專利名稱:高磷抗磨球墨鑄鐵及其生產(chǎn)方法
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域：
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耐磨鑄鐵可分減摩鑄鐵及抗磨鑄鐵兩大類。前者用于制造在有潤滑劑的條件下工作的零件，如機(jī)床導(dǎo)軌與拖板，發(fā)動機(jī)的缸套與活塞環(huán)等，它們要求工作中磨損少、摩擦系數(shù)低。后者用于磨料磨損條件下工作的零件，如球磨機(jī)磨球、拋丸機(jī)葉片、脫泥水力旋流器、輸送污泥和砂子的管道等。
我國有許多天然高磷生鐵，因其含磷量高而限制了應(yīng)用。參考文獻(xiàn)《鑄鐵手冊》(機(jī)械工業(yè)出版社1979年版)第553頁指出，利用這種低質(zhì)生鐵的途徑之一是生產(chǎn)高磷耐磨鑄鐵，即含磷量高于0.30%以上的灰鑄鐵，這里指的實際上是減摩鑄鐵。
參考文獻(xiàn)《鑄鐵及其熔煉》(陸文華主編，機(jī)械工業(yè)出版社1981年版)指出，在含磷減摩鑄鐵的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高其耐磨性能及機(jī)械性能而發(fā)展出了磷銅鈦減摩鑄鐵。加入銅的目的是因為銅能促使形成并細(xì)化珠光體，從而提高鑄鐵的強(qiáng)度，硬度以及耐磨性，加入少量鈦的目的是促使石墨細(xì)化，又由于鈦可與碳、氮形成高硬度的化合物質(zhì)點，因而可提高鑄鐵的耐磨性。同時還指出，我國西南地區(qū)有著豐富的釩鈦共生鐵礦資源。充分利用我國的資源特點，研究釩鈦生鐵制造耐磨鑄鐵已取得了很好的效果，并開始用于機(jī)床導(dǎo)軌。釩鈦鑄鐵中的釩、鈦兩元素與碳氮有很大的親和力。形成特有的釩鈦碳氮化合物，這些化合物具有很高的顯微硬度，可高達(dá)HV960-1840，細(xì)小的硬質(zhì)點彌散分布于基體組織之中，使鑄鐵的減摩性能大大提高。該書還指出，可在釩鈦鑄鐵的基礎(chǔ)上再進(jìn)行合金化，以進(jìn)一步改善各種性能，如可將含磷量提高至0.3-0.4%獲得釩鈦中磷鑄鐵;或在這個基礎(chǔ)上再加入0.6-0.8%銅，成為磷銅釩鈦鑄鐵;也可在釩鈦鑄鐵中加入一定量的球化元素以得到釩鈦蠕蟲狀石墨鑄鐵等等，這些鑄鐵都具有較好的機(jī)械性能和很高的耐磨性。
由于球狀石墨對基體的削弱作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于片狀石墨等原因，高磷球墨鑄鐵不但比高磷灰鑄鐵的強(qiáng)度高，而且耐磨性也更好。參考文獻(xiàn)《球墨鑄鐵》(К·И·瓦申科等著、吳振寰譯、中國工業(yè)出版社1965年版)一書第173頁就指出，高磷球墨鑄鐵具有良好的耐磨性，并且其強(qiáng)度和塑性也要比灰鑄鐵和變質(zhì)鑄鐵高得多。這些優(yōu)良性能使得人們可以用高磷球墨鑄鐵來制造在沉重摩擦條件下工作的零件。
冶金類鑄鐵軋輥及輥芯就有用磷含量為0.25-0.45%的高磷球墨鑄鐵來制造的，其具體成分見《鑄鐵手冊》(同前)第342頁。但人們在熔配這種高磷球墨鑄鐵時，采用的是加入合金材料磷鐵，以及鉬鐵和鉻鐵的方法，并沒有利用天然高磷生鐵，從而生產(chǎn)成本較高。并且因是亞共晶球鐵，對生鐵和工藝條件的要求也比較高。
《鑄鐵及其熔煉》一書(同前)還指出，對于球墨鑄鐵的合金化，有銅球墨鑄鐵，加入銅量一般在0.5-1.0%之間，國內(nèi)尚有少數(shù)單位研制過釩鈦球墨鑄鐵(V0.2-0.4%，Ti0.15-0.30%)。通過合金化能強(qiáng)化基體組織，進(jìn)一步發(fā)揮球墨鑄鐵的性能潛力，以滿足對機(jī)械性能提高的要求。
