1.本發(fā)明屬于抗磨金屬材料技術領域，具體涉及一種高耐磨高鉻白口鑄鐵及其制備方法。

背景技術：

2.目前，工業(yè)上應用較多的耐磨材料有耐磨涂層材料、耐磨陶瓷材料、耐磨復合材料、耐磨金屬材料等。由于具有制備工藝簡單、成本低及零件形狀靈活性高等優(yōu)點，目前耐磨金屬材料是工程應用較廣的耐磨材料之一?，F(xiàn)階段，耐磨金屬材料主要有錳系耐磨鋼、鉻系耐磨合金鋼和抗磨白口鑄鐵等，它們均具有各自的特點。其中，高鉻白口鑄鐵是應用較早也是比較廣泛的一類耐磨金屬材料。在人們的日常生產(chǎn)生活中，高鉻白口鑄鐵廣泛應用于耐磨零件，例如破碎機錘頭、面粉機磨輥及球磨機磨段等。

3.高鉻白口鑄鐵相比于其他材料具有優(yōu)良的耐磨性和耐蝕性、較高的強度和韌性，且生產(chǎn)成本低、鑄造方法簡便。但是，由fe

?

c

?

cr三元相圖可知，只有在碳與鉻配比適當時才可獲得呈孤立六角形桿狀或片狀分布于基體中的m7c3型碳化物，獲得這種碳化物耗時耗力的同時增加了生產(chǎn)成本。相關研究表明，高鉻鑄鐵中添加b元素，可獲得穩(wěn)定性和抗磨性優(yōu)異的m2b型硼化物。所以，只要對高鉻白口鑄鐵中添加獲b元素獲得的m2b型硼化物進行研究分析，這樣就可以提高高鉻白口鑄鐵韌性和耐磨性。

4.然而，為了降低含硼高鉻白口鑄鐵生產(chǎn)成本，在合金成分設計時往往降低或不添加貴重金屬元素，致使合金淬透性不高，難以直接應用于厚壁耐磨部件。通常，耐磨金屬材料硬度越高，其耐磨性越好，而其硬度提高主要依賴于淬火處理來獲得力學性能較優(yōu)的基體組織。但淬火處理易導致工件內(nèi)部形成較大殘余應力，并在局部區(qū)域(拐角、尖角處等)形成應力集中。由于m7c3和m2b具有本質(zhì)脆性，應力過大易導致其在淬火處理后開裂。因此，在工業(yè)應用時，需在較緩慢的熱處理冷卻條件下得到性能較優(yōu)的馬氏體基體組織。當前，對含硼高鉻白口鑄鐵的研究主要集中于m7c3和m2b韌化及其形態(tài)改善等方面，而關于淬火冷速的調(diào)控研究頗少。

技術實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的在于提供一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，該鑄鐵硬度高、沖擊韌性好，且制備方法工藝簡單、生產(chǎn)周期短、能耗低。

6.本發(fā)明利用不同濃度pag(聚烷撐乙二醇)溶液(注：冷卻速度可隨著pag濃度變化而變化)實現(xiàn)不同冷速的調(diào)控，探究冷卻速度對含硼高鉻鑄鐵的耐磨性和力學性能影響，為制備一種高耐磨高鉻白口鑄鐵提供了實際價值。

7.本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

8.一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，該鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計(wt％)，包括：2～3％c，0.5～1％si，0.5～1％mn，12～15％cr，0.3～0.5％b，0.2～0.5％ni，0.2～0.4％ti，余量為fe。

9.優(yōu)選的，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計(wt％)，包括：2.08％c，0.57％si，0.64％mn，13.9％cr，0.32％b，0.29％ni，0.24％ti，余量為fe。

10.優(yōu)選的，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計(wt％)，包括：2.35％c，0.57％si，0.59％mn，13.2％cr，0.37％b，0.27％ni，0.25％ti，余量為fe。

11.優(yōu)選的，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計(wt％)，包括：2.19％c，0.53％si，0.56％mn，14.3％cr，0.36％b，0.31％ni，0.26％ti，余量為fe。

12.優(yōu)選的，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應力為

?

180～

?

