CN101302597B - 一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耐磨白口铸铁及其制备方法，特别是一种过共晶高铬白口铸铁及其制备方法，该铸铁适用于制备输送具有冲蚀磨损浆料的渣浆泵、抽黄泵的过流件(如叶轮、护板和壳体等)。它的重量百分比成分为：3.0-4.5C，15-35Cr，0.5-1.5Ti，0.5-2.5Mn，0.001-0.5B，0.5-1.5Si，P＜0.06、S＜0.06，其余为Fe。根据上述过共晶高铬白口铸铁成分以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，确定它们的配比关系，并进行配料，熔化，浇注，热处理，得到硬度在HRC 65-68，冲击韧性为5.0-6.5J/cm²的过共晶高铬白铸铁材料。

Description

一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨白口铸铁及其制备方法，特别是一种过共晶高铬白口铸铁及其制备方法，该铸铁适用于制备输送具有冲蚀磨损浆料的渣浆泵、抽黄泵的过流件(如叶轮、护板和壳体等)。

背景技术

高铬白口铸铁是一类应用非常广泛的重要耐磨材料，由于其组织中大量存在的高硬度M₇C₃型碳化物而具有优良的耐磨性，同时该碳化物形貌呈杆状分布而较其它白口铸铁的韧性有所改善。高铬白口铸铁中的铬元素不仅可有效提高材料在浆料中的腐蚀抗力，同时大量存在的含铬的硬质相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。因此广泛用于冶金、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(如叶轮、护套和护板等)。

在高铬白口铸铁中，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，但碳化物数量提高到一定程度，将会出现粗大的初生碳化物，导致高铬白口铸铁的韧性急剧下降，从而使过共晶高铬白口铸铁失去使用价值。因而，目前用于这一类过流件的高铬白口铸铁为碳当量通常以不超过共晶点上限的亚共晶高铬白口铸铁，如我国耐磨材料国家标准中的KMTBCr26铸铁。

过共晶高铬白口铸铁的抗磨性优于工业上常用的亚共晶高铬白口铸铁，二者成本相当，所以过共晶高铬白口铸铁性价比高。但是由于过共晶白口高铬铸铁中存在大量粗大的硬脆相碳化物，使韧性显著降低，限制了其工业化应用。在保证过共晶高铬白口铸铁高硬度、高耐磨性的同时，若想提高其韧性，最有效地办法就是细化其中初生碳化物。可见，通过细化碳化物、改善其分布和形态，是提高过共晶高铬白口铸铁韧性的重要手段。为提高过共晶高铬白口铸铁的韧性，国内外研究人员进行了大量的实验。

发明专利CN1769508A公开了一种低成本高耐磨的过共晶高铬铸铁及其制备方法，其主要成分为C：3.5～4.5％，Mn：1.0～3.0％，Cr：17～30％，Si：0.5～1.5％，Cu：1.0～2.0％，P：≤0.06％，S：≤0.06％，Ni≤1％，余量为铁。其制备方法是采用二次孕育变质处理的方法细化初生碳化物，包内孕育剂的中间合金含有的TiN、NbN等颗粒作为促进初生碳化物形核的基体，增加初生碳化物的形核数量。稀土、镁和钾等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化。随流孕育剂的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物来不及长大，从而达到细化初生碳化物的目的。该发明通过预加含TiN、NbN等颗粒的中间合金在包内孕育，作为初生碳化物的异质形核基底。该发明中TiN、NbN等颗粒在铁水中易团聚，分布均匀性较差，使碳化物的形态和分布均匀性较差，导致铸件性能波动较大。此外，该发明需要加入价格较高的Cu、Ni合金元素，无疑会增加材料的生产成本。

发明专利CN101173340A公开了一种铸态高碳高铬铸铁及其制备方法。高碳高铬铸铁化学组成成分是(重量百分比)：4.5-5.5C，22.5-30.8Cr，3.0-5.0V，0.7-1.2Mn，0.2-0.5Nb，0.5-1.0Ti，0.08-0.20Mg，0.05-0.20Na，0.05-0.20RE，Si＜1.0，其余为Fe和不可避免的微量杂质。铸态高碳高铬铸铁在出炉时用钒铁颗粒孕育，并用稀土镁合金和钠盐进行复合变质处理，在200-280℃下进行去应力退火处理后可直接使用。该发明虽然不需要淬火处理，能耗低，生产周期短，但是由于加入价格较贵的Nb、V合金元素是生产成本同样会增加。另外，稀土镁合金和钠盐进行复合变质处理效果不稳定，而且在高温下易燃烧和挥发，会造成环境污染。

