一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂及其制备和应用方法技术

本发明专利技术为一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂及其制备和应用方法。该孕育剂的元素组成以原子百分比计的通式为V

【技术实现步骤摘要】
一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂及其制备和应用方法


[0001]本专利技术属于铸铁合金，具体涉及一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂及其制备和使用方法。

技术介绍

[0002]高铬铸铁是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料，它具有比合金钢高得多的耐磨性，比一般白口铸铁高得多的韧性与强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。但是，如何更经济有效地同时提高高铬铸铁的硬度、耐磨性与韧性是目前的技术难题。
[0003]目前已有专利技术对高铬铸铁中合金元素的添加和热处理工艺进行了深入研究，并试图通过改变组织进一步提高高铬铸铁的力学性能，扩大其在工业领域中的使用范围。公开号CN1425791A公开了一种含钛铬耐磨铸铁及其热处理工艺，其组成和重量百分比是：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％。热处理工艺是：加热至淬火温度1040℃～1060℃，保温5～15分钟，空冷至室温。该专利技术具有比高铬白口铸铁高得多的耐磨性和冲击韧性。公开号CN113337776A公开了一种泵用高耐磨高铬白口铸铁及其制备方法，各化学成分的重量百分比为：3.5～4.8％的C、0.5～1.2％的Si、0.5～1.2％的Mn、30.0～40.0％的Cr、0.5～1.5％的Ni、1～3.0％的Mo、0.1～1.5％的Nb、0.1～1.0％的V。按铸铁各化学成分的重量百分比，将原料炼成钢水；之后进行脱氧处理，然后浇铸成型后进行淬火热处理和回火热处理，得到的铸铁产品具有较高的硬度和冲击韧性，产品耐磨性能好。授权公告号CN105734398B公开了一种高硼高铬白口铸铁及其制备方法，由以下重量百分比组成：2.0～2.8％C，2.0～2.5％B，3.0～3.5％Cr，0.3～0.5％Si，0.3～0.5％Al，0.15～0.25％Zr，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe。合金采用电炉熔炼，并经二次插铝脱氧后放置在浇包底部形成铸件，采用两步法对合金进行等温淬火热处理，在550～600℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火获得马氏体基体铸铁，在400～480℃的盐浴炉中进行二次等温淬火，最终获得马氏体基体上分布高硬度硼碳化合物复相组织的高硼高铬白口铸铁。上述专利技术通过添加多种强碳化物形成元素(V、Ti、Nb、Mo)和B提高高铬铸铁的综合力学性能，不足之处在于加入的合金元素无法控制物相组成和相对含量，且生成的MC碳化物无法在Fe液凝固阶段作为高铬铸铁中M7C3型碳化物和奥氏体的形核核心起到细化晶粒的效果，所以对高铬铸铁铸态组织的细化效果有限。
[0004]近年来，基于在高铬铸铁中添加合金元素，有学者对高铬铸铁进行孕育处理进行了研究。Kopyci
ń
ski等人(D.Kopyci
ń
ski,D.Siekaniec,A.E.Guzik,A.Nowak,The Effect ofFe
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Ti inoculation on solidification,structure and mechanical properties of high chromium castiron[J],Archives of Metallurgy and Materials,2017,62(4):2183
‑
2187.)研究了Fe
‑
Ti孕育剂对高铬铸铁组织和力学性能的影响，发现在Fe液凝固阶段加入0.33wt％的块状Fe
‑
Ti孕育剂，高铬铸铁的弯曲强度从821MPa增加到了995MPa。弯曲强度增加的原因是形成的TiC可以作为共晶奥氏体相成核的基底。Zhou等人
(Y.Zhou,Y.Yang,J.Yang,F.Hao,D.Li,X.Ren,Q.Yang,Effect of Ti additive on(Cr,Fe)7C
3 carbide in arc surfacing layer and its refined mechanism[J],Applied Surface Science,2012,258(17):6653
‑
6659.)在高铬铸铁熔体中加入颗粒状的Fe
‑
