本发明属于不锈钢
技术领域：
，特别涉及一种高碳高钒耐磨蚀铁素体不锈钢铸造合金材料，该合金适合制造在强烈腐蚀、强烈磨损的苛刻工况下使用的零件。
背景技术：
：适合制造在强烈腐蚀、强烈磨损的苛刻工况下使用零件的合金材料为铁素体不锈钢和奥氏体型不锈钢。奥氏体型不锈钢虽然具有优异的耐蚀性能，但抗应力腐蚀性能差。为克服奥氏体型不锈钢抗应力腐蚀性能差的缺点，发展了双相（奥氏体+铁素体）不锈钢。无论是奥氏体不锈钢还是双相不锈钢，由于其含碳量均很低，所以，耐磨性不高，同时由于这两种钢均含有较高的Ni，成本较高。铁素体不锈钢分为两大类：低碳或超低碳铁素体不锈钢和高碳铁素体不锈钢；在不锈钢中，Cr是提高耐蚀性的主要添加元素，而C则降低耐蚀性，为了降低C对耐蚀性的不利影响，形成了超低碳不锈钢，并通过加入一定量的Ti、Nb、Mo、V等强碳化物形成元素与C结合形成碳化物而避免与Cr形成碳化物，保证了这类钢在具有优异耐蚀性的同时，还具有一定的韧性和加工性能，主要通过热轧制成板材应用于各个领域；这类不锈钢的缺点之一是硬度低、耐磨性差，不易在对耐磨性要求高的场合使用。为了提高铁素体不锈钢的耐磨性，需要提高C的质量分数，使C与Cr或其他碳化物形成元素形成较多的碳化物提高硬度和耐磨性，形成了中碳或高碳铁素体不锈钢；C与Cr形成Cr23C6或Cr7C3碳化物，而这两类碳化物中C与Cr的质量比分别为1:16.61和1:10.11，这意味着，如果有1%的C与Cr形成碳化物，将消耗10%~16%的Cr，当然，在Cr23C6或Cr7C3碳化物中可能还有一定量的Fe、Mo等原子取代Cr原子，实际消耗的Cr要少一些，即便如此，Cr的消耗也是显著的。当碳与Cr形成碳化物后，耐磨性显著提高，但耐蚀性显著降低；耐蚀性显著降低的原因可归结为三个方面：（1）Cr23C6或Cr7C3碳化物在电化学腐蚀机理中属于阴极，因碳化物数量增加使阴极面积增加降低了耐蚀性；（2）Cr23C6或Cr7C3碳化物的形成降低基体铁素体（阳极）中Cr的质量分数，降低了电极电位，加速了基体的腐蚀；（3）在Cr23C6或Cr7C3碳化物的周围形成贫Cr区，使基体形成了贫Cr区和富Cr区，对贫Cr区而言，富Cr区和Cr23C6或Cr7C3都是阴极，出现了小阳极（贫Cr区）和大阴极（富Cr区和Cr23C6或Cr7C3）情况，使Cr23C6或Cr7C3周围的腐蚀速度更快，而Cr23C6优先沿铁素体晶界析出，造成晶界腐蚀或碳化物与基体之间的相间腐蚀或点蚀，碳化物容易脱落，这不仅使耐蚀性降低也使耐磨性降低。综上所述，简单提高C的质量分数，或再提高Cr的质量分数，其抗磨蚀的效果提高的不多。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种高碳高钒耐磨蚀铁素体不锈钢铸造合金材料，使其具有较高的耐蚀性和较高的耐磨性，并具有较低的成本，用于制造在强烈腐蚀和磨损工况下工作的料浆（泥浆）泵或阀等耐磨蚀件，提高其使用寿命。本发明为完成上述目的采用如下技术方案：一种高碳高钒耐磨蚀铁素体不锈钢铸造合金材料，所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：19%～32%、C：0.4%～1.6%、V：1.8%～8.8%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%，且满足V=(4.5～5.5)C，其余为Fe和不可避免的杂质。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：19%～21%、C：0.45%～0.55%、V：2.2%～2.8%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：19%～21%、C：0.95%～1.05%、V：4.7%～5.3%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：19%～21%、C：1.45%～1.55%、V：7.7%～8.3%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：24%～26%、C：0.45%～0.55%、V：2.2%～2.8%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：24%～26%、C：0.95%～1.05%、V：4.7%～5.3%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：24%～26%、C：1.45%～1.55%、V：7.7%～8.3%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：29%～31%、C：0.45%～0.55%、V：2.2%～2.8%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：29%～31%、C：0.95%～1.05%、V：4.7%～5.3%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。