一种高韧性高耐磨性含碳化物等温淬火球墨铸铁及其制备方法与流程

本发明公开了一种含碳化物等温淬火球墨铸铁的制备方法，特别公开了一种提高韧性和耐磨性的热处理方法，属于耐磨材料
技术领域：
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背景技术：
矿山湿磨机磨球消耗量大，应用面广，国内年消耗量约240万吨以上。含碳化物等温淬火球墨铸铁(carbidicaustemperedductileiron，简称cadi)铸造性能好，密度小，耐磨损腐蚀性能好，成本低，是理想的湿磨机磨球材质。但由于cadi晶界处存在大量的共晶碳化物，严重降低了材料的冲击韧性，装机时显示出破碎率高的问题，限制了cadi的应用。为了提高cadi的冲击韧性，中国发明专利cn105132790a公开了一种含钒碳化物奥铁体球墨铸铁，其组成及质量百分含量为：c：3.20～3.70％；si：2.50～3.30％；mn：0.4～0.8％；p≤0.040％；s≤0.007％；ce：0.01～0.04％；mg：0.01～0.04％；cr：0.30～1.80％；v：0.25～0.70％；余量为铁。其制备方法如下：(1)将生铁、废钢、锰铁和钒铁加热熔炼；(2)将稀土镁球化剂置于包底凹槽，上面放置孕育剂；浇注温度1350～1430℃，浇注时间10～30秒，冷却后得到球墨铸铁；(3)将冷却后的球墨铸铁，加热至850-920℃，保温2-4小时，然后放入280～320℃的45％kno3+55％nano3熔盐中，保温1-3小时，取出冷却至常温，得到的含钒碳化物奥铁体球墨铸铁是一种高韧性高硬度、综合力学性能好的含碳化物奥铁体球墨铸铁。中国发明专利cn105274423a还公开了一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁及其制备方法，所述球墨铸铁的化学成分为(wt.％)：c：3.3～3.8、si：1.5～2.5、cr：0.2～0.7、mn：0.4～1.0、mo：0.2～0.6、v：0.02～0.08、ni：0.2～0.5、cu0.15～0.30、mg0.015～0.030、re0.02～0.05、s≤0.080、p≤0.080，fe余量。制备过程包括：原料的配制和中频炉冶炼；铁液的球化处理和孕育处理；等温淬火热处理。该发明通过添加微量v元素并适当降低si的含量，以获得细小弥散分布的碳化物组织，这种组织使得该球墨铸铁的耐磨性能有较大提高，同时通过添加少量ni，提高球墨铸铁的冲击性能。中国发明专利cn106834902a还公开了一种高耐磨性含碳化物奥铁体球墨铸铁及其制备方法。为了提供一种既具有良好的硬度又具有良好韧性的高耐磨性含碳化物奥铁体球墨铸铁，发明改进了含碳化物奥铁体球墨铸铁的配方，即其元素组成按质量百分比计为：c：3.50～3.90％、si：2.90～3.50％、mn：1.30～1.70％、p＜0.08％、s：＜0.012％、re：0.01～0.04％、mg：0.025～0.04％、cr：0.08～0.18％、v：0.17～0.32％、ti：0.08～0.18％、cu：0.30～0.40％、b：0.001～0.006％，余量为fe，re为稀土金属，优选y。表面硬度可达hrc62以上，而冲击韧性是铬系磨球的2-3倍以上，具有优良的综合性能，在使用中不破碎、不失圆，磨耗仅占吨耗200克左右。中国发明专利cn103131937a还公开了一种含碳化物的等温淬火球墨铸铁，其特征是：化学元素组分的质量百分比为：c：3.3～3.7％、si：2.4～3.3％、mn：0.2～0.5％、cr：0.5～1％、cu：0.5～0.8％、p＜0.08％、s＜0.025％、mg：0.03～0.05％、re：0.02～0.04％、纳米改性剂0.02～0.18％，其余为fe。制备方法，原料配制和熔炼；球化处理和孕育处理；纳米改性剂的加入；等温淬火热处理。有益效果：通过纳米改性剂使等温淬火球墨铸铁的强度、硬度、韧性和耐磨性同时提高。中国发明专利cn103060668a还公开了一种含碳化物球铁及其制备方法，其化学组成质量百分比％为：3.40～3.65c，2.35～2.80si，2.80～3.15mn，1.60～1.85cr，0.04～0.06mg，0.03～0.05k，0.008～0.016ca，0.018～0.035ba，0.03～0.06ti，0.025～0.050v，0.012～0.018n，<0.10p，<0.02s，余量为fe及不可避免的杂质。