一种含碳化物奥铁体球墨铸铁及其制备方法
【专利摘要】一种含碳化物奥铁体球墨铸铁组成及质量百分含量为：C:3.10～3.60；Si:2.50～3.50；Mn:0.4～1.2；P≤0.040；S≤0.008；Mg:0.02～0.04；RE:0.02～0.045；Cr:0.30～1.80；V:0.19～0.60；余量为铁。其制备方法步骤如下：熔炼：配制原料，加热熔炼；将VNCR-80稀土镁球化剂置于包底凹槽，放置VI-370硅钡合金孕育剂，球化孕育后即制得铁液；将铁液浇注在砂型型腔中，冷却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁；将珠光体基体球墨铸铁放入加热至250～300℃的45%KNO3+55%NaNO3熔盐中，保温1.5～3.0小时后，再冷却至常温，得到本发明所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁。本发明的球墨铸铁是一种硬度高，强度高，韧性和耐磨性能好的含碳化物奥铁体球墨铸铁。
【专利说明】一种含碳化物奥铁体球墨铸铁及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种球墨铸铁及其制备方法，详细地说是涉及一种含碳化物奥铁体球 墨铸铁及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 冶金矿山领域在开米、研磨铁矿石时，需要消耗大量的耐磨零件，如磨球、衬板、锤 头、斗齿等，另外还存在许多磨损消耗的工序。同时，在矿山，电力、水泥、农机等行业，全国 每年也要消耗几百万吨的易损件，产值上千亿元，在全球资源日趋枯竭的今天，此乃巨大的 资源消耗。长期以来，国内外学者就致力于开发研究优质的新型抗磨材料以满足易磨损消 耗件的需要，从普通白口铸铁、高锰钢，镍硬铸铁，高铬白口铸铁以其堆焊等领域，其以优良 的耐磨性被广泛应用在要求抗磨料磨损的场合，但是由于韧性不够、屈服强度低、成本较高 等原因，不能满足实际工况，促使着人们思考从另一途径开发新一代的新型抗磨材料，随即 开展了含碳化物的奥铁体球墨铸铁材料的制备技术和应用研究。
[0003] 20世纪70年代出现的等温淬火的球墨铸铁（ADI)由于具有优异的综合力学性能， 特别是兼有好的耐磨性，在出现初期，就应用于工程材料，如农机、矿山等行业，但是多数是 工程结构件，而对于某些易磨损件、硬度要求较高的易损配件不能达到要求。含碳化物的等 温淬火球墨铸铁（CADI)作为ADI的衍生材料，通过增加基体组织中碳化物的存在、分布及 其数量，即增加了组织中坚硬的质点即硬质相，显著提高了材料的硬度。另外，由于CADI特 有的贝氏体+残余奥氏体基体组织，使CADI材料能够获得耐磨性的同时具有较高的冲击軔 度，与高铬白口铸铁、耐磨合金钢、耐磨锰钢等相比，优势明显，合金含量较低，且价格相对 便宜，具有高的钿性和高的耐磨性，故应用于对韧性和耐冲击性有一定要求，且耐磨性高的 零件，CADI是最佳的选择。
[0004] CN103131937A公开了一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法，其化学成 分及质量分数 ％ 为：C:3. 30?3· 70 ;Si:2_ 40?3. 30 ;Μη:0. 2~0· 5 ;Cr:0. 5?1. 0 ;Cu:0. 5?0. 8 ; P 彡 0. 08 ;S 彡 0. 025 ;Mg:0. 03~0_ 〇5 ;RE:0. 02?0· 04 ;纳米改性剂：0· 02?0· 18 ;其余为 Fe。 使用了纳米改性剂后的抗拉强度达到12〇5MPa，冲击韧性为32J/cm2,硬度（HRC)为48. 6,其 结果是提高了韧度，硬度，但改性剂的使用会增加工序难度，且提高成本，碳化物分布细小， 不够稳定易于转化，不利于规模化批量生产。
