一种低碳高铬铸铁及其制备工艺的制作方法

本发明属于铸铁领域，涉及一种低碳高铬铸铁及其制备工艺。

背景技术：

高铬白口铸铁由基体和孤立分布的碳化物（（Cr,Fe）₇C₃）组成，具有较高的硬度和一定的韧性，在矿山、建筑、电力和化工等行业得到广泛的应用。为了充分挖掘高铬铸铁的性能，需通过一定的热处理操作改变其显微组织，从而得到不同的性能。

对高铬铸铁进行的热处理一般包括：一，奥氏体化后在空气中淬火，必要的话吹风冷却，然后再进行低温回火，获得马氏体基体，使硬度进一步提高，但韧性偏低。该方法由于加热温度高而造成淬火变形及生产成本增加，使其应用得到限制。二，奥氏体化后快速放入预定温度的等温淬火介质中保温，然后取出空冷至室温，获得下贝氏体和马氏体为主的基体，得到硬度和韧性的较好配合。但由于要采用盐浴等温淬火，使生产成本增加。

当高铬铸铁铸态组织大部分为奥氏体时，可采用亚临界处理工艺，可促使残余奥氏体进一步转变为马氏体，提高了材料的硬度，同时又具有良好的韧性。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中制造低碳高铬铸铁，需要的加热温度高、变形量大，生产成本过高的技术难题，提供了一种低碳高铬铸铁及其制备工艺。

为解决上述技术难题，采用以下技术方案：

一种低碳高铬铸铁，其化学成分的重量百分比为：C：1.9～2.3%、Cr：17~19%、Si：0.6～0.9%、Mn：0.9～1.1%、Mo：0.6~0.8%、Cu：0.8~1.0%、Ni：0.7~0.9%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe。

低碳高铬铸铁的制备工艺，所述制备工艺步骤如下：

（1）原料准备：按以下重量份称取50%废钢、20%回炉料、19.88%高碳铬铁、3.4%低碳铬铁、1.14%钼铁、0.95%铜、3.35%镍铁、1.03%中碳锰铁、0.25%稀土硅铁原料；

（2）将占炉料总重量0.3%的碎白玻璃放入中频炉底，然后加入约占炉料总重量2%的高碳铬铁、35.3%的废钢；加入后，前8min提供中频炉额定功率的2/3，然后增至额定功率，待炉内下部炉料熔化后，持续捣料并陆续添加剩余的废钢、高碳铬铁、低碳铬铁；

（3）待炉内60~80%的炉料熔化后，加入0.6%的碎白玻璃；当炉内80~99%的炉料熔化后，将镍铁、钼铁和铜加入炉内；当炉料全熔后，减小功率至50~60%，扒渣并加中碳锰铁及0.6%的碎白玻璃造渣；

