本发明涉及金属铸造领域，具体涉及一种耐磨高硬度高铬铸铁及其生产工艺。
背景技术：
高铬铸铁是高铬白口抗磨铸铁的简称，是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。它以比合金钢高得多的耐磨性，和比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。
就高铬铸铁的生产工艺而言，在提高硬度的前提下，尽可能减少铸件的内应力，增加抗磨性能，这无疑对延长使用铸件的寿命和提高铸件的使用效率十分有利，同时对于高铬铸铁的生产工艺研究就必须要充分考虑合金碳化物的选择和熔炼工艺，目前，国内冶炼业一般以含铬12-20％作为标准来冶炼抗磨铸铁，虽然生产成本得到降低，但是铸件在实际使用过程中，出现使用寿命短、质量不稳定、难以加工、耐磨性能不好等诸多问题。反观国外企业，大多数采用含铬25-35％的高铬铸铁以提高铸件的耐磨性能和使用寿命，其中代表性的有英国，常采用含铬25％的高铬铸铁生产杂质泵来挖掘海底砂石，使用寿命可达2年之久。
要使我国生产的高铬铸铁的质量与国际接轨，不仅要从提高铸件中铬的含量着手，提高和改进高铬铸铁的生产工艺也是重中之重。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种耐磨高硬度高铬铸铁及其生产工艺，使得生产出的高铬铸铁具有耐磨性能好，硬度高，易加工的优点。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c2.52-4.87％、cr25.5-35％、si1.5-2.5％、mn0.2-0.8％、mo0.3-0.8％、cu0.8-1.5％、ni0.25-0.48％、v0.13-0.28％、al0.4-1.2％、nb0.28-0.46％、bi0.08-0.14％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
优选地，所述耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c2.68-4.13％、cr29.5-34.5％、si1.8-2.1％、mn0.4-0.6％、mo0.42-0.66％、cu0.8-1.3％、ni0.32-0.43％、v0.15-0.24％、al0.6-1.1％、nb0.3-0.41％、bi0.1-0.12％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
其中，上述耐磨高硬度高铬铸铁的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将废钢、增碳剂、铬铁、镍铁、锰铁、钼铁、硅铁、锰铁、金属铝和铌钒合金加入到熔炼炉炉膛中，升温至1440-1460℃进行熔化，当原料完全熔化后，升温至1480-1500℃，先加入铁水质量2.8％的锰铁进行一次脱氧，再加入铁水质量2％的硅铁进行二次脱氧，最后加入铁水质量1.5％的金属铝进行三次脱氧，结束脱氧后，即可出炉，控制铁水出炉温度为1520-1560℃；
(2)铁水出炉前，在包底凹坑内加入占铁水质量1.2-1.8％的变质剂，然后将铁水冲入烧包，孕育剂以随流方式加入，再将铁水搅拌2-5min后，进行静置和扒渣操作，当铁水温度为1400-1430℃时，直接浇入铸型，铁水浇注过程中，随铁水加入占铁水质量分数0.5-1.5％的铁粉作为悬浮剂；
(3)铸件经清砂和打磨处理后，降温至200℃以下装炉，以40℃/h的速率加热至940-980℃，并保温2-2.5h，然后以50℃/h的速率降温至100℃；
(4)再以25℃/h的速率加热至250-300℃，保温1-1.5h，然后空冷至室温，即可得到所述耐磨高硬度高铬铸铁。
优选地，所述步骤(2)中的变质剂为re-al-bi-mg复合变质剂。
优选地，所述步骤(2)中的孕育剂为稀土孕育剂。
优选地，所述步骤(2)中的孕育剂加入量为铁水质量的1.5-2.5％。
(三)有益效果
本发明提供了一种耐磨高硬度高铬铸铁及其生产工艺，具有以下优点：
