专利名称：一种低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种铸铁及其制备方法，特别是一种低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁及其制造方法，该过共晶高铬铸铁适用于制造输送具有强烈磨损性浆料的渣浆泵过流件，如叶轮、护板和护套等。
背景技术：
高铬铸铁是一类应用非常广泛的重要耐磨材料，由于组织中大量存在的高硬度M7C3型碳化物而具有优良的耐磨性，同时由于共晶碳化物形貌呈杆状分布而较其它白口铸铁的韧性有所改善。因此广泛用于冶金、矿山、水利、电力、化工等领域的各类磨损部件以及各种输送含固体颗粒流体泵的过流件(叶轮、护套和护板)。高铬铸铁中的铬不仅可有效提高材料在浆料中的腐蚀抗力，同时大量存在的含铬M7C3型碳化物有力地提高了材料的磨损抗力，提高了过流件的使用寿命。高铬铸铁中碳化物数量的增加对过流件冲蚀磨损抗力的提高具有重要的影响。但碳化物数量提高到一定程度，在高铬铸铁中将会出现粗大的初生碳化物，导致高铬铸铁的韧性急剧下降，从而使过共晶高铬铸铁失去使用价值。因而，目前用于这一类过流件高铬铸铁的碳当量通常以不超过共晶点为上限的亚共晶高铬铸铁，如我国耐磨材料国家标准中的KMTBCr26和KMTBCr15Mo3等铸铁。
含碳量较高的过共晶高铬铸铁的耐磨性能优于工业上常用的亚共晶高铬铸铁，而且成本与亚共晶高铬铸铁相当，所以性价比高。但由于过共晶高铬铸铁中脆硬、粗大的碳化物存在而导致强度和韧性低，易产生裂纹等铸造缺陷，限制了其在耐磨部件上的应用。既要保持过共晶材料的高硬度特点，又要提高其强度及韧性，最好的办法就是细化其初生碳化物。所以细化碳化物、改变其分布形态，是提高过共晶高铬铸铁韧性的重要手段。
通常，人们分别采用孕育与变质的手段改善铸件的性能。孕育处理是加入有利于形核的元素，从而达到细化组织的一种工艺；而变质处理则是通过加入能改变组织中第二相生长的合金元素来改变第二相形态与分布的一种工艺。这两种工艺都能够不同程度的改善组织、提高性能。
专利公开号CN86108485A公开的一种“铬26系白口铸铁复合变质处理剂”，主要是利用Cu、Ti、Si、Mg等合金元素来对白口铸铁凝固过程中起变质作用改善其性能。但由于该几种元素价格较高，成本较高，且不适于过共晶高铬铸铁。再如专利号为CN1046195A公开的“铬锰系白口铸铁强效孕育剂”，它是利用Cr、C、Fe三种元素在白口铸铁凝固过程中对生核孕育的一下来改善铸铁的性能，但该技术仅限于应用在铬锰系白口铸铁中，不适于过共晶高铬铸铁。专利号为CN94112406.1公开的“铬系白口铸铁复合孕育剂”专利，选用Si、Mg、Re三种变质元素，它的应用范围也仅适于共晶或亚共晶高铬铸铁。专利号为CN92114598.5提供了一种高温耐磨合金及其制造技术，该合金以Cr为主要元素，并加入Ni、Mo、W、Cu、N、C、Si、Mn等元素，采用稀土和碱金属制成的中间合金进行变质处理。中间合金的成分为wt％RE3.00～20.00，Ca3.00～10.00，Ba5.00～20.00，Si20.00～35.00，余为Fe。该合金仅适于孕育亚共晶的高铬铸铁。专利CN93107390.1公开了一种“复合孕育变质剂”，它是灰铸铁件浇注前浇包中熔融金属液处理用的添加剂。它是以氮化剂为主，又含有稀土镁硅铁、铝、钛铁等多组元的复合孕育变质剂。对于高碳当量、高碳的近共晶的亚共晶、共晶或过共晶成分的灰铸铁，复合孕育变质剂具有孕育和变质的双重作用。没有提到氮化物对高铬铸铁的孕育作用。专利CN03114581.7公开了一种“多元高铬耐磨铸铁筛板及其制造方法”。在该专利中，在包底放置硅钙合金、铌铁、镁镍合金、铈基稀土、钛铁等孕育物质，采用冲入法细化法细化该高铬铸铁，提到了NbC等细化高铬铸铁的作用，但铌铁和钛铁等的加入量过高，成本较高。
专利WO2004/103608介绍了一种用消失模生产过共晶铸铁的方法，可用于生产渣浆泵、旋流器和破碎机等设备的部件。该方法的缺点是模具投资大，不适于单件小批的渣浆泵部件的生产；其能加入的孕育剂的最大量受到限制(一般不超过1％，最大不超过2％)；孕育剂的粒度较小，一般不超过100um，其表面的氧化物等杂质相对较多，而在该发明条件下，这些杂质都残留在铸件里，对材料的韧性有不利的影响。
美国专利5803152介绍了一种细化初生相方法，该方法适于所以有共晶相的合金(铝/硅，铜/银，特别针对白口铸铁)。该工艺是在浇注铸件的同时向金属液里加入孕育剂。其缺点是孕育剂的加入量偏高，其表面的氧化物等杂质一般都残留在铸件里，对对材料的韧性有不利的影响；浇注温度偏低，合金液的流动性不好，不大适合于生产渣浆泵过流件之类的复杂件。
