CN109852875A - 一种低合金等温淬火球铁cadi耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料及其制备方法，采用的化学成分配方、球化处理方法和孕育工艺，能够在低合金CADI材料中获得良好的球状石墨和碳化物数量，有助于提高铸件热处理后硬度和冲击韧性，从而生产出优质的耐磨零件。通过增加铁液的碳当量，扩大凝固中石墨膨胀作用，降低零件的收缩倾向，解决了农机具类铸件普遍存在的致密性差问题。含有较低的硫磷量，有利于提高材料和耐磨件的力学性能和冲击性能。采用叠箱造型工艺，进一步降低了低合金CADI材料和耐磨件的铸造成本，降低了铁液中硫、磷含量，优化了球化过程，从而能够提高铸件的冲击韧性。采用等温淬火热处理工艺参数，能够获得硬度和冲击韧性都适中的整体耐磨零件。

Description

一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料及其制备方法。

背景技术

众所周知，等温淬火球铁ADI由于其高碳奥氏体、球状石墨和针状铁素体的组织，具有1000-1600MPa强度、高冲击韧性和优异的耐磨性，大多应用于铁路零件和工程机械中斗齿、曲轴等耐磨件。有较多碳化物的奥铁体球铁（以下简称CADI）能够进一步提高ADI材料的耐磨性，实现的方法是向普通球铁中添加适量促进碳化物形成元素，形成弥散的碳化物硬质相，然后通过等温淬火处理获得含有针状铁素体、球状石墨、高碳奥氏体以及一定含量（5～35%）碳化物的球铁。具有碳化物的奥铁体球铁CADI可应用于耐磨性更高的农业机械、采矿设备、铁路等领域。

现有技术中的农机具上耐磨易损类零件，例如犁铧尖、深松机铲头等，所使用的材料多为硅锰钢、锰钢、硼钢等，耐磨性相对较差，寿命较低；也有采用耐磨白口铸铁或高铬铸铁，耐磨性高但是冲击韧性差。以上这些材质的零件在使用过程中遇到沙石土壤，零件不是磨损快，就是极容易断裂。即使有的零件在硅锰钢或锰钢基材的刃口部位焊接了1-2mm具有碳化物的耐磨层，但在沙石土壤中工作，耐磨层裂纹和焊接质量差也会使耐磨层受损，从而影响使用寿命。因为这层薄的耐磨层在磨损之后，耐磨性较差的基材无法进一步增加使用寿命。在硼钢基材上采用激光熔覆技术来强化零件的耐磨性，是正在研究和发展的一项新技术，但是成本很高。

等温淬火球铁ADI主要利用高碳奥氏体及特殊的结构增加耐磨性，该材质一般没有碳化物或碳化物含量不大于3%。而具有碳化物的奥铁体球铁CADI不仅有高碳奥氏体基体，还有弥散分布的碳化物增加材料的耐磨性。具有碳化物的奥铁体球铁CADI作为整体耐磨材料，由于碳化物均匀弥散分布在本身就具有耐磨性的奥铁体中，相对等温淬火球铁ADI材质，使该等温淬火球铁材料既具有很高耐磨性，又有一定的冲击韧性。目前由于国内在农机具领域进行具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料在工程产品上应用很少。高合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI含有更多的碳化物和耐磨性能，低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI难于获得高数量的碳化物，因此有研究将高合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI应用于磨球零件，也有少量研究应用于深松铲等农机具易损件。但是使用高合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI制作耐磨件，加入合金元素多达5种以上，不仅成本高，而且大量合金加入造成零件收缩倾向大，在浇冒口补缩不足的情况下，容易出现致密性差的问题。现有低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI制备方法应用于农机具存在以下问题：

1、目前低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料多用于磨球，以添加很多锰促进碳化物的形成，增加耐磨性。但是锰形成的碳化物形态不好，冲击韧性差，容易开裂，不适合在工程零件上使用。

2、采用高纯生铁原材料能满足具有碳化物的奥铁体球铁CADI性能要求，但是成本太高，采用普通的球墨铸铁用生铁原材料成本低，由于微量元素多，硫、磷高，无法满足具有碳化物的奥铁体球铁CADI性能要求，因此现有技术使用的原材料无法制备出兼顾成本和性能的高性价比低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料。

