一种钛氮共添加耐磨耐蚀高铬铸铁及其制备方法

摘要

一种钛氮共添加耐磨耐蚀高铬铸铁及其制备方法，属于耐磨耐蚀材料技术领域。本发明的组分为：C：1.8％～2.8％、Si：1.0％～1.5％、Mo：1.5％～2.5％、Cr：21％～27％、Ni：1.0％～2.5％、Cu：1.0％～2.0％、Ti：0.4％～0.8％、N：0.3％～0.6％、Mn≤1.0％、P≤0.1％、S≤0.05％和余量的Fe。制备方法：一、按化学组成配比进行配料；二、先向熔炉内加入废钢、回炉料、钼铁、电解铜以及电解镍，加热熔化，形成熔池后，依次加入铬铁、硅铁和氮化铬铁进行熔炼，待炉料熔清后，将铁液的温度迅速提高，加脱氧剂进行脱氧，最后加入钛铁；三、浇注：将铁液浇入脂硬化碱酚醛树脂砂型；四、热处理：对硬度不能满足要求的铸件进行淬火加回火热处理。本发明具有优异的耐磨耐蚀性能以及较高的冲击韧性，较好适用于脱硫渣浆泵工况并具有较低的生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高铬铸铁及其制备方法，特别涉及一种钛氮共添加型高铬铸铁及其制备方法，属于耐磨耐蚀材料技术领域。

背景技术

火力发电厂在发电过程中由于煤炭的燃烧而产生大量的SO₂气体，SO₂排放到大气中不仅能形成酸雨，对环境造成严重的破坏，而且对人类的呼吸道有一定的刺激作用，成为人类健康的隐患，因此，为了保护大气环境，需要对火力发电厂产生的烟气进行脱硫处理。目前，石灰石(石灰)-石膏湿法脱硫工艺技术最成熟的标准脱硫工艺技术，而脱硫渣浆泵是石灰石(石灰)-石膏湿法脱硫工艺中的关键部件，起到循环和输送吸收SO₂的渣浆的作用。基于石灰石(石灰)-石膏湿法脱硫工艺的特点，脱硫渣浆泵壳和叶轮的工作环境为：(1)弱酸环境，PH值在4～6之间；(2)较大尺寸的软质点石膏块粒，粒度大约2～5mm；(3)较小尺寸的硬质点氧化物矿物粉粒，粒度大约500μm左右；(4)有较弱浓度的Cl^-和F^-腐蚀。这就要求制造脱硫渣浆泵的材料在具有较好耐磨性的同时具有良好的耐蚀性。

目前，脱硫渣浆泵主要由高铬铸铁制造。虽然材料的耐磨性与其磨损工况有很大的联系，但对于材料本身而言，硬度对其耐磨性能有很大影响，因此，提高合金中的析出相和基体的硬度都能提高材料的耐磨性，但硬度并不是越高越好。硬度过高的基体相，脆性大韧性差，反而容易断裂和剥落，硬度大的析出相如果为颗粒状，也容易从基体中分离出去，反而成为磨料，而呈网状分布的硬质析出相，还会破坏基体的韧性。高铬铸铁能满足脱硫渣浆泵工况下的耐磨要求主要是因为它含有大量硬度高且孤立分布的M₇C₃型碳化物，这样碳化物既能起到耐磨的作用，又不至于割裂基体而破坏材料的韧性。由脱硫渣浆泵的工况可知，泵壳与叶轮的磨损并不是单纯的机械磨损，而是伴随着弱酸介质的腐蚀，因此，为了提高材料的抗磨损性能，很重要的一个方面是提高其耐蚀性能。电化学腐蚀是金属最普遍的腐蚀形式，危害性也最大，电化学腐蚀是金属在电解质中由于原电池反应而引起的破坏。因此，对于多相组成的合金而言，要想提高它的耐蚀性能，主要考虑降低各相之间的电势差和减少原电池的数量，也可以考虑在合金表面形成致密的氧化膜以将合金与腐蚀介质隔开。加入合金元素是提高铸铁耐蚀性能的主要途径。对于高铬铸铁而言，奥氏体基体作为负极电极电位最高而最有利于材料耐蚀性能的提高，因此，现在常用脱硫渣浆泵用高铬铸铁都添加了较高含量的Ni、Cu、Mn等奥氏体稳定元素，也添加了较高含量的Mo 来进一步提高基体的电极电位，而基体中固溶的大量Cr元素可以使基体表面形成一层致密的氧化膜，从而使高铬铸铁的耐蚀性能大幅提升。目前，应用较为广泛的脱硫渣浆泵用高铬铸铁有A49、KmTBCr26和Cr30A，然而，这类合金面临着脆性大(α_k＜6J/cm²)、铸造性能差等问题，不能满足实际生产日益增长的需求。

