改善镍硬化型无限冷硬铸铁中碳化物形态的合金及制法

摘要

一种改善镍硬化型无限冷硬铸铁中碳化物形态的合金是以现有镍硬化性无限冷硬铸铁成分为基础添加质量百分数为3-6％的钒，并适当控制熔炼和浇铸过程，即可获得以均匀球形碳化物为主的铸铁。本发明利用高钒铸铁在凝固过程形成的VC+γ共晶区，形成细小的粒状碳化物，以及VC对共晶碳化物形核的核心作用减弱或消除共晶网状碳化物，获得均匀分布的以粒状碳化物为主的组织。该铸铁利用电炉冶炼，浇注成形后，不需要高温热处理，生产工艺简单，所生产的铸铁可以显著提高无限冷硬铸铁的耐磨性。

说明书

技术领域本发明涉及一种合金及其制备方法。

背景技术镍硬化型无限冷硬铸铁由于生产成本低、耐磨性好，在现代矿山、冶金机械中仍大量的应用，如连轧的精轧机架和中厚板板轧机所用的轧辊还主要采用它，目前没有其它材料所替代。但无限冷硬铸铁中碳化物主要是共晶形成的网状铁(铬)碳化物，使耐磨性仍显不足。为提高镍硬化型无限冷硬铸铁的性能，国内外相继开发了改进型无限冷硬铸铁轧辊。国外专利EP871784A、WO9639544A和WO9639544A1公开了一种含铌的无限冷硬铸铁，其特征是在2.5-4.0％C、0.7-1.2％Si、0.7-1.0％Mn、1.5-2.0％Cr、4.2-4.6％Ni、0.3-0.5％Mo铸铁的基础上加入0.3-6％Nb。中国专利CN1068149公开了钒钛无限冷硬铸铁，其特征是成分中不含Ni、Cr、Mo、Cu等合金元素，成本低，但淬硬层浅，耐磨性不如镍硬化性铸铁好。专利CN1598030公开的改进型镍铬钼无限冷硬主要及复合轧辊，其特征是在2.9-3.7％C、0.6-1.0％Si、0.4-1.2％Mn、1.00-1.2.00％Cr、3.01-5.00％Ni、0.2-0.6％Mo的基础上，加入0.03-0.1％B和0.2-1.5％Nb，使轧辊的耐磨性显著提高，但硼增加了基体的脆性。中国专利CN10049447C公开了一种离心复合改进型无限冷硬轧辊及其制备方法，其特征是轧辊外层铸铁的成分为3.2-3.8％C、1.0-1.8％Si、＜0.8％Mn、1.2-1.8％Cr、3.8-4.5％Ni、0.2-0.4％Mo、0.2-0.5％Cu成分基础上添加0.10-0.50％Nb、0.05-0.20％V、0.05-0.20Ti、0.04-0.07％Mg、0.02-0.05Y、0.01-0.03Sb。该发明仅是通过铌、钒、钛细化组织，没有改善碳化物形态和分布，因此只能在一定程度上减小碳化物的尺寸，使铸铁的耐磨性得到一定程度改善。

发明内容本发明的目的是提供一种能显著提高耐磨性的改善镍硬化型无限冷硬铸铁中碳化物形态的合金及制法。本发明的产品是一种在镍硬化型铸铁成分的基础上添加适量的钒形成的含高钒的铸铁合金，它是采用高钒合金化的方式，即利用高钒铸铁在凝固过程形成的VC+γ共晶区，形成细小的粒状碳化物，以及VC对共晶碳化物形核的核心作用减弱或消除共晶网状碳化物，获得均匀分布的以粒状碳化物为主的组织。

本发明高钒铸铁合金成分为(质量百分数，％)：3.0-3.4％C、0.7-1.0％Si、0.6-1.0％Mn、1.40-1.85％Cr、4.2-4.6％Ni、0.2-0.5％Mo、3-6％V，0.001～0.04％Zr、其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明高钒铸铁合金可用电炉生产，其制造工艺步骤如下：

(1)将生铁、废钢、铬铁、硅铁、钼铁、镍铁等原料按铸铁基础成分配比加到电炉中。加热熔化，熔炼温度为1500-1540℃，熔炼时间20-30分钟。

(2)炉前调整成分，调到上述的成分范围内，合格后，将温度升高到熔炼温度1520±20℃，熔炼15-20分钟，在熔炼后期，加入脱氧剂铝，扒渣后将钒铁加入炉内，熔炼4-8分钟。