专利WO8404760-A1和EP147422-A1公开了一种耐磨铸造过共晶高铬白口铸铁，其主要成分(Wt.％)为：C＞4.0；Cr25-45；Mn0-15；Mo0-10；Ni0-10；B0-2；Ti，V，W，Ta和Nb至少加入一种，每一种元素加入量＜5.0且Ti，V，W，Ta和Nb的总量小于15.0％。这种合金采用低温浇注，浇注温度不超过液相线温度100℃。获得的初生碳化物尺寸约为75μm。由于这种材质需要较低的浇注温度，在浇注薄壁、复杂件时成形困难，且加入价格较贵的Mo、Ni等元素，导致生产成本过高。专利WO2004/103608介绍了一种用消失模生产的过共晶高铬铸铁的方法，可用于生产渣浆泵、旋流器等破碎设备的部件。该方法中模具投资大，不适于单件或小批量铸件的生产；孕育剂的粒度较小，一般不超过100μm，其表面的氧化物等杂质相对较多，会污染铸件的组织，从而不利于其韧性提高。

R.J Llewellyn等人发表的论文《Scouring erosion resistance ofmetallic materials used in slurry pump service》介绍了一种用常规铸造生产的初生碳化物细化的过共晶高铬白口铸铁(5C-35％)的耐冲蚀磨损性能，但是该论文并没有给出细化初生碳化物晶粒的方法。

彭晓春等人发表的论文《加硼高铬铸铁》介绍了加入硼、钼合金元素对亚共晶高铬铸铁的性能的影响，结果表明在一定的热处理条件下，加入适量的硼、钼元素，使其淬透性、硬度和韧性明显提高。在该论文中由于还有钼元素的加入，使材料的成本提高；此外，论文并没有对过共晶高铬白口铸铁的性能进行研究。

张山纲等人发表《高碳高铬白口铸铁材料及其应用》的论文主要内容为：在低温浇注的条件下，通过在铁液中加入一种细化剂(没有提供细化剂的成分)和1％左右的0.2～0.3mm合金铁丸，虽然达到了使过共晶合金(4.0-6.0C-30.0～40.0％)中初生碳化物细化的效果，但是由于采用低温浇注的方法，使铸件易产生冷隔等缺陷，成品率较低，质量不稳定。另外由于加入了2-3％左右的钼，原材料成本增加，约为KMTBCr26成本的3倍以上。

本专利申请的发明人曾采用倾斜冷却体的方法细化过共晶高铬白口铸铁中的初生碳化物，虽然细化效果明显，但是由于该方法中铁液成形温度低于液相线温度，成形性较差，铸件中易产生缩孔、缩松等缺陷，从而限制了其韧性和耐磨性的提高，不利于工业化推广使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过共晶高铬白口铸铁及其制备方法，该过共晶高铬白口铸铁成本低、耐磨性高，能够适用于制备输送具有冲蚀磨损浆料的渣浆泵、抽黄泵的过流部件；而且其制备方法简单。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案予以实现：

一种过共晶高铬白口铸铁，其特征在于，它的重量百分比成分为：3.0-4.5C，15-35Cr，0.5-1.5Ti，0.5-2.5Mn，0.001-0.5B，0.5-1.5Si，P＜0.06、S＜0.06，其余为Fe。

上述过共晶高铬白口铸铁的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：根据上述过共晶高铬白口铸铁成分以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，确定它们的配比关系，并进行配料；

步骤二：将废钢、生铁混合，在酸性中频感应电炉中加热至1650℃熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬铁和锰铁再进一步熔清；并采用铝丝脱氧，然后将粒度小于15mm的硼铁块加入电炉中熔清，将铁水出炉倒入浇包中；

然后，将粒度小于10mm的钛铁块迅速放入电炉底部后，将浇包中的铁水再次倒入电炉中，待铁水熔清后静置1-2分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理；

当铁水温度为1350-1380℃时，将铁水倒入普通砂型浇注成形，即得过共晶高铬白口铸铁件；

步骤三：将过共晶高铬白口铸铁件放置在热处理炉进行热处理，具体为：

先淬火：热处理炉以小于300℃/小时缓慢升温至950-1000℃，保温2-3小时，然后在空气中冷却至室温；

最后回火：经淬火后的过共晶高铬白口铸铁件在热处理炉中250-300℃条件下，保温2-3小时后空冷，即可得到硬度在HRC 65-68，冲击韧性为5.0-6.5J/cm²的过共晶高铬白口铸铁材料。

