CN105734398A

CN105734398A - 一种高硼高铬白口铸铁及其制备方法

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Publication number: CN105734398A
Application number: CN201610187188.4A
Authority: CN
Inventors: 陈祥; 邬海斌; 缪跃辉
Original assignee: CHANGXING DETIAN ENGINEERING MACHINERY Co Ltd
Current assignee: CHANGXING DETIAN ENGINEERING MACHINERY Co Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: CN105734398B

Abstract

本发明公开了一种高硼高铬白口铸铁，由以下重量百分比组成：2.0～2.8％C，2.0～2.5％B，3.0～3.5％Cr，0.3～0.5％Si，0.3～0.5Al，0.15～0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。合金采用电炉熔炼，并经二次插铝脱氧后放置在浇包底部形成铸件，采用两步法对合金进行等温淬火热处理，在550～600℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火是为了获得马氏体基体铸铁，在400～480℃的盐浴炉中进行二次等温淬火，最终将获得马氏体基体上分布高硬度硼碳化合物的复相组织高硼高铬白口铸铁。

Description

一种高硼高铬白口铸铁及其制备方法

技术领域

本发明属冶金技术领域，具体地说是一种高硼高铬白口铸铁及其制备方法。

背景技术

高铬铸铁作为新一代抗磨材料，正在越来越广泛的领域内取代传统的高锰钢而成为抗磨粒磨损的优质材料。尤其在磨料块度小而硬度高的场合下，如粉碎水泥熟料、制备石英砂等工况下更成为一种最佳材质，并被广大相关工业界所接受。我公司生产的耐磨块也是采用高铬铸铁。但实际工业化生产所得到的性能如硬度、韧性、硬度差等尚有很大的提升空间。因此，在低成本的前提下，能否使高铬铸铁的成分、组织及热处理工艺更加优化，从而使其性能有一个更大的上升则是极具现实意义的一个目标。

硼在我国资源丰富，是强碳化物形成元素。微量的硼即可大大提高钢铁的淬透性而节约大量昂贵的强淬透性合金元素，并使金属材料的耐磨性得到极大提高，这是众所周知的。

以硼作为主要合金元素的铸造铁基合金的研究亦有报道。日本研究人员介绍了具有不同硼、碳含量的Fe-15Cr-C-B合金，即使在铸态下也有很高的硬度，接近60HRC，这种合金有可能象镍硬铸铁一样不经热处理在铸态下直接使用。

上世纪90年代初，澳大利亚Queensland大学材料系的研究人员在高铬钢基础上开发了一种耐磨性能优异的铁铬硼合金，不仅具有优异的耐磨性，并且其硬度可以在很大的范围内变化，从HRC22至HRC62，铸造铁铬硼合金具有低硬度特性为机械加工提供了可能，另外还具有良好的耐热冲击性能。

另外，国内外在堆焊耐磨合金研究中，利用硼化物硬度和热稳定性高于碳化物，特别是硼与铁生成的FeB(HV1800～2000)和Fe₂B(HV1400～1500)的硬度不但远高于Fe₃C(HV800～900)，而且高于铬的碳化物Cr₇C₃(HV1300～1500)，用合金硼化物代替合金碳化物作为耐磨合金的耐磨相，可进一步提高耐磨合金的硬度和耐磨性，还可减少铬、钨、钼、钒、钛等贵重合金加入量。随着堆焊合金中硼含量增加，堆焊合金组织发生变化，组织中先后出现了作为耐磨相的Fe₃(C，B)、Fe₂₃(C，B)₆和Fe₂B等碳、硼化合物，随着其数量的增加，堆焊合金的硬度和耐磨性显著提高，而且发现共晶组织具有最佳的抗冲击韧性。

因此将硼加入高铬铸铁中能否在有冲击的磨粒磨损的工况下也能有效提高其抗磨性，从而达到降低成本、提高性能、节约合金的目标呢？本项目拟着重考察含硼量和热处理工艺与高铬铸铁的硬度和冲击韧性的关系，以便能为高铬铸铁的成分、组织及热处理工艺的优化设计提供依据。

