本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种超高铬铸铁及其制备方法。
背景技术：
磷肥厂输送的磷石膏浆料的密度是1.15t/m3，pH值介于2～3之间，石膏粉的粒度通常小于30μm。因此，输送含固体颗粒的高浓度磨蚀性渣浆的泵耐磨件如护套、护板、叶轮、副叶轮和减压盖等运行工况恶劣。在这种强酸腐蚀和磨损工况下，高铬铸铁由于耐蚀性差，使用寿命大幅降低；而耐腐蚀性好但不耐磨的高合金不锈钢的使用寿命也相当有限。
目前，超高铬铸铁在过流件的制造中应用最为广泛。研究表明，过流介质中含的是比超高铬铸铁组织中碳化物软的高炉烧结颗粒或水泥熟料颗粒时，大量碳化物的存在有利于提高耐磨性。但超高铬铸铁中碳化物数量提高到一定程度时，会导致超高铬铸铁的韧性急剧下降。
现阶段国内用于输送磷石膏浆料泵过流件的效果较好的材质是石家庄泵业集团有限责任公司2003年左右研制的，代号是SSA。赵亚忠和朱保钢分别在论文《超高铬抗磨损耐腐蚀铸铁的研制及应用》和《耐蚀抗磨新型铸铁材料的研究及应用》中给出了这种铸铁材料的成分，其主要化学成分是：碳1.65-2.5％，硅0.7-2.4％，锰2.0-3.5％，铬30-40％，钼＜3.0％，镍＜3.0％，铜＜2.0％，采用专门的细化剂和低温快浇工艺减少铸造时出现裂纹缺陷，材料在使用前进行退火处理(750～870℃保温3～8小时)，材料的硬度在39～50HRC之间，冲击功在5.0～8.0J/cm2之间。
虽然由SSA制备的用于输送磷石膏浆料泵过流件使其使用寿命在一定程度上有了较大的提高，但材料的硬度和耐磨性仍然不够高，使用寿命还偏低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种耐酸、耐磨且韧性好的超高铬铸铁。
本发明提供了一种超高铬铸铁，包括如下质量含量的组分：C 2.55～2.75％，Si 0.7～1.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr40.5～45.0％，Mo 1.0～3.0％，Ni 1.0～3.0％，Cu 1.0～2.0％，Ti 0.2～0.5％，V 0.2～0.5％以及余量的Fe。
优选的，所述超高铬铸铁包括如下质量含量的组分：C 2.58～2.71％，Si 0.9～1.2％，Mn 0.7～1.2％，Cr 41.0～44.0％，Mo 1.5～2.5％，Ni 1.5～2.5％，Cu 1.3～1.8％，Ti 0.22～0.4％，V 0.22～0.4％以及余量的Fe。
优选的，所述超高铬铸铁中碳化物的体积含量为35～40％。
本发明还提供了上述超高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁源、硅源、铬源、锰源、钼源、镍源和铜源加热熔化，得到混合熔体；
(2)将所述步骤(1)中得到的混合熔体与钛源和钒源混合，保温得到合金液；
(3)将所述步骤(2)中得到的合金液与变质剂混合进行变质，得到变质合金液；
(4)将所述步骤(3)中得到的变质合金液浇注，得到铸锭；
(5)将所述步骤(4)中得到的铸锭退火，得到超高铬铸铁。
优选的，所述步骤(1)中熔化的温度为1500～1600℃。
优选的，所述步骤(2)中保温的温度为1450～1500℃。
优选的，所述步骤(3)中变质的温度为1500～1600℃。
优选的，所述步骤(3)中的变质剂包括钇基重稀土或铈基重稀土。
优选的，所述步骤(3)中变质剂的质量为步骤(2)中合金液质量的0.3～0.6％。
优选的，所述步骤(5)中退火的温度为880～920℃，退火的时间为3～8h。
本发明提供了一种超高铬铸铁，包括如下质量含量的组分：C 2.55～2.75％，Si 0.7～1.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr40.5～45.0％，Mo 1.0～3.0％，Ni 1.0～3.0％，Cu 1.0～2.0％，Ti 0.2～0.5％，V 0.2～0.5％以及余量的Fe。本发明提供的超高铬铸铁，通过提高碳和铬的含量，增加材料中碳化物的含量，在不降低其耐腐蚀性能的前提下提高其硬度，从而进一步提高其使用寿命；同时通过加入钛和钒进行细化处理，避免了韧性的降低。实验结果表明，本发明提供的超高铬铸铁的硬度可达51.7HRC，冲击韧性可达5.7J/cm2，在45％磷酸中的腐蚀率小于0.05mm·a-1。