3、现有极少用于工程零件具有碳化物的奥铁体球铁CADI，采用普通生铁生产，S、P高冲击韧性差。同时形成的碳化物数量少，材料的耐磨性会受到杂质的影响。

发明内容

为了克服背景技术中所述的不足，本发明采用下述技术方案；

一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料，按重量比成分含量如下：C：3.4-3.7%，高碳能够增加石墨化，弥补合金对零件致密性的影响，如果采用更高的超过控制上限碳含量，容易导致逐渐出现石墨漂浮缺陷，从而影响球铁的性能。低于下限含量时，逐渐容易出现缩松缺陷，导致铸件冲击韧性下降，冲击后容易断裂；Si：2.0-2.4%，由于碳采用了较高的含量，碳和硅的石墨化作用一致，硅超过控制上限2.4%时，容易出现石墨漂浮缺陷。硅含量低于控制下限2.0%，容易出现缩松缺陷。Mn：0.40-0.60%，超出控制上限0.60%， Mn会增加碳化物数量，但也会形成网状碳化物，受到冲击时容易开裂，多用于魔球。低于下限0.4%时，逐渐组织中珠光体含量少，导致铸件硬度下降，从而影响具有碳化物的奥铁体球铁CADI韧性；S：≤0.012%，超出控制上限，需要加入更多的球化剂才能获得良好的石墨形态；P：≤0.04%，超过上限0.04%，铸件中会出现磷共晶组织，导致逐渐冲击韧性下降；Cr：0.3-0.6%，低于下限，碳化物数量少，无法获得良好的耐磨性，超出控制上限0.6%时，铸件收缩倾向大，容易出现缩松缺陷，余量为铁。

所述低合金CADI耐磨材料的力学性能为，硬度HRC48-55，冲击性能（无缺口）：≥10J/cm²。

所述低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI耐磨材料耐磨件的制备方法，具体步骤如下：

一、配料和熔炼；

a.配料种类及重量比如下：增碳剂2.6-3.0%，所述增碳剂碳含量不低于95%；废钢60-65%，所述废钢为废碳钢及其边、角料，废钢中碳为0.2～0.5%；生铁（Q10或Q12）10-15%、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料20-26.6%，锰铁和铬铁根据其他炉料成分确定；加入方法为：先在电炉中加入废钢、增碳剂、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料、生铁Q10和铬铁合金，增碳剂首先加入炉底，用废钢压紧。锰铁、硅铁在上述金属材料完全熔化成铁水时加入。

上述生铁Q10是指硅含量不大于1.0%的球墨铸铁用生铁，生铁Q12是指硅含量1.2%左右的球墨铸铁用生铁，上述具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料是指生产具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料时，浇注包剩余的多余铁水回收的金属料，和浇注后零件成型辅助的浇口、冒口、出气片，以及废品，其成分在低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI的成分范围内。

b.熔炼后使用铸铁聚渣剂进行聚渣和扒渣，完成除渣过程，铁液温度达到1500-1530℃以上时出炉；采用出渣工具挑出铁渣。

二、造型；

利用制作好的模具，采用水玻璃砂或树脂砂造型，放上浇口杯，准备浇注。

三、球化和孕育处理料：

a.在具有堤坝的球化处理包内加入铁水重量1.1-1.3%的球化剂，所述球化剂的牌号为FeSiMg8RE3，之后加入铁水重量0.8%硅铁，所述硅铁的牌号为FeSi75，和铁水重量0.2%钡硅铁孕育剂和适量的碎铁屑，所述钡硅铁的牌号为FeBa2Si70，捣紧压实。

b.炉内成分符合工艺要求，开始加热升温，炉内铁水温度达到1500-1530℃，该温度可通过热电偶测量得出，出铁球化处理。

四、浇注和随流孕育；

a.球化过程完成，扒渣后浇注。

b.浇注时采用硅铁随流孕育处理，所述硅铁牌号为FeSi75，孕育量占铁液重的0.1%左右。

c.浇注温度1380-1420℃，该温度可通过热电偶测量得出。

本发明主要采用控制锰含量，通过适当的球化处理和孕育处理，以及合理的浇注温度控制了碳化物的形态。通过选择合理的化学成分，进行合金处理和球化、孕育处理控制了碳化物的数量，同时保证了石墨的数量和基体组织，为热处理奠定了良好的基础。