发明内容

公开号为CN1425791A(申请号为03112460.5)的专利文献中公开了一种含钛铬耐磨铸铁，其具体化学成分按质量百分比计为：C：2.0～3.5％；Ti：1.5～5.0％；Cr：11.0～14.0％；Mn≤1.0％；Si：0.6～1.8％；P≤0.06％；S≤0.05％；其余为Fe和不可避免的杂质。此发明通过加入一定量的钛元素，使组织中形成了硬度极高的TiC颗粒，大幅提高了材料的耐磨性，此外，TiC颗粒均匀弥散分布于基体中，对材料的冲击韧性起到改善作用，但钛元素的加入并不能提高材料的耐蚀性能，且冲击韧性提高有限(7～9J/cm²)，不能满足磨蚀工况的要求。

公开号为CN103757516A(申请号为201410010110.6)的专利文献中公开了一种耐磨白口铸铁，其铁水的化学组成及其质量分数控制在2.9～3.3％C，4.5～5.5％Mn，6.0～7.2％Cr，0.45～0.70％B，Si<0.50％，S<0.05％，P<0.05％，余量Fe。在浇包内加入复合变质剂对耐磨白口铸铁进行变质处理,复合变质剂加入量占浇包内铁水质量分数的1.8～3.0％。此发明通过加入复合变质剂进行变质处理，细化了凝固组织，使碳化物断网和孤立分布，提高了白口铸铁的力学性能和耐磨性，虽然变质剂中含有钛和氮元素，但它们是以变质剂的形式加入的，加入的量非常少，质量分数在10^-4～10^-5数量级，且含量不能精确控制，对此白口铸铁的冲击韧性提高有限(8～10J/cm²)，且此发明也没有提到该材料的耐蚀性能，也不能较好地应用于磨蚀工况。

本发明为了解决现有脱硫渣浆泵用高铬铸铁主要存在的脆性大、铸造性能差和生产成本高的缺点，提供了一种钛氮共添加型高铬铸铁及其制备方法。本发明所述高铬铸铁在脱硫渣浆泵工况下耐磨耐蚀性能良好、冲击韧性较高、铸造性能优良且成本低廉。

为了解决上述技术问题，本发明的钛氮共添加型高铬铸铁的化学组成以质量百分比计为：C：1.8％～2.8％、Si：1.0％～1.5％、Mo：1.5％～2.5％、Cr：21％～27％、Ni：1.0％～2.5％、Cu：1.0％～2.0％、Ti：0.4％～0.8％、N：0.3％～0.6％、Mn≤1.0％、P≤0.1％、S≤0.05％和余量的Fe。

一种钛氮共添加耐磨耐蚀高铬铸铁的制备方法，其特征在于该制备方法是由下述步骤完成的：

步骤一、配料：

按产品的化学组成配比(以质量计，即按C：1.8％～2.8％、Si：1.0％～1.5％、Mo：1.5％～2.5％、Cr：21％～27％、Ni：1.0％～2.5％、Cu：1.0％～2.0％、Ti：0.4％～0.8％、N：0.3％～0.6％、Mn≤1.0％、P≤0.1％、S≤0.05％和余量为Fe)用废钢、回炉料、铬铁、钼铁、电解铜、电解镍、硅铁、氮化铬铁以及钛铁进行配料；

步骤二、熔炼：

先向熔炉内加入废钢、回炉料、钼铁、电解铜以及电解镍，加热熔化，待炉料全部熔化形成熔池后，再依次加入铬铁、硅铁和氮化铬铁进行熔炼，待炉料熔清后，调整炉渣成分，加入脱氧剂进行脱氧，最后加入钛铁，炉前化验铁液成分，将铁液成分控制在要求范围内；