[0005] CN1019〇6565A公开了一种含碳化物奥铁体球墨铸铁磨球及其制造方法，磨球化学 元素组成的质量百分比为： c:3· 3?3· 7 ;Si:2. 4~3. 3 ;Mn:2. 5~3. 6 ;Cr:0. 6?1. 5 ;P < 0· 08% ; S < 0· 025% ;Mg:0. 03?0.05 ;Re:0. 02?0. 04,其余为Fe，该含碳化物奥铁体球墨铸铁即 CADI。该材料在制做磨球时，利用覆砂金属型铸造工艺，通过调整覆砂层的厚度和第一步配 制原料中所用Cr和Si的质量百分比两者之间的配合来控制其碳化物含量，操作有难度。 其结果是提高了硬度，降低了钿性。最高冲击韧性才到12. 5J/cm2。该材料仅涉及到制作磨 球，应用范围较窄。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有技术的硬度高而韧性低，易断裂，应用范围较窄的缺陷， 提出一种硬度高，强度高，韧性和耐磨性能好的含碳化物奥铁体球墨铸铁。
[0007] 本发明的另一个目的是提出一种所述含碳化物奥铁体球墨铸铁的砂型放置暗冷 铁的铸造方式，操作简单，便于实施，可工业化批量生产的制备方法。
[0008] 本发明的含碳化物奥铁体球墨铸铁的组成及质量百分含量为：c:3. 1〇~3· 60 ; Si:2. 50^3. 50 ；Mn:0. 4"1. 2 ；P < 0. 040 ；S ^ 0.008 ；Mg:0. 02^0. 04 ；RE:0. 02^0. 045 ； Cr:0_ 30?1· 80 ;V:〇. 19~0· 60 ;余量为铁。
[0009] 本发明的含碳化物奥铁体球墨铸铁的优选组成及质量百分含量为：C:3. 15~3. 5〇 ; Si:3. 00"3. 45 ；Μη:0. 5"1. 0 ；Ρ ^ 0. 040 ；S ^ 0.007 ；Mg: 0. 02^0. 04 ；RE: 0. 02^0. 045 ； Cr:0_ 3(Γ?· 80 ;ν:〇· 19?0· 60 ;余量为铁。
[0010] 本发明的含碳化物奥铁体球墨铸铁的最佳组成及质量百分含量为：C:3. 19; Si :3. 40 ;Μη:0· 55 ;P < 0.032 ;S < 0.006 ;Mg:0. 016 ;RE:0. 040 ;Cr: 1.72 ;V:0. 20 ;余量为 Fe〇
[0011] 本发明所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁的成分配比中同时添加适量的Cr、V碳化 物形成元素，Cr和V的同时加入，主要用于形成不同形状和大小的碳化物，较好的均匀的分 布于基体中，抑制或避免网状碳化物的形成，造成对基体的割裂作用，降低材料的韧性。
[0012] 合适的Μη和Si元素含量，主要有助于形成铁素体和珠光体的混合型球墨铸铁原 始组织，试验表明：珠光体组织的形成对碳化物的形成起促进作用，同时可稳定碳化物存 在。
[0013] 本发明所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁的制备方法，其具体步骤是： (1) 熔炼：配制原料，加热熔炼，待铁液加热至1450?148(TC出炉； (2) 铁液球花孕育处理：采用包内冲入法球化孕育，浇包底部为台阶式，将VNCR-80稀 土镁球化剂置于包底凹槽，上面放置VI-370硅钡合金孕育剂，铁液浇注在台阶处反冲入孕 育剂上，40秒后即制得铁液；将上述铁液在温度 1350?142(TC，浇注在放置暗冷铁的砂型 型腔中，浇注时间3〇? 5〇秒，冷却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁。该 球墨铸铁碳化物含量为10?3〇%，石墨球化率达到广2级，细小且分布均匀。
[00M] VNCR-80稀土镜球化剂加入量为原料质量的0. 8?1. 3%。
[0015] VI-370硅钡合金孕育剂加入量为原料质量的〇. 3?〇. 6%。
[0016] (3)盐浴等温淬火热处理：将含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁，加热至 880?92CTC，保温2?4小时，然后放入加热至250?30(TC的45%KN03+55%NaN03熔盐中， 保温1· 5?3. 0小时，取出置于空气中冷却至常温，得到本发明所述的含碳化物奥铁体球墨 铸铁。
[0017]本发明方法制备的含碳化物奥铁体球墨铸铁的金相组织由奥铁体、碳化物、石墨 球和少量的马氏体组成。
[0018]本发明与现有含碳化物奥铁体球墨铸铁及其制备方法相比较，本发明的优点在 于： (1)本发明是在球墨铸铁的现有成分配比基础上，提高Si的含量，同时添加 Cr和V元 素，铸态结晶时易于形成硬度较高的Cr和V的碳化物或Cr22VC6型碳化物。本发明所述成 分配比所形成的奥铁体球墨铸铁材料，较好地均匀分布于基体中，抑制或避免网状碳化物 的形成，造成其对基体的割裂作用，很好的保留有高的韧性。又有一定的硬度，同时兼具高 的耐磨损性能。