可以用电炉或冲天炉熔炼，经铸造成形后，再经等温淬火，可获得优异的性能，且成本低廉，推广应用，效果良好。中国发明专利cn106676235a还公开了一种cadi磨球的加工方法。与传统铸造获得cadi磨球的制造方法不同，发明的主要特点是：(1)原料为球墨铸铁棒料；(2)将球墨铸铁棒料在加热炉中加热到一定温度后，置于斜轧机中根据斜轧成球原理热轧制成半成品球；(3)半成品球再经过等温淬火和回火等工艺最终得到成品cadi磨球。此项发明制造的cadi磨球的优点是：(1)高硬度、高韧性，具有加工硬化特性；(2)耐磨性好，在同等工况条件下，磨耗低于铸造获得的cadi磨球；(3)制造缺陷少，不易破碎，不易失圆；(4)密度低，可降低磨机启动和运转功率；(5)延长磨机辅助设备的使用寿命，减少维护费用。目前，含碳化物等温淬火球墨铸铁未能广泛的应用于磨球行业的主要原因是cadi冲击韧性低，破碎率高。特别是对于含铬量较高的cadi，晶界碳化物较多，应力集中，导致冲击韧性偏低，很难达到高硬度，高耐磨性，高韧性的理想匹配。技术实现要素：本发明目的是通过超高温韧化处理和等温淬火处理，在不降低硬度和耐磨性的前提下，大幅提高含碳化物等温淬火球墨铸铁的冲击韧性，降低产品破损率。本发明一种高韧性高耐磨性含碳化物等温淬火球墨铸铁及其制备方法，包括以下步骤：①首先采用中频熔炼电炉或冲天炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt％)：3.3-3.8c，1.3-1.7si，0.4-0.7mn，1.0-1.5cr，p≤0.040；s≤0.007，余量fe；加热到1480-1500℃，加入0.15wt％纯铝脱氧，然后转入浇包中；孕育剂和球化剂置于浇包底部，采用冲入法进行球化处理和孕育处理；孕育剂使用fesi75(含75wt％si)，加入量为1.2wt％；球化剂使用fesimg6re2(组成：6wt％mg+2wt％re+40wt％si，余量fe)，加入量为1.5wt％，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣；待温度到达1350-1380℃，浇入型腔，待冷却后，开箱、清理、打磨后得到铸件；②将步骤①获得的铸件表面涂抹抗氧化剂后，放入热处理炉，加热到1080-1110℃，并保温10-15min，出炉空冷至300～350℃，重新入炉加热到880-900℃，并保温90-150min，迅速取出后，放入由50wt％kno3和50wt％nano3组成的温度为250～320℃的硝酸盐熔液，并保温1-3h，然后取出在空气中冷却至室温，得到高韧性高耐磨性含碳化物等温淬火球墨铸铁。本发明利用冲入法孕育处理和球化处理，可得到球化率高，石墨圆整度好的含碳化物球墨铸铁。碳化物体积分数为15-25％，石墨的体积分数为7-12％，其余为珠光体和少量铁素体。本发明将含碳化物球墨铸铁加热到1080-1110℃，并保温10-15min，出炉并空冷至300～350℃。经过上述超高温处理后，含碳化物球墨铸铁晶界的碳化物被大量溶解。共晶碳化物体积变少，碳化物网状结构被打断，呈孤立状分布，部分碳化物趋于球状，可明显增加材料的冲击韧性。本发明对含碳化物球墨铸铁进行超高温保温后，原奥氏体中的碳含量和合金含量明显上升，在随后空冷的过程中，元素在奥氏体中处于过饱和状态，析出部分二次碳化物沉淀，可强化奥氏体基体。由于超高温后在空气中冷却，二次碳化物析出的驱动力较炉冷小，所以空冷后二次碳化物沉淀较少。本发明在超高温处理后，采用空冷的方式冷却铸件，目的是减小原奥氏体晶粒在高温下长大的趋势，同时减少热处理炉的使用时间，简化热处理工艺。本发明在超高温韧化处理后，再将碳化物球墨铸铁加热到880-900℃，并保温90-150min。空冷后的组织可被转变为奥氏体，在保温的过程中，二次碳化物继续析出。二次碳化物析出后，周围原子排列不规则，可作为贝氏体铁素体的形核位置。本发明在880-900℃保温90-150min后，迅速取出，并放入由50wt％kno3和50wt％nano3组成的温度为250～320℃的硝酸盐熔液中，并保温1-3h，然后取出在空气中冷却至室温，可获得超细奥铁体基体组织。本发明与现有技术相比具有以下特点：1)本发明将碳化物等温淬火球墨铸铁的冲击韧性，从5-10j/cm2，提高到18-22j/cm2，提高了120％左右。2)本发明在不改变cadi硬度的同时，增加了耐磨性。3)本发明细化了奥铁体组织，最终获得的奥铁体组织尺寸是普通处理方法的三分之一，晶粒细化对材料的硬度和耐磨性具有重大的贡献。