（4）增大功率升温，待温度升至1500℃时，将炉渣壳点破，在渣壳上面撒上占炉料总重0.35~0.40%的Si-Ca合金，脱氧20~25min至炉渣颜色变浅为止；

（5）脱氧结束后，升温使铁液温度达到1500~1600℃时，对铁液的成分进行分析并调整，并取铁液做圆杯试样检查脱氧情况；

（6）当铁液成分合格且圆杯试样表面凹陷显著，快速将铁液升温至1490~1510℃，扒除全部炉渣加入约占炉料总重量0.1%的纯铝，并搅拌进行终脱氧；

（7）当圆杯试样表面无凹陷或凹陷不明显时，加约占炉内炉料总重量0.25%的75SiFe合金，至圆杯试样表面凹陷显著，进行步骤（6）操作；

（8）终脱氧结束后进行浇注，完成低碳高铬铸铁工件的初制备；

（9）将步骤（8）制备的工件加热至540~580℃，保温2~3h，然后取出工件于空气中自然降温，完成低碳高铬铸铁的制备。

所述步骤（1）中的原料高碳铬铁、低碳铬铁、钼铁、铜、镍铁、中碳锰铁和稀土硅在加入中频之前进行烘烤加热，烘烤温度为200~300℃。

所述步骤（2）中的碎白玻璃放入前需烘干，保证无水分、油污。

所述步骤（4）中Si-Ca合金为Ca₂₄Si₆₀，Si-Ca合金不能与铁液接触，但要与炉渣多接触。

所述步骤（5）中对铁液成分的分析是采用直读光谱仪进行，根据测定的实际成分与设定成分的偏差，加减相关炉料来进行调整，其中硅量的调整在浇注前10min进行。

所述步骤（8）中浇注前需将铁液静置3~5min，冷却至1390~1410℃时再进行浇注。

本发明的有益效果在于：本发明的采用的加热温度较低，节约了能源也减小了铸件热处理后的变形量，本发明技术方案简单，可操作性强，在各类铸铁生产企业中均易方便快捷地使用。采用本发明的配方和方法，既获得了较高的硬度又保证了较好的韧性，当高铬铸铁铸态组织大部分为奥氏体时，可采用亚临界处理工艺，可促使残余奥氏体进一步转变为马氏体，提高了材料的硬度，同时又具有良好的韧性。与一般的热处理工艺相比较，亚临界处理温度较低，铸件变形量较小，同时还节约了能源、降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中铸铁在铸态时的金相照片。

图2为本发明实施例1经亚临界热处理后的金相照片。

具体实施方式

一种低碳高铬铸铁，其化学成分的重量百分比为：C：1.9～2.3%、Cr：17~19%、Si：0.6～0.9%、Mn：0.9～1.1%、Mo：0.6~0.8%、Cu：0.8~1.0%、Ni：0.7~0.9%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe。

低碳高铬铸铁的制备工艺，所述制备工艺步骤如下：

（1）原料准备：按以下重量份称取50%废钢、20%回炉料、19.88%高碳铬铁、3.4%低碳铬铁、1.14%钼铁、0.95%铜、3.35%镍铁、1.03%中碳锰铁、0.25%稀土硅铁原料；

（2）将占炉料总重量0.3%的碎白玻璃放入中频炉底，然后加入约占炉料总重量2%的高碳铬铁、35.3%的废钢；加入后，前8min提供中频炉额定功率的2/3，然后增至额定功率，待炉内下部炉料熔化后，持续捣料并陆续添加剩余的废钢、高碳铬铁、低碳铬铁；

（3）待炉内60~80%的炉料熔化后，加入0.6%的碎白玻璃；当炉内80~99%的炉料熔化后，将镍铁、钼铁和铜加入炉内；当炉料全熔后，减小功率至50~60%，扒渣并加中碳锰铁及0.6%的碎白玻璃造渣；

（4）增大功率升温，待温度升至1500℃时，将炉渣壳点破，在渣壳上面撒上占炉料总重0.35~0.40%的Si-Ca合金，脱氧20~25min至炉渣颜色变浅为止；

（5）脱氧结束后，升温使铁液温度达到1500~1600℃时，对铁液的成分进行分析并调整，并取铁液做圆杯试样检查脱氧情况；

（6）当铁液成分合格且圆杯试样表面凹陷显著，快速将铁液升温至1490~1510℃，扒除全部炉渣加入约占炉料总重量0.1%的纯铝，并搅拌进行终脱氧；

（7）当圆杯试样表面无凹陷或凹陷不明显时，加约占炉内炉料总重量0.25%的75SiFe合金，至圆杯试样表面凹陷显著，进行步骤（6）操作；

（8）终脱氧结束后进行浇注，完成低碳高铬铸铁工件的初制备；

（9）将步骤（8）制备的工件加热至540~580℃，保温2~3h，然后取出工件于空气中自然降温，完成低碳高铬铸铁的制备。

所述步骤（1）中的原料高碳铬铁、低碳铬铁、钼铁、铜、镍铁、中碳锰铁和稀土硅在加入中频之前进行烘烤加热，烘烤温度为200~300℃。

所述步骤（2）中的碎白玻璃放入前需烘干，保证无水分、油污。

所述步骤（4）中Si-Ca合金为Ca₂₄Si₆₀，Si-Ca合金不能与铁液接触，但要与炉渣多接触。

所述步骤（5）中对铁液成分的分析是采用直读光谱仪进行，根据测定的实际成分与设定成分的偏差，加减相关炉料来进行调整，其中硅量的调整在浇注前10min进行。

所述步骤（8）中浇注前需将铁液静置3~5min，冷却至1390~1410℃时再进行浇注。

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的解释说明：

实施例1（以获得铁液总量约为600Kg为例）

1）原料准备：称量314.5Kg废钢（约占总原料的50%）、125.8Kg回炉料（约占总原料的20%）、125Kg高碳铬铁（约占总原料的19.88%）、21.4Kg低碳铬铁（约占总原料的3.4%）、7.17Kg钼铁（约占总原料的1.14%）、5.98Kg铜（约占总原料的0.95%）、21.07Kg镍铁（约占总原料的3.35%）、6.48Kg中碳锰铁（约占总原料的1.03%）、1.57Kg稀土硅铁原料（约占总原料的0.25%），使原铁液的化学成分为：C：1.9～2.3%、Cr：17~19%、Si：0.4～0.6%、Mn：0.7～0.9%、Mo：0.6~0.8%、Cu：0.8~1.0%、Ni：0.7~0.9%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe；