五、热处理

等温淬火介质：50%硝酸钠NaNO3+0.5%硝酸钾KNO3；

等温淬火工艺参数：固溶温度：900-921℃；固溶时间：90分钟；

等温淬火温度：260-270℃；等温淬火时间：60-90分钟；

通过选择等温淬火工艺获得奥氏体、铁素体、碳化物组织，从而保证耐磨性和冲击韧性。

六、检测

从零件或同炉热处理试样上取样分析硬度和冲击韧性是否达到零件要求：硬度HRC48-55，冲击性能（无缺口）：≥10J/cm²

检验性能合格时，可以入库或使用。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果；

1、本发明采用的化学成分配方、球化处理方法和孕育工艺能够在低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料中获得良好的球状石墨和碳化物数量，这有助于提高铸件热处理后硬度和冲击韧性，从而生产出优质的耐磨材料；

2、本发明采用的化学成分配方，通过增加铁液的碳当量，扩大凝固中石墨膨胀作用，降低材料的收缩倾向，解决农机具类铸件普遍存在的不耐冲击，容易断裂的问题；

3、本发明采用的化学成分配方含有较低的硫量，有利于球化剂别的提高，从而提高材料和耐磨材料的力学性能，含有较低的磷量，有利于提高材料的冲击性能；

4、本发明采用废钢+增碳剂代替大部分生铁的熔炼工艺，进一步降低了低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料和耐磨材料的铸造成本；

5、本发明采用废钢+增碳剂代替大部分生铁的熔炼工艺，降低了铁液中硫、磷含量，优化了球化过程，从而能够提高材料的冲击韧性；

6、本发明采用等温淬火热处理工艺参数，能够获得硬度和冲击韧性都适中的整体耐磨材料。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

一种低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI耐磨材料，按重量比成分含量如下：C3.4-3.7%，高碳能够增加石墨化，弥补合金对零件致密性的影响，如果采用更高的超过控制上限碳含量，容易导致逐渐出现石墨漂浮缺陷，从而影响球铁的性能。低于下限含量时，逐渐容易出现缩松缺陷，导致铸件冲击韧性下降，容易冲击后断裂；Si2.0-2.4%，由于碳C采用了较高的含量，碳和硅的石墨化作用一致，硅超过控制上限2.4%时，容易出现石墨漂浮缺陷。硅含量低于控制下限2.0%，容易出现缩松缺陷。Mn0.40-0.60%，超出控制上限0.6%， 锰Mn会增加碳化物数量，但也会形成网状碳化物，受到冲击时容易开裂，多用于魔球。低于下限0.4%时，逐渐组织中珠光体含量少，导致铸件硬度下降，从而影响具有碳化物的奥铁体球铁CADI韧性；S≤0.012%，超出控制上限，需要加入更多的球化剂才能获得良好的石墨形态；P≤0.04%，超过上限0.04%，铸件中会出现磷共晶组织，导致逐渐冲击韧性下降；Cr0.3-0.6%，低于下限，碳化物数量少，无法获得良好的耐磨性，超出控制上限0.6%时，铸件收缩倾向大，容易出现缩松缺陷。余量为铁。

所述低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI耐磨材料的力学性能为，硬度HRC48-55，冲击性能（无缺口）：≥10J/cm²。

所述低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI耐磨材料耐磨件的制备方法，具体步骤如下：

一、配料和熔炼；

a.配料种类及重量比如下：增碳剂2.6-3.0%，所述增碳剂碳含量不低于95%；废钢60-65%，所述废钢为废碳钢及其边、角料，废钢中碳为0.2～0.5%；生铁（Q10或Q12）10-15%；具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料20-26.6%，锰铁和铬铁根据其他炉料成分确定；加入方法为：先在电炉中加入废钢、增碳剂、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料、生铁Q10和铬铁合金，增碳剂首先加入炉底，用废钢压紧。锰铁、硅铁在上述金属材料完全熔化成铁水时加入。

上述生铁Q10是指硅Si含量不大于1.0%的球墨铸铁用生铁，生铁Q12（是指硅Si含量1.2%左右的球墨铸铁用生铁，上述具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料是指生产具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料时，浇注包剩余的多余铁水回收的金属料，和浇注后零件成型辅助的浇口、冒口、出气片，以及废品，其成分在低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI的成分范围内。

b.熔炼后使用铸铁聚渣剂进行聚渣和扒渣，完成除渣过程，铁液温度达到1500-1530℃以上时出炉；采用出渣工具挑出铁渣。

二、造型；

利用制作好的模具，采用水玻璃砂或树脂砂造型，放上浇口杯，准备浇注。

三、球化和孕育处理料：

a.在具有堤坝的球化处理包内加入铁水重量1.1-1.3%的球化剂，所述球化剂的牌号为FeSiMg8RE3；之后加入铁水重量0.8%硅铁，所述硅铁的牌号为FeSi75，和铁水重量0.2%钡硅铁孕育剂和适量的碎铁屑，所述钡硅铁的牌号为FeBa2Si70，捣紧压实。

