专利名称：多元高铬耐磨铸铁筛板及其制造方法
技术领域：
本发明属于烧结矿筛分技术领域，涉及各类烧结机振动筛用筛板及其制造方法，特别涉及一种多元高铬耐磨铸铁筛板及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术措施来实现本发明筛板的化学组成成分是(重量％)C2.2～3.2 Cr18～28Mn0.6～1.5Si0.4～1.0Mo0.4～1.5Ni0.5～1.2Nb0.1～0.5Ca0.02～0.08Zn0.008～0.050Mg0.002～0.010Ce0.03～0.10 Ti0.08～0.15。
其余为Fe和不可避免的微量杂质。
本发明筛板用电炉熔炼，其制造工艺步骤是①将普通废钢、不锈钢废料、碳素铬铁、中碳铬铁和钼铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1550～1600℃，加入占铁水重量0.15％～0.40％的铝脱氧，而后出炉；③将镁镍合金、硅钙合金、铈基稀土、含锌物质、铌铁和钛铁破碎至粒度小于18mm的小块，经220℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；④用冷硬树脂砂造型，铸型涂料用醇基涂料，浇注温度1400℃～1440℃；⑤浇注2h～6h后开箱空冷筛板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；⑥筛板在520～600℃进行热处理，保温时间4～6小时，然后空气冷却至室温，即可得成品。
本发明筛板利用电炉便可生产，采用冷硬树脂砂型铸造，筛板抗弯强度高，达到890MPa～960MPa，硬度达到55HRC～60HRC，具有良好的耐磨性，冲击韧性达到10J/cm2～13J/cm2，使用中不断裂，抗氧化性好，使用性能明显优于CrMnN耐热钢筛板，生产工艺简单，不需要进行高温热处理，因而生产成本低。使用本发明筛板可以显著提高振动筛作业率，降低烧结矿筛分成本，具有很好的经济效益。四具体实施方式
以下结合发明人给出的实施例对本发明作进一步的说明。
合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的C在高温磨损工况下，希望材料既具有优异的抗磨性，又具有优良的抗氧化性，而优异的抗磨性来源于组织中存在的高硬度共晶碳化物，而C对碳化物数量影响最大，C、Cr和碳化物(K％)含量之间可按下式计算K％＝12.33(C％)+0.55(Cr％)-15.2但C也并非愈高愈好，因为碳化物数量过多，增大了材质的脆性，考虑其利弊，将C含量控制在2.2％～3.2％。
CrCr除部分形成碳化物，增加耐磨性外，其主要作用是溶于基体，增大基体的淬透性和抗氧化性。基体中平均含Cr量可按下式计算％Cr(m)＝1.95Cr/C-2.47从公式可知，基体的平均含Cr量也与材质的含C量有关(C消耗了部分Cr)。基体原始含Cr量决定了氧化时表层氧化物类型和性质，因此，它对合金的整体抗氧化性产生较大影响。但基体原始含Cr量并非愈高愈好，而是在基体原始含Cr量15％左右时，高铬铸铁具有最好的抗氧化性，这是因为基体含Cr量过高，氧化时形成的Cr2O3虽有较高的致密度，但生长时由于其生长应力，会在局部翘起，从而造成氧化膜与母体分离，使保护性下降，而含15％Cr时形成尖晶石氧化物与金属侧有较紧密的接触，其中间的空洞也较少。因此Cr含量控制在18％～28％。
SiSi是熔炼脱氧元素，加适量的Si，可防止其它合金元素氧化，但Si又是非碳化物形成元素，主要溶于基体，降低淬透性，考虑其利弊，将Si含量控制在0.4％～1.0％。
MnMn能提高高铬铸铁的淬透性，但促使铸铁加热时晶粒长大，增大铸铁热裂倾向，因此Mn含量控制在0.6％～1.5％。
