耐磨材料的淬硬性。碳含量太多会增加材料脆性，太少则减少碳化物增强相的数量致使其耐磨性降低。因此，本材料中控制C含量在2.7-3.5%。
钒V是强碳化物形成元素，易在铁液中与C元素反应形成大量呈现团球状等形态、弥散分布的VC增强相，相对于高铬铸铁中的碳化物，其形态和分布均有了很大改善，显著提高了复合耐磨材料的冲击韧性与耐磨性，其含量应控制在5.5-6.5%之间。
铬Cr也可与C反应形成Cr6C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于铬的碳化物显微硬度比VC低得多，且其形貌由于呈长条形而导致其韧性较差，在基体组织凝固过程中V的碳化物优先于Cr形成；因此，本发明中Cr元素的加入量较少，少量的Cr还可以使其固溶于奥氏体中，主要起提高基体的淬硬性和淬透性作用。
在生产本发明的耐磨合金材料过程中，熔炼是采用中频感应电炉实现的，并采用碱性炉衬材料。在本发明中，变质剂的组分设计为：0.25﹪RE+0.15﹪Mg+0.15﹪Zn。在铁液浇包中加入变质剂进行变质处理，其中含有一定量的稀土镁和锌，一方面稀土具有脱氧脱硫作用，所生成的稀土硫化物、稀土氧化物和稀土硫氧化物能够被排除，能对铁液作进一步的净化，稀土和镁元素能够在奥氏体枝晶结晶前沿的熔体中富集，形成成分过冷区，有利于奥氏体枝晶向多晶发展并且缩小了枝晶间距。另一方面稀土和镁元素是表面活性元素，易在碳化物某晶面被选择吸附，从而抑制碳化物晶面的择优长大。变质剂中的镁和锌元素沸点低，加入铁液后迅速汽化并产生大量的原子集团而造成碳化物点阵上的空位，空位的存在加速了碳化物的溶解和扩散，特别是锌与陶瓷碳化物VC间润湿性能较好，从而有利于促进碳化物VC呈现团球化，均匀分布。大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等形态的碳化物以及菊花状分布的情形大大减少，使抗磨材料的性能更加稳定可靠。
由于淬火工艺会产生大量的非稳态残余奥氏体组织，通过后续回火工艺可以使马氏体组织中碳元素往残余奥氏体组织中扩散迁移，增加残余奥氏体组织的含碳量，从而提高改善残余奥氏体组织的室温稳定性。本发明采用优化的热处理工艺为先进行1050℃淬火，再进行450℃回火，可以减少或者灵活调节基体中残余奥氏体的含量及稳定性能。另外，本抗磨材料在高温热处理过程中氧化十分严重，需要在热处理炉中嵌入木炭或者在待热处理工件表面涂覆抗氧化涂料，以消除或者减轻工件表面高温氧化和脱碳现象。
实施例1
将废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁原材料清理干净，按质量分数为2.7%C、6.5%V、0.5%Si、1.5%Mn、8.0%Cr、0.06%S、0.06%P、余量为铁的化学配比进行配料，且分类放置；再将上述配置好废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁配料放入炉中加热，熔炼温度为1500℃，待铁液熔清后，以1550℃温度进行等温处理8min，再加入铁液重量0.1%铝丝进行预脱氧，然后加入脱硫剂，并扒渣；接着加入0.1%的铝粒终脱氧后出炉；然后将占铁液质量0.25﹪稀土元素、0.15﹪Mg和0.15﹪Zn配制的变质剂统一破碎至1mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，采用包底冲入法对铁液进行孕育和变质处理；浇包中铁液变质后静置2min再进行浇注，浇注温度为1510℃，浇注完成之后待铸件在砂箱中冷却30分钟以上，铸件出箱冷却并做清理处理，在打磨喷砂后先进行1050℃淬火，再进行450℃回火。对制备的抗磨铸铁材料进行性能测试，硬度达67.2HRC；对制备的抗磨铸铁材料加工成22×40×12mm的长方体进行三体磨料磨损实验，加载载荷为130N，工件每隔10min称重一次；同时对铬系铸铁（含30wt%Cr、3wt%C）和Q235钢进行磨损试验对比，最后得到：本发明制备的材料平均每个磨损周期损失约0.81mm3，磨损损失仅是对比铸铁磨损体积的16%，是Q235磨损体积的2.3%。
实施例2
将废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁原材料清理干净，按质量分数为3.0%C、6%V、1%Si、1%Mn、7%Cr、0.03%S、0.03%P、余量为铁的化学配比进行配料，且分类放置；再上述配置好废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁配料放入炉中加热，熔炼温度为1530℃，待铁液熔清后，以1550℃温度进行等温处理6min，再加入铁液重量0.15%铝粒进行预脱氧，然后加入脱硫剂，并扒渣；接着加入0.15%的铝粒终脱氧后出炉；然后将占铁液质量0.25﹪稀土元素、0.15﹪Mg和0.15﹪Zn配制的变质剂统一破碎至3mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，采用包底冲入法对铁液进行孕育和变质处理；浇包中铁液变质后静置3min再进行浇注，浇注温度为1530℃，浇注完成之后待铸件在砂箱中冷却30分钟以上，铸件出箱冷却并做清理处理，在打磨喷砂后先进行1050℃淬火，再进行450℃回火。