专利名称：高钒高耐磨合金及其制备方法
技术领域：
本发明属金属材料领域，涉及一种适用于高应力强磨粒磨损工况条件下的高钒耐磨合金，以及该合金的制备方法。
本发明主要是以高硬度、呈弥散颗粒状分布的碳化物VC替代低硬度M7C3型碳化物，在提高材料耐磨性的同时大幅度提高冲击韧性。其耐磨性是高铬白口铸铁的三倍，冲击韧性是其两倍，且该合金的制备工艺易于控制掌握。本发明高钒高耐磨合金的化学成分(重量百分数)如下C2.0～3.2％ Si1.0～1.5％Cr7.0～15.0％ Mn0.8～1.2％V8.0～16.0％ Mo0.8～1.5％其余是Fe和不可避免的杂质元素。
上述高钒高耐磨合金的化学成分中还可加入以下化学成分(重量百分数)Re0.03~0.05％ Ti0～0.5％
上述发明的优化方案是其中的S≤0.05％ P≤0.07％本发明高钒高耐磨合金材料用电炉即可生产，其制造工艺步骤是将生铁、废钢、铬铁、钼铁放入熔炼炉内加热熔化，将钒铁放在加热炉内预热至500℃左右；将熔炼炉内铁水升温至1500℃左右，插铝充分脱氧后分批加入钒铁。硅铁、锰铁出炉前5min内加入，稀土、钛铁采用包内冲入法加入；温度升至1490～1520℃时再次插铝脱氧后出炉；浇注温度1400～1420℃。
上述工艺的优化方案是增加以下步骤；将铸件中温回火处理即可。
本发明高钒高耐磨合金材质的化学成分设计依据如下研究表明钒是一种极强烈的碳化物形成元素，所形成的VC碳化物硬度(Hv2800)远比Cr7C3型碳化物硬度(Hv1200～1800)高。在含铬铸铁中，少量的钒(＜0.5％)就具有细化共晶组织，改变共晶碳化物分布及形貌，产生弥散强化等作用。在铸态冷却条件下，它即能使奥氏体析出二次碳化物，降低碳与铬的含量，提高Ms点的温度，从而有利于马氏体的转变，提高材料抗磨损能力。当钒含量增至3.7％时出现白亮的高钒碳化物颗粒，基体弥散析出二次碳化物，明显降低了奥氏体的稳定性，使部分基体转变成马氏体。当钒含量超过4.0％时，高钒碳化物颗粒及弥散的二次碳化物数量明显增加，基体基本转变成马氏体。由于VC碳化物硬度极高，且呈弥散颗粒状分布，对基体的割裂作用很小，因而高钒耐磨合金的耐磨性、耐冲击性都远高于高铬白口铸铁。本发明高钒高耐磨合金材质的化学成分限定含量范围理由如下钒含量在8.0％以上。含量过低，所析出的碳化物VC量少，材料的性能仍会以Cr7C3型碳化物特性为主，只有当碳化物VC的量达10％以上时，其作用才会非常显著。考虑综合成本其最高含量不超过16.0％；碳碳对材料的耐磨性和冲击韧性有重要影响。碳高则硬度高，耐磨性好，但冲击韧性低。兼顾考虑碳量控制在3.2％以下；铬为保证材质具有优异的耐磨性，其碳化物含量应处于合适的范围，一般体分比控制在20～30％。铬作为辅助强化元素与碳也有很强的结合力，所形成的Cr7C3型碳化物具有较好的耐磨性，且呈断续状分布。铬的含量与碳含量有关，即Cr/C值。考虑材质碳化物总含量范围，铬含量控制在15.0％以下，Cr/C值控制在3.5以上；钼可以提高材料耐磨性和机械性能，因为钼在铸铁中可生成难溶的细小分散的碳化物Mo2C，它包含在碳化物中，有显著抑制珠光体转变和提高淬透性作用。但含量过高会使脆性碳化物量增加，提高材料成本，故其含量控制在1.5％以下；硅硅可产生固溶强化作用，促进Cr7C3型碳化物的生成，增加碳化物硬度，提高材料耐磨性。同时硅与氧的亲和力强，有利于铁水脱氧除气，并改善材料的铸造工艺性，但过高的含硅量将增加材质的脆性。因而其最高含量控制在1.5％以内；锰主要起脱氧除气作用，含量过高会产生大量残余奥氏体，不利于材料耐磨性提高，应控制在1.2％以下。
稀土(Re)稀土能细化晶粒、净化晶界、改善碳化物形态和分布，促使碳化物呈孤立状均匀分布，对韧性、抗弯强度、硬度的提高均有益处。当加入量少时效果不明显，加入量过多反而恶化性能。合适的稀土的残留量为0.03～0.05％。
钛(Ti)钛能细化晶粒、提高晶粒粗化温度。钛与碳有很强的亲和力，可形成呈高度弥散分布的TiC硬质化合物，增加晶核数量、细化晶粒，在提高耐磨性同时，显著提高材质强韧性。在钒含量很高的情况下，增加钛含量的效果并不显著，反而增加材料成本，故其含量在0.5％以内即可。
本发明高钒高耐磨合金与现有技术(KmTBCr20Mo、CN1039267A)相比较，降低了M7C3型碳化物含量，改善了其分布形态，同时大量增加了硬度高、呈弥散颗粒状分布的碳化物VC，因而本发明合金耐磨性、冲击韧性十分优异。其耐磨性是高铬白口铸铁(KmTBCr20Mo)的三倍以上，冲击韧性是其两倍，性能价格比提高50％以上。同时本发明还具有热处理温度低，工艺简便，节省能源消耗的特点，是一种适用范围更为广泛、高性能新型耐磨材料。