MoMo在α铁和γ铁中均有较大的溶解度，固溶强化效果好，高铬铸铁中加Mo可显著提高抗回火软化能力，Mo又可固溶到M7C3型碳化物中取代部分金属原子Fe、Cr。高铬铸铁中存在的大量M7C3碳化物具有较高的硬度，有望发挥“硬质抗磨相”的作用，但随着温度升高，碳化物化学稳定性会有所下降，碳化物在高温氧化气氛中先于基体而氧化分解，这将使其无法发挥“硬质抗磨相”的作用。Mo加入高铬铸铁可使碳化物化学稳定性显著提高，其主要原因是金属原子Mo固溶到M7C3碳化物中取代部分金属原子Fe、Cr以后，Mo原子与Fe、Cr及C原子形成的金属键和类金属键都较原来的碳化物中的同类化学键强，因此Mo可显著提高高铬铸铁的高温耐磨性，但Mo价格高，加入量过多，将增大铸铁成本，因此将Mo含量控制在0.4％～1.5％。
NiNi是一种扩大奥氏体区，稳定奥氏体的合金元素，它不形成碳化物，主要溶于基体，与Cr、Mo等联合加到铸铁中，能显著提高铸铁的热强度和热疲劳强度，并能在一定程度上提高铸铁的抗氧化能力。而基体组织的高温强度对发挥碳化物抵抗高温磨料磨损的作用将起到不容忽视的作用，因为它直接关系到能否对碳化物提供良好的支撑条件。因此，有利于提高合金高温强度的元素，将有利于提高合金的高温耐磨性，但我国Ni资源缺乏，Ni价格高，综合考虑将Ni含量控制在0.5％～1.2％。
NbNb是一种强碳、氮化物形成元素，与C、N均有很大的亲合力，在高铬铸铁中，Nb主要以Nb(C，N)的形式存在，分布在基体上，而Nb(C，N)的析出温度大于1300℃，在高铬铸铁的液相线以上就已形核析出，Nb(C，N)的析出引起了周围熔体中Fe、Cr元素的大量富集，促使初生奥氏体在Nb(C，N)周围形核析出。Nb含量越高，析出的Nb(C，N)数量越多，在其表面优先析出的奥氏体晶核也越多，奥氏体的细化作用就愈好。此外，Nb还降低共晶温度，促使Cr碳化物形核率增加，从而导致碳化物的均匀细化，初生奥氏体和共晶碳化物的细化，有助于高铬铸铁韧性的大幅度提高。Nb还可提高碳化物显微硬度，延缓高温热处理后碳化物硬度的降低，因此Nb还可增大高铬铸铁的耐磨性，Nb加入量过多，组织中Nb(C，N)数量增多，尺寸增大，反而增大铸铁脆性，因此将Nb含量控制在0.1％～0.5％。
MgMg与S、O有极大的亲合力，可发生剧烈的冶金反应，去除铸铁中的O和S，减少铸铁中的氧化物和硫化物夹杂。当脱O、脱S产物中的部分MgO和MgS来不及上浮至铁液面而排除时，凝固后便成为铸铁夹杂。铁液凝固时，首先形成MgO，它可作为随后凝固的MgS、MnS和其它夹杂的核心。由于MgO在铁液中特别分散，因此Mg可改变铸铁中夹杂物的类型、数量、大小、形态和分布。适量的Mg可使铸铁中夹杂物变得细小、分散。原尺寸大、带棱角的Al2O3夹杂被尺寸小、呈球形的MgO和含MgO的复合夹杂所取代；原尺寸大、长条状的MnS夹杂被尺寸小、近球形的MgO、含MgO复合夹杂和MgS·MgO复合夹杂所取代，因而提高了夹杂物与基体抵抗裂纹形成与扩展的能力，改善了铸铁的韧性。Mg是表面活性元素，它偏聚于晶界或相界并能与Cr、Mo等原子半径相近的元素共同形成合金碳化物，因此适量Mg能提高界面能，使γ-碳化物相界面张力与γ-γ相界面张力的比值σY-c/σY-Y增高，故适量Mg能分割碳化物并改变其形态，使碳化物分散和细化，有利于铸铁韧性的提高。Mg加入量不足将不能使铸铁发生充分的脱O、脱S反应，不利于夹杂物的去除。加入量过多不仅造成Mg的浪费，而且由于反应过于剧烈，将使上浮到铁液表面的MgO、MgS等夹杂重新卷入铁液中，对铸铁性能产生不利的影响。因此将Mg含量控制在0.002％～0.010％。
