本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超高鉻鑄鐵及其制備方法。
背景技術(shù)：
磷肥廠輸送的磷石膏漿料的密度是1.15t/m3，pH值介于2～3之間，石膏粉的粒度通常小于30μm。因此，輸送含固體顆粒的高濃度磨蝕性渣漿的泵耐磨件如護(hù)套、護(hù)板、葉輪、副葉輪和減壓蓋等運(yùn)行工況惡劣。在這種強(qiáng)酸腐蝕和磨損工況下，高鉻鑄鐵由于耐蝕性差，使用壽命大幅降低；而耐腐蝕性好但不耐磨的高合金不銹鋼的使用壽命也相當(dāng)有限。
目前，超高鉻鑄鐵在過流件的制造中應(yīng)用最為廣泛。研究表明，過流介質(zhì)中含的是比超高鉻鑄鐵組織中碳化物軟的高爐燒結(jié)顆粒或水泥熟料顆粒時，大量碳化物的存在有利于提高耐磨性。但超高鉻鑄鐵中碳化物數(shù)量提高到一定程度時，會導(dǎo)致超高鉻鑄鐵的韌性急劇下降。
現(xiàn)階段國內(nèi)用于輸送磷石膏漿料泵過流件的效果較好的材質(zhì)是石家莊泵業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司2003年左右研制的，代號是SSA。趙亞忠和朱保鋼分別在論文《超高鉻抗磨損耐腐蝕鑄鐵的研制及應(yīng)用》和《耐蝕抗磨新型鑄鐵材料的研究及應(yīng)用》中給出了這種鑄鐵材料的成分，其主要化學(xué)成分是：碳1.65-2.5％，硅0.7-2.4％，錳2.0-3.5％，鉻30-40％，鉬＜3.0％，鎳＜3.0％，銅＜2.0％，采用專門的細(xì)化劑和低溫快澆工藝減少鑄造時出現(xiàn)裂紋缺陷，材料在使用前進(jìn)行退火處理(750～870℃保溫3～8小時)，材料的硬度在39～50HRC之間，沖擊功在5.0～8.0J/cm2之間。
雖然由SSA制備的用于輸送磷石膏漿料泵過流件使其使用壽命在一定程度上有了較大的提高，但材料的硬度和耐磨性仍然不夠高，使用壽命還偏低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種耐酸、耐磨且韌性好的超高鉻鑄鐵。
本發(fā)明提供了一種超高鉻鑄鐵，包括如下質(zhì)量含量的組分：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。
優(yōu)選的，所述超高鉻鑄鐵包括如下質(zhì)量含量的組分：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。
優(yōu)選的，所述超高鉻鑄鐵中碳化物的體積含量為35～40％。
本發(fā)明還提供了上述超高鉻鑄鐵的制備方法，包括以下步驟：
(1)將鐵源、硅源、鉻源、錳源、鉬源、鎳源和銅源加熱熔化，得到混合熔體；
(2)將所述步驟(1)中得到的混合熔體與鈦源和釩源混合，保溫得到合金液；
(3)將所述步驟(2)中得到的合金液與變質(zhì)劑混合進(jìn)行變質(zhì)，得到變質(zhì)合金液；
(4)將所述步驟(3)中得到的變質(zhì)合金液澆注，得到鑄錠；
(5)將所述步驟(4)中得到的鑄錠退火，得到超高鉻鑄鐵。
優(yōu)選的，所述步驟(1)中熔化的溫度為1500～1600℃。
優(yōu)選的，所述步驟(2)中保溫的溫度為1450～1500℃。
優(yōu)選的，所述步驟(3)中變質(zhì)的溫度為1500～1600℃。
優(yōu)選的，所述步驟(3)中的變質(zhì)劑包括釔基重稀土或鈰基重稀土。
優(yōu)選的，所述步驟(3)中變質(zhì)劑的質(zhì)量為步驟(2)中合金液質(zhì)量的0.3～0.6％。
優(yōu)選的，所述步驟(5)中退火的溫度為880～920℃，退火的時間為3～8h。
本發(fā)明提供了一種超高鉻鑄鐵，包括如下質(zhì)量含量的組分：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。本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵，通過提高碳和鉻的含量，增加材料中碳化物的含量，在不降低其耐腐蝕性能的前提下提高其硬度，從而進(jìn)一步提高其使用壽命；同時通過加入鈦和釩進(jìn)行細(xì)化處理，避免了韌性的降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵的硬度可達(dá)51.7HRC，沖擊韌性可達(dá)5.7J/cm2，在45％磷酸中的腐蝕率小于0.05mm·a-1。