4)本发明在不降低硬度的同时，显著提高了含碳化物等温淬火球墨铸铁的冲击韧性，并增加了耐磨性。应用在湿磨机磨球上，具有良好的推广前景。附图说明图1本发明获得含碳化物等温淬火球墨铸铁扫描组织照片。具体实施方式以下结合实施例对发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。实施例1：采用500公斤中频熔炼电炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt％)：c：3.45，si：1.53，mn：0.51，cr：1.12，p：0.035；s：0.006，余量fe。加热到1490℃，加入0.15％纯铝脱氧，然后转入浇包中。孕育剂和球化剂置于浇包底部，采用冲入法进行球化处理和孕育处理。孕育剂使用fesi75(75wt％si)，加入量为1.2wt％。球化剂使用fesimg6re2(6％mg+2％re+40wt％si)，加入量为1.5wt％，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣。浇注温度为1380℃，待冷却后，打箱、清理、打磨后得到铸件。获得的铸件表面涂抹抗氧化剂后，放入热处理炉，加热到1100℃，并保温10min，出炉空冷至300～320℃，重新入炉加热到880℃，并保温120min，迅速取出后，放入由50wt％kno3和50wt％nano3组成的温度为300℃的硝酸盐熔液中，并保温1.5h，然后取出在空气中冷却至室温，得到高韧性高耐磨性含碳化物等温淬火球墨铸铁。力学性能见表1，扫描组织见图1。实施例2：采用500公斤中频熔炼电炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt％)：c：3.56，si：1.48，mn：0.49，cr：1.34，p：0.031；s：0.007，余量fe。加热到1500℃，加入0.15％纯铝脱氧，然后转入浇包中。孕育剂和球化剂置于浇包底部，采用冲入法进行球化处理和孕育处理。孕育剂使用fesi75(75wt％si)，加入量为1.2wt％。球化剂使用fesimg6re2(6％mg+2％re+40wt％si)，加入量为1.5wt％，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣。浇注温度为1351℃，待冷却后，打箱、清理、打磨后得到铸件。获得的铸件表面涂抹抗氧化剂后，放入热处理炉，加热到1090℃，并保温13min，出炉空冷至330～350℃，重新入炉加热到890℃，并保温110min，迅速取出后，放入由50wt％kno3和50wt％nano3组成的温度为290℃的硝酸盐熔液中，并保温1.8h，然后取出在空气中冷却至室温，得到高韧性高耐磨性含碳化物等温淬火球墨铸铁。力学性能见表1。实施例3：采用冲天炉熔炼出如下化学成分的铁水(wt％)：c：3.52，si：1.60，mn：0.54，cr：1.45，p：0.031；s：0.007，余量fe。加热到1480℃，加入0.15％纯铝脱氧，然后转入浇包中。孕育剂和球化剂置于浇包底部，采用冲入法进行球化处理和孕育处理。孕育剂使用fesi75(75wt％si)，加入量为1.2wt％。球化剂使用fesimg6re2(6％mg+2％re+40wt％si)，加入量为1.5wt％，搅拌包内金属液，保证反应完全，并清除包内熔渣。浇注温度为1370℃，待冷却后，打箱、清理、打磨后得到铸件。获得的铸件表面涂抹抗氧化剂后，放入热处理炉，加热到1110℃，并保温12min，出炉空冷至320～340℃，重新入炉加热到900℃，并保温120min，迅速取出后，放入由50wt％kno3和50wt％nano3组成的温度为260℃的硝酸盐熔液中，并保温2.5h，然后取出在空气中冷却至室温，得到高韧性高耐磨性含碳化物等温淬火球墨铸铁。力学性能见表1。表1含碳化物等温淬火球墨铸铁的力学性能力学性能洛氏硬度(hrc)冲击韧性(j/cm2)实施例151.221.87实施例253.419.51实施例355.718.67本发明经过超高温韧化处理和等温淬火后，韧性明显提高，冲击韧性提高了120％以上，同时不降低硬度和耐磨性，奥铁体晶粒尺寸仅为普通等温淬火获得的cadi晶粒尺寸的三分之一。本发明生产工艺简便，易于操作。较相同性能耐磨材料成本低廉，破碎率小，减震性好，噪音小。本发明制备的含碳化物等温淬火球墨铸铁扫描组织图片，见图1。本发明在矿山湿磨机中有良好的应用前景。当前第1页12