220mpa。

13.優(yōu)選的，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的硬度為63～65hrc。

14.優(yōu)選的，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的沖擊韌性為13.5～15.5j/cm2。

15.上述高耐磨高鉻白口鑄鐵的制備方法，包括以下步驟：

16.(1)取廢鋼、鉻鐵、錳鐵、鈦鐵及純鐵，按廢鋼40～44％、鉻鐵8～9％、錳鐵1～1.5％、鈦鐵1.5～3％、純鐵42.5～49.5％、0.3～0.5％硼鐵的質(zhì)量比例混合后裝填入熔煉爐中，加熱至融化；

17.(2)將硼鐵粉碎成粒徑小于20mm塊體、在200～250℃烘干后，放置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法向熔煉爐中加入硼鐵塊；

18.(3)將熔煉爐溫度升至1500～1550℃，加入脫氧劑鋁絲，待爐料完全溶化后加入0.2～0.5％純鎳棒；

19.(4)當鋼水溫度達1350～1450℃時，澆注成鑄件，然后將鑄件在900～1000℃下保溫2～4h淬火處理，放入濃度為3～10wt％pag溶液冷至150℃，隨后在200～300℃下保溫3～6h回火處理，空冷至室溫，制得白口鑄鐵。

20.上述制備方法中廢鋼、鉻鐵、錳鐵、鈦鐵、純鐵、硼鐵和純鎳的質(zhì)量百分比之和為100％。

21.優(yōu)選的，所述pag溶液的濃度為3wt％、5wt％、7wt％或10wt％。

22.所用各爐料的化學成分，以質(zhì)量分數(shù)計，如表1所示：

23.表1各爐料化學成分(wt％)

[0024][0025]

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

[0026]

1、本發(fā)明高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應力較低為

?

180～

?

220mpa，較水淬處理降

低50～60％；

[0027]

2、本發(fā)明高耐磨高鉻白口鑄鐵的硬度較高，可達到63～65hrc；

[0028]

3、本發(fā)明高耐磨高鉻白口鑄鐵的沖擊韌性高，可達到13.5～15.5j/cm2；

[0029]

4、本發(fā)明高耐磨高鉻白口鑄鐵的沖擊磨料磨損性能優(yōu)，較cr15高鉻鑄鐵提高35～45％。

具體實施方式

[0030]

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。本發(fā)明涉及的原料均可從市場上直接購買。對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術進行。

[0031]

以下實施例的制備步驟中，所述百分數(shù)均為質(zhì)量百分數(shù)。

[0032]

實施例1

[0033]

采用1000公斤中頻感應電爐熔煉本發(fā)明硼白口鑄鐵，其制造工藝步驟是：

[0034]

(1)取40.8％廢鋼、8.3％鉻鐵、1.3％錳鐵、1.5％鈦鐵及47.5％純鐵混合后裝填入熔煉爐中，加熱至融化；

[0035]

(2)將硼鐵粉碎成粒徑小于20mm塊體、在200℃烘干后，放置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法向熔煉爐中加入0.3％硼鐵塊；

[0036]

(3)將熔煉爐溫度升至1550℃，加入脫氧劑鋁絲，待爐料完全溶化后加入0.3％純鎳棒；

[0037]

(4)當鋼水溫度達1400℃時，澆注成鑄件，然后將鑄件在1000℃下保溫3h淬火處理，放入濃度為3wt％pag溶液冷至150℃，隨后在300℃下保溫5h回火處理，空冷至室溫，制得白口鑄鐵。

[0038]

經(jīng)本實施例制得的高強韌高耐磨含硼白口鑄鐵的具體成分見表2，本實施例高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應力為

?