本发明的过共晶高铬白口铸铁有如下特点：

(1)采用C：3.0-4.5％，Cr：15-35％的化学成分，加入价格较低的含量分别0.5-1.5和0.001-0.5的钛和硼元素，不加入高铬铸铁中常用的提高淬透性元素(如价格较高的钼和铜等)，成本较KMTBCr26低；

(2)在过共晶高铬白口铸铁中加入钛元素后，钛不仅与碳形成TiC颗粒，为初生碳化物形核提供异质形核的基底，导致碳化物形核数目增加，而且还可以阻碍碳化物的生长，最终使初生碳化物明显细化；

(3)在过共晶高铬白口铸铁中加入适量的强淬透性元素硼代替常用淬透性元素钼、铜等后，不仅保证淬透性能够明显提高，硬度明显增加，而且成本降低；

(4)铸造成型性好，能够铸造出合格的渣浆泵等过流部件。

附图说明

图1为未加入钛和硼合金元素后的过共晶高铬白口铸铁金相图；

图2为加入钛和硼合金元素后的过共晶高铬白口铸铁金相图；

由图1、图2对比可以看出，加入钛、硼合金元素后初生碳化物明显细化。

具体实施方式

首先，对本发明的原理和技术方案详细介绍如下。

合金材质的性能是由组织决定的，而化学成分和热处理工艺等均对材质的组织有着决定性的作用。

(1)化学成分确定

碳：高铬白口铸铁的耐磨性主要源自组织中存在高硬度的碳化物。碳化物体积百分数愈多，抗磨性愈好。化学成分中碳含量对碳化物体积百分数影响最大，碳、铬和碳化物体积百分数(K％)含量之间可按下面经验公式计算：

K％＝12.33％(C％)+0.55(Cr％)-15.2％

含碳量并非愈高愈好，因为碳化物体积百分数过多，会增加材质的脆性，综合考虑，将含碳量控制在3.0-4.5％。

铬：铬除部分形成碳化物，增加耐磨性外，其主要作用是溶于基体，增加基体的淬透性和抗腐蚀性。此外，当Cr/C＞5.0％时，铸铁中的碳化物为硬度较高的M₇C₃型，将铬含量控制在15-30％。

硅：硅是熔炼脱氧元素，加入适量的硅元素，可防止其它合金元素氧化。硅又是非碳化物形成元素，溶于基体中降低淬透性；此外，由于硅使共晶点左移，会使碳化物变的粗大，不利于韧性提高，综合考虑，将硅含量控制在0.5-1.5％。

锰：高铬白口铸铁中加入适量的锰，除了起脱氧和净化铁水作用外，还可以阻碍碳化物生长，使碳化物细化，但锰是扩大奥氏体区，稳定奥氏体元素，加入量过多，铸态基体中易形成较多的奥氏体，不利于提高高铬白口铸铁的耐磨性，合适的锰加入量为0.5-2.5％。

钛：钛是强化物形成元素，加入高铬白口铸铁液中易形成弥散分布的TiC颗粒，可作为初生M₇C₃型碳化物的异质形核基底，且阻碍碳化物的长大，从而使其细化，有利于提高过共晶高铬白口铸铁的韧性；当钛加入量过多时，不但碳化物进一步细化效果不明显，而且会使热处理后残余奥氏体增加，不利于提高过共晶高铬白口铸铁的耐磨性，综合考虑，合适的钛加入量为0.5-1.5％。

硼：硼是强淬透性元素，在高铬白口铸铁中加入适量的硼可以显著提高其淬透性，可替代价格较贵的淬透性元素钼、铜等。当硼加入量过多时，会在晶界析出网状脆性硼化物，反而不利于高铬白口铸铁韧性的提高。合适的硼加入量为0.001-0.5％。

不可避免的微量杂质是由炉料带入的，其中有P、S，均为有害元素，为了保证材料的韧性和耐磨性，将P、S含量均控制在0.06％以下。

因此最终确定的化学成分见表1所示。

表1过共晶高铬白口铸铁的化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Cr	Ti	B	S	P	Fe
									3.0-4.5	0.5-1.5	0.5-2.5	15-35	0.5-1.5	0.001-0.5	＜0.06	＜0.06	余量