2）将1.8Kg的碎白玻璃放入炉底，碎玻璃放入前烘干保证无水分、油污等；

3）分别加入13Kg的高碳铬铁和222Kg的废钢；

4）通电，前8min提供中频炉额定功率的2/3，然后逐渐将功率增至额定；

5）中频下部炉料熔化后，经常捣料并陆续添加剩余的废钢、高碳铬铁、低碳铬铁；

6）大部分炉料熔化后，加入约3.6Kg的碎白玻璃；

7）绝大部分炉料熔化后，将镍铁、钼铁、铜加入炉内；

8）炉料全熔后，减小功率至50，扒渣并加中碳锰铁及3.6Kg的碎白玻璃造渣；

9）增大功率升温，待温度升至1500℃时，将炉渣壳点破，在渣面上经常性地撒上2.2Kg的Ca₂₄Si₆₀（Si-Ca）合金进行脱氧；

10）步骤9）中，Si-Ca合金不能与铁液接触但要与炉渣多接触；

11）步骤9）中，至炉渣颜色变浅为止；

12）步骤9）中，脱氧时间约为20min；

13）根据成分分析结果调整铁液化学成分，对铁液成分的分析是采用直读光谱仪进行，根据测定的实际成分与设定成分的偏差，加减相关炉料来进行调整，其中硅量的调整在浇注前10min进行；

14）步骤9）完成且铁液温度达到1500℃时，取铁液做圆杯试样检查脱氧情况；

15）步骤14）中，当圆杯试样表面无凹陷，加约1.6Kg的75SiFe合金，圆杯试样合格；

16）铁液化学成分合格，快速将铁液升温至1490℃，扒除全部炉渣插入0.63Kg的纯铝并搅拌进行终脱氧；

17）将浇包烫至600℃左右，倒入铁液；

18）将包内铁液静置3min，至温度为1390℃时开始浇注；

19）上述铬铁、锰铁、硅铁、铜、镍等在加入前应进行烘烤；

20）采用本发明的方案，制备的低碳高铬铸铁的化学成分为：C：1.92%、Cr：19%、Si：0.7%、Mn：0.91%、Mo：0.7%、Cu：0.87%、Ni：0.75%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe。图1为本发明铸态时金相照片。

21）将上述成分工件加热至560℃，保温2h；

22）将步骤1）中达到规定保温时间的工件取出空冷；

23）采用本发明的方案，经亚临界处理后，制备的低碳高铬铸铁硬度达到59HRC，冲击韧度达到6.2J/cm²。图2为本发明亚临界热处理后金相照片。

实施例2（以获得铁液总量约为650Kg为例）

1）原料准备：称量341Kg废钢（约占总原料的50%）、136.4Kg回炉料（约占总原料的20%）、135.6Kg高碳铬铁（约占总原料的19.88%）、23.2Kg低碳铬铁（约占总原料的3.4%）、7.77Kg钼铁（约占总原料的1.14%）、6.48Kg铜（约占总原料的0.95%）、22.85Kg镍铁（约占总原料的3.35%）、7.02Kg中碳锰铁（约占总原料的1.03%）、1.70Kg稀土硅铁原料（约占总原料的0.25%），使原铁液的化学成分为：C：1.9～2.3%、Cr：17~19%、Si：0.4～0.6%、Mn：0.7～0.9%、Mo：0.6~0.8%、Cu：0.8~1.0%、Ni：0.7~0.9%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe；