對于球磨機(jī)的磨球、拋丸機(jī)葉片、脫泥水力旋流器，輸送污泥和砂子的管道等零件，不僅受到嚴(yán)重的磨料磨損，而且還承受較大的負(fù)荷。一般說來工件硬度越高、則它的耐磨抗力越好，但假如組織較脆，硬組織容易折斷或剝離時，則折斷的硬組織反而會成為磨料，加劇磨損。所以在考慮提高抗磨鑄鐵硬度的同時，必須要注意到材質(zhì)的韌性，只有既有一定的韌性又有相當(dāng)高的硬度時，材質(zhì)才可能是最抗磨的。此外在硬度相同的情況下，由于細(xì)小的組織不易剝離，所以常比粗大的組織具有較好的抗磨性。根據(jù)上述情況，生產(chǎn)上往往采用白口鐵、合金白口鐵、高錳鋼、或經(jīng)滲碳處理的中碳鋼做磨球類抗磨材料。但它們當(dāng)中有的有生產(chǎn)成本高、有的有易脆裂等缺點。而七十年代研制成功的抗磨材料中錳球鐵，也因生產(chǎn)工藝較難掌握等原因而未能推廣應(yīng)用。
我國云南祿豐的生鐵含磷量高，同時天然地含有銅、釩、鈦等元素。由于磷高，長期以來只能作為低質(zhì)生鐵、在球鐵、灰鑄鐵的生產(chǎn)中人們都不愿使用，并又因含銅高而不能用于煉鋼。
本發(fā)明的目的是充分利用資源條件，獲得低成本高性能的抗磨材料，同時也為低質(zhì)生鐵開辟新的應(yīng)用途徑。
高磷并天然含釩鈦等強(qiáng)碳化物形成元素、或還含銅的生鐵，能夠熔煉出高磷球墨鑄鐵，而該球墨鑄鐵可以成為一種新的抗磨材料。
釩鈦碳氮化合物均勻彌散分布于基體組織中，提高了球墨鑄鐵的硬度和強(qiáng)度，同樣有利于其抗磨性能的提高。球墨鑄鐵的含釩量在0.3%以下時，能穩(wěn)定并細(xì)化珠光體，這也可提高強(qiáng)度和硬度。鈦還可以細(xì)化晶粒。
高磷含銅球墨鑄鐵中，還含有0.5-0.8%的銅。銅不但可以溶解一部分磷、減少磷的危害，而且還有特殊的作用在球鐵鐵水從液態(tài)至固態(tài)的冷卻階段，銅能提高碳的活度，抑制一次滲碳體的形成，特別是與鈦同時存在的情況下，這一作用更顯著;在共晶后期，銅能減慢石墨球的成長速度，使石墨球細(xì)小;銅能溶于奧氏體中、穩(wěn)定奧氏體，當(dāng)含銅＞0.5%時，使共析轉(zhuǎn)變溫度降低，珠光體區(qū)域擴(kuò)大，珠光體生成量增加;銅在奧氏體與鐵素體的邊界上有力地阻止碳的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，結(jié)果使鐵素體的生成速度減慢，石墨細(xì)化，珠光體量增加并細(xì)化珠光體組織;銅只溶于鐵素體，不溶于滲碳體，鑄鐵冷卻過程中，一部分銅還會從共析鐵素鐵中沉淀出來，增大石墨滑移阻力，增加珠光體的顯微硬度，提高抗磨性能。
通常認(rèn)為磷是球鐵中的有害元素，因為它極易偏析。常在晶界上出現(xiàn)磷共晶組織，嚴(yán)重降低球鐵的塑性和韌性，因此高韌高強(qiáng)球鐵含磷量一般要求小于0.1%。但對于抗磨球墨鑄鐵，磷的允許含量可以大大提高，以能充分利用資源條件。關(guān)鍵在于盡量克服磷高使韌性降低的不利因素，發(fā)揮磷高使耐磨性提高這一有利因素。
磷不是反球化元素，對球墨的形成沒有不利影響。當(dāng)磷含量提高到1.5%時，球鐵中石墨的形狀，尺寸和分布仍無顯著變化。
球鐵中出現(xiàn)的磷共晶的量，不僅決定于磷含量，同時還與冷卻速度有關(guān)。加快冷卻速度，可使以固溶形式存在的磷的量增多，從而減少磷共晶。因此如果采用快冷措施，如用金屬模澆注急冷、凝固后開箱風(fēng)冷或霧冷，便可減輕磷的危害。用金屬模澆注，還可保證型腔尺寸的固定，防止高碳高硅球墨鑄鐵縮前膨脹造成的組織疏松問題。
祿豐生鐵的化學(xué)成份是(重量比)C3.8-4.2%、Si1.0-3.0%、Mn1.0-1.4%、P0.4-0.7%、S0.03-0.04%、Cu0.53-0.73%、V0.07-0.12%、Ti0.07-0.14%，此外還含有微量Tα、Nb及Se。這對于熔煉高磷釩鈦銅抗磨球鐵是很好的原料。
對原鐵水的化學(xué)成分控制為C3.4-4.2%，Si1.6-2.4%，Mn1.0-1.4%，Cu0.5-0.7%，V0.07-0.12%，Ti0.07-0.14%，P＜0.6%，S＜0.07%。用祿豐生鐵時，還含有微量Tα、Nb、Se及稀土。