(2)热处理工艺确定

本发明选用的热处理工艺是淬火(小于300℃/小时缓慢升温至950-1000℃，保温2-3小时；空气中冷却至室温)，然后回火(250-300℃，保温2-3小时，空气中冷却至室温)。热处理后的金相组织为：初生碳化物+共晶碳化物+马氏体+残余奥氏体。保证材料最终硬度在65HRC以上，冲击韧性值在5J/cm²以上，综合性能优良。

其次，对本发明的具体实施例具体说明如下。

实施例(一)

(1)根据本发明的原理和技术方案，确定其化学成分如表2所示。

表2过共晶高铬白口铸铁的化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Cr	Ti	B	S	P	Fe
									4.21	1.05	0.78	25.0	0.95	0.48	0.03	0.04	余量

(2)根据表2，以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，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、生铁混合，在酸性中频感应电炉中加热至1650℃熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬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10-15mm的硼铁块加入电炉中熔清后，将铁水出炉倒入浇包中；将粒度约为5-10mm的钛铁块迅速放入电炉底部后，将浇包中的铁水再次倒入电炉中，待铁水熔清后静置1分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理；当铁水温度为1365℃时，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成渣浆泵叶轮、壳体，即得过共晶高铬白口铸铁件。

(4)将过共晶高铬白口铸铁件进行热处理，具体工艺步骤及参数为：

A.淬火：热处理炉以200℃/小时升温至980℃，保温3小时，然后在空气中冷却至室温；

B.回火：经淬火后的过共晶高铬白口铸铁件在热处理炉中250℃条件下，保温3小时后空冷；

(5)取同炉浇注和同炉热处理的20mm×20mm×110mm无缺口的三个试样测试冲击韧性，最后取平均值，在铸铁材料实体上切取20mm×20mm×20mm的一个块体测试三次宏观硬度，最后取三个数据的平均值，其硬度和冲击韧性值见表3所示。

表3过共晶高铬白口铸铁的硬度和冲击韧性

实施例(二)

(1)根据本发明的原理和技术方案，确定其化学成分如表4所示。

表4过共晶高铬白口铸铁化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Cr	Ti	B	S	P	Fe
									4.01	0.56	0.63	17	1.21	0.005	0.04	0.04	余量

(2)根据表4，以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为500公斤配料。

(3)将普通废钢、生铁混合，在酸性中频感应电炉中加热至1650℃熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬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10-15mm硼铁块加入电炉中熔清后，将铁水出炉倒入浇包中；将粒度约为5-10mm钛铁块迅速放入电炉底部后，将浇包中的铁水再次倒入电炉中，待铁水熔清后静置2分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，然后进行除渣处理；当铁水温度为1372℃时，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成渣浆泵叶轮、壳体和护板；浇注12小时后开箱空冷，清理浇冒口，飞边和毛刺；即得过共晶高铬白口铸铁件。

(4)将过共晶高铬白口铸铁件进行热处理，具体工艺步骤及参数为：

A.淬火：热处理炉以280℃/小时缓慢升温至950℃，保温3小时，然后在空气中冷却至室温；

B.回火：经淬火后的过共晶高铬白口铸铁在炉中280℃条件下，保温3小时后空冷；

(5)取同炉浇注和同炉热处理的20mm×20mm×110mm无缺口的三个试样测试冲击韧性，最后取平均值，在铸铁材料实体上切取20mm×20mm×20mm的一个块体测试三次宏观硬度，最后取三个数据的平均值，其硬度和冲击韧性值见表5所示。

表5过共晶高铬白口铸铁的硬度和冲击韧性

实施例(三)

(1)根据本发明的原理和技术方案，确定其化学成分如表6所示。

表6过共晶高铬白口铸铁化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Cr	Ti	B	S	P	Fe
									3.03	1.48	2.47	34.7	1.44	0.49	0.03	0.03	余量

(2)根据表2，以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为200公斤配料。

(3)将废钢、生铁混合，在酸性中频感应电炉中加热至1650℃熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬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10-15mm的硼铁块加入电炉中熔清后，将铁水出炉倒入浇包中；将粒度约为5-10mm的钛铁块迅速放入电炉底部后，将浇包中的铁水再次倒入炉中，待铁水熔清后静置1分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理；当铁水温度为1365℃时，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成渣浆泵叶轮、壳体，即得过共晶高铬白口铸铁件。