ZnZn促使高铬铸铁中碳化物变得细小、孤立、尖角圆钝，数量增加，碳化物数量增加是由于形成了含Zn复合碳化物的缘故，对耐磨性的提高是有利的。碳化物形态的改善主要是由于Zn提高C原子的活度，使高铬铸铁热处理时C的扩散能力增强，促使条状碳化物熔断及加速其尖角部分的溶解，而孤立的碳化物变得圆钝以至球化。此外Zn的沸点低(911℃)，加入铁水后，迅速汽化，汽化的Zn原子在铁水中可成为大量的原子集团，在铁水凝固过程中，一些原子集团造成碳化物点阵上的空位。由于空位的存在，在高温下喜爱于晶体内发生运动，而按空位机理扩散时，Fe、C原子跳动频率较高，扩散较快，因此空位的存在加速了碳化物的溶解和扩散，致使其形态得到改善，有利于高铬铸铁韧性的大幅度提高。但Zn加入量过多，导致出现大量含Zn复合碳化物，反而降低铸铁韧性，因此合适的Zn含量是0.008％～0.050％。
CaCa与氧有很大的亲合力，Ca的脱氧能力很强。Ca对铸铁中夹杂物的变质具有显著作用，铸铁中加入适量Ca可将铸铁中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，铸铁中加入适量Ca还显著降低S在晶界的偏聚，Ca对降低铸铁脆性和提高高铬铸铁铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入过多的Ca将使铸铁中夹杂物增多，对铸铁韧性的提高不利，合适的Ca含量为0.02％～0.08％TiH和N在铸铁中有一定的溶解度，高铬铸铁中含有大量的Cr，而Cr增加H、N在铸铁中的溶解度。此外，H、N的溶解度随温度的增加而增大，特别是在熔点温度附近，溶解度的变化更大，因此在凝固过程中就可能有氢气和氮气析出，H和N主要以两种形式存在①固溶在金属基体中或形成某种化合物，这会降低铸铁的韧性；②以气泡的形式析出，在晶粒间造成极微小的气孔，它不但降低韧性，而且也会降低铸铁耐磨性。高铬铸铁中加入适量Ti，可与铸铁中的N结合生成TiN，它具有除N的作用，并生成细小而数量不多的TiN，使铸铁冲击韧性提高，耐磨性改善。Ti含量过高，TiN颗粒增多，尺寸增大，铸铁韧性反而下降。因此将Ti含量控制在0.08％～0.15％。
CeCe是表面活性元素，可以在共晶碳化物上选择吸附，共晶凝固时，它主要聚集于共晶碳化物优先生长的方向上，阻止铁液中Fe、Cr、C等原子正常长入共晶碳化物的晶体中，从而降低了共晶碳化物领先相在这个方向的生长速度，迫使共晶碳化物变小、变钝。此外，共晶奥氏体将伸入过冷相区中生长，对该生长方向上的碳化物形成包围外壳，也限制并降低了该方向上共晶碳化物的生长速度，这就进一步促使共晶碳化物变小、变钝。Ce也增加奥氏体的形核作用，促使奥氏体组织更加紧密、细小和均匀，由于共晶碳化物和奥氏体的细化，高铬铸铁的韧性显著提高。但过量的Ce促使铸铁中夹杂物增多，反而降低铸铁韧性，因此将Ce含量控制在0.03％～0.10％。
不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有P和S，均是有害元素，为了保证筛板的强度、韧性和耐磨性，将P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.04％以下。
多元高铬耐磨铸铁筛板的性能还与铸造工艺和热处理工艺有直接关系，其制订依据是筛板在非机械加工下直接装机使用，对铸件尺寸精度和外观质量要求较高，树脂砂铸型与传统的水玻璃砂铸型和粘土砂铸型相比具有以下特点①铸件尺寸精度高；②铸件表面光洁，粗糙度可达Ra12.5～6.3μm；③铸件废品率低，小于2％；④劳动强度低。
因此筛板铸造选用树脂砂铸型。树脂砂有热硬树脂砂和冷硬树脂砂两大类，后者是以呋喃树脂或酚醛树脂作粘结剂，在酸性催化剂作用下，在常温下使型砂自行硬化成型。它具有操作简便的特点，因此铸造筛板采用冷硬树脂砂铸型。虽然含氮量高的树脂砂溃散性较好，但含氮量高时，树脂变粘，树脂砂发气量增大，铸件内部易出现气孔，因此采用含氮量低的树脂砂铸造筛板。
