一種同時(shí)提高(Cr,Fe)₇C₃硬度和韌性的方法
【專利摘要】本發(fā)明書屬于金屬粉末與非金屬粉末的混合物領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)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(jìn)行熔煉，金屬液溫度達(dá)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(shí)間，然后空冷。本發(fā)明能顯著提高高鉻鑄鐵中(Cr,Fe)7C3碳化物的力學(xué)性能，工藝簡(jiǎn)單易行，克服了以往僅依靠變質(zhì)處理改善初生碳化物形狀和分布的方法，適合批量生產(chǎn)。
【專利說明】
一種同時(shí)提高(Cr ,Fe)7C3硬度和韌性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬粉末與非金屬粉末的混合物領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)提高（Cr， Fe)7C3硬度和韌性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 長(zhǎng)期以來，由于其優(yōu)異的抗磨性、相對(duì)較低的價(jià)格和簡(jiǎn)易的制備工藝，高鉻鑄鐵被 廣泛的用于抗磨損環(huán)境。優(yōu)異的抗磨性能主要來源于高體積分?jǐn)?shù)的耐磨M 7C3型(HV~1300-1800)硬質(zhì)相的存在，并且也和基體的韌性有關(guān)。根據(jù)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?jǐn)?shù)的耐磨M 7C3型硬質(zhì)相。因此， 為了更好地開發(fā)和應(yīng)用過共晶高鉻鑄鐵，提高初生碳化物M7C 3型硬質(zhì)相的硬度和韌性等力 學(xué)性質(zhì)是很有必要的。
[0003] 不同的合金元素對(duì)對(duì)提高高絡(luò)鑄鐵的耐磨性具有重要作用。Bedolla-Jacuinde等 人添加欽后能夠細(xì)化微觀組織并且提尚尚絡(luò)鑄鐵的力學(xué)性質(zhì)。Scandian等人添加鑰兀素改 進(jìn)高鉻白口鑄鐵的微觀組織和耐磨性，發(fā)現(xiàn)由于新碳化物(M 2C，M6C)的形成，其高溫磨損性 能進(jìn)一步提高。曲銀虎添加鈰來改進(jìn)鑄態(tài)過共晶高鉻鑄鐵的微觀組織，發(fā)現(xiàn)鈰能夠細(xì)化初 生M 7C3型碳化物。
[0004] 中國(guó)發(fā)明專利CN104928559A公布了一種高鉻鑄鐵的強(qiáng)韌化工藝，通過微合金化、 變質(zhì)處理、急冷鑄型、低溫快速平穩(wěn)充型的澆注工藝和熱處理，大幅度細(xì)化晶粒，改善共晶 碳化物形狀和分布。但工藝復(fù)雜、主要目的是細(xì)化晶粒。
[0005] 中國(guó)發(fā)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(duì)的是塊體Cr 7C3純相，應(yīng)用范圍非常有限。
[0006] 中國(guó)發(fā)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(zhì)處理的方法細(xì)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(zhǎng)大，從而達(dá)到細(xì)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(xué)性質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)提高(Cr， Fe)7C3硬度和韌性的方法。充分利用鎢元素?fù)诫s的作用提高碳化物本身的力學(xué)性能，工藝簡(jiǎn) 單易行，克服了以往僅依靠變質(zhì)處理改善初生碳化物形狀和分布的方法，適合批量生產(chǎn)。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基礎(chǔ)方案如下：
[0009] -種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e) 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(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，金屬液溫度達(dá)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(jìn)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(jìn)行回火處理，并保溫一定的時(shí)間，然 后空冷。
[0014] 本方案的優(yōu)點(diǎn)是：
[0015] 1、采用的原料都為價(jià)格低廉的普通礦石，沒加入稀土等昂貴變質(zhì)劑，明顯降低了 生產(chǎn)成本。
[0016] 2、工藝簡(jiǎn)單易行，采用簡(jiǎn)單的砂型澆鑄工藝，充分發(fā)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(chǎn)。
[0017] 3、同時(shí)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，F(xiàn)e) 7C3碳化物的韌性與本征硬度同時(shí)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，F(xiàn)e)7C3碳化物具有較好的力學(xué)性能和 耐磨性。
[0018] 4、所制得的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e) 7C3碳化物的形態(tài)沒有發(fā)生很大變化，體積分?jǐn)?shù)有 所增加，能夠保證高鉻鑄鐵較強(qiáng)的抗磨性。
[0019] 優(yōu)化方案1，對(duì)基礎(chǔ)方案的進(jìn)一步優(yōu)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(fā)明人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各成分的重量百 分比按上述比例時(shí)，制備得到的產(chǎn)品硬度和韌性最佳。
[0020] 優(yōu)化方案2，對(duì)基礎(chǔ)方案的進(jìn)一步優(yōu)化，各原料的加入順序?yàn)橄燃尤霃U鋼和生鐵， 再加入尚絡(luò)鑄鐵，然后加入低絡(luò)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(xué)性能。
[0021] 優(yōu)化方案3,對(duì)基礎(chǔ)方案、優(yōu)化方案1、2任一項(xiàng)的進(jìn)一步優(yōu)化，所述砂型鑄件的形狀 為標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊，冷卻8-12小時(shí)。采用上述操作，能夠讓鎢充分地?cái)U(kuò)散，提高制備的產(chǎn)品力 學(xué)性能。
[0022] 優(yōu)化方案4,對(duì)優(yōu)化方案3的進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)基爾試塊最下端進(jìn)行線切割，取芯部樣 品，試樣切割成10mmX 10mmX 55mm進(jìn)行熱處理。發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基爾試塊下部質(zhì)量最 好，缺陷(如縮松、縮孔)最少，能有效保證高鉻鑄鐵的力學(xué)性能。
[0023] 優(yōu)化方案5，對(duì)基礎(chǔ)方案、優(yōu)化方案1、2、4任一項(xiàng)的進(jìn)一步優(yōu)化，在步驟3中，淬火處 理溫度區(qū)間為850-1050°C，保溫時(shí)間為1-3小時(shí)。發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述條件下淬火 處理，所制備的高鉻鑄鐵力學(xué)性能較佳。
[0024]優(yōu)化方案6,對(duì)優(yōu)化方案5的進(jìn)一步優(yōu)化，在步驟4中，回火處理溫度區(qū)間為300-540 °C，回火保溫時(shí)間為2-4小時(shí)。發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述條件下回火處理，所制備的高鉻 鑄鐵力學(xué)性能較佳。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e) 7C3碳化物的形態(tài)和分 布；
[0026] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物的形態(tài)和分 布；
[0027] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物的形態(tài)和分 布；