在论文《变质处理对M2高速钢组织和性能的影响》中，凡定胜、符寒光等选用Y-K-Na复合变质剂，用包内冲入法对M2高速钢进行复合变质处理。
R.J.Llewellyn等人发表的一篇题名为《Scouring erosion resistance ofmetallic materials used in slurry pump service》论文。该论文介绍了一种用常规铸造生产的含铬5C-35Cr％具有细化初生碳化物的过共晶高铬铸铁的耐腐蚀冲刷性能，但该论文并没有介绍细化初生碳化物晶粒的方法。
在论文《高碳高铬白口铸铁材料及其应用》中，张山纲，张剑波等采用铬铁矿面砂、包内加入细化剂合金、低温浇注和向铁水流中加入1％左右的0.2～0.3mm合金铁丸等一系列工艺措施细化了4.0～6.0％C-30.0～40.0Cr％的过共晶合金，并用于生产渣浆泵过流件。但该文没有介绍其细化剂的成分，且因采用低温浇注(合金液充型时的温度比其液相线低约10℃左右)，合金液的充型能力差，冷隔等废品率较高，铸件的成品率低，质量不稳定。另外，由于加入2～3％左右的价格昂贵钼，原料成本约是KMTBCr26的3.5倍以上，所以该材料用于制造渣浆泵过流件时的价格偏高。
由以上分析可知，由于渣浆泵过流件的形状复杂，为了保证浇注出合格铸件，合金液的充型温度不应太低；仅仅包内孕育变质，不能达到细化过共晶高铬铸铁的目的，而仅仅随流孕育(浇注的同时向合金液加孕育剂)，即使能达到细化过共晶高铬铸铁的目的，也使合金的流动性变得很差；要选用适宜的化学成分，即要发挥过共晶高铸铁耐磨性好的优势，又要降低材料的成本。而以上检索到的论文或专利都没有给出适宜于“生产渣浆泵过流件”的低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁的生产方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种过共晶高铬铸铁及其制造方法，该过共晶高铬铸铁适用于制造输送具有强烈磨损性浆料渣浆泵过流件。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术方案一种低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁，其特征在于，该过共晶高铬铸铁含有以下重量比的化学成分C3.5～4.5％，Mn1.0～3.0％，Cr17～30％，Si0.5～1.5％，Cu1.0～2.0％，P≤0.06％，S≤0.06％，Ni≤1％，余量为铁。
上述过共晶高铬铸铁的制备方法，其特征在于，包括下列步骤1)首先按照权利要求1的组分配料，然后在500kg酸性中频感应电炉熔炼，温度升至1650℃时，加入铝作为脱氧剂，脱氧后立即将熔化的合金液到入浇包内；2)在浇包内采用二次孕育的方法进行细化初生碳化物，二次孕育是指孕育变质和随流孕育，孕育变质所用的孕育变质剂为的粒度10mm～13mm，由中间合金，钾盐，铈稀土镁合金组成，其中中间合金占处理合金液重量的0.5～2.0％，钾盐占处理合金液重量的1.0～3.0％，铈稀土镁合金占处理合金液重量的0.5～3.0％；随流孕育是通过在浇注的同时向金属液中加入粒度为70～140目的铁合金颗粒；随流孕育的铁合金颗粒的加入量为所处理过的过共晶高铬铸铁重量的1.2％～4.0.％；加入的方法为先将包内孕育变质剂按要求量放入浇包的底部，用冲入法将过共晶高铬铸铁液迅速冲入；在浇注过程中，随流孕育的铁合金颗粒按要求量在浇口杯处均匀加入共晶高铬铸铁液中；3)然后进行热处理，其方法是淬火缓慢升温至900℃～1050℃，保温4～6小时，然后空气冷却至室温；回火经淬火后的共晶高铬铸铁在温度300℃条件下保温2～4小时，即可得到硬度在64HRC以上，冲击韧性在5J/cm2以上的过共晶高铬铸铁材料。
本发明的过共晶高铬铸铁有以下特点1.采用C3.5～4.5％，Cr17～30％的化学成分，只含有1％左右的铜和小于1％的镍，不含钼等贵重元素，成本与KMTBCr26相当；2.采用中间合金的方法加入的Nb(C，N)、TiC、硼化物等促进形核的物质，不仅孕育效果显著，而且降低了成本；3.采用包内孕育(中间合金+钾盐+稀土镁)+随流孕育(合金粉)方法，细化效果显著；4.由于包内的孕育效果较好，合金液可以在较高的温度下浇注，合金液的充型温度高于其液相线60℃左右，合金液的流动性较好，能够铸造出合格的渣浆泵过流件。
图1为未处理的过共晶高铬铸铁金相组织图；图2是经过本发明方法的二次孕育处理后的金相组织图。
以下对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
合金材质的性能是由金相组织决定的，而于化学成分、热处理工艺和制备过程(孕育、造型、浇注等)都对材料的组织和性能有决定性的影响。
