一种同时提高(Cr,Fe)₇C₃硬度和韧性的方法

一种同时提高(Cr,Fe)₇C₃硬度和韧性的方法
【专利摘要】本发明书属于金属粉末与非金属粉末的混合物领域，具体涉及一种同时提高(Cr,Fe)7C3硬度和韧性的方法包括以下步骤：(1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，各成分的重量百分比如下：4.2％?4.8％C，11.5％?12.3％Cr，0.08％?0.13％Ti，1?1.6％Si，W含量为≤3.5％，其余为Fe；(2)将步骤1中的各原料进行熔炼，金属液温度达到1450?1500℃后用铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到砂型中并自然冷却；(3)将步骤2制得铸件清理干净，然后将铸件淬火处理，然后空冷；(4)将步骤3淬火后的铸件回火处理，并保温一定的时间，然后空冷。本发明能显著提高高铬铸铁中(Cr,Fe)7C3碳化物的力学性能，工艺简单易行，克服了以往仅依靠变质处理改善初生碳化物形状和分布的方法，适合批量生产。
【专利说明】
一种同时提高(Cr ,Fe)7C3硬度和韧性的方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属粉末与非金属粉末的混合物领域，具体涉及一种同时提高（Cr， Fe)7C3硬度和韧性的方法。
【背景技术】
[0002] 长期以来，由于其优异的抗磨性、相对较低的价格和简易的制备工艺，高铬铸铁被 广泛的用于抗磨损环境。优异的抗磨性能主要来源于高体积分数的耐磨M 7C3型(HV~1300-1800)硬质相的存在，并且也和基体的韧性有关。根据碳和铬的比例，高铬铸铁可以被分为 亚共晶、共晶和过共晶，其中过共晶高铬铸铁具有最高体积分数的耐磨M 7C3型硬质相。因此， 为了更好地开发和应用过共晶高铬铸铁，提高初生碳化物M7C 3型硬质相的硬度和韧性等力 学性质是很有必要的。
[0003] 不同的合金元素对对提高高络铸铁的耐磨性具有重要作用。Bedolla-Jacuinde等 人添加钦后能够细化微观组织并且提尚尚络铸铁的力学性质。Scandian等人添加钥兀素改 进高铬白口铸铁的微观组织和耐磨性，发现由于新碳化物(M 2C，M6C)的形成，其高温磨损性 能进一步提高。曲银虎添加铈来改进铸态过共晶高铬铸铁的微观组织，发现铈能够细化初 生M 7C3型碳化物。
[0004] 中国发明专利CN104928559A公布了一种高铬铸铁的强韧化工艺，通过微合金化、 变质处理、急冷铸型、低温快速平稳充型的浇注工艺和热处理，大幅度细化晶粒，改善共晶 碳化物形状和分布。但工艺复杂、主要目的是细化晶粒。
[0005] 中国发明专利CN103451462A公布了一种改善块体Cr7C3抗磨蚀性能的方法，掺杂钇 元素后，其韧性提高0.6-1.5倍，在1000°C下高温氧化气氛下耐磨性提高约1.8倍以上，但针 对的是块体Cr 7C3纯相，应用范围非常有限。
[0006] 中国发明专利CN1769508公开了 一种低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁及其制造 方法，采用二次孕育变质处理的方法细化初生碳化物，使用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，但并未改变初生碳化 物本身的硬度和韧性等力学性质。

【发明内容】

[0007] 针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明的目的在于提供一种同时提高(Cr， Fe)7C3硬度和韧性的方法。充分利用钨元素掺杂的作用提高碳化物本身的力学性能，工艺简 单易行，克服了以往仅依靠变质处理改善初生碳化物形状和分布的方法，适合批量生产。
[0008] 为达到上述目的，本发明的基础方案如下：
[0009] -种同时提高(Cr，Fe) 7C3硬度和韧性的方法，包括以下步骤：
[0010] (1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，各成分的重量百分比如 下:4.2%-4.8%(：，11.5%-12.3%〇,0.08%-0.13%11，1-1.6%51，￥含量为彡3.5%，其余 为Fe;
[0011] (2)将步骤1中的各原料在中频感应炉中进行熔炼，金属液温度达至Ij 1450-1500 °C 后用铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到砂型中并自然冷却；
[0012] (3)将步骤2制得铸件清理干净，然后将铸件放到高温电阻炉中进行淬火处理，然 后空冷；
[0013] (4)将步骤3淬火后的铸件放入低温电阻炉进行回火处理，并保温一定的时间，然 后空冷。
[0014] 本方案的优点是：
[0015] 1、采用的原料都为价格低廉的普通矿石，没加入稀土等昂贵变质剂，明显降低了 生产成本。
[0016] 2、工艺简单易行，采用简单的砂型浇铸工艺，充分发挥钨元素的作用和热处理的 作用，不用孕育处理和急冷快速充型等工艺，适合大批量生产。
[0017] 3、同时使用高碳铬铁、低碳铬铁能精确控制Cr/C比，所制得的高铬铸铁中（Cr，Fe) 7C3碳化物的韧性与本征硬度同时提高，断裂韧性提高2.5倍，显微维氏硬度由1250Mpa左右 提高到1450Mpa以上。而且所制得的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物具有较好的力学性能和 耐磨性。