所述铁素体不锈钢铸造合金材料的化学成分及质量百分比为：Cr：29%～31%、C：1.45%～1.55%、V：7.7%～8.3%、Mo：≤2.0%、Si：0.4%～1.2%、Mn：≤1.0%、S：≤0.04%、P：≤0.04%、Ni：≤0.5%、Re：≤0.1%。控制Mn和Ni等扩大γ相区的合金元素含量，避免形成奥氏体或马氏体组织。本发明中上述化学成分中各元素的控制理由如下：Cr：Cr的作用包括：（1）形成单一铁素体基体，避免出现奥氏体或马氏体；（2）提高耐蚀性，Cr在介质作用下形成钝化膜，提高铁素体的电极电位，从而提高其耐蚀性；（3）固溶强化，提高铁素体基体的硬度、强度和耐磨性；随着Cr的质量分数提高，耐蚀性能提高，但同时成本也提高，因此，本发明合金中Cr含量最低控制在19%～21%，在强腐蚀介质中将Cr控制在24%～26%或29%～31%，即形成Cr20、Cr25、Cr30三个含量等级，根据介质的腐蚀性的强弱程度进行选择。C与Cr形成Cr23C6或Cr7C3碳化物，而这两类碳化物中C与Cr的质量比分别为1:16.61和1:10.11，这意味着，如果加入1%的C与Cr形成碳化物，将消耗10%～16%的Cr，当然，在Cr23C6或Cr7C3碳化物中可能还有少量的Fe、Mo等原子取代Cr原子，实际消耗的Cr要少一些，即便如此，Cr的消耗也是显著的；当碳与Cr形成碳化物后，耐磨性显著提高，但耐蚀性显著降低；耐蚀性显著降低的原因可归结为三个方面：（1）Cr23C6或Cr7C3碳化物在电化学腐蚀机理中属于阴极，因碳化物数量增加使阴极面积增加降低了耐蚀性；（2）Cr23C6或Cr7C3碳化物的形成降低基体铁素体（阳极）中Cr的质量分数，降低了电极电位，加速了基体的腐蚀速度；（3）在Cr23C6或Cr7C3碳化物的周围形成贫Cr区，使基体形成了贫Cr区和富Cr区，对贫Cr区而言，富Cr区和Cr23C6或Cr7C3都是阴极，出现了小阳极（贫Cr区）和大阴极（富Cr区和Cr23C6或Cr7C3）情况，使Cr23C6或Cr7C3周围的腐蚀速度更快，而Cr23C6优先沿铁素体晶界析出，造成晶界腐蚀或碳化物与基体之间的相间腐蚀或点蚀，造成碳化物脱落，不仅使耐蚀性降低也使耐磨性降低；为了避免Cr与C形成碳化物降低其耐磨蚀性能，加入一定量的比Cr与C的亲和力更大的合金元素，这些合金元素主要包括W、Mo、V、Ti、Nb、Zr。从铸造工艺角度考虑，Ti、Nb、Zr的加入量受到限制，主要用于低碳或超低碳不锈钢中；而W、Mo的消耗量很大，如形成W2C、Mo2C，其质量比分别是1%C:30.67%W和1%C:15.83%Mo，其成本显著提高；V是最佳选择，原因是：（1）V与C结合形成VC，而VC的硬度和耐磨性仅次于金刚石，是所有碳化物中最高的；（2）除TiC外，VC具有最小的质量比1%C:4.25%V，V的用量小，成本低；（3）V具有良好的铸造性能，在钢中V的加入量可以达到10%之多。C和V：C是扩大γ相区的元素，促进形成奥氏体和马氏体，加入量不能过高；V是扩大α相区的合金元素，有利于形成单一铁素体基体。C和V结合形成VC，其质量比为1:4.25，所以，本发明合金中加入的V是C的4.5～5.5倍，适当过量的V避免形成Cr的碳化物，过高的V将使成本提高。VC对耐蚀性也是不利的，因为VC在电化学腐蚀过程中属于阴极，增加腐蚀速度。在相同体积分数情况下，碳化物颗粒越小，表面积越大，耐蚀性能越差，所以，不希望VC颗粒太小；另外，颗粒小，容易形成共格或半共格界面，界面能大，界面腐蚀速度快，在液体和磨料的冲蚀作用下VC颗粒容易脱落；而含碳量越小，形成的VC颗粒越小，所以本发明合金的碳的质量分数为0.4%～1.6%，VC的质量分数2.1%～8.4%，体积分数约为2.8%～11.1%。过多的VC不仅降低耐蚀性也使合金的塑性和韧性降低，成本提高。在磨损较小的场合选择C：0.47%～0.53%、V：2.3%～2.7%，在磨损较大的场合选择C：0.95%～1.05%、V：4.7%～5.3%或C：1.45%～1.55%、V：7.7%～8.3%，结合Cr的选择，即形成5Cr20V2.5、5Cr25V2.5、5Cr30V2.5、Cr20V5、Cr25V5、Cr30V5和Cr20V8、Cr25V8、Cr30V8的合金系列，在腐蚀和磨损都比较弱的工况下选择5Cr20V2.5（成本最低），而腐蚀和磨损都比较强的工况下选择Cr30V5或Cr30V8（成本最高），强腐蚀、磨损小的工况选择5Cr30V2.5，而弱腐蚀、强磨损的工况选择Cr20V5或Cr20V8，这样兼顾了成本和使用性能两方面的因素。Mo：Mo与V的作用相似，也是扩大α相区的合金元素，有利于形成单一铁素体基体。Mo与C结合形成Mo2C，C与Mo的质量比为1:15.83，Mo的用量大，成本高，Mo固溶在铁素体基体中，基体的耐蚀性提高，但从成本考虑，提高Cr含量更经济，本发明将其控制在2%以内。Si：Si是扩大α相区的合金元素，有利于铁素体的形成，也是非碳化物形成元素，在熔炼过程中用于脱氧，同时具有较强的固溶强化作用，提高铁素体的强度、硬度和耐磨性，本发明将其控制在0.4%～1.2%。