Ti孕育剂，添加Ti后形成的TiC可作为Cr7C3的异质形核中心，从而明显细化M7C3型碳化物，并使得合金的显微硬度更加均匀。Silva等人(A.Silva,I.Melo,I.Pinheiro,L.Silva,Characterisationand machinability of high chromium hardened white cast iron with and without the addition of niobium[J],Wear,2020,460
‑
461:203463.)对熔融的高铬铸铁添加颗粒状Fe
‑
Nb孕育剂，生成的NbC细化了高铬铸铁中M7C3型碳化物，使得平均碳化物尺寸从27.3％降低到24.83％。Nb的加入改善了高铬铸铁的切削性能，还延长了刀具寿命，取得了显著成效。以上研究都是在Fe液凝固时加入块状或者颗粒状合金，在高温作用下合金熔化，Ti、Nb与Fe液中的C结合形成MC型碳化物，MC作为高铬铸铁中的奥氏体或M7C3型碳化物的形核核心起到异质形核的作用，细化了高铬铸铁中的组织，提高了力学性能。其不足之处在于，单一添加某种强碳化物元素，只能形成一种相，对高铬铸铁中的奥氏体或M7C3型碳化物的细化效果有局限性；其次，在Fe液的高温作用下，加入的块状孕育剂需要熔化、分散并与碳结合，没有充足时间发挥异质形核的效果，孕育效果有限；同时加入的孕育剂要消耗合金中的碳。因此，如何克服目前孕育剂的不足，进一步细化高铬白口铸铁中的晶粒，优化碳化物形貌，改善晶界状态，进一步提高其综合力学性能是迫切需要解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂及其制备和应用方法。该孕育剂是以V元素为基体的孕育剂，以形成V2C、Ti
0.11
V
0.89
C
0.50
、VC与V3B2多个高熔点间隙化合物的合金，这些化合物都与高铬铸铁中的奥氏体、M7C3碳化物有良好的共格匹配关系，从而可以作为这些相的形核中心以提高高铬铸铁在结晶时的形核率，细化晶粒。制备中通过熔体快淬法得到钒基多元多尺度多相的薄带型形核剂；得到的孕育剂加入到熔融的高铬铸铁中时，同时获得固溶强化与细晶强化的双重效果。本专利技术克服了类似产品中存在的加入孕育剂熔化分散难、物相组成控制难、依靠单一形核相、消耗合金中碳、孕育效果差等问题。
[0006]本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂，该孕育剂的元素组成以原子百分比计的通式为V
100
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高铬铸铁的钒基孕育剂，其特征为该孕育剂的元素组成以原子百分比计的通式为V
100
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x
‑
y
‑
z
‑
u
‑
v
‑
w
Fe
x
Ti
y
Nb
z
Zr
u
B
v
C
w
，该式中的下标符号x、y、z、u、v和w表示限定元素组成范围的原子百分数，8≤x≤40，5≤y≤8，0≤z≤2，0≤u≤2，0≤v≤6，2≤w≤12，x+y+z+u+v+w＝100。2.如权利要求1所述的用于高铬铸铁的钒基孕育剂的制备方法，其特征为该方法包括如下步骤：第一步，原料配置依据元素组成以原子百分比计的通式V
100
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x
‑
y
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z
‑
u
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v
‑
w
Fe
x
Ti
y
Nb
z
Zr
u
B
v
C
w
，计算出V
100
‑
x
‑
y
‑
z
‑
u
‑
v
‑
w
Fe
x
Ti
y
Nb
z
Zr
u
B
v
C
w
中各组成元素的质量百分比，再按该质量百分比称取所需量的组分原料：纯Fe、纯V、纯Ti、纯Nb、纯Zr、石墨碳粉、纯B粉与Fe
‑
B、V
‑
Fe、Nb
‑
Fe合金，由此完成原料配制，在上述组成通式中，限定元素组成满足：8≤x≤40，5≤y≤8，0≤z≤2，0≤u≤2，0≤v≤6，2≤w≤12；第二步，熔化原料制备母合金铸锭，为以下两种方法之一：方法一：将第一步配置的纯Fe、纯V、纯Ti、纯Nb、纯Zr、石墨碳粉、纯B粉与Fe
‑
B、V
‑
Fe、Nb
‑
Fe合金直接放入真空电弧熔炼炉或真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空度低于5
×
10
‑2Pa后充入氩气，将原料加热至高于纯Fe的熔点5...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继兵，刘韬，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：