步骤三、浇注：

将铁液出炉至浇包中，静置3～5min，进行浇注，等铸型中铁液凝固、冷却至室温后打箱，经清理后得到铸件。

本发明熔炼用的设备可使用感应电炉等。

铸件的硬度满足使用要求可在铸态下使用，铸件的硬度不能满足使用要求的，可以对铸件进行淬火再回火处理。

本发明采取合适的加料顺序可精确控制铁液成分，避免合金元素的烧损。最先加入的废钢和回炉料熔炼形成熔池，有利于后续的合金元素的加入与熔炼。Mo、Cu和Ni等高熔点、不易烧损合金元素在最开始加入，Cr、Si、N和Ti这些易烧损元素按烧损难易程度由难到易依次加入。

本发明首次提出钛氮共添加的高铬铸铁合金化方法。在高铬铸铁的冶金反应过程中，钛与氮反应生成的钛氮化合物起到细化碳化物的作用，钛元素的添加能够控制奥氏体基体中氮元素的含量；氮元素在稳定奥氏体，细化组织以及提高高铬铸铁耐蚀性方面具有重要作用。

本发明的钛氮共添加型高铬铸铁在铸态下由奥氏体基体，M₇C₃碳化物和少量的钛氮化物组成，组织细小均匀，具有优异的耐磨耐蚀性能以及较高的冲击韧性，较好适用于脱硫渣浆泵的工况环境。其铸态硬度在40～50HRC之间，经热处理后硬度可达50～58HRC左右；冲击韧性可达7～20J/cm²；而现有的常用脱硫渣浆泵用高铬铸铁冲击韧性是4～6J/cm²；在PH＝4，Cl^-浓度为40000ppm的腐蚀介质中，腐蚀速率在0.013～0.035mm/a之间，耐蚀性优于Cr30A。

本发明的钛氮共添加型高铬铸铁物理化学性能：

密度为7.53g/cm³左右；30～150℃的热导率在16～20W/m·K之间。

在30～150℃的热扩散率如下表1所示。

表1

温度(℃)>30>60>90>120>150>热扩散率(mm²/s)>3.635>3.548>3.605>3.688>3.721>

热导率λ＝α×ρ×C_P，其中α为热扩散率，ρ为密度，C_P为比热容。

比热容在600～700J/Kg·K左右。

在30～900℃的线膨胀系数为1.716×10^-5/K。

线收缩率在1.9～2.2％之间。

体收缩率在7.5～7.8％之间。

本发明的钛氮共添加型高铬铸铁具有良好的铸造性能，充型良好，不易出现缩松、缩孔和铸造裂纹等缺陷，热处理工艺简单，机械加工性能优良。

附图说明

图1泵壳铸件照片；图2钛氮共添加耐磨耐蚀高铬铸铁金相照片；图3不添加氮元素高铬铸铁碳化物形貌图；图4添加质量分数0.4％氮元素高铬铸铁碳化物形貌图；图5不添加氮元素高铬铸铁微观腐蚀形貌图；图6添加质量分数0.4％氮元素高铬铸铁微观腐蚀形貌图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行进一步的详述，但本发明并不限于以下实例。

实施例1：

采用20kg中频感应电炉熔炼钛氮共添加型高铬铸铁，具体制备方法如下所述：

钛氮共添加型高铬铸铁成分按质量分数计如表2所示。

表2钛氮共添加型高铬铸铁化学成分(化学成分单位为wt.％)

C>Cr>Si>Mo>Ni>Cu>N>Ti>Mn>P>S>Fe>2.2>25>1.5>2>2>1.5>0.4>0.8>≤1>≤0.1>≤0.05>余量>

1.1配料：以质量百分比计，将废钢、回炉料、铬铁、钼铁、电解铜、电解镍、硅铁、氮化铬铁以及钛铁按表1的配比进行配料。

1.2熔炼：先加入废钢、回炉料、钼铁、电解铜以及电解镍，加热熔化，熔化过程中，先用小功率预热炉料，再用大功率进行熔化。待炉料全部熔化形成熔池后，再依次加入铬铁、硅铁和氮化铬铁进行熔炼，待炉料熔清后，调整炉渣成分和粘度并加入脱氧剂脱氧，最后加入钛铁，炉前化验铁液成分，将铁液成分控制在要求范围内；炉料在加入熔池之前需经过适当烘烤，以去除炉料中的水分。