(1)研究发现，当高铬铸铁中，铬含量在25.5-35％范围内时，碳化物主要以m7c3型存在(其中m为fe、cr及其他合金元素，以下同此)，此种碳化物为杆状或片状，此时高铬铸铁的硬度较高，耐磨性和韧性都较高，当铬含量超过35％以后，虽然铸铁的耐腐蚀性和耐热性都很好，但是其中的碳化物以m23c6存在，基体组织为铁素体为主，不能给碳化物以强力的支撑，所以本发明中铬含量选取范围为25.5-35％，此时高铬铸铁耐磨性和硬度均很高，易加工，且其他机械性能良好。
(2)本发明中，c可以形成m7c3型碳化物，碳化物增多，可以提高高铬铸铁的耐磨性能；mo是强化碳化物形成的元素，其自身也可与c形成高硬度的碳化物，提高高铬铸铁的硬度；ni有强化基体的作用，可以提高高铬铸铁的硬度；mn有增强高铬铸铁硬化能力的作用；cu可以提高铬铸铁的硬度，同时与mo配合作用更好；v能够形成高硬度的碳氮化物,弥散在基体中，有利于提高基体的显微硬度和耐磨性，同时对晶粒的细化也是有利的；nb与c结合形成弥漫分散的nbc结晶核心，阻止了初生碳化物的生长，有利于细化晶粒；bi能够改善高铬铸铁的切削性能，而且还可改善其拉伸性能。
(3)通过对高铬铸铁进行淬火和回火，可以改善碳化物的形态，细化基体组织，达到在提高高铬铸铁的硬度，保证耐磨性能的前提下，改善韧性。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c2.68％、cr29.5％、si1.8％、mn0.4％、mo0.42％、cu0.8％、ni0.32％、v0.15％、al0.6％、nb0.3％、bi0.1％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述耐磨高硬度高铬铸铁的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将废钢、增碳剂、铬铁、镍铁、锰铁、钼铁、硅铁、锰铁、金属铝和铌钒合金加入到熔炼炉炉膛中，升温至1450℃进行熔化，当原料完全熔化后，升温至1490℃，先加入铁水质量2.8％的锰铁进行一次脱氧，再加入铁水质量2％的硅铁进行二次脱氧，最后加入铁水质量1.5％的金属铝进行三次脱氧，结束脱氧后，即可出炉，控制铁水出炉温度为1550℃；
(2)铁水出炉前，在包底凹坑内加入占铁水质量1.5％的re-al-bi-mg复合变质剂，然后将铁水冲入烧包，稀土孕育剂以随流方式加入，孕育剂加入量为铁水质量的1.8％，再将铁水搅拌4min后，进行静置和扒渣操作，当铁水温度为1410℃时，直接浇入铸型，铁水浇注过程中，随铁水加入占铁水质量分数0.9％的铁粉作为悬浮剂；
(3)铸件经清砂和打磨处理后，降温至200℃以下装炉，以40℃/h的速率加热至960℃，并保温2.2h，然后以50℃/h的速率降温至100℃；
(4)再以25℃/h的速率加热至280℃，保温1.3h，然后空冷至室温，即可得到所述耐磨高硬度高铬铸铁。
实施例2：
一种耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c4.13％、cr34.5％、si2.1％、mn0.6％、mo0.66％、cu1.3％、ni0.43％、v0.24％、al1.1％、nb0.41％、bi0.12％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述耐磨高硬度高铬铸铁的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将废钢、增碳剂、铬铁、镍铁、锰铁、钼铁、硅铁、锰铁、金属铝和铌钒合金加入到熔炼炉炉膛中，升温至1440℃进行熔化，当原料完全熔化后，升温至1480℃，先加入铁水质量2.8％的锰铁进行一次脱氧，再加入铁水质量2％的硅铁进行二次脱氧，最后加入铁水质量1.5％的金属铝进行三次脱氧，结束脱氧后，即可出炉，控制铁水出炉温度为1520℃；