对制备的抗磨铸铁材料进行性能测试，硬度达68.6HRC；对制备的抗磨铸铁材料加工成22×40×12mm的长方体进行三体磨料磨损实验，加载载荷为130N，工件每隔10min称重一次；同时对铬系铸铁（含30wt%Cr、3wt%C）和Q235钢进行磨损试验对比，最后得到：本发明制备的材料平均每个磨损周期损失约0.73mm3，磨损损失仅是对比铸铁磨损体积的13.5%，是Q235磨损体积的2%。
实施例3
将废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁原材料清理干净，按质量分数为3.5%C、5.5%V、1.5%Si、0.8%Mn、6%Cr、0.04%S、0.04%P、余量为铁的化学配比进行配料，且分类放置，再将上述配置好废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁配料放入炉中加热，熔炼温度为1540℃，待铁液熔清后，以1550℃温度进行等温处理5min，再加入铁液重量0.15%铝粒进行预脱氧，然后加入脱硫剂，并扒渣；接着加入0.15%的铝丝终脱氧后出炉；然后将占铁液质量0.25﹪稀土元素、0.15﹪Mg和0.15﹪Zn配制的变质剂统一破碎至5mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，采用包底冲入法对铁液进行孕育和变质处理；浇包中铁液变质后静置3min再进行浇注，浇注温度为1540℃，浇注完成之后待铸件在砂箱中冷却30分钟以上，铸件出箱冷却并做清理处理，在打磨喷砂后先进行1050℃淬火，再进行450℃回火。对制备的抗磨铸铁材料进行性能测试，硬度达67.2HRC；对制备的抗磨铸铁材料加工成22×40×12mm的长方体进行三体磨料磨损实验，加载载荷为130N，工件每隔10min称重一次；同时对铬系铸铁（含30wt%Cr、3wt%C）和Q235钢进行磨损试验对比，最后得到：本发明制备的材料平均每个磨损周期损失约0.79mm3，磨损损失仅是对比铸铁磨损体积的14.6%，是Q235磨损体积的2.1%。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种铬锰硅钒抗磨铸铁，其组分按以下质量百分比组成：C：2.7-3.5%、V：5.5-6.5%、Si：0.5-1.5%、Mn：0.8-1.5%、Cr：6.0-8.0%、S：≤0.06%、P：≤0.06%，余量为铁。
2.一种权利要求1所述铬锰硅钒抗磨铸铁的制备方法，按以下步骤进行：
1）将废钢、增碳剂、钒铁、锰铁、铬铁清理干净，按上述质量百分比要求进行配料，并分类放置；
2）将上述分类放置的废钢、增碳剂、钒铁、锰铁和铬铁放入炉中加热熔炼，待熔清后进行等温处理，再加入铝丝或铝粒进行预脱氧，然后加入脱硫剂脱硫，并扒渣；
3）再加入铝丝或铝粒终脱氧处理后出炉；
4）向出炉后的铁液中加入变质剂，采用包底冲入法对铁液进行孕育和变质处理；
5）将孕育和变质处理的铁液进行浇注；
6）浇注完成后进行冷却、清理处理，再打磨喷砂，并进行热处理。
3.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：熔炼温度为1500～1540℃，等温处理温度为1550℃，等温处理时间为5-8min。
4.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：预脱氧和终脱氧采用的铝丝或铝粒的质量分数均占铁液质量的0.1%-0.15%。
5.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：所述变质剂的组分占铁液质量百分比为：0.25﹪RE、0.15﹪Mg、0.15﹪Zn。
6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于：将上述组分的复合孕育变质剂破碎至1-5mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，然后将浇包中的铁液孕育和变质处理后静置2-3min，再进行浇注，浇注温度为1510-1540℃。
7.如权利要求2所述制备方法，其特征在于：热处理时，先在热处理炉中嵌入木炭或者在工件表面涂覆抗氧化涂料，然后采用1050℃淬火处理，再采用450℃回火处理。
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