[0018] 4、所制得的高铬铸铁中（Cr，Fe) 7C3碳化物的形态没有发生很大变化，体积分数有 所增加，能够保证高铬铸铁较强的抗磨性。
[0019] 优化方案1，对基础方案的进一步优化，各成分的重量百分比如下：4.5%C，12% 〇,0.1%1^，1.5%51，1含量为彡3.5%，其余为? 6。发明人通过试验发现，各成分的重量百 分比按上述比例时，制备得到的产品硬度和韧性最佳。
[0020] 优化方案2，对基础方案的进一步优化，各原料的加入顺序为先加入废钢和生铁， 再加入尚络铸铁，然后加入低络铸铁，最后加入妈铁。按照上述顺序加料，能最大程度减少 原料烧损，尤其是钨的烧损，以提高碳化物的力学性能。
[0021] 优化方案3,对基础方案、优化方案1、2任一项的进一步优化，所述砂型铸件的形状 为标准基尔试块，冷却8-12小时。采用上述操作，能够让钨充分地扩散，提高制备的产品力 学性能。
[0022] 优化方案4,对优化方案3的进一步优化，对基尔试块最下端进行线切割，取芯部样 品，试样切割成10mmX 10mmX 55mm进行热处理。发明人通过实验发现，基尔试块下部质量最 好，缺陷(如缩松、缩孔)最少，能有效保证高铬铸铁的力学性能。
[0023] 优化方案5，对基础方案、优化方案1、2、4任一项的进一步优化，在步骤3中，淬火处 理温度区间为850-1050°C，保温时间为1-3小时。发明人通过实验发现，在上述条件下淬火 处理，所制备的高铬铸铁力学性能较佳。
[0024]优化方案6,对优化方案5的进一步优化，在步骤4中，回火处理温度区间为300-540 °C，回火保温时间为2-4小时。发明人通过实验发现，在上述条件下回火处理，所制备的高铬 铸铁力学性能较佳。
【附图说明】
[0025]图1是本发明实施例1技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe) 7C3碳化物的形态和分 布；
[0026] 图2是本发明实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物的形态和分 布；
[0027] 图3是本发明实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物的形态和分 布；
[0028] 图4是本发明实施例1，2，3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物含量与 平均粒径随钨添加量的变化；
[0029] 图5是本发明实施例1技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物压痕示意 图；
[0030] 图6是本发明实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物压痕示意 图；
[0031] 图7是本发明实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物压痕示意 图；
[0032] 图8是本发明实施例1，2,3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物添加钨 后原子结构不意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面通过【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明：
[0034] 下面以实施例1为例详细描述一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其他实 施例和对比例在表1中体现，未不出的部分与实施例1相同：
[0035] 实施例1
[0036] 本实施例所述一种同时提高高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物硬度和韧性的方法，具 体包括以下步骤：
[0037] (1)采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，使各成分的重量百分比如 下：4.50%C，12.00%Cr，0.10%Ti，1.50%Si，W含量为 1.5%，其余为Fe;
[0038] (2)将步骤1中的各原料在中频感应炉中进行熔炼，加料顺序为先加入废钢和生 铁，再加入尚络铸铁，然后加入低络铸铁，最后加入妈铁，金属液温度达到1450 C后用错丝 脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到标准基尔试块砂型中，自然冷却8小时，让钨元素充分 的溶入到(Cr，Fe) 7C3化合物中，如图4所示；
[0039] (3)将步骤2制得的铸件清理干净，对基尔试块最下端进行线切割，取芯部样品，试 样切割成1 〇mm X 10mm X 55mm进行热处理，将铸件放到高温电阻炉中进行淬火处理，淬火温 度为850°C，保温时间为3小时，然后空冷；
[0040] (4)将淬火后的铸件在300°C的温度下回火，回火保温时间为4小时，然后空冷。即 得到(Cr，Fe) 7C3硬度和韧性同时提高的高铬铸铁试样，如图1所示。