[0028] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1，2，3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)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(fā)明實(shí)施例1技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物壓痕示意 圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例2技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物壓痕示意 圖；
[0031] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物壓痕示意 圖；
[0032] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例1，2,3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物添加鎢 后原子結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面通過【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
[0034] 下面以實(shí)施例1為例詳細(xì)描述一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)7C3硬度和韌性的方法，其他實(shí) 施例和對(duì)比例在表1中體現(xiàn)，未不出的部分與實(shí)施例1相同：
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 本實(shí)施例所述一種同時(shí)提高高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)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(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，加料順序?yàn)橄燃尤霃U鋼和生 鐵，再加入尚絡(luò)鑄鐵，然后加入低絡(luò)鑄鐵，最后加入媽鐵，金屬液溫度達(dá)到1450 C后用錯(cuò)絲 脫氧，然后將金屬液通過澆包澆鑄到標(biāo)準(zhǔn)基爾試塊砂型中，自然冷卻8小時(shí)，讓鎢元素充分 的溶入到(Cr，F(xiàn)e) 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(duì)基爾試塊最下端進(jìn)行線切割，取芯部樣品，試 樣切割成1 〇mm X 10mm X 55mm進(jìn)行熱處理，將鑄件放到高溫電阻爐中進(jìn)行淬火處理，淬火溫 度為850°C，保溫時(shí)間為3小時(shí)，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(shí)間為4小時(shí)，然后空冷。即 得到(Cr，F(xiàn)e) 7C3硬度和韌性同時(shí)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(cè)實(shí)施例1-5中的高鉻鑄鐵試樣中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化 物的硬度、斷裂韌性，得到的檢測(cè)結(jié)果如表2所示：
[0044] 表 2
[0045]
[0046] 如圖2所示，是實(shí)施例2技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物的形態(tài)和 分布。
[0047] 如圖3所示，是實(shí)施例3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物的形態(tài)和 分布。
[0048] 如圖4所示，是本發(fā)明實(shí)施例1，2,3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化 物含量與平均粒徑隨鎢添加量的變化關(guān)系。
[0049] 如圖5所示，是實(shí)施例1技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物壓痕示意 圖。
[0050] 如圖6所示，是實(shí)施例2技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物壓痕示意 圖。
[0051] 如圖7所示，是實(shí)施例3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物壓痕示意 圖。
[0052] 如圖8所示，是本發(fā)明實(shí)施例1，2,3技術(shù)方案所制備的高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C3碳化 物添加鎢后原子結(jié)構(gòu)示意圖。
[0053]對(duì)比實(shí)施例1-4可以明顯看出，實(shí)施例1-3制備的高鉻鑄鐵試樣的硬度和強(qiáng)度性能 明顯高于實(shí)施例4,而且實(shí)施例4與實(shí)施例3的區(qū)別僅在于實(shí)施例4未添加鎢，從而可以看出， 鎢對(duì)高鉻鑄鐵中（Cr，F(xiàn)e)7C 3碳化物硬度和韌性提高有起著關(guān)鍵的作用。
[0054]對(duì)比實(shí)施例3和實(shí)施例5,實(shí)施例3的力學(xué)性能明顯更高，而兩實(shí)施例的區(qū)別在于， 實(shí)施例3中的加料順序同實(shí)施例1，實(shí)施例4的加料順序是同時(shí)加入，從而可以看出，按照先 加入廢鋼和生鐵，再加入尚絡(luò)鑄鐵，然后加入低絡(luò)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(xué)性能。
[0055]以上所述的僅是本發(fā)明的實(shí)施例，方案中公知的特性等常識(shí)在此未作過多描述。 應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以作出若干變 形和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果和專利 的實(shí)用性。本申請(qǐng)要求的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以其權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，說明書中的具體實(shí)施方 式等記載可以用于解釋權(quán)利要求的內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)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(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，金屬液溫度達(dá)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(jìn)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(jìn)行回火處理并保溫，然后空冷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，各 原料的加入順序?yàn)橄燃尤霃U鋼和生鐵，再加入尚絡(luò)鑄鐵，然后加入低絡(luò)鑄鐵，最后加入媽 鐵。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)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(biāo)準(zhǔn)基爾試塊，冷卻8-12小時(shí)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)7C3硬度和韌性的方法，其特征在于，對(duì) 基爾試塊最下端進(jìn)行線切割，取芯部樣品，試樣切割成10mmX 10mmX 55mm進(jìn)行熱處理。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或5所述的一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)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(qū)間為850-1050°C，保溫時(shí)間為1-3小時(shí)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種同時(shí)提高(Cr，F(xiàn)e)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(qū)間為300-540°C，回火保溫時(shí)間為2-4小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C22C37/06GK106065451SQ201610527362
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】馮晶, 種曉宇, 蔣業(yè)華, 周榮
【申請(qǐng)人】昆明理工大學(xué)