①化学成分的确定C在磨损工况下，希望材料具有优异的抗磨性，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％式中，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3.5％～4.5％。
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腐蚀性。当Cr/C＞5时，铸铁中的碳化物为M7C3型。故将Cr含量控制在17％～30％。
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，故将Si含量控制在0.5％～1.5％。
MnMn能提高高铬铸铁的淬透性，但增加残余奥氏体的含量，因此Mn含量控制在1.0％～3.0％。
NiNi能提高高铬铸铁的淬透性和材料的耐腐蚀性，但我国Ni资源缺乏，Ni价格高，综合考虑将Ni含量控制在≤1.0％。
CuCu能提高高铬铸铁的淬透性和材料的耐腐蚀性，但铜在奥氏体中的溶解度只有2％左右，因此Cu含量控制在1.0％～2.0％。
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，为了保证材料的强度、韧性和耐磨性，将P含量控制在0.06％以下，S含量控制在0.06％以下。
因此，最终的化学成分为(wt.％)
②孕育剂和孕育方法的确定本发明中，采用二次孕育(包内孕育变质和随流孕育)的方法。包内孕育剂的组成为(占处理合金液重量wt％)0.5～2.0中间合金+1.0～3.0钾盐+0.5～3.0％铈稀土镁合金。中间合金的成分为C1.0～4.0％，Mn1～5％，Cr2～4，Nb0.5～4％，V0.2～1％，Si05～1.0％，N0.04～0.12％，Ti0.1～1.0，B0.1～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。中间合金中含有的TiC、NbN、VN、NbC、VN和硼化物等颗粒可以作为促进初生碳化物形核的基体，可以增加初生碳化物的形核数量。加入的稀土、镁和钾盐等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化，有利于高铬铸铁力学性能尤其是韧性大幅度提高。随流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。
③铸造工艺和热处理工艺的确定过共晶高铬铸铁的性能还与铸造工艺和热处理工艺有直接关系，其制订依据是渣浆泵过流件的工作面在非机械加工下直接机使用，铸件尺寸精度和表面光洁度对其效率和使用寿命都有较大的影响，故应选用冷硬树脂砂铸型生产渣浆泵过流件。并选用醇基锆英涂料。
本发明选用的热处理工艺是淬火(缓慢升温至900～1050℃×(4～6)小时，空气冷却至室温)+回火(300℃×(2～4)小时)。热处理后的金相组织为初生碳化物+共晶碳化物+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体。
材料最终硬度在64HRC以上，冲击韧性在5J/cm2以上，综合性能优良。
采用本发明的过共晶高铬铸铁，能够制造渣浆泵过流件，其生产工艺简便，金相组织中含有30％～48％高硬度碳化物，导致宏观硬度高，达到≥64HRC，高出普通的亚共晶高铬铸铁KMTBCr26约4～6HRC，具有优良的耐磨性。
渣浆泵过流件经二次变质处理后，基体组织明显细化，初生碳化物由条、带状变成小块状和团球状，导致其力学性能大幅度提高，冲击韧性达到5J/cm2～8J/cm2。
过共晶高铬铸铁具有较好的铸造性能，浇注渣浆泵过流件时的工艺出品率达到60％～80％，废品率约为10％，与亚共晶高铬铸铁KMTBCr26相当。
采用本发明的过共晶高铬铸铁制备的渣浆泵过流件的生产成本比普通的亚共晶高铬铸铁KMTBCr26高约5～10％，而使用寿命是KMTBCr26的1.8～2.5倍。
下面是发明人给出的实施例。
实施例采用高碳铬铁、普通废钢、生铁、锰铁、废铜、镍板各种物料的用量按本发明的技术方案配料(wt％)；在500kg酸性中频感应电炉熔炼。温度升至1650℃时，加入铝作为脱氧剂，脱氧后立即出铁水到浇包内；浇包内预先放置有粒度为10mm～13mm的并经焙烧和烘干过的中间合金、钾盐(高锰酸钾)、铈稀土镁合金(包内处理时要采用防护措施)；浇包内孕育剂的组成为(占处理合金液重量wt％)0.5～2.0中间合金+1.0～3.0钾盐+0.5～3.0％铈稀土镁合金。
中间合金的成分为C1.0～4.0％，Mn1～5％，Cr2～4，Nb0.5～4％，V0.2～1％，Si05～1.0％，N0.04～0.12％，Ti0.1～1.0％，B0.1～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。