Mn、Ni：这两个元素都是扩大γ相区的元素含量，促进形成奥氏体和马氏体，对形成单一铁素体不利；Ni是非碳化物形成元素，固溶在铁在素体基体基体中对性能是有利的，但显著增加成本，因此Ni的含量限制在0.5%以内；Mn是弱碳化物形成元素，有利于脱氧、脱硫，能提高强度和塑性、韧性，本发明将其控制在1%以内。S、P：是两个有害元素，降低塑性、韧性和耐蚀性，应严格控制，本发明将其控制在S：≤0.04%、P：≤0.04%。Re：稀土有较强的脱气去硫及消除有害杂质的作用，合金中加人稀土，可减轻因熔炼过程脱氧净化不良形成的气孔和夹渣缺陷，减轻碳化物聚集，细化晶粒，提高铸钢的韧度，本发明将其控制在0.1%以内。本发明提出的一种高碳高钒耐磨蚀铁素体不锈钢铸造合金材料，在铁素体不锈钢铸造合金材料加入较高含量的碳与钒，提高了铁素体不锈钢铸造合金材料的耐蚀性和耐磨性；具有较低的成本，用于制造在强烈腐蚀和磨损工况下工作的料浆（泥浆）泵或阀等耐磨蚀件，提高了耐磨蚀件的使用寿命。附图说明图1是实施例中Cr30V8的退火态组织（中间为显微硬度压痕）。具体实施方式结合附图和具体实施例对本发明加以说明：表1给出本发明实施例1-27中钢的成分与对比例1-2中钢的成分。表1实施例和对比材料化学成分/wt%CCrVMoSiMnNiSPReFe实施例15Cr20V2.50.46192.210.220.850.55-0.0250.0350.07余量实施例25Cr20V2.50.51202.420.120.750.45-0.0210.0350.05余量实施例35Cr20V2.50.54212.780.320.650.49-0.0200.0240.08余量实施例4Cr20V50.96194．750.320.750.55-0.0210.0350.09余量实施例5Cr20V51.02204.890.330.910.36-0.0310.0290.03余量实施例6Cr20V51.04215．280.430.540.59-0.0330.0310.08余量实施例7Cr20V81.46197.730.960.730.37-0.0260.0330.07余量实施例8Cr20V81.48207.921.480.570.45-0.0280.0340.08余量实施例9Cr20V81.55218.280.250.850.65-0.0250.0350.07余量实施例105Cr25V2.50.45242.220.100.540.35-0.0300.0310.08余量实施例115Cr25V2.50.49252.380.090.640.38-0.0320.0290.08余量实施例125Cr25V2.50.54262.780.1020.670.48-0.0350.0290.07余量实施例13Cr25V50.96244.720.190.650.38-0.0320.0300.09余量实施例14Cr25V50.98254.920.520.460.43-0.0270.0340.06余量实施例15Cr25V51.04265.290.290.650.39-0.0310.0290.09余量实施例16Cr25V81.46247.721.160.730.47-0.0270.0330.07余量实施例17Cr25V81.48258.041.520.610.56-0.0310.0290.08余量实施例18Cr25V81.54268.300.960.830.57-0.0290.0330.07余量实施例195Cr30V2.50.46292.230.100.540.35-0.0300.0310.08余量实施例205Cr30V2.50.52302.510.850.780.41-0.0280.0280.05余量实施例215Cr30V2.50.55312.780.500.550.45-0.0320.0300.05余量实施例22Cr30V50.95294.710.480.670.48-0.0280.0310.08余量实施例23Cr30V51.01304.870.960.730.37-0.0260.0330.07余量实施例24Cr30V51.05315.280.590.630.48-0.0290.0310.09余量实施例25Cr30V81.46297.711.060.710.47-0.0270.0330.07余量实施例26Cr30V81.51308.121.230.520.59-0.0330.0310.09余量实施例27Cr30V81.54318.300.960.810.57-0.0290.0330.08余量对比例1Cr30Mo21.0831.2-2.121.140.610.210.0250.0210.03Ti余量对比例2Cr26Ni5N0.03225.8-1.850.830.925.430.0240.0310.31N余量将实施例1-27以及对比例1、2分别放置在中频感应电炉中熔炼；炉料采用45钢、纯金属铬、铬铁、钒铁、钼铁、硅铁、锰铁、及混合稀土；加料顺序依次为45钢、纯金属铬、铬铁、钼铁，在高温用硅铁、锰铁脱氧,脱氧良好出炉前加入钒铁、混合稀土；熔炼温度为1600一1650℃,浇铸温度为1530-1560℃；铸件冷却后加热到800℃保温4h退火。