1.本發(fā)明屬于抗磨金屬材料技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

2.目前，工業(yè)上應(yīng)用較多的耐磨材料有耐磨涂層材料、耐磨陶瓷材料、耐磨復(fù)合材料、耐磨金屬材料等。由于具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低及零件形狀靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，目前耐磨金屬材料是工程應(yīng)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(diǎn)。其中，高鉻白口鑄鐵是應(yīng)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(yīng)用于耐磨零件，例如破碎機(jī)錘頭、面粉機(jī)磨輥及球磨機(jī)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(qiáng)度和韌性，且生產(chǎn)成本低、鑄造方法簡(jiǎn)便。但是，由fe

?

c

?

cr三元相圖可知，只有在碳與鉻配比適當(dāng)時(shí)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(shí)耗力的同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。相關(guān)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(duì)高鉻白口鑄鐵中添加獲b元素獲得的m2b型硼化物進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)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(lái)獲得力學(xué)性能較優(yōu)的基體組織。但淬火處理易導(dǎo)致工件內(nèi)部形成較大殘余應(yīng)力，并在局部區(qū)域(拐角、尖角處等)形成應(yīng)力集中。由于m7c3和m2b具有本質(zhì)脆性，應(yīng)力過(guò)大易導(dǎo)致其在淬火處理后開(kāi)裂。因此，在工業(yè)應(yīng)用時(shí)，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(dāng)前，對(duì)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(guān)于淬火冷速的調(diào)控研究頗少。

技術(shù)實(shí)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)不同冷速的調(diào)控，探究冷卻速度對(duì)含硼高鉻鑄鐵的耐磨性和力學(xué)性能影響，為制備一種高耐磨高鉻白口鑄鐵提供了實(shí)際價(jià)值。

7.本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

8.一種高耐磨高鉻白口鑄鐵，該鑄鐵的化學(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)(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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)(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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)(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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)(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(yīng)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(dāng)鋼水溫度達(dá)1350～1450℃時(shí)，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(xué)成分，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，如表1所示：

23.表1各爐料化學(xué)成分(wt％)

[0024][0025]

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

[0026]

1、本發(fā)明高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應(yīng)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(dá)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(dá)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(shí)施方式

[0030]

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。本發(fā)明涉及的原料均可從市場(chǎng)上直接購(gòu)買(mǎi)。對(duì)于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。

[0031]

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

[0032]

實(shí)施例1

[0033]

采用1000公斤中頻感應(yīng)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(dāng)鋼水溫度達(dá)1400℃時(shí)，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(shí)施例制得的高強(qiáng)韌高耐磨含硼白口鑄鐵的具體成分見(jiàn)表2，本實(shí)施例高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應(yīng)力為

?

180mpa，宏觀硬度較高可達(dá)到63hrc；沖擊韌性高，可達(dá)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(shí)施例2

[0040]

采用1000公斤中頻感應(yīng)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(dāng)鋼水溫度達(dá)1400℃時(shí)，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(shí)施例制得的高強(qiáng)韌高耐磨含硼白口鑄鐵的具體成分見(jiàn)表2，本實(shí)施例高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應(yīng)力為

?

200mpa，宏觀硬度可達(dá)到63.5hrc；沖擊韌性高，可達(dá)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(shí)施例3

[0047]

采用1000公斤中頻感應(yīng)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(dāng)鋼水溫度達(dá)1400℃時(shí)，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(shí)施例制得的高強(qiáng)韌高耐磨含硼白口鑄鐵的具體成分見(jiàn)表2，本實(shí)施例高耐磨高鉻白口鑄鐵的殘余應(yīng)力為

?

220mpa，宏觀硬度可達(dá)到65.0hrc；沖擊韌性高，可達(dá)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt％)

[0054][0055]

實(shí)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(guò)來(lái)碳化物起到保護(hù)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(yīng)電爐熔煉成形，進(jìn)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(yīng)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(duì)于鑄件的淬透性有一定的改善，并且具有很高的化學(xué)活性，在鐵中除固溶外，還可以促進(jìn)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(qiáng)度和沖擊韌性等特點(diǎn)，可顯著提高耐磨部件的使用壽命，具有很好的應(yīng)用前景。

[0056]

實(shí)施例4

[0057]

參照實(shí)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(cè)試其殘余應(yīng)力、宏觀硬度以及沖擊韌性，并以自來(lái)水作為對(duì)照，結(jié)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(yīng)力值(mpa)

[0059]

1％pag3％pag5％pag7％pag10％pag13％pag自來(lái)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(lái)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(lái)水14.1315.513.3613.5613.510.298.78

[0064]

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。技術(shù)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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(quán)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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(quán)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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(quán)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(xué)成分，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(quán)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(yīng)力為

?

180～

?

220mpa。6.根據(jù)權(quán)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(quán)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(quán)利要求1

?

7任一項(xiàng)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(dāng)鋼水溫度達(dá)1350～1450℃時(shí)，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(quán)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(xué)成分，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，如表1所示：表1 各爐料化學(xué)成分，wt％

10.根據(jù)權(quán)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(shù)總結(jié)

本發(fā)明屬于抗磨金屬材料技術(shù)領(lǐng)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(xué)成分，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)(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(yīng)電爐熔煉成形，進(jìn)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(yīng)力較低(

技術(shù)研發(fā)人員：李衛(wèi) 易艷良 涂小慧

受保護(hù)的技術(shù)使用者：暨南大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.25

技術(shù)公布日：2021/10/8