中间合金中含有的TiC、NbN、VC、NbC、VN和硼化物等颗粒可以作为促进初生碳化物形核的基体，可以增加初生碳化物的形核数量。加入的稀土、镁和钾等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化，有利于高铬铸铁力学性能尤其是韧性大幅度提高。随流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。
浇注温度为1440℃，在浇注的同时随流加入铸件重量的1.5～2.5％的合金铁粉进行二次孕育处理。该合金液的液相线约为1370℃，故合金液具有较好的充型能力。
3、过流件的铸造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；②浇注24小时后开箱空冷，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；4、热处理在箱式电阻炉中进行热处理，其处理工艺是淬火(缓慢升温至1010℃×5小时，空气冷却至室温)+回火(300℃×3小时)在过流件实体上切取20mm薄片测试硬度为65HRC。
同炉浇注的20mm×20mm×110mm无缺口试样，测试过共晶高铬铸铁的冲击韧性为6.2J/cm2。
本发明的过共晶高铬铸铁硬度高，韧性好，耐磨性优良，生产成本较低，具有很好的经济效益。
权利要求
1.一种低成本高耐磨性的过共晶高铬铸铁，其特征在于，该过共晶高铬铸铁含有以下重量比的化学成分C3.5～4.5％，Mn1.0～3.0％，Cr17～30％，Si0.5～1.5％，Cu1.0～2.0％，P≤0.06％，S≤0.06％，Ni≤1％，余量为铁。
2.一种过共晶高铬铸铁的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤1)首先按照权利要求1的组分配料，然后在酸性中频感应电炉熔炼，温度升至1650℃时，加入铝作为脱氧剂，脱氧后立即将熔化的合金液冲入放有孕育剂的浇包内；2)采用二次孕育的方法进行细化初生碳化物，二次孕育是指包内孕育变质和随流孕育，包内孕育变质所用的孕育变质剂为的粒度10mm～15mm，由中间合金，钾盐，铈稀土镁合金组成，其中中间合金占处理合金液重量的0.5～2.0％，钾盐占处理合金液重量的1.0～3.0％，铈稀土镁合金占处理合金液重量的0.5～3.0％；随流孕育是通过在浇注的同时向金属液中加入粒度为70～140目的铁合金颗粒；随流孕育的铁合金颗粒的加入量为所处理的过共晶高铬铸铁重量的1.2％～4.0.％；加入的方法为先将包内孕育变质剂放入浇包的底部，用冲入法将过共晶高铬铸铁液迅速冲入；在浇注过程中，将随流孕育的铁合金颗粒按要求量在浇口杯处均匀加入共晶高铬铸铁液中；3)然后进行热处理，其方法是淬火缓慢升温至900℃～1050℃，保温4～6小时，然后空气冷却至室温；回火经淬火后的共晶高铬铸铁在温度300℃条件下保温2～4小时，即可得到硬度在64HRC以上，冲击韧性在5J/cm2以上的过共晶高铬铸铁材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的中间合金含有下列重量百分比的化学成分C1.0～4.0％，Mn1～5％，Cr2～4，Nb0.5～4％，V0.2～1％，Si05～1.0％，N0.04～0.12％，Ti0.1～1.0％，B0.1～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。
全文摘要
本发明提供了一种过共晶高铬铸铁及其制造方法，过共晶高铬铸铁的主要成分为C3.5～4.5％，Mn1.0～3.0％，Cr17～30％，Si0.5～1.5％，Cu1.0～2.0％，P≤0.06％，S≤0.06％，Ni≤1％，余量为铁。其制备方法是采用二次孕育变质处理的方法细化初生碳化物，包内孕育剂的中间合金含有的TiN、NbN等颗粒作为促进初生碳化物形核的基体，增加初生碳化物的形核数量。稀土、镁和钾等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化。随流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。用过共晶高铬铸铁制造的渣浆泵过流件，生产工艺简便、成本低，铸造性好，具有优良的耐磨性和高的使用寿命。
文档编号C21D1/18GK1769508SQ20051009633
公开日2006年5月10日 申请日期2005年11月10日 优先权日2005年11月10日
发明者智小慧, 邢建东, 高义民, 周会永 申请人:西安交通大学