[0041] 表1
[0042]
[0043] 分别采用显微硬度和压痕法检测实施例1-5中的高铬铸铁试样中（Cr，Fe)7C3碳化 物的硬度、断裂韧性，得到的检测结果如表2所示：
[0044] 表 2
[0045]
[0046] 如图2所示，是实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物的形态和 分布。
[0047] 如图3所示，是实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物的形态和 分布。
[0048] 如图4所示，是本发明实施例1，2,3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化 物含量与平均粒径随钨添加量的变化关系。
[0049] 如图5所示，是实施例1技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物压痕示意 图。
[0050] 如图6所示，是实施例2技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物压痕示意 图。
[0051] 如图7所示，是实施例3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化物压痕示意 图。
[0052] 如图8所示，是本发明实施例1，2,3技术方案所制备的高铬铸铁中（Cr，Fe)7C3碳化 物添加钨后原子结构示意图。
[0053]对比实施例1-4可以明显看出，实施例1-3制备的高铬铸铁试样的硬度和强度性能 明显高于实施例4,而且实施例4与实施例3的区别仅在于实施例4未添加钨，从而可以看出， 钨对高铬铸铁中（Cr，Fe)7C 3碳化物硬度和韧性提高有起着关键的作用。
[0054]对比实施例3和实施例5,实施例3的力学性能明显更高，而两实施例的区别在于， 实施例3中的加料顺序同实施例1，实施例4的加料顺序是同时加入，从而可以看出，按照先 加入废钢和生铁，再加入尚络铸铁，然后加入低络铸铁，最后加入妈铁的顺序，能明显提尚 高铬铸铁试样的力学性能。
[0055]以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的特性等常识在此未作过多描述。 应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变 形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利 的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方 式等记载可以用于解释权利要求的内容。
【主权项】
1. 一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 采用废钢、生铁、高碳铬铁、低碳铬铁和钨铁为原料，各成分的重量百分比如下： 4.2%-4.8%(：，11.5%-12.3%〇,0.08%-0.13%11，1-1.6%51，￥含量为彡3.5%，其余为 Fe； (2) 将步骤1中的各原料在中频感应炉中进行熔炼，金属液温度达到1450-1500 °C后用 铝丝脱氧，然后将金属液通过浇包浇铸到砂型中并自然冷却； (3) 将步骤2制得铸件清理干净，然后将铸件放到高温电阻炉中进行淬火处理，然后空 冷； (4) 将步骤3淬火后的铸件放入低温电阻炉进行回火处理并保温，然后空冷。2. 根据权利要求1所述的一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，各 成分的重量百分比如下:4.5%C，12%Cr，0.1%Ti，1.5%Si，W含量为3.5%，其余为卩〇。3. 根据权利要求1所述的一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，各 原料的加入顺序为先加入废钢和生铁，再加入尚络铸铁，然后加入低络铸铁，最后加入妈 铁。4. 根据权利要求1-3任一项所述的一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征 在于，所述砂型铸件的形状为标准基尔试块，冷却8-12小时。5. 根据权利要求4所述的一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，对 基尔试块最下端进行线切割，取芯部样品，试样切割成10mmX 10mmX 55mm进行热处理。6. 根据权利要求1或2或3或5所述的一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特 征在于，在步骤3中，淬火处理温度区间为850-1050°C，保温时间为1-3小时。7. 根据权利要求6所述的一种同时提高(Cr，Fe)7C3硬度和韧性的方法，其特征在于，在 步骤4中，回火处理温度区间为300-540°C，回火保温时间为2-4小时。
【文档编号】C22C37/06GK106065451SQ201610527362
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】冯晶, 种晓宇, 蒋业华, 周荣
【申请人】昆明理工大学