退火后线切割成20mm×40mm片状试样进行腐蚀实验，实验条件为：温度：85℃，时间：72h，用三种腐蚀介质进行腐蚀实验，介质1是从某生产锌的企业用硫酸配制的浸出液料浆，经沉淀后取清液，介质2是在介质1基础上再加2.5%盐酸，介质3是在介质1基础上再加5%盐酸，腐蚀实验结果如表2所示。表2实施例和对比材料的腐蚀实验结果/mg•cm-2•h-1介质1介质2介质3实施例15Cr20V2.50.002410.01050.0211实施例25Cr20V2.50.002430.01090.0201实施例35Cr20V2.50.002470.01120.0207实施例4Cr20V50.002510.01210.0213实施例5Cr20V50.002620.01280.0234实施例6Cr20V50.002580.01330.0236实施例7Cr20V80.002710.01420.0251实施例8Cr20V80.002830.01540.0258实施例9Cr20V80.002790.01480.0253实施例105Cr25V2.50.001120.00810.0162实施例115Cr25V2.50.001040.00780.0159实施例125Cr25V2.50.001110.00830.0163实施例13Cr25V50.001160.00910.0181实施例14Cr25V50.001210.00830.0171实施例15Cr25V50.001190.00880.0179实施例16Cr25V80.001470.00990.0235实施例17Cr25V80.001530.01150.0246实施例18Cr25V80.001490.01090.0241实施例195Cr30V2.50.000290.00490.0132实施例205Cr30V2.50.000210.00520.0125实施例215Cr30V2.50.000310.00470.0134实施例22Cr30V50.000480.00710.0151实施例23Cr30V50.000450.00680.0146实施例24Cr30V50.000510.00730.0148实施例25Cr30V80.000910.00890.0191实施例26Cr30V80.000820.00850.0184实施例27Cr30V80.000890.00910.0189对比例1Cr30Mo20.003050.3341.238对比例2Cr26Ni5N0.002610.0760.0238退火后线切割成10mm×30mm片状试样进行磨蚀实验，实验条件为：温度：25-85℃，时间：10h，线速度：22m/s，磨蚀角度（表面法线与运动方向的夹角）：45℃，介质1同静腐蚀用的介质1，介质2为浸出液料浆（未去除沉淀物），介质3是浸出液料浆+5%硫酸+3%SiC磨料；磨蚀实验结果如表3所示。表3实施例和对比材料的磨蚀实验结果/mg•cm-2•h-1介质1介质2介质3实施例15Cr20V2.50.004830.05120.3834实施例25Cr20V2.50.004720.05080.3738实施例35Cr20V2.50.004810.05090.3792实施例4Cr20V50.000690.04730.2312实施例5Cr20V50.000640.04530.2243实施例6Cr20V50.000710.04640.2354实施例7Cr20V80.004590.03040.1982实施例8Cr20V80.004520.01970.2019实施例9Cr20V80.004630.02110.2103实施例105Cr25V2.50.002190.02250.2809实施例115Cr25V2.50.002230.02140.2715实施例125Cr25V2.50.002310.02210.2786实施例13Cr25V50.02420.02230.2009实施例14Cr25V50.002350.02180.1907实施例15Cr25V50.02380.02240.1972实施例16Cr25V80.003200.1830.1578实施例17Cr25V80.003180.01760.1510实施例18Cr25V80.003240.01790.1602实施例195Cr30V2.50.000360.01720.2178实施例205Cr30V2.50.000390.01630.2106实施例215Cr30V2.50.000420.01610.2098实施例22Cr30V50.001150.01480.1604实施例23Cr30V50.001030.01450.1524实施例24Cr30V50.001020.01520.1513实施例25Cr30V80.001810.01120.0901实施例26Cr30V80.001730.01070.0819实施例27Cr30V80.001790.01210.0823对比例1Cr30Mo20.006180.06451.8752对比例2Cr26Ni5N0.005320.02740.6298当前第1页1 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