随着现代工业的飞速发展，为满足各类工程构件和装备的需要，新材料不断涌现。同时，对传统材料的质量要求也越来越高，提高传统材料的质量、改进传统材料的制备工艺已成为当务之急。特别是对国防和国民经济发展具有战略意义的特殊材料，由于制备工艺的问题，供需矛盾更加突出，并且受到国外限制，严重影响了我国相关工业的进步和发展。在本世纪的前十年内，是我国经济持续、稳定和健康发展的关键时刻，各类新型材料的制备和应用面临着十分艰巨和严峻的形势，必须加大力度研究和开发能够促进经济发展的新型工程材料。钢铁材料具有生产规模大、易于加工、性能可靠、使用方便、价格低廉和便于回收等特点，仍是占主导地位的工程结构材料，改善钢铁材料的组织和性能一直是国内外冶金和材料工作者不断关注并力求实现的重要课题，耐磨钢铁材料的创新和发展是其中的重要组成部分。磨损是冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等许多工业部门普遍存在并成为引起设备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问题之一，研究和发展新一代耐磨材料，减少金属磨损，对国民经济具有重要的意义。

目前，国内外广泛使用高铬白口铸铁生产耐磨件，特别是耐磨块。高铬白口铸铁基体碳含量较高，淬火后马氏体中含有残余奥氏体，不但降低了高铬白口铸铁的硬度，而且在应用过程中易发生相变，促使裂纹产生，降低了耐磨性能。采用深冷处理技术和亚临界热处理可以减少残余奥氏体的数量，提高铸铁的耐磨性能。可以通过合金化来细化初晶组织，提高其耐磨性能。但在提高高铬白口铸铁韧性方面未有实质性研究进展，即使含有贵重的Mo、Ni、W、V，它的脆性仍然大，使用中存在易剥落甚至开裂的不足。高铬白口铸铁只能应用在冲击不高的工况条件，在冲击较高时，容易产生断裂或破碎失效。本项目的FBC耐磨材料的生产成本低廉、强度和韧性高、淬透性好，有望取代目前广泛使用的耐磨材料。

随着贵重的铬、钼、镍、钨、钒等合金元素在钢铁材料中使用量的不断增加，价格飞速上涨，供应日趋紧张，导致现行耐磨材料生产成本不断攀升。本发明的高硼高铬铸铁是以普通白口铸铁为基础，加入一定量的硼、铬作为合金元素，加入的其它合金元素很少或不加，成本较低，但可以获得韧性较好且在基体上分布有高硬度耐磨相的显微组织。高硼高铬铸铁具有很好的强韧性和高硬度，具有生产工艺简单、成本低，耐磨性能优越等特点，可以应用于各种具有冲击磨料磨损条件的耐磨场合和各种工程机械的耐磨件上，这一应用市场极为广阔。

发明内容

本发明目的是开发一种高硼高铬白口铸铁，具有生产成本低廉、强度和韧性高、淬透性好的特点，取代目前广泛使用的铸铁类耐磨材料。

实现上述发明目的技术方案：

一种高硼高铬白口铸铁，由以下重量百分比组成：2.0～2.8％C，2.0～2.5％B，3.0～3.5％Cr，0.3～0.5％Si，0.3～0.5Al，0.15～0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。

本发明的另一个目的是提供一种高硼高铬白口铸铁制造方法，该方法包括以下具体步骤：

(1)将普通废铁置入感应电炉或电弧炉进行熔炼，熔炼过程中加入硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；

(2)熔体温度升高到1400～1480℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为铸铁重量的0.15～0.3％；

(3)加入铝锆硼铁中间合金，熔清扒渣后插铝进行二次脱氧；

(4)铸铁液出炉，铸铁液直接浇注成铸件，浇注温度1350～1450℃；

(5)将浇铸后的铸件去除浇冒口，置于箱式电阻炉中，经900～930℃奥氏体化，保温0.5～3小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm；

(6)将铸件取出快速空冷到600-650℃置入温度为550～600℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火热处理，根据铸件的厚度不同保温时间为5～10分钟，得到马氏体铸铁；

(7)将铸件取出，快速空冷后，放入温度为400～480℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，根据铸件的厚度不同保温0.5～4小时，取出后进行空冷，空冷后获得马氏体基体上分布高硬度硼碳化合物的复相组织高硼高铬白口铸铁。

其中，步骤(1)中所述的增碳剂为废石墨电极、石墨颗粒，步骤(6)和步骤(7)中所述的等温盐浴是由质量分数为50％的硝酸钾和50％的亚硝酸钠配比而成。

其中，铝锆硼铁中间合金是根据高硼高铬白口铸铁配比含量所需而制备铝锆硼铁合金，中间合金加入量为总重量的8～10％。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明高硼高铬白口铸铁，马氏体基体上分布高硬度硼碳化合物的复相组织，具有优异的耐磨性；