(4)将过共晶高铬白口铸铁件进行热处理，具体工艺步骤及参数为：

A.淬火：热处理炉以150℃/小时升温至980℃，保温3小时，然后在空气中冷却至室温；

B.回火：经淬火后的过共晶高铬白口铸铁件在热处理炉中300℃条件下，保温3小时后空冷；

(5)取同炉浇注和同炉热处理的20mm×20mm×110mm无缺口的三个试样测试冲击韧性，最后取平均值，在铸铁材料实体上切取20mm×20mm×20mm的一个块体测试三次宏观硬度，最后取三个数据的平均值，其硬度和冲击韧性值见表7所示。

表7过共晶高铬白口铸铁的硬度和冲击韧性

实施例(四)

(1)根据本发明的原理和技术方案，确定其化学成分如表8所示。

表8过共晶高铬白口铸铁化学成分(wt.％)

C	Si	Mn	Cr	Ti	B	S	P	Fe
									3.50	0.51	0.55	15.4	0.53	0.002	0.04	0.04	余量

(2)根据表4，以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，确定它们的配比关系，并提供总重量为500公斤配料。

(3)将普通废钢、生铁混合，在酸性中频感应电炉中加热至1650℃熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬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10-15mm硼铁块加入电炉中熔清后，将铁水出炉倒入浇包中；将粒度约为5-10mm钛铁块迅速放入电炉底部后，将浇包中的铁水再次倒入炉中，待铁水熔清后静置2分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，然后进行除渣处理；当铁水温度为1372℃时，将铁水倒入水玻璃砂型铸造成渣浆泵叶轮、壳体和护板；浇注12小时后开箱空冷，清理浇冒口，飞边和毛刺；即得过共晶高铬白口铸铁件。

(4)将过共晶高铬白口铸铁件进行热处理，具体工艺步骤及参数为：

A.淬火：热处理炉以180℃/小时缓慢升温至1000℃，保温3小时，然后在空气中冷却至室温；

B.回火：经淬火后的过共晶高铬白口铸铁在炉中280℃条件下，保温3小时后空冷；

(5)取同炉浇注和同炉热处理的20mm×20mm×110mm无缺口的三个试样测试冲击韧性，最后取平均值，在铸铁材料实体上切取20mm×20mm×20mm的一个块体测试三次宏观硬度，最后取三个数据的平均值，其硬度和冲击韧性值见表9所示。

表9过共晶高铬白口铸铁的硬度和冲击韧性

最后，发明人在实践中，按照实施例中的过共晶高铬白口铸铁制备工艺生产渣浆泵过流件叶轮、壳体和护板，对其进行质量和出品率检查，结果发现废品率小于10％，工艺出品率在65％左右，与亚共晶高铬白口铸铁KMTBCr26相当；此外，将上述实施例中制备的过共晶高铬白口铸铁过流部件在某铁矿选厂进行试运行，发现其使用寿命较Cr15Mo2亚共晶高铬白口铸铁提高1-2倍以上。进一步说明本发明中的过共晶高铬白口铸铁生产成本低，工艺简单、铸造性能好，硬度高，韧性好，具有优良的耐磨性。

Claims (1)

1.一种过共晶高铬白口铸铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据过共晶高铬白口铸铁的重量百分比成分为：3.0-4.5C，15-35Cr，0.5-1.5Ti，0.5-2.5Mn，0.001-0.5B，0.5-1.5Si，P＜0.06、S＜0.06，其余为Fe，以及废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的成分，确定废钢、生铁、高碳铬铁、锰铁、硼铁和钛铁的配比关系，并进行配料；

步骤二：将废钢、生铁混合，在酸性中频感应电炉中加热至1650℃熔化，待铁水熔清后，依次加入高碳铬铁和锰铁再进一步熔清；并采用铝丝脱氧，然后将粒度小于15mm的硼铁块加入电炉中熔清，将铁水出炉倒入浇包中；

然后，将粒度小于10mm的钛铁块迅速放入电炉底部后，将浇包中的铁水再次倒入电炉中，待铁水熔清后静置1-2分钟，在铁水液面除渣后，将铁水迅速出炉倒入浇包，进行除渣处理；

当铁水温度为1350-1380℃时，将铁水倒入普通砂型浇注成形，即得过共晶高铬白口铸铁件；

步骤三：将过共晶高铬白口铸铁件放置在热处理炉进行热处理，具体为：

先淬火：热处理炉以小于300℃/小时缓慢升温至950-1000℃，保温2-3小时，然后在空气中冷却至室温；

最后回火：经淬火后的过共晶高铬白口铸铁件在热处理炉中250-300℃条件下，保温2-3小时后空冷，即可得到硬度在HRC 65-68，冲击韧性为5.0-6.5J/cm²的过共晶高铬白口铸铁材料。

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