一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202011102051.7 | 申请日 | 2020-10-15 | 公开(公告)号 | CN112458353A | 公开(公告)日 | 2021-03-09 |
| 申请人 | 武汉科技大学; 武科新材(武汉)工程研究院; | 发明人 | 吴开明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种高 碳 中铬耐磨 铸 铁 及其制备方法，其技术方案是：所述高碳中铬耐磨 铸铁 的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为0.61～0.89wt％，Mo为1.71～1.99wt％，B为0.31～0.39wt％，P≤0.049wt％，S≤0.049wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：3.35≤Cr/C≤3.99，0.15≤B/Mo≤0.23。按照所述化学成分及其含量配料， 冶炼 ，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850～1050℃，保温1～3小时，淬入油中，冷却至室温，即得高碳中铬耐磨铸铁。本发明具有生产成本低、制备方法简单和生产周期短的特点，制得的高碳中铬耐磨铸铁硬度高和韧性好。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高碳中铬耐磨铸铁的制备方法，其特征在于：所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为 |
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| 说明书全文 | 一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法技术领域背景技术[0002] 耐磨铸铁是指合金中的碳主要以碳化物形式存在的具有高硬度、高耐磨性能的铸铁。提高耐磨铸铁硬度的主要方法是提高基体的硬度，减少残留奥氏体、铁素体和贝氏体的数量。提高基体硬度的主要方法有增加C含量，进而增加马氏体的含量，增加合金碳化物的数量；减少残留奥氏体主要是提高马氏体转变量，亦即要将马氏体转变点Ms控制在室温以上；减少铁素体的数量主要是通过增加C含量，添加特定的合金元素如Mo和B元素抑制铁素体的形成；减少贝氏体的数量主要通过C含量和Mn含量的调节扩大Bs和Ms的差距，在淬火过程中形成马氏体而不形成贝氏体。 [0003] 为了增加合金碳化物的数量与硬度，主要的方式是进行Cr合金化。铬是强碳化物的形成元素，尤其是M7C3型碳化物形成元素。M7C3型碳化物的硬度为1300～1700HV，而Fe3C的硬度约为1100HV。当然还有其它的合金碳化物，如W、Mo、Nb、V、Ti、Zr、Ta、Hf等，也可以形成硬度很高的MC、M2C、M6C型碳化物，但是它们与Cr元素相比，价格昂贵。另外，即使加入同样的量，形成碳化物的数量也较少。 [0004] “一种中铬白口铸铁的热处理工艺”(CN104928454A)专利技术，该技术的化学成分及其质量百分含量是：C为2.1～3.2％；Si为1.5～2.2％；Cr为7～10％；Mn为0.8～1.2％；Ni≤1.0％；Mo≤1.5％；Cu≤1.2％；P≤0.1％；S≤0.06％；余量为Fe。该技术不仅含有贵重金属元素Ni、Mo和Cu，合金成本高，且硬度仅为46HRC。 [0005] “一种耐磨铸铁钢球及其制备方法”(CN110106434A)专利技术，该技术的化学成分及其质量百分含量是：C为3.0～5.1％；Cr为8.0～10.0％，Si为0.6～1.2％；Mn为10.3～12.5％；Mo为0.30～0.50％；B为0.4～2.0％；Ni为0.2～0.6％；Ti为0.05～0.15％；稀土为 0.14～0.28％；A为0.02～0.16％；V为0.10～0.30％；S为0.01～0.05％；P为0.03～0.06％； W为0.1～0.5％；Nb为0.2～0.5％；Ta为0.04～0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。该技术不仅含有贵重金属元素Ni、V、Ti，合金成本高；且该技术在淬火处理后，还在NaNO2的盐水溶液中进行二次淬火处理，热处理工艺复杂。 [0006] “一种中铬铸铁磨球及其浇铸方法”(CN103774035A)专利技术，该技术的化学成分及其质量百分含量是：C为3.3～3.7％；Si为0.8～1.2％；Mn为1.5～1.7％；Cr为7～10％；Ni为2.3～2.9％；Mo为0.4～1.2％；Cu为0.5～0.9％；B为0.01～0.05％；Li为0.1～0.2％；Na为0.2～0.3％；稀土为0.1～0.3％；余量为Fe和不可避免的杂质。该技术含有贵重金属元素Nb和Cu，合金成本高。 [0007] “耐磨铸铁的热处理方法”(CN107641693A)专利技术，该技术的化学成分及其质量百分含量是：C为2.9～3.1％；Cr为6～8％；Mn为3.0～4.0％；Ni为0.6～0.8％；Si为0.5～1.0％；P≤0.05％；S≤0.03％，其余为Fe。该技术在900～940℃保温20～24h，热处理时间长。 发明内容[0009] 本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的在于提供一种生产成本低、制备方法简单和生产周期短的高碳中铬耐磨铸铁的制备方法，用该方法制备的高碳中铬耐磨铸铁的硬度高和韧性好。 [0010] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为0.61～0.89wt％，Mo为1.71～1.99wt％，B为0.31～0.39wt％，P≤0.049wt％，S≤0.049wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。 [0011] 所述化学成分及其含量同时满足：3.35≤Cr/C≤3.99；0.15≤B/Mo≤0.23。 [0012] 按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850～1050℃，保温1～3小时，淬入油中，冷却至室温，即得高碳中铬耐磨铸铁。 [0013] 所述高碳中铬耐磨铸铁：碳化物的体积含量为40～50％，残留奥氏体的体积含量为8～15％，其余为马氏体。 [0014] 所述高碳中铬耐磨铸铁的硬度为68～71HRC。 [0015] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果： [0016] 本发明在850～1050℃条件下保温1～3小时，然后淬入油中，冷却至室温，即得高碳中铬耐磨铸铁，不仅生产温度低和生产周期短，且工艺简单；加之本发明的化学成分中Cr含量低(＜15wt％)，同时未含有贵重合金元素如Ni和Cu，生产成本显著降低。 [0017] 本发明中的C为3.61～3.99wt％和Cr为12.11～14.99wt％，通过C与Cr合金化形成高硬度M7C3型碳化物(1300～1700HV)，以及Mo与C形成高硬度的富Mo碳化物M2C，从而增加合金碳化物含量以及提高基体的硬度。添加合金元素Mo和B元素抑制铁素体的形成，使铁素体的含量为0；通过C含量和Mn含量的调节扩大Bs和Ms的差距，使贝氏体的含量为0，使铸铁在淬火过程中形成大量的高硬度马氏体。淬火后，基体中含有大量的高硬度碳化物和马氏体，大幅提高了高碳中铬铸铁的硬度。 [0018] 本发明加入的C、Cr和Mn等合金元素能降低马氏体转变点Ms，铸铁淬火后会形成残留奥氏体，残留奥氏体塑性变形强，可以使铸铁具有一定的韧性；在高碳低硼铸铁中，少量的B(0.1～0.6wt％)合金能够提高铸铁的韧性。残余奥氏体以及B合金使高碳中铬铸铁具有较高韧性。 [0019] 本发明制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为40～50vol％，残留奥氏体为8～15vol％，其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁硬度为68～71HRC。本发明有效解决了现有高碳高铬高镍铸铁存在的合金成本高、硬度低和韧性低的技术难题，尤其是很好地解决了高硬度与韧性的匹配问题、以及耐磨性能与铸铁合金成本不相适应的问题。 [0021] 图1为本发明制备的一种高碳中铬耐磨铸铁的光学组织图； [0022] 图2为图1所示高碳中铬耐磨铸铁铸铁的扫描电镜图。 具体实施方式[0023] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制： [0024] 一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.61～3.99wt％，Cr为12.11～14.99wt％，Si为0.51～0.79wt％，Mn为0.61～0.89wt％，Mo为1.71～1.99wt％，B为0.31～0.39wt％，P≤0.049wt％，S≤0.049wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。 [0025] 所述化学成分及其含量同时满足：3.35≤Cr/C≤3.99；0.15≤B/Mo≤0.23。 [0026] 按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850～1050℃，保温1～3小时，淬入油中，冷却至室温，即得高碳中铬耐磨铸铁。 [0027] 本具体实施方式制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为40～50vol％，残留奥氏体为8～15vol％，其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁的硬度为68～71HRC。 [0028] 实施例1 [0029] 一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.63wt％，Cr为12.16wt％，Si为0.51wt％，Mn为0.63wt％，Mo为1.72wt％，B为0.32wt％，P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.350，B/Mo＝0.186。 [0030] 按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到850℃，保温3小时，淬入油中，冷却至室温，制得高碳中铬耐磨铸铁。 [0031] 本发明制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为40vol％；残留奥氏体为10.8vol％；其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁硬度为70.3HRC。 [0032] 实施例2 [0033] 一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.74wt％，Cr为14.90wt％，Si为0.61wt％，Mn为0.69wt％，Mo为1.85wt％，B为0.38wt％，P≤0.03wt％、S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.984，B/Mo＝0.205。 [0034] 按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到950℃，保温2小时，淬入油中，冷却至室温，制得高碳中铬耐磨铸铁。 [0035] 本发明制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为45vol％，残留奥氏体为8vol％，其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁硬度为71HRC。 [0036] 实施例3 [0037] 一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.81wt％，Cr为14.14wt％，Si为0.78wt％，Mn为0.75wt％，Mo为1.98wt％，B为0.31wt％，P≤0.03wt％、S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.711，B/Mo＝0.156。 [0038] 按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到1000℃，保温1小时，淬入油中，冷却至室温，制得高碳中铬耐磨铸铁。 [0039] 本发明制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为47vol％，残留奥氏体为9.2vol％，其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁硬度为69.4HRC。 [0040] 实施例4 [0041] 一种高碳中铬耐磨铸铁及其制备方法。所述高碳中铬耐磨铸铁的化学成分及其含量是：C为3.99wt％，Cr为14.97wt％，Si为0.72wt％，Mn为0.88wt％，Mo为1.99wt％，B为0.34wt％，P≤0.03wt％、S.≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免的杂质；其中：Cr/C＝3.752，B/Mo＝0.171。 [0042] 按照所述化学成分及其含量配料，冶炼，浇注，空冷至室温，打磨；再加热到1050℃，保温1小时，淬入油中，冷却至室温，制得高碳中铬耐磨铸铁。 [0043] 本发明制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为50vol％，残留奥氏体为15vol％，其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁硬度为68HRC。 [0044] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果： [0045] 本发明在850～1050℃条件下保温1～3小时，然后淬入油中，冷却至室温，即得高碳中铬耐磨铸铁，不仅生产温度低和生产周期短，且工艺简单；加之本发明的化学成分中Cr含量低(＜15wt％)，同时未含有贵重合金元素如Ni和Cu，生产成本显著降低。 [0046] 本发明中的C为3.61～3.99wt％和Cr为12.11～14.99wt％，增加C含量与Cr合金化，形成高硬度M7C3型碳化物(1300～1700HV)；以及Mo与C形成高硬度的富Mo碳化物M2C，从而增加合金碳化物含量以及提高基体的硬度。添加合金元素Mo和B元素抑制铁素体的形成，使铁素体的含量为0；通过C含量和Mn含量的调节扩大Bs和Ms的差距，使贝氏体的含量为0，使铸铁在淬火过程中形成大量的高硬度马氏体。淬火后，基体中含有大量的高硬度碳化物和马氏体，大幅提高了高碳中铬铸铁的硬度。 [0047] 本具体实施方式制备的高碳中铬耐磨铸铁如附图所示：图1为实施例1制备高碳中铬耐磨铸铁光学组织图；图2为图1所示高碳中铬耐磨铸铁的扫描电镜图。从图1可以看出，制备的高碳中铬耐磨铸铁的组织为马氏体+M7C3碳化物+二次碳化物+少量的残余奥氏体，且共晶碳化物M7C3呈断网状分布，使高碳中铬铸铁具有高韧性。从图2可以看出，高碳中铬耐磨铸铁的组织中含有大量的马氏体+少量的残余奥氏体，二次碳化物弥散均匀分布在基体上，使高碳中铬耐磨铸铁具有高硬度以及高韧性。 [0048] 本发明加入的C、Cr和Mn等合金元素能降低马氏体转变点Ms，铸铁淬火后会形成残留奥氏体，残余奥氏体塑性变形强，可以使铸铁具有一定的韧性；在高碳低硼铸铁中，少量的B(0.1～0.6wt％)合金，能够提高铸铁的韧性。残余奥氏体以及B合金使高碳中铬铸铁具有较高韧性。 [0049] 本发明制备的高碳中铬耐磨铸铁经检测：碳化物为40～50vol％，残留奥氏体为8～15vol％，其余为马氏体；高碳中铬耐磨铸铁硬度为68～71HRC。本发明有效解决了现有高碳高铬高镍铸铁存在的合金成本高、硬度低和韧性低的技术难题，尤其是很好地解决了高硬度与韧性的匹配问题、以及耐磨性能与铸铁合金成本不相适应的问题。 [0050] 因此，本发明具有生产成本低、制备工艺简单和生产周期短的特点，制得的高碳中铬耐磨铸铁硬度高和韧性好。 |
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