(2)高硼高铬白口铸铁中硼元素、铬元素、铝元素、锆元素的存在主要是为了形成高硬度、高耐磨的硼碳化合物和高韧性碳硼铝锆化物相；

(3)合金中添加重量百分比为2.0～2.5％的硅元素的目的主要是为了在等温淬火过程中强烈抑制碳化物析出的作用，保证热处理组织中形成无碳化物的贝氏体，组织中无碳化物的存在，可以提高铸铁的耐腐蚀性能；

(4)本发明采用Cr元素、Al元素、Zr元素进行硼化物的变质处理，Cr元素、Al元素、Zr元素的加入可在高温熔体中形成与碳硼化物有良好的共格关系的高熔点化合物，促进碳硼化物形核，达到细化碳硼化物的目的，提高铸铁的力学性能；

(5)本发明采用两步法对合金进行等温淬火热处理，在550～600℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火是为了获得马氏体基体铸铁，在400～480℃的盐浴炉中进行二次等温淬火，最终将获得马氏体基体上分布高硬度硼碳化合物的复相组织高硼高铬白口铸铁。

本发明采用两步法对合金进行盐浴等温淬火，获得硬度≥54HRC，冲击韧性Ak≥8J，抗拉强度≥600MPa的高硼高铬白口铸铁，组织结构为马氏体基体上分布高硬度硼碳化合物的复相组织，具有优异的耐磨性；应用于高可靠性磨损领域的工程材料，尤其是在冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通和军工等许多工业部门的原料开采、破碎及输送领域获得广泛应用。

本发明的高硼高铬白口铸铁以我国富有的硼为主要合金元素，不含镍、钼、钨、钒等贵重合金，具有低成本、高硬度、良好耐磨性和强韧性，可以替代各种用于磨粒磨损工况的耐磨钢铁类材料；高硼高铬白口铸铁减少了贵重的Mo、Ni、W和V元素因而性价比高于现行的主要耐磨材料，可以占领一部分现行耐磨材料的市场，如工程机械的耐磨件、磨机耐磨件和铸机耐磨件等，每年有数十亿元的市场可供开发。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明高明韧性含铝高硼高铸铁及其制造方法作进一步详细说明。

实施例1

一种高硼高铬白口铸铁，由以下重量百分比组成：2.0％C，2.5％B，3.0％Cr，0.5％Si，0.5Al，0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。

高硼高铬白口铸铁制造方法包括以下具体步骤：

(3)加入铝锆硼铁中间合金，熔清扒渣后插铝进行二次脱氧；

获得的高硼高铬白口铸铁，其力学性能如下：硬度为56HRC，抗拉强度为650MPa，冲击韧性Ak为8.5J。在Falex多功能摩擦磨损试验机上进行球盘试验(对磨材料为氧化锆陶瓷球，压力10磅)，磨损失重为4.85mg。

实施例2

一种高硼高铬白口铸铁，由以下重量百分比组成：2.8％C，2.5％B，3.0％Cr，0.3％Si，0.3Al，0.15％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。

按配比所需量进行称量，制备步骤如下：

(3)加入铝锆硼铁中间合金，熔清扒渣后插铝进行二次脱氧；

获得的高硼高铬白口铸铁，其力学性能如下：硬度为58HRC，抗拉强度为630MPa，冲击韧性Ak为9.0J。在Falex多功能摩擦磨损试验机上进行球盘试验(对磨材料为氧化锆陶瓷球，压力10磅)，磨损失重为3.55mg。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范

围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种高硼高铬白口铸铁，由以下重量百分比组成：2.0～2.8％C，2.0～2.5％B，3.0～3.5％Cr，0.3～0.5％Si，0.3～0.5Al，0.15～0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。

2.权利要求1所述的高硼高铬白口铸铁制造方法，包括以下具体步骤：

(3)加入铝锆硼铁中间合金，熔清扒渣后插铝进行二次脱氧；

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于其中步骤(1)中所述的增碳剂为废石墨电极、石墨颗粒。

4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于其中步骤(6)和步骤(7)中所述的等温盐浴是由质量分数为50％的硝酸钾和50％的亚硝酸钠配比而成。

5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于铝锆硼铁中间合金是根据高硼高铬白口铸铁配比含量所需而制备铝锆硼铁合金，中间合金加入量为总重量的8～10%。