本發(fā)明還提供了上述超高鉻鑄鐵的制備方法，本發(fā)明提供的制備方法通過鈦和釩的細(xì)化處理以及變質(zhì)劑的變質(zhì)處理，能夠減少裂紋和冷隔等鑄造缺陷，降低鑄造生產(chǎn)的廢品率，簡單易行，可適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種超高鉻鑄鐵，包括如下質(zhì)量含量的組分：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。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括2.55～2.75％的C，優(yōu)選為2.58～2.71％，更優(yōu)選為2.62～2.68％。在本發(fā)明中，所述C與Fe及合金元素形成碳化物，提高鑄鐵的硬度和耐磨性。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括40.5～45.0％的Cr，優(yōu)選為41.0～44.0％，更優(yōu)選為42.0～44.0％。在本發(fā)明中，所述Cr能夠提高鑄鐵的耐蝕性，同時與C和Fe形成復(fù)合碳化物，提高鑄鐵的硬度和耐磨性。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括0.2～0.5％的Ti和0.2～0.5％的V，優(yōu)選為0.22～0.4％的Ti和0.22～0.4％的V，更優(yōu)選為0.25～0.3％的Ti和0.25～0.3％的V。在本發(fā)明中，所述Ti和V與C形成碳化物，起異質(zhì)晶核的作用，細(xì)化了晶粒,提高沖擊韌度。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括0.7～1.5％的Si，優(yōu)選為0.9～1.2％，更優(yōu)選為1.06～1.13％。在本發(fā)明中，所述Si固溶于Fe基體中，達(dá)到固溶強(qiáng)化的作用。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括1.0～3.0％的Mo，優(yōu)選為1.5～2.5％，更優(yōu)選為1.9～2.2％。在本發(fā)明中，所述Mo溶解于Fe基體和碳化物中，抑制珠光體的形成，提高淬透性，細(xì)化組織，提高硬度、耐磨性和韌性。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括0.5～1.5％的Mn，優(yōu)選為0.7～1.2％，更優(yōu)選為0.8～1.0％。在本發(fā)明中，所述Mn抑制珠光體轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定奧氏體和碳化物，提高鑄鐵的硬度、耐磨性和韌性。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括1.0～3.0％的Ni，優(yōu)選為1.5～2.5％，更優(yōu)選為1.7～2.0％。在本發(fā)明中，所述Ni固溶于Fe基體中，提高鑄鐵的耐磨性能和耐蝕性能。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵包括1.0～2.0％的Cu，優(yōu)選為1.3～1.8％，更優(yōu)選為1.6～2.0％。在本發(fā)明中，所述Cu固溶于Fe基體中，與Mo配合作用，提高淬透性，同時可以使碳化物變細(xì)和不連續(xù)，改變碳化物的形態(tài)，減輕基體被碳化物的割裂現(xiàn)象，提高韌性。
本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵中還含有余量的Fe。在本發(fā)明中，所述Fe為超高鉻鑄鐵的基體。
在本發(fā)明中，所述超高鉻鑄鐵的微觀組織包括鐵素體和碳化物。在本發(fā)明中，所述碳化物的體積含量優(yōu)選為35～40％，更優(yōu)選為36～38％。在本發(fā)明中，所述碳化物優(yōu)選包括(Cr,Fe)26C3、TiC和VC。在本發(fā)明中，所述碳化物呈條狀，不連續(xù)分布于鐵素體基體上。