180mpa，宏觀硬度較高可達到63hrc；沖擊韌性高，可達到15.5j/cm2；沖擊磨料磨損性能優(yōu)，較cr15高鉻鑄鐵提高38.0％。

[0039]

實施例2

[0040]

采用1000公斤中頻感應電爐熔煉本發(fā)明硼白口鑄鐵，其制造工藝步驟是：

[0041]

(1)取42.8％廢鋼、8.6％鉻鐵、1.4％錳鐵、1.4％鈦鐵及45.2％純鐵混合后裝填入熔煉爐中，加熱至融化；

[0042]

(2)將硼鐵粉碎成粒徑小于20mm塊體、在200℃烘干后，放置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法向熔煉爐中加入0.3％硼鐵塊；

[0043]

(3)將熔煉爐溫度升至1550℃，加入脫氧劑鋁絲，待爐料完全溶化后加入0.3％純鎳棒；

[0044]

(4)當鋼水溫度達1400℃時，澆注成鑄件，然后將鑄件在1000℃下保溫3h淬火處理，放入濃度為8wt％pag溶液冷至150℃，隨后在300℃下保溫5h回火處理，空冷至室溫，制得白口鑄鐵。

[0045]

經(jīng)本實施例制得的高強韌高耐磨含硼白口鑄鐵的具體成分見表2，本實施例高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應力為

?

200mpa，宏觀硬度可達到63.5hrc；沖擊韌性高，可達到14.5j/cm2；沖擊磨料磨損性能優(yōu)，較cr15高鉻鑄鐵提高42.0％。

[0046]

實施例3

[0047]

采用1000公斤中頻感應電爐熔煉本發(fā)明硼白口鑄鐵，其制造工藝步驟是：

[0048]

(1)取43.8％廢鋼、8.8％鉻鐵、1.5％錳鐵、1.5％鈦鐵及43.8％純鐵混合后裝填入熔煉爐中，加熱至融化；

[0049]

(2)將硼鐵粉碎成粒徑小于20mm塊體、在200℃烘干后，放置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法向熔煉爐中加入0.3％硼鐵塊；

[0050]

(3)將熔煉爐溫度升至1550℃，加入脫氧劑鋁絲，待爐料完全溶化后加入0.3％純鎳棒；

[0051]

(4)當鋼水溫度達1400℃時，澆注成鑄件，然后將鑄件在1000℃下保溫3h淬火處理，放入濃度為10wt％pag溶液冷至150℃，隨后在300℃下保溫5h回火處理，空冷至室溫，制得白口鑄鐵。

[0052]

經(jīng)本實施例制得的高強韌高耐磨含硼白口鑄鐵的具體成分見表2，本實施例高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應力為

?

220mpa，宏觀硬度可達到65.0hrc；沖擊韌性高，可達到13.5j/cm2；沖擊磨料磨損性能優(yōu)，較cr15高鉻鑄鐵提高45％。

[0053]

表2白口鑄鐵的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，wt％)

[0054][0055]

實施例1～3制得的高耐磨高鉻白口鑄鐵組織由碳化物和馬氏體基體組成，馬氏體基體起到支撐和固定硬質(zhì)相碳化物的作用，反過來碳化物起到保護基體被磨耗的作用。本發(fā)明的高耐磨含硼高鉻白口鑄鐵經(jīng)中頻感應電爐熔煉成形，進行淬火和回火處理，生成的馬氏體呈現(xiàn)針片狀，具有高硬度、高韌性和高耐磨性，且殘余應力較低。鉻元素主要固溶于碳化物中，而碳元素既固溶于碳化物還能固溶于基體中，鑄件中加硼元素，它的存在對于鑄件的淬透性有一定的改善，并且具有很高的化學活性，在鐵中除固溶外，還可以促進二次析出相m

23

(b,c)6析出；硼元素在γ

?

fe、α

?

fe中的固濃度極低，常聚集在晶界上以硼化物fe2b形式存在，它具有高硬度，從而提高了逐漸的整體硬度。使得鑄件的硬度和韌性大幅度提高，材料具有高強度和沖擊韌性等特點，可顯著提高耐磨部件的使用壽命，具有很好的應用前景。

[0056]

實施例4

[0057]

參照實施例1的步驟，將pag溶液質(zhì)量濃度分別改為1％、5％、7％、10％、13％，制備高鉻白口鑄鐵后分別測試其殘余應力、宏觀硬度以及沖擊韌性，并以自來水作為對照，結果如表3

?

5所示。

[0058]

表3不同淬火溶液下高鉻白口鑄鐵的殘余應力值(mpa)

[0059]

1％pag3％pag5％pag7％pag10％pag13％pag自來水

?

165.39

?

180.00

?

190.42

?

207.69

?

220.00

?

253.36

?

