铸态高铬屈氏体磨球的生产

来源：塑胶五金网发布时间：2007-12-16 15:07:00点击率：

        含铬大于11%的铬系白口铸铁成为高铬铸铁，马氏体Cr15高铬铸铁是目前国内外广泛应用的较典性的耐磨铸铁，用于制造磨球、衬板等，取得了较好的节材降耗效果。马氏体高铬铸铁磨球具有较高的硬度，但韧性较差。马氏体Cr15磨球是经热处理淬火加回火的工艺获得的，因此需要一套专用的热处理设备。这不仅投资及能源消耗大、生产周期长、生产成本也较高，从而影响了它的广泛应用。
    我们的目的是研制一种既有高铬铸铁的耐磨性和韧性，生产工艺简单、成本低廉的材料：铸态高铬屈氏体磨球。它与淬火马氏体Cr15磨球相比，具有省工、省时、省能耗、省原材料消耗的的优势。它的生产应用能产生较大的社会效益。
    一．成分设计
    碳：碳为生成共晶碳化物（Cr·Fe）7C3的主要元素，共晶碳化物在耐磨性方面起着重要作用。碳含量决定碳化物的数量。选择较高的碳含量，可获得较多的高硬度碳化物。为提高耐磨性，碳的质量分数应控制在2.8～3.1%。
    铬：铬含量决定碳化物的类型。为保证碳化物以M7C3为主，铬含量必须大于12%，过低不能形成高硬度的（Cr·Fe）7C3型碳化物；过高则成本提高。因此铬的质量分数为12～14%。
    硅：硅的主要作用是提高Ms点，减少残余奥氏体。一方面硅固溶于基体中，显著降低淬透性。随着硅含量增加，碳化物变得细小，硅溶于基体中使奥氏体含碳量降低；另一方面，硅又使奥氏体枝晶得到细化，碳化物变得细碎。而且硅含量增加，碳化物增加，硬度、耐磨性提高，但冲击韧性降低。
    生产铸态高铬屈氏体磨球，适当提高硅含量，对于硅溶于基体中促进屈氏体转变的倾向，提高铸铁的抗腐蚀性有利，因此确定硅的质量分数为1.0～1.4%。
    锰: 锰是提高淬透性，扩大奥氏体区的一种有效元素。在高铬铸铁中锰的作用：一是脱氧；二是强化基体和碳化物。含锰量过高，增加了奥氏体的稳定型，降低了Ms点，不利于铸态奥氏体转变。但少量的锰对于屈氏体有细化作用。考虑脱氧和脱硫的需要，锰的质量分数应控制在0.6～0.9%。
    硫、磷：硫、磷为有害元素，对高铬铸铁的抗冲击韧性危害极大，含量应越少越好。尤其在湿磨时，硫会加速金属材料的腐蚀，进而加快腐蚀与磨损的交互作用，所以，硫的质量分数应控制在小于0.03%，磷的质量分数应控制在小于0.04%为宜。
    微量合金元素：加入适量钒、钛可以达到细化晶粒，阻止形成网状碳化物的目的，控制量为V 0.15～0.3%，Ti 0.08～0.15%。因钒、钛价格昂贵，可暂不加入，增加0.3%铜。
    二．熔炼
    用中频或工频感应电炉熔化，酸性炉衬为经济实惠。主要原料为碳素铬铁、生铁、废钢、钒铁、钛铁、锰铁、硅铁等，加料顺序为：加少量碳素铬铁——回炉料——生铁、废钢——熔化末期加入其余碳素铬铁（避免烧损过大）。熔化初期在高碳低铬（≤2%）成分下进行，防止出现过高的温度，温度控制在1450℃左右为宜，此时铁水氧化膜消失，铁水表面清洁明亮，同时往后翻黑泡时温度约为1450℃，即为反应平衡温度，加入钒铁后快速升温直至铁水出现微量火花（温度约为1480℃）时扒渣，用0.15～0.2%铝脱氧后覆盖珍珠岩，搅拌，扒渣，出炉。
     三．变质处理
    高铬铸铁液的变质处理系统采用包底冲入法。变质剂通常采用稀土硅铁合金，用量为0.5～1.2%。近年来许多专业铸造厂均采用一些秘方变质剂，目的是碳化物进一步孤立化、细碎化，甚至呈团球化，减少对基体的割裂作用；提高材质的冲击韧性，减少磨球的碎裂；从而提高磨球的耐磨性能。现提出以下配方供参考：
    1.稀土硅铁合金30%，钾盐40%，碎玻璃15%，石灰粉15%。用量3～4%。
    2.稀土铝镁硅铁合金，型号20XtAlMg25-15（化学成分含Re17～20%，Mg10～15%，Al20～25%。），用量为0.5～1.0%+0.8%钾盐。
    3.采用钇基重稀土变质处理
    型号：YFB，化学成分Re（Y）23～25%，Ba3～5%，Ca1～2%，Mg2.5～3.5%，Fe其余。加入量0.4～0.8%。
    以上三种变质剂均可有效改善白口铁的初晶及共晶碳化物的形态，使共晶以离异方式进行，使碳化物呈不连续分布，减弱了碳化物对基体割裂作用，使基体的连续性得以保护。同时，由于稀土与氧、氮、硫等有很强的亲和力，加入铁液后起到脱硫去气的作用，可以有效的净化晶界、细化晶粒，从而提高晶界与相界面的强度。
    四．铸造工艺
    金属型因其导热性能高，对磨球具有激冷效果，显著细化晶粒、提高耐磨性，其力学性能和抗耐磨性能均较砂型铸造的磨球有较大幅度提高。
    试验时可采用目前使用的金属型加保温冒口套的铸造工艺方法。铁水过热温度一定时，浇注温度越低，材料的韧性越好，但对硬度无大的影响。在保证能获得轮廓清晰磨球的情况下，应采用较低浇注温度，控制在1360～1410℃为宜。
    五．热处理工艺
    热处理的主要目的是消除内应力。一般小型铸造厂，在采用金属型浇注的工艺条件下，高温开型，开型温度为850～900℃，开型后空冷过程中，打去冒口；磨球温度在600℃左右时，迅速用保温材料掩埋，利用磨球自身的余热进行退火处理，待磨球温度降至100℃以下时取出，实现铸态高铬屈氏体磨球的生产应用。
    大型球磨机使用的磨球，要求磨球具有较高的冲击韧性，较低的内应力。因此建议采用盐浴内退火工艺，以求较彻底的消除内应力，确保磨球的综合使用性能。
    熔盐配比：50%硝酸钾+50%亚硝酸钠。盐浴炉可自制，采用外热式，电加热或燃焦炭加热、热电偶或500℃的水银温度计测温；盐槽可用6～8mm不锈钢板或用1Cr18Ni9Ti钢板焊成，条件不允许时也可采用A3钢制作。
     六．力学性能
     金相组织：屈氏体基体组织+（Cr·Fe）7C3型碳化物；力学性能： HRC >52～56 ；αk≥5 J/cm2；破碎率≤2% 。

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