本发明还提供了上述超高铬铸铁的制备方法，本发明提供的制备方法通过钛和钒的细化处理以及变质剂的变质处理，能够减少裂纹和冷隔等铸造缺陷，降低铸造生产的废品率，简单易行，可适用于大规模工业化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种超高铬铸铁，包括如下质量含量的组分：C 2.55～2.75％，Si 0.7～1.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr40.5～45.0％，Mo 1.0～3.0％，Ni 1.0～3.0％，Cu 1.0～2.0％，Ti 0.2～0.5％，V 0.2～0.5％以及余量的Fe。
本发明提供的超高铬铸铁包括2.55～2.75％的C，优选为2.58～2.71％，更优选为2.62～2.68％。在本发明中，所述C与Fe及合金元素形成碳化物，提高铸铁的硬度和耐磨性。
本发明提供的超高铬铸铁包括40.5～45.0％的Cr，优选为41.0～44.0％，更优选为42.0～44.0％。在本发明中，所述Cr能够提高铸铁的耐蚀性，同时与C和Fe形成复合碳化物，提高铸铁的硬度和耐磨性。
本发明提供的超高铬铸铁包括0.2～0.5％的Ti和0.2～0.5％的V，优选为0.22～0.4％的Ti和0.22～0.4％的V，更优选为0.25～0.3％的Ti和0.25～0.3％的V。在本发明中，所述Ti和V与C形成碳化物，起异质晶核的作用，细化了晶粒,提高冲击韧度。
本发明提供的超高铬铸铁包括0.7～1.5％的Si，优选为0.9～1.2％，更优选为1.06～1.13％。在本发明中，所述Si固溶于Fe基体中，达到固溶强化的作用。
本发明提供的超高铬铸铁包括1.0～3.0％的Mo，优选为1.5～2.5％，更优选为1.9～2.2％。在本发明中，所述Mo溶解于Fe基体和碳化物中，抑制珠光体的形成，提高淬透性，细化组织，提高硬度、耐磨性和韧性。
本发明提供的超高铬铸铁包括0.5～1.5％的Mn，优选为0.7～1.2％，更优选为0.8～1.0％。在本发明中，所述Mn抑制珠光体转变，稳定奥氏体和碳化物，提高铸铁的硬度、耐磨性和韧性。
本发明提供的超高铬铸铁包括1.0～3.0％的Ni，优选为1.5～2.5％，更优选为1.7～2.0％。在本发明中，所述Ni固溶于Fe基体中，提高铸铁的耐磨性能和耐蚀性能。
本发明提供的超高铬铸铁包括1.0～2.0％的Cu，优选为1.3～1.8％，更优选为1.6～2.0％。在本发明中，所述Cu固溶于Fe基体中，与Mo配合作用，提高淬透性，同时可以使碳化物变细和不连续，改变碳化物的形态，减轻基体被碳化物的割裂现象，提高韧性。
本发明提供的超高铬铸铁中还含有余量的Fe。在本发明中，所述Fe为超高铬铸铁的基体。
在本发明中，所述超高铬铸铁的微观组织包括铁素体和碳化物。在本发明中，所述碳化物的体积含量优选为35～40％，更优选为36～38％。在本发明中，所述碳化物优选包括(Cr,Fe)26C3、TiC和VC。在本发明中，所述碳化物呈条状，不连续分布于铁素体基体上。
本发明还提供了一种上述技术方案所述超高铬铸铁的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁源、硅源、铬源、锰源、钼源、镍源和铜源加热熔化，得到混合熔体；
(2)将所述步骤(1)中得到的混合熔体与钛源和钒源混合，保温得到合金液；
(3)将所述步骤(2)中得到的合金液与变质剂混合进行变质，得到变质合金液；
(4)将所述步骤(3)中得到的变质合金液浇注，得到铸锭；
(5)将所述步骤(4)中得到的铸锭退火，得到超高铬铸铁。
本发明将铁源、硅源、铬源、锰源、钼源、镍源和铜源加热熔化，得到混合熔体。本发明对所述铁源、硅源、铬源、锰源、钼源、镍源和铜源的种类和来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的合金原料即可。在本发明中，为降低成本，所述铁源、硅源、铬源优选包括废钢、高碳铬铁和低碳铬铁中的一种或多种。在本发明中，所述高碳铬铁中Cr的质量含量优选为50～65％，更优选为55～60％；所述低碳铬铁中Cr的质量含量优选为50～65％，更优选为55～60％。
在本发明中，所述锰源优选包括锰铁；所述锰铁中Mn的质量含量优选为50～85％，更优选为60～80％，最优选为65～75％。在本发明中，所述钼源优选包括钼铁；所述钼铁中Mo的质量含量优选为55～75％，更优选为60～70％，最优选为62～66％。在本发明中，所述镍源优选包括金属镍。在本发明中，所述铜源优选包括金属铜。