b.炉内成分符合工艺要求，开始加热升温，炉内铁水温度达到1500-1530℃，该温度可通过热电偶测量得出，出铁球化处理。

四、浇注和随流孕育；

a.球化过程完成，扒渣后浇注。

b.浇注时采用硅铁随流孕育处理，所述硅铁牌号为FeSi75，孕育量占铁液重的0.1%左右。

c.浇注温度1380-1420℃，该温度可通过热电偶测量得出。

本发明主要采用控制锰含量，通过适当的球化处理和孕育处理，以及合理的浇注温度控制了碳化物的形态。通过选择合理的化学成分，进行合金处理和球化、孕育处理控制了碳化物的数量，同时保证了石墨的数量和基体组织，为热处理奠定了良好的基础。

五、热处理

等温淬火介质：50%硝酸钠(NaNO3)+0.5%硝酸钾（KNO3）

等温淬火工艺参数：固溶温度：900-921℃；固溶时间：90min；

等温淬火温度：260-270℃；等温淬火时间：60-90min；

通过选择等温淬火工艺获得奥氏体、铁素体、碳化物组织，从而保证耐磨性和冲击韧性。

六、检测

从零件或同炉热处理试样上取样分析硬度和冲击韧性是否达到零件要求：硬度HRC48-55，冲击性能（无缺口）：≥10J/cm²

检验性能合格时，可以入库或使用。

依据前述工艺步骤，给出如下几组不同成分配比的实施例；

实施例一：

耐磨件化学成分（按重量比）：碳(C)3.40%、硅(Si）2.40%、锰(Mn)0.40%、硫(S) 0.012%、磷(P) 0.035%，铬(Cr)0.30%，余量为铁(Fe)。

熔制上述成分的铸件，采用下列原材料及配比:生铁（Q10）10.0%、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料26.6%、废碳钢（Q235）60.0%、硅铁(FeSi75)0.5%、铬铁（FeCr55）0.3%、增碳剂（C）2.6%、锰铁（FeMn65）0.0%。依据以上配比，原材料加入电炉内，按下列熔炼工艺制备铸件。

铸件等温淬火工艺：固溶温度：900℃，固溶时间：90分钟（min），等温淬火温度：270℃，淬火时间：60分钟；

其余制备工艺同前述工艺步骤。制得成品编号为1。

实施例二：

耐磨件化学成分（按重量比）：碳(C)3.70%、硅(Si）2.40%、锰(Mn)0.60%、硫(S) 0.012%、磷(P) 0.04%，铬(Cr)0.60%，余量为铁(Fe)。

熔制上述成分的铸件，采用下列原材料及配比:生铁（Q10）15.0%、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料20.0%、废碳钢（Q235）60%、增碳剂3.0%、硅铁(FeSi75)0.8%、铬铁（FeCr55）0.8%,锰铁（FeMn65）0.4%。依据以上配比，原材料加入电炉内，按下列熔炼工艺制备铸件。

铸件等温淬火工艺：固溶温度：910℃，固溶时间：90分钟（min）；等温淬火温度：270℃，淬火时间：90分钟（min）；

其余制备工艺同前述工艺步骤，制得成品编号为2。

实施例三：

耐磨件化学成分（按重量比）：碳(C)3.50%、硅(Si）2.20%、锰(Mn)0.52%、硫(S) 0.010%、磷(P) 0.033%，铬(Cr)0.53%，余量为铁(Fe)。

熔制上述成分的铸件，采用下列原材料及配比:生铁（Q10）10.0%、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料20.6%、废碳钢（Q235）65%、增碳剂（C）2.8%、硅铁(FeSi75)0.8%、铬铁（FeCr55）0.7%、锰铁（FeMn65）0.0%。依据以上配比，原材料加入电炉内，按下列熔炼工艺制备铸件。

铸件等温淬火工艺：固溶温度：910℃，固溶时间：90分钟（min），等温淬火温度：260℃，淬火时间：60分钟（min）；

其余制备工艺同前述工艺步骤。制得成品编号为3。

实施效果

从耐磨零件的解剖分析，本体的主要组织及性能如表1所示：

表1.实施后零件本体主要组织和性能

田间耐磨性试验结果：比65Mn弹簧钢材质零件寿命提高130%以上。根据上述实验结果的数值，可以说明：

1、本发明采用的化学成分配方、球化处理方法和孕育工艺能够在低合金CADI材料中获得石墨级别和球径大小良好的球状石墨和碳化物数量，这有助于提高材料热处理后硬度和冲击韧性。