(2)铁水出炉前，在包底凹坑内加入占铁水质量1.2％的re-al-bi-mg复合变质剂，然后将铁水冲入烧包，稀土孕育剂以随流方式加入，孕育剂加入量为铁水质量的1.5％，将铁水搅拌2min后，进行静置和扒渣操作，当铁水温度为1400℃时，直接浇入铸型，铁水浇注过程中，随铁水加入占铁水质量分数0.5％的铁粉作为悬浮剂；
(3)铸件经清砂和打磨处理后，降温至200℃以下装炉，以40℃/h的速率加热至940℃，并保温2h，然后以50℃/h的速率降温至100℃；
(4)再以25℃/h的速率加热至250℃，保温1h，然后空冷至室温，即可得到所述耐磨高硬度高铬铸铁。
实施例3：
一种耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c2.52％、cr25.5％、si1.5％、mn0.2％、mo0.3％、cu0.8％、ni0.25％、v0.13％、al0.4％、nb0.28％、bi0.08％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述耐磨高硬度高铬铸铁的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将废钢、增碳剂、铬铁、镍铁、锰铁、钼铁、硅铁、锰铁、金属铝和铌钒合金加入到熔炼炉炉膛中，升温至1460℃进行熔化，当原料完全熔化后，升温至1500℃，先加入铁水质量2.8％的锰铁进行一次脱氧，再加入铁水质量2％的硅铁进行二次脱氧，最后加入铁水质量1.5％的金属铝进行三次脱氧，结束脱氧后，即可出炉，控制铁水出炉温度为1560℃；
(2)铁水出炉前，在包底凹坑内加入占铁水质量1.8％的re-al-bi-mg复合变质剂，然后将铁水冲入烧包，稀土孕育剂以随流方式加入，孕育剂加入量为铁水质量的2.5％，将铁水搅拌5min后，进行静置和扒渣操作，当铁水温度为1430℃时，直接浇入铸型，铁水浇注过程中，随铁水加入占铁水质量分数1.5％的铁粉作为悬浮剂；
(3)铸件经清砂和打磨处理后，降温至200℃以下装炉，以40℃/h的速率加热至980℃，并保温2.5h，然后以50℃/h的速率降温至100℃；
(4)再以25℃/h的速率加热至300℃，保温1.5h，然后空冷至室温，即可得到所述耐磨高硬度高铬铸铁。
实施例4：
一种耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c4.87％、cr35％、si2.5％、mn0.8％、mo0.8％、cu1.5％、ni0.48％、v0.28％、al1.2％、nb0.46％、bi0.14％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述耐磨高硬度高铬铸铁的生产工艺，与实施例1基本相同，区别在于，步骤(1)中升温至1445℃进行熔化，升温至1480℃进行脱氧，铁水出炉温度为1550℃；步骤(2)中re-al-bi-mg复合变质剂加入量为1.6％，稀土孕育剂加入量为2.2％，铁水搅拌4min，铸型温度为1410℃，铁粉加入量为1.2％；步骤(3)中加热至950℃，保温2.3h，步骤(4)中加热至260℃，保温1.4h。
实施例5：
一种耐磨高硬度高铬铸铁，含有以下重量百分含量的组分：c3.13％、cr32.5％、si2.1％、mn0.5％、mo0.6％、cu1.3％、ni0.38％、v0.16％、al0.9％、nb0.31％、bi0.12％、其余为铁和其他不可避免的杂质。
上述耐磨高硬度高铬铸铁的生产工艺，与实施例1基本相同，区别在于，步骤(1)中升温至1455℃进行熔化，升温至1500℃进行脱氧，铁水出炉温度为1530℃；步骤(2)中re-al-bi-mg复合变质剂加入量为1.2％，稀土孕育剂加入量为2％，铁水搅拌2min，铸型温度为1430℃，铁粉加入量为0.8％；步骤(3)中加热至970℃，保温2.1h，步骤(4)中加热至290℃，保温1.4h。
性能检测：
表1为本发明实施例1-5生产高铬铸铁的性能检测：
表1：性能检测
综上，本发明实施例具有如下有益效果：宏观硬度、抗弯强度和冲击韧性高，易于生产加工。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。