2）将1.95Kg的碎白玻璃放入炉底，碎玻璃放入前烘干保证无水分、油污等；

3）分别加入13.64Kg的高碳铬铁和241Kg的废钢；

4）通电，前8min提供中频炉额定功率的2/3，然后逐渐将功率增至额定；

5）中频下部炉料熔化后，经常捣料并陆续添加剩余的废钢、高碳铬铁、低碳铬铁；

6）大部分炉料熔化后，加入3.9Kg的碎白玻璃；

7）绝大部分炉料熔化后，将镍铁、钼铁、铜加入炉内；

8）炉料全熔后，减小功率至55%，扒渣并加中碳锰铁及3.9Kg的碎白玻璃造渣；

9）增大功率升温，待温度升至1500℃时，将炉渣壳点破，在渣面上经常性地撒上2.3Kg的Ca₂₄Si₆₀（Si-Ca）合金进行脱氧；

10）步骤9）中，Si-Ca合金不能与铁液接触但要与炉渣多接触；

11）步骤9）中，至炉渣颜色变浅为止；

12）步骤9）中，脱氧时间约为23min；

13）根据成分分析结果调整铁液化学成分分析是采用直读光谱仪进行，根据测定的实际成分与设定成分的偏差，加减相关炉料来进行调整，硅量调整在出铁液前10min进行；

14）步骤9）完成且铁液温度达到1500℃时，取铁液做圆杯试样检查脱氧情况；

15）步骤14）中，圆杯试样表面凹陷显著，圆杯试样合格；

16）铁液化学成分检测合格，快速将铁液升温至1500℃，扒除全部炉渣插入0.68Kg的纯铝并搅拌进行终脱氧；

17）将浇包烫至600℃左右，倒入铁液；

18）将包内铁液静置4min，至温度为1400℃时开始浇注；

19）上述铬铁、锰铁、硅铁、铜、镍等在加入前应进行烘烤；

20）采用本发明的方案，制备的低碳高铬铸铁的化学成分为：C：1.92%、Cr：19%、Si：0.7%、Mn：0.91%、Mo：0.7%、Cu：0.87%、Ni：0.75%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe。

21）将上述成分工件加热至560℃，保温2h；

22）将步骤1）中达到规定保温时间的工件取出空冷；

23）采用本发明的方案，经亚临界处理后，制备的低碳高铬铸铁硬度达到59HRC，冲击韧度达到6.2J/cm²。

实施例3（以获得铁液总量约为700Kg为例）

1）原料准备：称量367.25Kg废钢（约占总原料的50%）、147Kg回炉料（约占总原料的20%）、146Kg高碳铬铁（约占总原料的19.88%）、25Kg低碳铬铁（约占总原料的3.4%）、8.37Kg钼铁（约占总原料的1.14%）、6.98Kg铜（约占总原料的0.95%）、24.60Kg镍铁（约占总原料的3.35%）、7.56Kg中碳锰铁（约占总原料的1.03%）、1.84Kg稀土硅铁原料（约占总原料的0.25%），使原铁液的化学成分为：C：1.9～2.3%、Cr：17~19%、Si：0.4～0.6%、Mn：0.7～0.9%、Mo：0.6~0.8%、Cu：0.8~1.0%、Ni：0.7~0.9%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe；