[0019] (2)本发明方法利用普通C02硬化水玻璃砂或树脂砂型、砂型中置放暗冷铁的铸造 工艺，冷铁的放置可提高原铁液结晶时冷却速度，利于碳化物的析出，并提高石墨球数量。 [0020] (3)本发明方法利用盐浴等温淬火热处理工艺获得奥铁体(或称为贝氏体+残余 奥氏体）基体组织，其组织分布均匀，有利于提高球墨铸铁的力学性能。试验证明：本发明 等温淬火奥铁体球墨铸铁试样的冲击籾性是高铬铸铁（018?20)的4?6倍，硬度达到 HRC52?57,与其相当或稍低，耐磨性好，冲击疲劳寿命较高，且强度较高，使用较为安全。 [00 21] (4)使用本发明成分配比和制备方法制备的奥铁体球墨铸铁(g卩CADI)试样在三体 磨损试验机做磨损试验，与高铬铸铁比较，磨损失重是高铬铸铁的1/3?1/2,具有较好的 耐磨损性能，同时具有良好的抗冲击韧性，确保了耐磨损材料在冲击磨损工况使用中不易 破碎或破裂安全性要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1本发明球墨铸铁电子探针照片。
[0023]图2实施例1的球墨铸铁金相组织。
[0024] 图3实施例2的球墨铸铁金相组织。
[0025] 图4实施例3的球墨铸铁金相组织。
[0026] 图5实施例4的球墨铸铁金相组织。
[0027] 图中：1. V碳化物；2. Cr碳化物；3. CrV碳化物；4.石墨球；5.奥铁体。
【具体实施方式】
[0028] 实施例1 组成和质量百分比为：C:3. 19 ;Si:3. 40 ;Μη:0· 55 ;P < 0.032 ;S < 0.006 ;Mg:0. 016 ; RE:0. 040 ;Cr:l. 72 ;V:0. 20 ;余量为 Fe。
[0029] (1)熔炼：将配置好的合金炉料放入中频感应电炉中，加热并熔化成球墨铸铁合金 铁液，出炉温度1480?左右。
[0030] (2)铁液球花孕育处理：采用包内冲入法球化孕育，浇包底部为台阶式，将 VNCR-80稀土镁球化剂置于包底凹槽，上面放置VI-370硅钡合金孕育剂，铁液浇注在台阶 处反冲入孕育剂上，40秒后即制得铁液。将上述包中铁液在温度1370°C浇注在放置暗冷铁 的砂型型腔中，浇注时间为35秒。冷却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸 铁，碳化物含量为23%，石墨球化率达到1级，细小且分布均匀。
[0031] (3)盐浴等温淬火热处理：首先将含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁，置于 电炉中加热至900°C，保温2小时，然后放入加热至260°C ±2的45%KN03+55%NaN03熔盐中， 保温2小时，取出置于空气中冷却至常温，得到本发明所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁。性 能见表1。
[0032] 实施例2 组成和质量百分比为：C:3. 24 ;Si:3. 31 ;Μη:0· 56 ;P < 0. 030 ;S < 0. 006 ;Mg:0. 027 ; RE:0. 039 ;Cr: 1· 19 ;V:0. 21 ;余量为 Fe。
[0033] (1)熔炼：同实施例1。
[0034] (2)铁液球花孕育处理：同实施例1。浇注温度为i35(rc，浇注时间为30秒。冷 却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁，碳化物含量为18%，石墨球化率达到 1级，细小且分布均匀。
[0035] (3)盐浴等温淬火热处理同实施例1。性能见表K
[0036] 实施例3 组成和质量百分比为：C:3. 28 ;Si:3_ 06 ;Μη:0· 57 ;P < 0. 033 ;S < 0. 007 ;Mg:0. 021 ; RE:0. 028 ;Cr:0. 68 ;V:0. 21 ;余量为 Fe。
[0037] (1)熔炼：同实施例1。
[0038] (2)铁液球花孕育处理：同实施例1。浇注温度为136(TC，浇注时间为38秒。冷 却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁，碳化物含量为13%，石墨球化率达到 2级，细小且分布均匀。