1.3浇注：将铁液静置3～5min，直接浇入石墨粘土坩埚，得到钛氮共添加型高铬铸铁铸锭。

所得钛氮共添加型高铬铸铁的力学性能及在PH＝4，Cl^-浓度为40000ppm的腐蚀介质中腐蚀速率如表2所示。

采用本实施方式原料和生产工艺，加工泵壳，泵壳铸件形貌图如图1所示，可知，充型良好，不易出现缩松、缩孔和铸造裂纹等缺陷，铸造性能优越。

其中氮以合金元素的形式与钛配合加入高铬铸铁，优化组织结构，细化碳化物且使其分布更加均匀，有利于提高冲击韧性和耐磨性，同时，氮对提高高铬铸铁的耐蚀性能起到关键作用。

不添加氮元素和添加0.4％氮元素高铬铸铁碳化物形貌如图3图4所示，将图3与图4进行对比，可知，添加0.4％氮元素高铬铸铁碳化物组织细小均匀，且分布均匀。

不添加氮元素和添加质量分数0.4％氮元素高铬铸铁微观腐蚀形貌如图5和6所示，对比可知，添加0.4％氮元素高铬铸铁碳化物耐腐蚀性能好。

实施例2：

实施例2采用与实施例1相同的生产工艺，唯一不同的是实施例2的氮含量按质量分数计为0.5％。

实施例2中钛氮共添加型高铬铸铁的力学性能及在PH＝4，Cl^-浓度为40000ppm的腐蚀介质中腐蚀速率如表3所示。

表3实施例1与2中钛氮共添加型高铬铸铁的力学性能及耐蚀性能

注：表2中腐蚀速率为在PH＝4，Cl^-浓度为40000ppm的腐蚀介质中所测。

实施例3

采用500kg中频感应电炉熔炼钛氮共添加型高铬铸铁，具体制备方法如下所述：

钛氮共添加型高铬铸铁成分按质量分数计如表4所示。

表4钛氮共添加型高铬铸铁化学成分(化学成分单位为wt.％)

C>Si>Mo>Cr>Ni>Cu>Ti>N>Mn>P>S>Fe>

2.32>1.31>2.01>24.09>1.55>1.07>0.54>0.45>≤1>≤0.1>≤0.05>余量>

1.1配料：以质量百分比计，将废钢、回炉料、铬铁、钼铁、电解铜、电解镍、硅铁、氮化铬铁以及钛铁按表3的配比进行配料。

1.2熔炼：先加入废钢、回炉料、钼铁、电解铜以及电解镍，加热熔化，熔化过程中，先用小功率预热炉料，再用大功率进行熔化。待炉料全部熔化形成熔池后，再依次加入铬铁、硅铁和氮化铬铁进行熔炼，待炉料熔清后，调整炉渣成分和粘度并加入脱氧剂脱氧，最后加入钛铁，炉前化验铁液成分，将铁液成分控制在要求范围内；炉料在加入熔池之前需经过适当烘烤，以去除炉料中的水分。

1.3浇注：将铁液出炉至浇包中，静置5min，将其浇入脂硬化碱酚醛树脂砂型中，等铸型中铁液凝固、冷却至室温后打箱，经清理后得到铸件。

1.4铸件经过热处理后得到所需钛氮共添加型高铬铸铁铸件。

所得钛氮共添加型高铬铸铁铸件的力学性能和在PH＝4，Cl^-浓度为40000ppm的腐蚀介质中腐蚀速率如表5所示。

表5实例3所得钛氮共添加型高铬铸铁的力学性能和耐蚀性能

注：表5中热处理态为铸态经实例3中1.4后所得状态；腐蚀速率为在PH＝4，Cl^-浓度为40000ppm的腐蚀介质中所测。

实施例4：本实施方式钛氮共添加型高铬铸铁化学成分及配比如表6，其制备方法按实施例3进行：

表6钛氮共添加型高铬铸铁化学成分(化学成分单位为wt.％)

本实施方式的钛氮共添加型高铬铸铁在铸态下由奥氏体基体，M₇C₃碳化物和少量的钛氮化物组成，组织细小均匀，具有优异的耐磨耐蚀性能以及较高的冲击韧性，能较好适用于脱硫渣浆泵的工况环境。