本发明对所述加热的升温速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的升温速率即可。在本发明中，所述加热的升温速率优选为1000～1500℃/h，更优选为1200～1300℃/h。在本发明中，所述熔化的温度优选为1500～1600℃，更优选为1520～1580℃，最优选为1540～1560℃。
加热熔化后，本发明优选在所述熔化温度下进行保温，得到混合熔体。在本发明中，所述保温的时间优选为3～15min，更优选为5～12min，最优选为7～9min。在本发明中，所述保温使合金元素在Fe液中均匀分布。
完成保温后，本发明优选将所述保温后的熔体进行脱氧，得到混合熔体。本发明对所述脱氧的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔体脱氧的技术方案即可。本发明优选将所述熔体与脱氧剂混合进行脱氧。在本发明中，所述脱氧剂的质量优选为熔体质量的0.08～0.12％，更优选为0.09～0.11％。在本发明中，所述脱氧剂优选包括铝粉；所述铝粉的粒径优选为10mm以下，更优选为3～8mm；所述铝粉的纯度优选为95％以上。
得到混合熔体后，本发明将所述混合熔体与钛源和钒源混合，保温得到合金液。在本发明中，所述保温的温度优选为1450～1500℃，更优选为1460～1480℃。所述保温的时间优选为8～20min，更优选为11～16min。
在本发明中，所述合金液的制备优选包括以下步骤：将混合熔体与钒源混合，进行第一保温，然后与钛源混合，进行第二保温得到合金液。在本发明中，所述第一保温的温度优选为1450～1500℃，更优选为1460～1480℃；所述第一保温的时间优选为3～10min，更优选为5～8min。在本发明中，所述第二保温的温度优选为1450～1500℃，更优选为1460～1480℃；所述第二保温的时间优选为5～10min，更优选为6～8min。
本发明对所述钛源和钒源的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的合金原料即可。在本发明中，所述钛源优选包括钛铁；所述钛铁中Ti的质量含量优选为25～45％，更优选为30～40％。在本发明中，所述钒源优选包括钒铁；所述钒铁中V的质量含量优选为40～75％，更优选为50～60％。在本发明中，所述钛源和钒源中的Ti和V与熔体中的C反应形成碳化物，为后续铸铁的凝固提供形核核心，细化晶粒，提高韧性，避免C和Cr含量的提高导致韧性的降低。
为避免熔体温度降低幅度过大，本发明优选在钛源和钒源使用前进行预热。在本发明中，所述预热的温度优选为470～580℃，更优选为490～550℃，最优选为520～530℃；所述预热的时间优选为2～4h。
得到合金液后，本发明将所述合金液与变质剂混合进行变质，得到变质合金液。在本发明中，所述变质优选采用包底冲入法。在本发明中，所述变质的温度优选为1500～1600℃，更优选为1520～1580℃，最优选为1540～1560℃。在本发明中，所述变质剂的质量优选为合金液质量的0.3～0.6％，更优选为0.4～0.5％。在本发明中，所述变质剂优选包括钇基重稀土或铈基重稀土。在本发明中，所述变质剂的粒径优选为10mm以下。本发明对所述变质剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售变质剂即可。在本发明中，所述变质能够改变碳化物的形态，细化组织，提高韧性；同时能够减少裂纹和冷隔等铸造缺陷，降低铸造生产的废品率。
变质完成后，本发明优选将所述变质后的物料进行除渣，得到变质合金液。在本发明中，所述除渣优选为镇静除渣；所述镇静的时间优选为3～5min。
得到变质合金液后，本发明将所述变质合金液浇注，得到铸锭。本发明对所述浇注的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浇注的技术方案即可。在本发明中，所述浇注的温度优选为1380～1400℃，更优选为1385～1395℃。在本发明中，所述浇注优选为砂型浇注。