本發(fā)明還提供了一種上述技術(shù)方案所述超高鉻鑄鐵的制備方法，包括以下步驟：
(1)將鐵源、硅源、鉻源、錳源、鉬源、鎳源和銅源加熱熔化，得到混合熔體；
(2)將所述步驟(1)中得到的混合熔體與鈦源和釩源混合，保溫得到合金液；
(3)將所述步驟(2)中得到的合金液與變質(zhì)劑混合進(jìn)行變質(zhì)，得到變質(zhì)合金液；
(4)將所述步驟(3)中得到的變質(zhì)合金液澆注，得到鑄錠；
(5)將所述步驟(4)中得到的鑄錠退火，得到超高鉻鑄鐵。
本發(fā)明將鐵源、硅源、鉻源、錳源、鉬源、鎳源和銅源加熱熔化，得到混合熔體。本發(fā)明對所述鐵源、硅源、鉻源、錳源、鉬源、鎳源和銅源的種類和來源沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的合金原料即可。在本發(fā)明中，為降低成本，所述鐵源、硅源、鉻源優(yōu)選包括廢鋼、高碳鉻鐵和低碳鉻鐵中的一種或多種。在本發(fā)明中，所述高碳鉻鐵中Cr的質(zhì)量含量優(yōu)選為50～65％，更優(yōu)選為55～60％；所述低碳鉻鐵中Cr的質(zhì)量含量優(yōu)選為50～65％，更優(yōu)選為55～60％。
在本發(fā)明中，所述錳源優(yōu)選包括錳鐵；所述錳鐵中Mn的質(zhì)量含量優(yōu)選為50～85％，更優(yōu)選為60～80％，最優(yōu)選為65～75％。在本發(fā)明中，所述鉬源優(yōu)選包括鉬鐵；所述鉬鐵中Mo的質(zhì)量含量優(yōu)選為55～75％，更優(yōu)選為60～70％，最優(yōu)選為62～66％。在本發(fā)明中，所述鎳源優(yōu)選包括金屬鎳。在本發(fā)明中，所述銅源優(yōu)選包括金屬銅。
本發(fā)明對所述加熱的升溫速率沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的升溫速率即可。在本發(fā)明中，所述加熱的升溫速率優(yōu)選為1000～1500℃/h，更優(yōu)選為1200～1300℃/h。在本發(fā)明中，所述熔化的溫度優(yōu)選為1500～1600℃，更優(yōu)選為1520～1580℃，最優(yōu)選為1540～1560℃。
加熱熔化后，本發(fā)明優(yōu)選在所述熔化溫度下進(jìn)行保溫，得到混合熔體。在本發(fā)明中，所述保溫的時間優(yōu)選為3～15min，更優(yōu)選為5～12min，最優(yōu)選為7～9min。在本發(fā)明中，所述保溫使合金元素在Fe液中均勻分布。
完成保溫后，本發(fā)明優(yōu)選將所述保溫后的熔體進(jìn)行脫氧，得到混合熔體。本發(fā)明對所述脫氧的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的熔體脫氧的技術(shù)方案即可。本發(fā)明優(yōu)選將所述熔體與脫氧劑混合進(jìn)行脫氧。在本發(fā)明中，所述脫氧劑的質(zhì)量優(yōu)選為熔體質(zhì)量的0.08～0.12％，更優(yōu)選為0.09～0.11％。在本發(fā)明中，所述脫氧劑優(yōu)選包括鋁粉；所述鋁粉的粒徑優(yōu)選為10mm以下，更優(yōu)選為3～8mm；所述鋁粉的純度優(yōu)選為95％以上。
得到混合熔體后，本發(fā)明將所述混合熔體與鈦源和釩源混合，保溫得到合金液。在本發(fā)明中，所述保溫的溫度優(yōu)選為1450～1500℃，更優(yōu)選為1460～1480℃。所述保溫的時間優(yōu)選為8～20min，更優(yōu)選為11～16min。
在本發(fā)明中，所述合金液的制備優(yōu)選包括以下步驟：將混合熔體與釩源混合，進(jìn)行第一保溫，然后與鈦源混合，進(jìn)行第二保溫得到合金液。在本發(fā)明中，所述第一保溫的溫度優(yōu)選為1450～1500℃，更優(yōu)選為1460～1480℃；所述第一保溫的時間優(yōu)選為3～10min，更優(yōu)選為5～8min。在本發(fā)明中，所述第二保溫的溫度優(yōu)選為1450～1500℃，更優(yōu)選為1460～1480℃；所述第二保溫的時間優(yōu)選為5～10min，更優(yōu)選為6～8min。
本發(fā)明對所述鈦源和釩源的種類沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的合金原料即可。在本發(fā)明中，所述鈦源優(yōu)選包括鈦鐵；所述鈦鐵中Ti的質(zhì)量含量優(yōu)選為25～45％，更優(yōu)選為30～40％。在本發(fā)明中，所述釩源優(yōu)選包括釩鐵；所述釩鐵中V的質(zhì)量含量優(yōu)選為40～75％，更優(yōu)選為50～60％。在本發(fā)明中，所述鈦源和釩源中的Ti和V與熔體中的C反應(yīng)形成碳化物，為后續(xù)鑄鐵的凝固提供形核核心，細(xì)化晶粒，提高韌性，避免C和Cr含量的提高導(dǎo)致韌性的降低。
為避免熔體溫度降低幅度過大，本發(fā)明優(yōu)選在鈦源和釩源使用前進(jìn)行預(yù)熱。在本發(fā)明中，所述預(yù)熱的溫度優(yōu)選為470～580℃，更優(yōu)選為490～550℃，最優(yōu)選為520～530℃；所述預(yù)熱的時間優(yōu)選為2～4h。
得到合金液后，本發(fā)明將所述合金液與變質(zhì)劑混合進(jìn)行變質(zhì)，得到變質(zhì)合金液。在本發(fā)明中，所述變質(zhì)優(yōu)選采用包底沖入法。在本發(fā)明中，所述變質(zhì)的溫度優(yōu)選為1500～1600℃，更優(yōu)選為1520～1580℃，最優(yōu)選為1540～1560℃。在本發(fā)明中，所述變質(zhì)劑的質(zhì)量優(yōu)選為合金液質(zhì)量的0.3～0.6％，更優(yōu)選為0.4～0.5％。在本發(fā)明中，所述變質(zhì)劑優(yōu)選包括釔基重稀土或鈰基重稀土。在本發(fā)明中，所述變質(zhì)劑的粒徑優(yōu)選為10mm以下。本發(fā)明對所述變質(zhì)劑的來源沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的市售變質(zhì)劑即可。在本發(fā)明中，所述變質(zhì)能夠改變碳化物的形態(tài)，細(xì)化組織，提高韌性；同時能夠減少裂紋和冷隔等鑄造缺陷，降低鑄造生產(chǎn)的廢品率。
變質(zhì)完成后，本發(fā)明優(yōu)選將所述變質(zhì)后的物料進(jìn)行除渣，得到變質(zhì)合金液。在本發(fā)明中，所述除渣優(yōu)選為鎮(zhèn)靜除渣；所述鎮(zhèn)靜的時間優(yōu)選為3～5min。
得到變質(zhì)合金液后，本發(fā)明將所述變質(zhì)合金液澆注，得到鑄錠。本發(fā)明對所述澆注的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的澆注的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，所述澆注的溫度優(yōu)選為1380～1400℃，更優(yōu)選為1385～1395℃。在本發(fā)明中，所述澆注優(yōu)選為砂型澆注。
完成澆注后，本發(fā)明優(yōu)選將所述澆注后的產(chǎn)物冷卻，得到鑄錠。本發(fā)明對所述冷卻的操作沒有特殊的限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的澆注冷卻的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，所述冷卻的終止溫度優(yōu)選為200℃以下。
得到鑄錠后，本發(fā)明將所述鑄錠退火，得到超高鉻鑄鐵。在本發(fā)明中，所述退火的溫度優(yōu)選為880～920℃，更優(yōu)選為890～910℃；所述退火的時間優(yōu)選為3～8h，更優(yōu)選為4～6h。本發(fā)明對所述退火的升溫速率沒有特殊的限定，采用本應(yīng)用技術(shù)人員熟知的退火升溫的技術(shù)方案即可。在本發(fā)明中，所述升溫的速率優(yōu)選為20～50℃/h，更優(yōu)選為30～40℃/h。在本發(fā)明中，所述退火的冷卻方式優(yōu)選為隨爐冷卻。在本發(fā)明中，所述退火過程中二次碳化物析出，提高韌性和組織均勻性。
為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)地描述，但不能將它們理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
實(shí)施例1:
(1)用熔化爐熔煉，按比例加入各廢鋼、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、鎳、銅原料；在1500℃溫度下將原料熔融為鐵液；
(2)向鐵液中加入鋁粉，加入量為鐵液重量的0.08％；
(3)將預(yù)熱至470℃的釩鐵加入鐵液中，在1450℃溫度下使釩鐵全部熔化并均勻分散于鐵液中；
(4)將預(yù)熱至470℃的鈦鐵加入鐵液中，加熱使鈦鐵全部熔化，然后將鐵液溫度提升至1500℃并出爐；
(5)采用包底沖入法對鐵液進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)劑為占鐵液重量0.3％的粒度小于10mm的釔基重稀土顆粒；變質(zhì)完畢并鎮(zhèn)靜除渣后，在1380℃溫度下將鐵液澆入砂型中；
(6)鑄件清理完成后，進(jìn)行退火處理，880℃保溫8小時，隨爐冷卻得到超高鉻鑄鐵。
實(shí)施例2:
(1)用熔化爐熔煉，按比例加入各廢鋼、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、鎳、銅原料；在1600℃溫度下將原料熔融為鐵液；
(2)向鐵液中加入鋁粉，加入量為鐵液重量的0.12％；
(3)將預(yù)熱至580℃的釩鐵加入鐵液中，在1500℃溫度下使釩鐵全部熔化并均勻分散于鐵液中；
(4)將鈦鐵加入鐵液中，加熱使鈦鐵全部熔化，然后將鐵液溫度提升至1600℃并出爐；
(5)采用包底沖入法對鐵液進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)劑為占鐵液重量0.6％的粒度小于10mm的釔基重稀土顆粒；變質(zhì)完畢并鎮(zhèn)靜除渣后，在1400℃溫度下將鐵液澆入砂型中；
(6)鑄件清理完成后，進(jìn)行退火處理，920℃保溫3小時，隨爐冷卻得到超高鉻鑄鐵。
實(shí)施例3:
(1)用熔化爐熔煉，按比例加入各廢鋼、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、鎳、銅等原料；在1550℃溫度下將原料熔融為鐵液；
(2)向鐵液中加入鋁粉，加入量為鐵液重量的0.1％；
(3)將預(yù)熱至520℃的釩鐵加入鐵液中，在1480℃溫度下使釩鐵全部熔化并均勻分散于鐵液中；
(4)將鈦鐵加入鐵液中，加熱使鈦鐵全部熔化，然后將鐵液溫度提升至1550℃并出爐；
(5)采用包底沖入法對鐵液進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)劑為占鐵液重量0.5％的粒度小于10mm的釔基重稀土顆粒；變質(zhì)完畢并鎮(zhèn)靜除渣后，在1390℃溫度下將鐵液澆入砂型中；
(6)鑄件清理完成后，進(jìn)行退火處理900℃保溫5小時，隨爐冷卻得到超高鉻鑄鐵。
用實(shí)施例1、2和3中得到的超高鉻鑄鐵生產(chǎn)100ZGB渣漿泵的葉輪、護(hù)板和護(hù)套等流件，并隨型澆注無缺口沖擊韌性試樣，試樣尺寸為20mm×20mm×110mm。對得到的試樣進(jìn)行成分、力學(xué)性能和耐腐蝕性能檢測，其中，耐腐蝕性能為45％磷酸中的腐蝕率，與石家莊泵業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司2003年研制的，代號是SSA的超高鉻鑄鐵的成分及性能對比結(jié)果如表1所示。
表1對比例及實(shí)施例的超高鉻鑄鐵成分及性能對比結(jié)果
由以上對比例及實(shí)施例可以看出，本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵具有硬度高、韌性好且在強(qiáng)酸漿料中耐腐蝕和高耐磨的特點(diǎn)，能夠用于制造輸送含有強(qiáng)酸漿料的工業(yè)泵的過流件；本發(fā)明提供的制備方法簡單經(jīng)濟(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。實(shí)際生產(chǎn)和現(xiàn)場使用表明：本發(fā)明提供的超高鉻鑄鐵用于生產(chǎn)的過流件，產(chǎn)品的廢品率小于8.0％，產(chǎn)品的使用壽命提高20％以上。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。