(3)在浇包内埋入原料质量比为0.15-0.23％硅铁、0.08-0.12％锰铁和0.12-0.17％硅锆合金组成的混合孕育剂。上述原料质量为生铁、废钢、铬铁、硅铁、钼铁、镍铁和脱氧剂、钒铁质量的总和。待熔炼炉中铁水降低到1430-1460℃时，将铁水导入浇包内进行孕育处理。

(4)浇注温度为1340-1380℃。

(5)浇注冷却后的铸件在460-520℃两次退火，减少残余奥氏体含量和应力。

本发明的关键是钒含量的确定，通过相图计算发现，在普通镍硬化型铸铁中添加钒时，随钒含量的增加，在相图中出现一个L→γ+VC相区，随钒含量的增加，该相区扩大，在凝固过程中，共晶VC呈球状，而且VC还可以成为共晶M₃C型碳化物形核的核心，细化共晶碳化物。但钒含量超过5.5％以上时，将出现先共晶的VC，当钒含量超过6％以上时，先共晶VC颗粒开始粗化，从而可能影响铸铁的耐磨性能，因此控制V最高含量不应大于6％。

本发明与现有技术相比具有如下优点：1、铸铁的组织细小，碳化物主要以细小粒状均匀分布，消除网状碳化物，显著提高铸铁的耐磨性，与普通镍硬化型铸铁相比，耐磨性可以提高45％以上。2、该铸铁利用电炉冶炼，浇注成形后，不需要高温热处理，生产工艺简单。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的高钒铸铁合金的碳化物形貌(4％硝酸酒精溶液腐蚀)金相图。

图2是本发明实施例2制得的高钒铸铁合金的碳化物形貌(4％硝酸酒精溶液腐蚀)金相图。

具体实施方法

实施例1：

本实施例制备的3％V铸铁用25kg容量的中频感应电炉制备，其制备工艺步骤如下：将生铁、废钢、铬铁、硅铁、钼铁、镍铁加入25kg容量的中频感应电炉炉内加热，熔炼温度为1538℃，熔炼时间30分钟。炉前调整成分合格后，将温度升高到熔炼温度1509℃，熔炼20分钟，加入脱氧剂铝，扒渣后按最终含钒量为3％加入钒铁，继续熔炼8分钟后，停止加热。在浇包内埋入与原料质量比为0.18％硅铁、0.11％锰铁和0.15％硅锆合金的混合孕育剂。当铁水温度降低到1435℃时，将炉内铁水倒入浇包内。采用砂型浇注，浇注温度为1378℃，浇注后缓冷。浇注后试件在480±10℃进行两次退火，每次退火时间为4小时。所制备的铸铁成分为：3.37％C、0.93％Si、0.86％Mn、1.65％Cr、4.47％Ni、0.48％Mo、3.10％V，0.006％Zr、＜0.03％S、＜0.04％P、其余为Fe。

按上述工艺过程制备含3％V铸铁件的碳化物形貌如图1所示。铸铁的干滑动摩擦磨损性能比镍硬化型铸铁提高46％。

实施例2：

本实施例制备的5％V铸铁用25kg容量的中频感应电炉制备，其制备工艺步骤如下：将生铁、废钢、铬铁、硅铁、钼铁、镍铁加入25kg容量的中频感应电炉炉内加热，熔炼温度为1506℃，熔炼时间20分钟。炉前调整成分合格后，将温度升高到熔炼温度1537℃，熔炼15分钟，加入脱氧剂铝，扒渣后按最终含钒量为3％加入钒铁，继续熔炼4钟后，停止加热。在浇包内埋入与原料质量比为0.22％硅铁、0.09％锰铁和0.13％硅锆合金的混合孕育剂。当铁水温度降低到1452℃时，将炉内铁水倒入浇包内。采用砂型浇注，浇注温度为1346℃，浇注后缓冷。浇注后试件在510±10℃进行两次退火，每次退火时间为4小时。所制备的铸铁成分为3.12％C、0.99％Si、0.83％Mn、1.56％Cr、4.33％Ni、0.31％Mo、5.14％V，0.007％Zr、＜0.03％S、＜0.05％P、其余为Fe。

按上述工艺过程制备含5％V铸铁件的碳化物形貌如图2所示。铸铁的干滑动摩擦磨损性能比镍硬化型铸铁提高53％。