球鐵鐵水的化學(xué)成分為C3.3-4.1%，Si2.5-3.5%，Mn1.2-1.8%，Cu0.5-0.8%，S＜0.03%，P＜0.6%，Mg0.025-0.06%，Re0.025-0.05%，其余和原鐵水一樣。
本發(fā)明可以充分利用資源條件，由高磷含釩鈦等強(qiáng)碳化物形成元素，或還含有銅的生鐵生產(chǎn)抗磨球墨鑄鐵。這為合理使用天然高磷生鐵開辟了新的途徑。獲得的抗磨球鐵生產(chǎn)成本低，鑄造工藝性能比中錳球鐵好，工藝裝備簡單，而硬度和抗彎強(qiáng)度與中錳球鐵相近。
實施例1，用100%的祿豐生鐵熔煉處理成高磷釩鈦銅抗磨球鐵。球化劑采用自己熔配的中間合金，配方是純銅10%、鎂10%、含硅75%的硅鐵30%，4號錳鐵20%，1號稀土合金30%。球化劑用量為1.0%。孕育劑用75%硅的硅鐵，用量為0.85%。用壁厚25mm的金屬模澆注成拋丸機(jī)葉片，葉片厚度為12～13mm，每張葉片重0.9Kg左右。葉片斷面呈灰白色，邊緣有麻口。全相檢查球化級別為GB1802-76標(biāo)準(zhǔn)第3級別圖第3級，球徑很小，基體組織為80%左右珠光體及少量共晶滲碳體和少量鐵素體，磷共晶量為3%左右。球鐵成分為C4.0%、Si3.2%、Mn1.4%、P0.51%、S0.022%、Mg0.039、Re0.055%、Cu0.64%，V和Ti未分析。
該葉片經(jīng)裝機(jī)使用，其壽命是原白口鐵葉片(用HT20-40鐵水在金屬模中澆成)的1.5倍左右。
實施例2用100%祿豐生鐵熔煉生產(chǎn)了一批φ60mm的球磨機(jī)磨球。球化、孕育處理基本同實施例1。用金屬模澆注，凝固后開箱快冷。磨球硬度HRC49，抗彎強(qiáng)度53Kg/Cm2?？箾_擊破壞試驗的結(jié)果是從18米高處落下撞擊在地面特設(shè)的鐵板上，每個磨球徑歷15次這樣的沖擊破壞，未發(fā)現(xiàn)破損者，這樣的磨球，其性能完全能滿足粉碎物料的要求。該磨球生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉。
權(quán)利要求
1.一種高磷抗磨球墨鑄鐵，其特征在于，該鑄鐵的成分為(重量百分比)C3.3-4.1%、Si2.5-3.5%、Mn1.2-1.8%、P＜0.6%、S＜0.03%，Cu0.5-0.8%、Ti0.07-0.12%、V0.07-0.12%、Re0.025-0.06%、Mg0.025-0.06%、其余為鐵。
2.一種高磷抗磨球墨鑄鐵的生產(chǎn)方法，其特征在于，熔煉用金屬材料中有80%以上為含P0.3-0.7%、同時含有強(qiáng)碳化物形成元素的天然高磷生鐵。
3.如權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，所用天然高磷生鐵的成分為(重量百分比)C3.8-4.6%、Si1.0-3.0%、Mn1.0-1.4%、S0.03-0.05%、Cu0.5-0.7%、V0.07-0.12%、Ti0.07-0.14%。
4.如權(quán)利要求
2或3所述的方法，其特征在于，用金屬模澆注，澆注凝固后即開箱風(fēng)冷或霧冷。
專利摘要
高磷抗磨球墨鑄鐵及其生產(chǎn)方法。本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域：
。有許多天然高磷生鐵因其含磷高而限制了應(yīng)用。本發(fā)明可用天然高磷并含強(qiáng)碳化物形成元素或還含銅的生鐵為原料，澆注時采用快冷措施以減少磷共晶的量，從而獲得低成本的抗磨球墨鑄鐵材料，適用于制造球磨機(jī)磨球。拋丸機(jī)葉片，脫泥水力旋流器，輸送污泥和砂子的管道等零件。
文檔編號C22C37/04GK85105656SQ85105656
公開日1986年3月10日 申請日期1985年7月20日
發(fā)明者羅嘲洲 申請人:羅嘲洲導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan