一種同時提高(Cr,Fe)7C3硬度和韌性的方法

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一種同時提高(Cr,Fe)7C3硬度和韌性的方法
【專利摘要】本發明書屬于金屬粉末與非金屬粉末的混合物領域，具體涉及一種同時提高(Cr,Fe)7C3硬度和韌性的方法包括以下步驟：(1)采用廢鋼、生鐵、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵和鎢鐵為原料，各成分的重量百分比如下：4.2％?4.8％C，11.5％?12.3％Cr，0.08％?0.13％Ti，1?1.6％Si，W含量為≤3.5％，其余為Fe；(2)將步驟1中的各原料進行熔煉，金屬液溫度達到1450?1500℃后用鋁絲脫氧，然后將金屬液通過澆包澆鑄到砂型中并自然冷卻；(3)將步驟2制得鑄件清理干凈，然后將鑄件淬火處理，然后空冷；(4)將步驟3淬火后的鑄件回火處理，并保溫一定的時間，然后空冷。本發明能顯著提高高鉻鑄鐵中(Cr,Fe)7C3碳化物的力學性能，工藝簡單易行，克服了以往僅依靠變質處理改善初生碳化物形狀和分布的方法，適合批量生產。
【專利說明】
一種同時提高(Cr ,Fe)7C3硬度和韌性的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于金屬粉末與非金屬粉末的混合物領域，具體涉及一種同時提高（Cr， Fe)7C3硬度和韌性的方法。
【背景技術】
[0002] 長期以來，由于其優異的抗磨性、相對較低的價格和簡易的制備工藝，高鉻鑄鐵被廣泛的用于抗磨損環境。優異的抗磨性能主要來源于高體積分數的耐磨M 7C3型(HV~1300-1800)硬質相的存在，并且也和基體的韌性有關。根據碳和鉻的比例，高鉻鑄鐵可以被分為亞共晶、共晶和過共晶，其中過共晶高鉻鑄鐵具有最高體積分數的耐磨M 7C3型硬質相。因此，為了更好地開發和應用過共晶高鉻鑄鐵，提高初生碳化物M7C 3型硬質相的硬度和韌性等力學性質是很有必要的。
[0003] 不同的合金元素對對提高高絡鑄鐵的耐磨性具有重要作用。Bedolla-Jacuinde等人添加欽后能夠細化微觀組織并且提尚尚絡鑄鐵的力學性質。Scandian等人添加鑰兀素改進高鉻白口鑄鐵的微觀組織和耐磨性，發現由于新碳化物(M 2C，M6C)的形成，其高溫磨損性能進一步提高。曲銀虎添加鈰來改進鑄態過共晶高鉻鑄鐵的微觀組織，發現鈰能夠細化初生M 7C3型碳化物。
[0004] 中國發明專利CN104928559A公布了一種高鉻鑄鐵的強韌化工藝，通過微合金化、變質處理、急冷鑄型、低溫快速平穩充型的澆注工藝和熱處理，大幅度細化晶粒，改善共晶碳化物形狀和分布。但工藝復雜、主要目的是細化晶粒。
[0005] 中國發明專利CN103451462A公布了一種改善塊體Cr7C3抗磨蝕性能的方法，摻雜釔元素后，其韌性提高0.6-1.5倍，在1000°C下高溫氧化氣氛下耐磨性提高約1.8倍以上，但針對的是塊體Cr 7C3純相，應用范圍非常有限。
[0006] 中國發明專利CN1769508公開了一種低成本高耐磨性的過共晶高鉻鑄鐵及其制造方法，采用二次孕育變質處理的方法細化初生碳化物，使用孕育劑的作用是大大加快合金的凝固，使初生碳化物來不及長大，從而達到細化初生碳化物的目的，但并未改變初生碳化物本身的硬度和韌性等力學性質。

【發明內容】

[0007] 針對上述現有技術存在的問題及不足，本發明的目的在于提供一種同時提高(Cr， Fe)7C3硬度和韌性的方法。充分利用鎢元素摻雜的作用提高碳化物本身的力學性能，工藝簡單易行，克服了以往僅依靠變質處理改善初生碳化物形狀和分布的方法，適合批量生產。
[0008] 為達到上述目的，本發明的基礎方案如下：
[0009] -種同時提高(Cr，Fe) 7C3硬度和韌性的方法，包括以下步驟：
[0010] (1)采用廢鋼、生鐵、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵和鎢鐵為原料，各成分的重量百分比如下:4.2%-4.8%(：，11.5%-12.3%〇,0.08%-0.13%11，1-1.6%51，￥含量為彡3.5%，其余為Fe;
[0011] (2)將步驟1中的各原料在中頻感應爐中進行熔煉，金屬液溫度達至Ij 1450-1500 °C 后用鋁絲脫氧，然后將金屬液通過澆包澆鑄到砂型中并自然冷卻；
[0012] (3)將步驟2制得鑄件清理干凈，然后將鑄件放到高溫電阻爐中進行淬火處理，然后空冷；
[0013] (4)將步驟3淬火后的鑄件放入低溫電阻爐進行回火處理，并保溫一定的時間，然后空冷。
[0014] 本方案的優點是：
[0015] 1、采用的原料都為價格低廉的普通礦石，沒加入稀土等昂貴變質劑，明顯降低了生產成本。
[0016] 2、工藝簡單易行，采用簡單的砂型澆鑄工藝，充分發揮鎢元素的作用和熱處理的作用，不用孕育處理和急冷快速充型等工藝，適合大批量生產。
[0017] 3、同時使用高碳鉻鐵、低碳鉻鐵能精確控制Cr/C比，所制得的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe) 7C3碳化物的韌性與本征硬度同時提高，斷裂韌性提高2.5倍，顯微維氏硬度由1250Mpa左右提高到1450Mpa以上。而且所制得的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物具有較好的力學性能和耐磨性。
[0018] 4、所制得的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe) 7C3碳化物的形態沒有發生很大變化，體積分數有所增加，能夠保證高鉻鑄鐵較強的抗磨性。
[0019] 優化方案1，對基礎方案的進一步優化，各成分的重量百分比如下：4.5%C，12% 〇,0.1%1^，1.5%51，1含量為彡3.5%，其余為? 6。發明人通過試驗發現，各成分的重量百分比按上述比例時，制備得到的產品硬度和韌性最佳。
[0020] 優化方案2，對基礎方案的進一步優化，各原料的加入順序為先加入廢鋼和生鐵，再加入尚絡鑄鐵，然后加入低絡鑄鐵，最后加入媽鐵。按照上述順序加料，能最大程度減少原料燒損，尤其是鎢的燒損，以提高碳化物的力學性能。
[0021] 優化方案3,對基礎方案、優化方案1、2任一項的進一步優化，所述砂型鑄件的形狀為標準基爾試塊，冷卻8-12小時。采用上述操作，能夠讓鎢充分地擴散，提高制備的產品力學性能。
[0022] 優化方案4,對優化方案3的進一步優化，對基爾試塊最下端進行線切割，取芯部樣品，試樣切割成10mmX 10mmX 55mm進行熱處理。發明人通過實驗發現，基爾試塊下部質量最好，缺陷(如縮松、縮孔)最少，能有效保證高鉻鑄鐵的力學性能。
[0023] 優化方案5，對基礎方案、優化方案1、2、4任一項的進一步優化，在步驟3中，淬火處理溫度區間為850-1050°C，保溫時間為1-3小時。發明人通過實驗發現，在上述條件下淬火處理，所制備的高鉻鑄鐵力學性能較佳。
[0024]優化方案6,對優化方案5的進一步優化，在步驟4中，回火處理溫度區間為300-540 °C，回火保溫時間為2-4小時。發明人通過實驗發現，在上述條件下回火處理，所制備的高鉻鑄鐵力學性能較佳。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明實施例1技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe) 7C3碳化物的形態和分布；
[0026] 圖2是本發明實施例2技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物的形態和分布；
[0027] 圖3是本發明實施例3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物的形態和分布；
[0028] 圖4是本發明實施例1，2，3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物含量與平均粒徑隨鎢添加量的變化；
[0029] 圖5是本發明實施例1技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物壓痕示意圖；
[0030] 圖6是本發明實施例2技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物壓痕示意圖；
[0031] 圖7是本發明實施例3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物壓痕示意圖；
[0032] 圖8是本發明實施例1，2,3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物添加鎢后原子結構不意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面通過【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明：
[0034] 下面以實施例1為例詳細描述一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其他實施例和對比例在表1中體現，未不出的部分與實施例1相同：
[0035] 實施例1
[0036] 本實施例所述一種同時提高高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物硬度和韌性的方法，具體包括以下步驟：
[0037] (1)采用廢鋼、生鐵、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵和鎢鐵為原料，使各成分的重量百分比如下：4.50%C，12.00%Cr，0.10%Ti，1.50%Si，W含量為 1.5%，其余為Fe;
[0038] (2)將步驟1中的各原料在中頻感應爐中進行熔煉，加料順序為先加入廢鋼和生鐵，再加入尚絡鑄鐵，然后加入低絡鑄鐵，最后加入媽鐵，金屬液溫度達到1450 C后用錯絲脫氧，然后將金屬液通過澆包澆鑄到標準基爾試塊砂型中，自然冷卻8小時，讓鎢元素充分的溶入到(Cr，Fe) 7C3化合物中，如圖4所示；
[0039] (3)將步驟2制得的鑄件清理干凈，對基爾試塊最下端進行線切割，取芯部樣品，試樣切割成1 〇mm X 10mm X 55mm進行熱處理，將鑄件放到高溫電阻爐中進行淬火處理，淬火溫度為850°C，保溫時間為3小時，然后空冷；
[0040] (4)將淬火后的鑄件在300°C的溫度下回火，回火保溫時間為4小時，然后空冷。即得到(Cr，Fe) 7C3硬度和韌性同時提高的高鉻鑄鐵試樣，如圖1所示。
[0041] 表1
[0042]
[0043] 分別采用顯微硬度和壓痕法檢測實施例1-5中的高鉻鑄鐵試樣中（Cr，Fe)7C3碳化物的硬度、斷裂韌性，得到的檢測結果如表2所示：
[0044] 表 2
[0045]
[0046] 如圖2所示，是實施例2技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物的形態和分布。
[0047] 如圖3所示，是實施例3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物的形態和分布。
[0048] 如圖4所示，是本發明實施例1，2,3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物含量與平均粒徑隨鎢添加量的變化關系。
[0049] 如圖5所示，是實施例1技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物壓痕示意圖。
[0050] 如圖6所示，是實施例2技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物壓痕示意圖。
[0051] 如圖7所示，是實施例3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物壓痕示意圖。
[0052] 如圖8所示，是本發明實施例1，2,3技術方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C3碳化物添加鎢后原子結構示意圖。
[0053]對比實施例1-4可以明顯看出，實施例1-3制備的高鉻鑄鐵試樣的硬度和強度性能明顯高于實施例4,而且實施例4與實施例3的區別僅在于實施例4未添加鎢，從而可以看出，鎢對高鉻鑄鐵中（Cr，Fe)7C 3碳化物硬度和韌性提高有起著關鍵的作用。
[0054]對比實施例3和實施例5,實施例3的力學性能明顯更高，而兩實施例的區別在于，實施例3中的加料順序同實施例1，實施例4的加料順序是同時加入，從而可以看出，按照先加入廢鋼和生鐵，再加入尚絡鑄鐵，然后加入低絡鑄鐵，最后加入媽鐵的順序，能明顯提尚高鉻鑄鐵試樣的力學性能。
[0055]以上所述的僅是本發明的實施例，方案中公知的特性等常識在此未作過多描述。應當指出，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應該視為本發明的保護范圍，這些都不會影響本發明實施的效果和專利的實用性。本申請要求的保護范圍應當以其權利要求的內容為準，說明書中的具體實施方式等記載可以用于解釋權利要求的內容。
【主權項】
1. 一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 采用廢鋼、生鐵、高碳鉻鐵、低碳鉻鐵和鎢鐵為原料，各成分的重量百分比如下： 4.2%-4.8%(：，11.5%-12.3%〇,0.08%-0.13%11，1-1.6%51，￥含量為彡3.5%，其余為 Fe； (2) 將步驟1中的各原料在中頻感應爐中進行熔煉，金屬液溫度達到1450-1500 °C后用鋁絲脫氧，然后將金屬液通過澆包澆鑄到砂型中并自然冷卻； (3) 將步驟2制得鑄件清理干凈，然后將鑄件放到高溫電阻爐中進行淬火處理，然后空冷； (4) 將步驟3淬火后的鑄件放入低溫電阻爐進行回火處理并保溫，然后空冷。2. 根據權利要求1所述的一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，各成分的重量百分比如下:4.5%C，12%Cr，0.1%Ti，1.5%Si，W含量為3.5%，其余為卩〇。3. 根據權利要求1所述的一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，各原料的加入順序為先加入廢鋼和生鐵，再加入尚絡鑄鐵，然后加入低絡鑄鐵，最后加入媽鐵。4. 根據權利要求1-3任一項所述的一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，所述砂型鑄件的形狀為標準基爾試塊，冷卻8-12小時。5. 根據權利要求4所述的一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，對基爾試塊最下端進行線切割，取芯部樣品，試樣切割成10mmX 10mmX 55mm進行熱處理。6. 根據權利要求1或2或3或5所述的一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，在步驟3中，淬火處理溫度區間為850-1050°C，保溫時間為1-3小時。7. 根據權利要求6所述的一種同時提高(Cr，Fe)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，在步驟4中，回火處理溫度區間為300-540°C，回火保溫時間為2-4小時。
【文檔編號】C22C37/06GK106065451SQ201610527362
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】馮晶, 種曉宇, 蔣業華, 周榮
【申請人】昆明理工大學

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