2）将2.1Kg的碎白玻璃放入炉底，碎玻璃放入前烘干保证无水分、油污等；

3）分别加入14.69Kg的高碳铬铁和259Kg的废钢；

4）通电，前8min提供中频炉额定功率的2/3，然后逐渐将功率增至额定；

5）中频下部炉料熔化后，经常捣料并陆续添加剩余的废钢、高碳铬铁、低碳铬铁；

6）大部分炉料熔化后，加入4.2Kg的碎白玻璃；

7）绝大部分炉料熔化后，将镍铁、钼铁、铜加入炉内；

8）炉料全熔后，减小功率至60%，扒渣并加中碳锰铁及4.2Kg的碎白玻璃造渣；

9）增大功率升温，待温度升至1500℃时，将炉渣壳点破，在渣面上经常性地撒上2.8Kg的Ca₂₄Si₆₀（Si-Ca）合金进行脱氧；

10）步骤9）中，Si-Ca合金不能与铁液接触但要与炉渣多接触；

11）步骤9）中，至炉渣颜色变浅为止；

12）步骤9）中，脱氧时间约为25min；

13）根据成分分析结果调整铁液化学成分分析是采用直读光谱仪进行，根据测定的实际成分与设定成分的偏差，加减相关炉料来进行调整，硅量调整在出铁液前10min进行；

14）步骤9）完成且铁液温度达到1500℃时，取铁液做圆杯试样检查脱氧情况；

15）步骤14）中，圆杯试样表面凹陷不明显，加约1.84Kg的75SiFe合金，圆杯试样合格；

16）检测铁液化学成分合格，快速将铁液升温至1510℃，扒除全部炉渣插入0.73Kg的纯铝并搅拌进行终脱氧；

17）将浇包烫至600℃左右，倒入铁液；

18）将包内铁液静置5min，至温度为1410℃时开始浇注；

19）上述铬铁、锰铁、硅铁、铜、镍等在加入前应进行烘烤；

20）采用本发明的方案，制备的低碳高铬铸铁的化学成分为：C：1.92%、Cr：19%、Si：0.7%、Mn：0.91%、Mo：0.7%、Cu：0.87%、Ni：0.75%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe。

21）将上述成分工件加热至560℃，保温2h；

22）将步骤1）中达到规定保温时间的工件取出空冷；

24）采用本发明的方案，经亚临界处理后，制备的低碳高铬铸铁硬度达到59HRC，冲击韧度达到6.2J/cm²。

实施例4（以获得铁液总量约为700Kg为例）

1）原料准备：称量367.25Kg废钢（约占总原料的50%）、147Kg回炉料（约占总原料的20%）、146Kg高碳铬铁（约占总原料的19.88%）、25Kg低碳铬铁（约占总原料的3.4%）、8.37Kg钼铁（约占总原料的1.14%）、6.98Kg铜（约占总原料的0.95%）、24.60Kg镍铁（约占总原料的3.35%）、7.56Kg中碳锰铁（约占总原料的1.03%）、1.84Kg稀土硅铁原料（约占总原料的0.25%），使原铁液的化学成分为：C：1.9～2.3%、Cr：17~19%、Si：0.4～0.6%、Mn：0.7～0.9%、Mo：0.6~0.8%、Cu：0.8~1.0%、Ni：0.7~0.9%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe；

2）将2.1Kg的碎白玻璃放入炉底，碎玻璃放入前烘干保证无水分、油污等；

3）分别加入14.69Kg的高碳铬铁和259Kg的废钢；

4）通电，前8min提供中频炉额定功率的2/3，然后逐渐将功率增至额定；

5）中频下部炉料熔化后，经常捣料并陆续添加剩余的废钢、高碳铬铁、低碳铬铁；

6）大部分炉料熔化后，加入4.2Kg的碎白玻璃；

7）绝大部分炉料熔化后，将镍铁、钼铁、铜加入炉内；

8）炉料全熔后，减小功率至60%，扒渣并加中碳锰铁及4.2Kg的碎白玻璃造渣；

9）增大功率升温，待温度升至1500℃时，将炉渣壳点破，在渣面上经常性地撒上2.66Kg的Ca₂₄Si₆₀（Si-Ca）合金进行脱氧；

10）步骤9）中，Si-Ca合金不能与铁液接触但要与炉渣多接触；

11）步骤9）中，至炉渣颜色变浅为止；

12）步骤9）中，脱氧时间约为25min；

13）根据成分分析结果调整铁液化学成分分析是采用直读光谱仪进行，根据测定的实际成分与设定成分的偏差，加减相关炉料来进行调整，硅量调整在出铁液前10min进行；

14）步骤9）完成且铁液温度达到1600℃时，取铁液做圆杯试样检查脱氧情况；

15）步骤14）中，圆杯试样表面凹陷显著，圆杯试样合格；

16）铁液化学成分合格，快速将铁液升温至1510℃，扒除全部炉渣插入0.73Kg的纯铝并搅拌进行终脱氧；

17）将浇包烫至600℃左右，倒入铁液；

18）将包内铁液静置5min，至温度为1410℃时开始浇注；

19）上述铬铁、锰铁、硅铁、铜、镍等在加入前应进行烘烤；

20）采用本发明的方案，制备的低碳高铬铸铁的化学成分为：C：1.92%、Cr：19%、Si：0.7%、Mn：0.91%、Mo：0.7%、Cu：0.87%、Ni：0.75%、P：≤0.05%、S：≤0.02%、余量为Fe。

21）将上述成分工件加热至560℃，保温2h；

22）将步骤1）中达到规定保温时间的工件取出空冷；

24）采用本发明的方案，经亚临界处理后，制备的低碳高铬铸铁硬度达到59HRC，冲击韧度达到6.2J/cm²。