由于树脂砂的高温性能较差，树脂砂铸型又需采用高温浇注，因此必须选用适合高温铁水浇注的抗粘砂涂料，通过比较各种涂料的性能，选用醇基涂料，它不需烘干，具有节约能源，生产率高，抗粘砂性能好和降低铸件成本及提高铸件精度等优点。
高铬铸铁筛板中含有较多的合金元素，其铸态组织为共晶碳化物+奥氏体+马氏体。筛板热处理目的是使奥氏体稳定化和消除铸造应力，因为筛板在较高温度下工作，除要求有较高的耐磨性，还要求有一定的耐热性和组织稳定性。热处理温度较低时，因奥氏体中含有较多的合金元素，有较高的稳定性，因此不易分解；热处理温度大于500℃时，过饱和奥氏体分解析出细小的特殊碳化物，从而使奥氏体中C及合金元素含量降低，提高了Ms点，使奥氏体在随后的冷却中转变成马氏体。温度超过620℃时，过饱和奥氏体已全部转变成马氏体，二次碳化物颗粒显著长大，使二次碳化物的弥散度降低，高铬铸铁硬度反而下降。为此本发明选用的热处理工艺是520～600℃×(4～6)小时，然后空气冷却至室温。筛板热处理后的金相组织为共晶碳化物+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。
上述热处理工艺取消了高温淬火，只需进行一次低温亚临界淬火处理，节约能源，降低成本，简便易行，低温热处理还可确保筛板不变形、不开裂，筛板最终硬度在55HRC以上，冲击韧性在10J/cm2以上，抗弯强度大于890MPa，综合性能优良。
本发明效果①采用本发明制造的筛板，生产工艺简便，金相组织中含有24％～33％高硬度共晶碳化物，导致筛板宏观硬度高，达到55HRC～60HRC，比普通CrMnN耐热钢硬度(24HRC～27HRC)成倍提高，具有优良的耐磨性。
②高铬耐磨铸铁筛板经Ce、Nb、Ca、Ti、Zn和Mg复合变质处理后，基体组织明显细化，共晶碳化物由条、带状变成小块状和团球状，导致高铬耐磨铸铁力学性能大幅度提高，抗弯强度达到890Mpa～960Mpa，冲击韧性达到10J/cm2～13J/cm2。
③多元高铬耐磨铸铁具有良好的铸造性能，浇注筛板时的工艺出品率达到70％～73％，而用CrMnN钢浇注筛板的工艺出品率仅为52％～58％。
④本发明筛板的使用寿命比CrMnN耐热钢筛板提高一倍以上。
下面是发明人给出的实施例。
实施例1、配料各种物料的用量(重量％)
普通废钢48.76 碳素铬铁33.6中碳铬铁4.7 不锈钢废料9.1钼铁1.2 锰铁0.6硅铁0.25 含锌物质0.16镁镍合金0.02 铈基稀土0.29钛铁0.43 铌铁0.58硅钙合金0.31脱氧剂铝占铁水重量的0.2％。
2、熔炼用500kg酸性中频感应电炉熔炼①将243.8kg普通废钢、168kg碳素铬铁、23.5kg中碳铬铁、45.5kg不锈钢废料和6kg钼铁混合装入炉中熔化，铁水熔清后，加入3kg锰铁和1.25kg硅铁；②温度升至1590℃时，加入1kg铝作脱氧剂，脱氧后立即出铁水到浇包内，浇包内预先放置有粒度10mm～13mm，并经200℃烘干过的1.55kg硅钙合金、2.9kg铌铁、0.1kg镁镍合金、0.8kg含锌物质、2.15kg钛铁和1.45kg铈基稀土；3、筛板的铸造①用呋喃树脂冷硬树脂砂型铸造，涂料选用醇基锆英粉涂料，其配比为锆英粉100％，聚乙烯醇缩丁醛2％，乙醇40％，浇注温度为1420℃；②浇注4小时后开箱空冷筛板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；4、筛板热处理筛板在箱式电阻炉中进行热处理，其处理工艺是在580℃时保温5小时，取出筛板空气冷却。
从筛板上取样进行化学分析，其成分如下(重量％)2.91C，25.81Cr，0.63Si，0.78Mn，0.73Mo，0.82Ni，0.15Nb，0.004Mg，0.07Ce，0.05Ca，0.013Zn，0.11Ti，0.015S，0.039P，其余为Fe。