2、本发明采用的化学成分配方，通过增加铁液的碳当量和合理的热处理工艺，扩大凝固中石墨膨胀作用，降低零件的收缩倾向，解决农机具材料不耐冲击，容易断裂的问题。

3、本发明采用的化学成分配方，球化处理和孕育处理工艺，保证了碳化物的数量和弥散分布的碳化物形状，从而获得硬度和韧性均良好的材料。

4、本发明采用废钢+增碳剂代替大部分生铁的熔炼工艺，进一步降低了低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料和耐磨件的铸造成本，保证了材料中获得细小的石墨球，为获得良好的冲击韧性的材料奠定了基础。

5、本发明采用合理的等温淬火热处理工艺参数，选择合理的热处理介质，保证了材料的组织，从而为获得硬度和冲击韧性都适中的整体耐磨材料。

Claims (3)

1.一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料，其特征在于：按重量比成分含量如下：C：3.4-3.7%，Si：2.0-2.4%，Mn：0.40-0.60%，S：≤0.012%，P：≤0.04%，Cr：0.3-0.6%，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料，其特征在于：所述低合金CADI耐磨材料的力学性能为：硬度HRC48-55，冲击性能：≥10J/cm2。

3.根据权利要求1所述的一种低合金等温淬火球铁CADI耐磨材料，其特征在于：制备方法的具体步骤如下：

一、配料和熔炼；

a.配料种类及重量比如下：增碳剂2.6-3.0%，所述增碳剂碳含量不低于95%；废钢60-65%，所述废钢为废碳钢及其边、角料，废钢中碳为0.2～0.5%；生铁10-15%、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料20-26.6%，锰铁和铬铁根据其他炉料成分确定；加入方法为：先在电炉中加入废钢、增碳剂、具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料、生铁Q10、Q12和铬铁合金，增碳剂首先加入炉底，用废钢压紧；锰铁、硅铁在上述金属材料完全熔化成铁水时加入；上述生铁Q10是指硅含量不大于1.0%的球墨铸铁用生铁，生铁Q12是指硅含量1.2%左右的球墨铸铁用生铁，可任选一种；上述具有碳化物的奥铁体球铁CADI回炉料是指生产具有碳化物的奥铁体球铁CADI材料时，浇注包剩余的多余铁水回收的金属料，和浇注后零件成型辅助的浇口、冒口、出气片，以及废品，其成分在低合金具有碳化物的奥铁体球铁CADI的成分范围；

b.熔炼后使用铸铁聚渣剂进行聚渣和扒渣，完成除渣过程，铁液温度达到1500-1530℃以上时出炉；采用出渣工具挑出铁渣；

二、造型；

利用制作好的模具，采用水玻璃砂或树脂砂造型，放上浇口杯，准备浇注；

三、球化和孕育处理料：

a.在具有堤坝的球化处理包内加入铁水重量1.1-1.3%的球化剂，所述球化剂的牌号为FeSiMg8RE3，之后加入铁水重量0.8%硅铁，所述硅铁的牌号为FeSi75，和铁水重量0.2%钡硅铁孕育剂和适量的碎铁屑，所述钡硅铁的牌号为FeBa2Si70，捣紧压实；

b.炉内成分符合工艺要求，开始加热升温，炉内铁水温度达到1500-1530℃，该温度可通过热电偶测量得出，出铁球化处理；

四、浇注和随流孕育：

a.球化过程完成，扒渣后浇注；

b.浇注时采用硅铁随流孕育处理，所述硅铁牌号为FeSi75，孕育量占铁液重的0.1%左右；

c.浇注温度1380-1420℃，该温度可通过热电偶测量得出；

五、热处理

等温淬火介质：50%硝酸钠NaNO3+0.5%硝酸钾KNO3；

等温淬火工艺参数：固溶温度：900-921℃；固溶时间：90分钟；

等温淬火温度：260-270℃；等温淬火时间：60-90分钟；

通过选择等温淬火工艺获得奥氏体、铁素体、碳化物组织，从而保证耐磨性和冲击韧性；

六、检测

从零件或同炉热处理试样上取样分析硬度和冲击韧性是否达到零件要求：硬度HRC48-55，冲击性能：≥10J/cm²；

检验性能合格时，可以入库或使用。