完成浇注后，本发明优选将所述浇注后的产物冷却，得到铸锭。本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浇注冷却的技术方案即可。在本发明中，所述冷却的终止温度优选为200℃以下。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭退火，得到超高铬铸铁。在本发明中，所述退火的温度优选为880～920℃，更优选为890～910℃；所述退火的时间优选为3～8h，更优选为4～6h。本发明对所述退火的升温速率没有特殊的限定，采用本应用技术人员熟知的退火升温的技术方案即可。在本发明中，所述升温的速率优选为20～50℃/h，更优选为30～40℃/h。在本发明中，所述退火的冷却方式优选为随炉冷却。在本发明中，所述退火过程中二次碳化物析出，提高韧性和组织均匀性。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的超高铬铸铁及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
(1)用熔化炉熔炼，按比例加入各废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、锰铁、钼铁、镍、铜原料；在1500℃温度下将原料熔融为铁液；
(2)向铁液中加入铝粉，加入量为铁液重量的0.08％；
(3)将预热至470℃的钒铁加入铁液中，在1450℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中；
(4)将预热至470℃的钛铁加入铁液中，加热使钛铁全部熔化，然后将铁液温度提升至1500℃并出炉；
(5)采用包底冲入法对铁液进行变质处理，变质剂为占铁液重量0.3％的粒度小于10mm的钇基重稀土颗粒；变质完毕并镇静除渣后，在1380℃温度下将铁液浇入砂型中；
(6)铸件清理完成后，进行退火处理，880℃保温8小时，随炉冷却得到超高铬铸铁。
实施例2:
(1)用熔化炉熔炼，按比例加入各废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、锰铁、钼铁、镍、铜原料；在1600℃温度下将原料熔融为铁液；
(2)向铁液中加入铝粉，加入量为铁液重量的0.12％；
(3)将预热至580℃的钒铁加入铁液中，在1500℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中；
(4)将钛铁加入铁液中，加热使钛铁全部熔化，然后将铁液温度提升至1600℃并出炉；
(5)采用包底冲入法对铁液进行变质处理，变质剂为占铁液重量0.6％的粒度小于10mm的钇基重稀土颗粒；变质完毕并镇静除渣后，在1400℃温度下将铁液浇入砂型中；
(6)铸件清理完成后，进行退火处理，920℃保温3小时，随炉冷却得到超高铬铸铁。
实施例3:
(1)用熔化炉熔炼，按比例加入各废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、锰铁、钼铁、镍、铜等原料；在1550℃温度下将原料熔融为铁液；
(2)向铁液中加入铝粉，加入量为铁液重量的0.1％；
(3)将预热至520℃的钒铁加入铁液中，在1480℃温度下使钒铁全部熔化并均匀分散于铁液中；
(4)将钛铁加入铁液中，加热使钛铁全部熔化，然后将铁液温度提升至1550℃并出炉；
(5)采用包底冲入法对铁液进行变质处理，变质剂为占铁液重量0.5％的粒度小于10mm的钇基重稀土颗粒；变质完毕并镇静除渣后，在1390℃温度下将铁液浇入砂型中；
(6)铸件清理完成后，进行退火处理900℃保温5小时，随炉冷却得到超高铬铸铁。
用实施例1、2和3中得到的超高铬铸铁生产100ZGB渣浆泵的叶轮、护板和护套等流件，并随型浇注无缺口冲击韧性试样，试样尺寸为20mm×20mm×110mm。对得到的试样进行成分、力学性能和耐腐蚀性能检测，其中，耐腐蚀性能为45％磷酸中的腐蚀率，与石家庄泵业集团有限责任公司2003年研制的，代号是SSA的超高铬铸铁的成分及性能对比结果如表1所示。
表1对比例及实施例的超高铬铸铁成分及性能对比结果
由以上对比例及实施例可以看出，本发明提供的超高铬铸铁具有硬度高、韧性好且在强酸浆料中耐腐蚀和高耐磨的特点，能够用于制造输送含有强酸浆料的工业泵的过流件；本发明提供的制备方法简单经济，产品质量稳定。实际生产和现场使用表明：本发明提供的超高铬铸铁用于生产的过流件，产品的废品率小于8.0％，产品的使用寿命提高20％以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。