在筛板实体上切取20mm薄片测试硬度为57.2HRC。
在筛板实体上切取10mm×10mm×55mm无缺口试样，测试多元高铬耐磨铸铁筛板的冲击韧性为11.7J/cm2。
在与筛板同炉浇铸的Y型试块上切取φ30mm×340mm试样，测试材质的抗弯强度为927.6MPa。
取本发明筛板进行装机使用，结果如下使用条件是烧结矿振动筛，振动筛振动频率750次/min，筛面倾角3.5°，落料量220吨/h。矿石粒度≤220mm，矿石普氏硬度f＝16～19，矿石显微硬度HV＝1000～1200，矿石温度800～950℃，矿石经锤式破碎机破碎后滑落到筛板的高度是7m。本发明筛板平均使用寿命8640小时，筛分烧结矿量190.8万吨，原CrMnN耐热钢筛板的平均使用寿命是3600小时，筛分烧结矿量79.2万吨。
本发明的多元高铬耐磨铸铁筛板强度高，韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，使用过程中不断裂，使用性能明显优于CrMnN耐热钢筛板，熔炼工艺简单，铸造流动性好，不需要进行高温热处理，贵重合金元素(Ni和Mo)含量低，因而生产成本低。本发明的多元高铬耐磨铸铁筛板，可以显著提高振动筛作业率，降低烧结矿筛分成本，具有很好的经济效益。
权利要求
1.一种用于各类烧结矿振动筛的多元高铬耐磨铸铁筛板，其特征在于，该筛板的化学成分是(重量％)C 2.2～3.2Cr18～28Mn0.6～1.5Si0.4～1.0Mo0.4～1.5Ni0.5～1.2Nb0.1～0.5Ca0.02～0.08Zn0.008～0.050Mg0.002～0.010Ce0.03～0.10 Ti0.08～0.15。其余为Fe和不可避免的微量杂质。
2.如权利要求1所述的多元高铬耐磨铸铁筛板的制造方法，用电炉熔炼而成，其特征在于，其工艺步骤是①将普通废钢、不锈钢废料、碳素铬铁、中碳铬铁和钼铁混合加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1550℃～1600℃，加入占铁水重量0.15％～0.40％的铝脱氧，而后出炉；③将镁镍合金、硅钙合金、铈基稀土、含锌物质、铌铁和钛铁破碎至粒度小于18mm的小块，经220℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行复合变质处理；④用冷硬树脂砂造型，铸型涂料用醇基涂料，浇注温度1400℃～1440℃；⑤浇注2h～6h后开箱空冷筛板，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；⑥筛板在520℃～600℃进行热处理，保温时间4h～6h，然后空气冷却至室温，即可得成品。
全文摘要
本发明公开了一种用于各类烧结矿振动筛的多元高铬耐磨铸铁筛板及其制造方法，其化学成分是(重量％)C2.2～3.2;Cr18～28 Mn0.6～1.5;Si0.4～1.0 Mo0.4～1.5;Ni0.5～1.2 Nb0.1～0.5;Ca0.02～0.08;Zn0.008～0.050;Mg0.002～0.010;Ce0.03～0.10;Ti0.08～0.15。其余为Fe和不可避免的微量杂质。本发明筛板利用电炉生产，采用冷硬树脂砂型铸造，筛板抗弯强度高，达到890MPa～960MPa，硬度达到55HRC～60HRC，具有良好的耐磨性，冲击韧性达到10J/cm
文档编号B07B1/28GK1439738SQ0311458
公开日2003年9月3日 申请日期2003年3月28日 优先权日2003年3月28日
发明者符寒光, 邢建东, 蒋志强, 杜建铭 申请人:西安交通大学