455.88

[0060]

表4不同淬火溶液下高鉻白口鑄鐵的宏觀硬度值(hrc)

[0061]

1％pag3％pag5％pag7％pag10％pag13％pag自來水57.6963.0062.7863.765.064.8564.10

[0062]

表5不同淬火溶液下高鉻白口鑄鐵的沖擊韌性(j/cm2)

[0063]

1％pag3％pag5％pag7％pag10％pag13％pag自來水14.1315.513.3613.5613.510.298.78

[0064]

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。技術特征：

1.一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，該鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計，包括：2～3％c，0.5～1％si，0.5～1％mn，12～15％cr，0.3～0.5％b，0.2～0.5％ni，0.2～0.4％ti，余量為fe。2.根據(jù)權利要求1所述一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計，包括：2.08％c，0.57％si，0.64％mn，13.9％cr，0.32％b，0.29％ni，0.24％ti，余量為fe。3.根據(jù)權利要求1所述一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計，包括：2.35％c，0.57％si，0.59％mn，13.2％cr，0.37％b，0.27％ni，0.25％ti，余量為fe。4.根據(jù)權利要求1所述一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量百分數(shù)計，包括：2.19％c，0.53％si，0.56％mn，14.3％cr，0.36％b，0.31％ni，0.26％ti，余量為fe。5.根據(jù)權利要求1所述一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應力為

?

180～

?

220mpa。6.根據(jù)權利要求1所述一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的硬度為63～65hrc。7.根據(jù)權利要求1所述一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，其特征在于，所述高耐磨高鉻白口鑄鐵的沖擊韌性為13.5～15.5j/cm2。8.權利要求1

?

7任一項所述的高耐磨高鉻白口鑄鐵的制備方法，其特征在于包括以下步驟：(1)取廢鋼、鉻鐵、錳鐵、鈦鐵及純鐵，按廢鋼40～44％、鉻鐵8～9％、錳鐵1～1.5％、鈦鐵1.5～3％、純鐵42.5～49.5％、0.3～0.5％硼鐵的質(zhì)量比例混合后裝填入熔煉爐中，加熱至融化；(2)將硼鐵粉碎成粒徑小于20mm塊體、在200～250℃烘干后，放置于澆包底部，采用包內(nèi)沖入法向熔煉爐中加入硼鐵塊；(3)將熔煉爐溫度升至1500～1550℃，加入脫氧劑鋁絲，待爐料完全溶化后加入0.2～0.5％純鎳棒；(4)當鋼水溫度達1350～1450℃時，澆注成鑄件，然后將鑄件在900～1000℃下保溫2～4h淬火處理，放入濃度為3～10wt％pag溶液冷至150℃，隨后在200～300℃下保溫3～6h回火處理，空冷至室溫，制得白口鑄鐵。9.根據(jù)權利要求8所述的高耐磨高鉻白口鑄鐵的制備方法，其特征在于，所用各爐料的化學成分，以質(zhì)量分數(shù)計，如表1所示：表1 各爐料化學成分，wt％

10.根據(jù)權利要求8所述的高耐磨高鉻白口鑄鐵的制備方法，其特征在于，所述pag溶液的濃度為3wt％、5wt％、7wt％或10wt％。

技術總結

本發(fā)明屬于抗磨金屬材料技術領域，具體涉及一種高耐磨高鉻白口鑄鐵及其制備方法。該鑄鐵的化學成分，以質(zhì)量分數(shù)計(wt％)，包括：2～3C，0.5～1Si，0.5～1Mn，12～15Cr，0.3～0.5B，0.2～0.5Ni，0.2～0.4Ti，余量為Fe。本發(fā)明的高耐磨含硼高鉻白口鑄鐵經(jīng)中頻感應電爐熔煉成形，進行淬火和回火處理，生成的馬氏體呈現(xiàn)針片狀，具有高硬度(63～65HRC)、高韌性(13.5～15.5J/cm2)和高耐磨性(較Cr15高鉻鑄鐵提高35～45％)，且殘余應力較低(

技術研發(fā)人員：李衛(wèi) 易艷良 涂小慧

受保護的技術使用者：暨南大學

技術研發(fā)日：2021.05.25

技術公布日：2021/10/8