[0039] (3)盐浴等温淬火热处理同实施例1。性能见表κ
[0040] 实施例4 组成和质量百分比为：C:3. 21 ;Si:3. 37 ;Μη:0. 54 ;P < 0. 030 ;S < 0. 006 ;Mg:0. 021 ; RE:0· 031 ;Cr:0_ 30 ;V:〇_ 19 ;余量为 Fe。
[0041] ( 1)熔炼：同实施例1。
[0042] (2)铁液球花孕育处理：同实施例1。浇注温度为1354?，浇注时间为40秒。冷 却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁，碳化物含量为11%，石墨球化率达到 2级，细小且分布均匀。
[0043] (3)盐浴等温淬火热处理同实施例1。性能见表1。
[0044] 表1本发明的含碳化物奥铁体球墨铸铁性能
【权利要求】
1. 一种含碳化物奥铁体球墨铸铁，其特征是组成及质量百分含量为：c:3. 10?3. 60 ; Si:2. 50 ?3. 50 ;Μη:0· 4 ?1. 2 ;P 彡 0· 040 ;S<0. 008 ;Mg:0. 02 ?0· 04 ;RE:0. 02 ?0· 045 ; Cr:0. 30 ?1. 80 ;V:0. 19 ?0· 60 ;余量为铁。
2. 根据权利要求1所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁，其特征是组成及质量百分含量 为：C:3. 15 ?3. 50 ;Si:3. 00 ?3. 45 ;Μη:0· 5 ?1. 0 ;Ρ 彡 0· 040 ;S 彡 0· 007 ;Mg:0. 02 ? 0· 04 ;RE:0. 02 ?0· 045 ;Cr:0. 30 ?1. 80 ;V:0. 19 ?0· 60 ;余量为铁。
3. 根据权利要求1所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁，其特征是组成及质量百分含量 为：C:3. 19 ;Si:3. 40 ;Μη:0· 55 ;Ρ < 0.032 ;S < 0.006 ;Mg:0. 016 ;RE:0. 040 ;Cr: 1.72; V:0. 20 ;余量为 Fe。
4. 权利要求1所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁的制备方法，其特征是步骤如下： (1) 熔炼：配制原料，加热熔炼，待铁液加热至1450?1480°C出炉； (2) 铁液球花孕育处理：采用包内冲入法球化孕育，浇包底部为台阶式，将VNCR-80稀 土镁球化剂置于包底凹槽，上面放置VI-370硅钡合金孕育剂，铁液浇注在台阶处反冲入孕 育剂上，40秒后即制得铁液；将上述铁液在温度1350?1420°C，浇注在放置暗冷铁的砂型 型腔中，浇注时间30?50秒，冷却后即制备含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁； (3) 盐浴等温淬火热处理：将含碳化物和石墨球的珠光体基体球墨铸铁，加热至880? 920°C，保温2?4小时，然后放入加热至250?300°C的45%KN0 3+55%NaN03熔盐中，保温 1. 5?3. 0小时，取出置于空气中冷却至常温，得到本发明所述的含碳化物奥铁体球墨铸 铁。
5. 根据权利要求4所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁的制备方法，其特征是所述 VNCR-80稀土镁球化剂加入量为原料质量的0. 8?1. 3%。
6. 权利要求4所述的含碳化物奥铁体球墨铸铁的制备方法，其特征是所述VI-370硅钡 合金孕育剂加入量为原料质量的〇. 3?0. 6%。
【文档编号】C21D1/20GK104233051SQ201410436800
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月30日 优先权日:2014年8月30日
【发明者】李继林, 郑开宏, 刘巧燕, 高萌, 甘春雷, 王娟, 宋东福, 张永进, 朱耀 申请人:广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)