实施例2、实施例3与实施例1基本相同，三个实施例的化学成分见表1，机械性能和耐磨性能见表2。磨损试验是在ML-10型销盘式磨损试验机上进行，载荷1300g，磨料为150#Al2O3水砂纸，磨损时间30min。装机考核结果见表三。本发明合金与高铬白口铸铁的金相组织见
图1和图2。表一 化学成分
表二 机械性能及耐磨性
表三 装机考核结果
实施例4，与实施例1基本相同，但组分比例如下C2.0％ Si1.0％Cr7.0％ Mn0.8％V8.0％ S≤0.05％Mo0.8％ P≤0.07％其余是Fe和不可避免的杂质元素。实施例5，与实施例1基本相同，但组分比例如下C3.2％ Si1.5％Cr15.0％Mn1.2％V16.0％ S≤0.05％Mo1.5％ P≤0.07％其余是Fe和不可避免的杂质元素。实施例6，与实施例1基本相同，但组分中还有Re0.04％Ti0.25％实施例7，与实施例1基本相同，但组分比例如下C2.5％ Si1.3％Cr10.0％Mn1.0％V13.0％ S≤0.05％Mo1.5％ P≤0.07％Re0.04％Ti0.25％其余是Fe和不可避免的杂质元素。实施例8，与实施例1基本相同，但组分比例如下C2.7％ Si1.0％Cr11.0％Mn1.0％V12.0％ S≤0.05％Mo1.2％ P≤0.07％Re0.035％ Ti0.30％其余是Fe和不可避免的杂质元素。
权利要求
1.一种高钒高耐磨合金，其特征是高钒高耐磨合金的化学成分的重量百分数是C2.0～3.2％ Si1.0～1.5％Cr7.0～15.0％ Mn0.8～1.2％V8.0～16.0％ Mo0.8～1.5％其余是Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述高钒高耐磨合金，其特征在于上述合金化学成分中还加入下列化学成分Re0.03~0.05％ Ti0～0.5％。
3.根据权利要求1所述高钒高耐磨合金，其特征在于各组分的推荐比例为C2.86％ Si1.20％Cr11.50％ Mn0.98％V11.60％ Mo0.98％。
4.根据权利要求2所述高钒高耐磨合金，其特征在于各组分的推荐比例为C2.75％ Si1.24％Cr9.50％ Mn1.20％V11.20％ Mo1.00％Ti0.12％ Re0.04％。
5.根据权利要求2所述高钒高耐磨合金，其特征在于各组分的推荐比例为C2.92％ Si1.18％Cr11.80％ Mn1.01％V12.50％ Mo0.92％Ti0.13％ Re0.038％。
6.根据权利要求1~5之一所述的高钒高耐磨合金，其特征在于其中S≤0.05％、P≤0.07％。
7.一种权利要求1~6之一所述高钒高耐磨合金的制备方法，其工艺步骤是将生铁、废钢、铬铁、钼铁放入熔炼炉内加热熔化，将钒铁放在加热炉内预热至500℃左右将熔炼炉内铁水升温至1500℃左右，插铝充分脱氧后分批加入钒铁，硅铁、锰铁出炉前5min内加入，稀土、钛铁采用包内冲入法加入温度升至1490～1520℃时再次插铝脱氧后出炉浇注温度1400～1420℃。
8.按照权利要求7所述的高钒高耐磨合金的制备方法，其特征是还设有以下步骤铸件冷却后，打掉浇冒口，清理飞边、毛刺将铸件升温至500～550℃回火处理。
全文摘要
高钒高耐磨合金,成分重量百分数是:C:2.0～3.2;Si:1.0～1.5;Cr:7.0～12.0;Mn:0.8～1.2;V:8.0～15.0;S:≤0.05;Mo:0.8～1.5;P:≤0.07;其余是Fe和杂质。优化方案可加入:Re:0.03～0.05;Ti:0～0.5。制备方法是:将生铁、废钢、铬铁、钼铁放入熔炼炉内加热熔化,将钒铁放在加热炉内预热至500℃左右;将熔炼炉内铁水升温至1500℃左右,插铝充分脱氧后分批加入钒铁。硅铁、锰铁出炉前加入,稀土、钛铁采用包内冲入法加入;升至1490～1520℃时再次插铝脱氧后出炉;浇注温度1400～1420℃;升温至500～550℃回火。
文档编号C22C38/36GK1380436SQ0211306
公开日2002年11月20日 申请日期2002年5月28日 优先权日2002年5月28日
发明者宋润泽, 卢建波, 丁丽, 李根金, 刘怀钧, 谢平, 王天有 申请人:江苏省机电研究所有限公司