一种适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料、制备方法、应用及渣浆泵过流件与流程

1.本发明涉及高铬铸铁技术领域，具体涉及一种适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料、制备方法、应用及渣浆泵过流件。


背景技术：

2.高铬铸铁是一类优异的耐磨材料，在工业生产中获得了广泛的应用。大量研究发现，提高高铬铸铁中的碳化物体积分数，可以显著提高高铬铸铁耐磨性，在此背景下，碳和铬含量较高的过共晶高铬铸铁的开发和应用已得到重视。但是过共晶高铬铸铁中，因碳化物数量多，脆性大，铸造和使用过程中极易开裂，限制了过共晶高铬铸铁的推广应用。
3.目前，渣浆泵类产品已广泛应用于选矿、电力、采砂等工业领域，其应用条件具有恶劣性、复杂性。渣浆泵过流件磨损因素也极其复杂，一方面受到冲蚀磨料磨损、表面疲劳磨损以及腐蚀磨损的作用；另一方面，受到矿浆中固体颗粒的粒度、形状、硬度及介质的浓度、流动速度、腐蚀性等的作用。尤其，高硬度物料，颗粒大，形状不均匀，其磨损更加严重。从而导致过流件早期失效，严重影响了整个选矿系统的正常运行，造成了巨大损失。因此，如何提高渣浆泵材料的使用寿命具有重要的现实意义。
4.目前，国内、外渣浆泵过流部件一般采用btmcr
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mo3等，在一般磨损工况中具有较好的寿命，但在磨损工况恶劣的矿山，其耐磨性不足导致的过流部件使用寿命短是制约渣浆泵在这类行业发展的瓶颈。提升制备过流部件材料的耐磨性，对于提高过流件的使用寿命、保证渣浆泵运转率具有重要的现实意义。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料、制备方法、应用及渣浆泵过流件，其方法采用专用变质剂在包内对铁水进行变质处理的方法细化初生及共晶碳化物，专用变质剂中的重稀土元素等富集在初生碳化物的表面，使其细化、团球化；在浇铸过程中随流加入碳化钨或碳化铬等颗粒作为促进初生碳化物形核的核心，增加初生碳化物的形核数量，大大加快合金的凝固；制得的过共晶超高铬铸铁材料铸造性能好，具有优良的耐磨性。
6.为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料，该材料的组成包括以下质量百分比的化学成分：c 4.0～5.0wt％，si 0～1.0wt％，mn 1.5～2.5wt％，cr 30～40wt％，mo max0.5wt％，cu max0.5wt％，ni 0～1.0wt％，v max1.0wt％，al 0～0.08wt％，p≤0.03wt％，s≤0.025wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
7.进一步的，所述过共晶超高铬铸铁材料的组成包括以下质量百分比的化学成分：c 4.5～5.0wt％，si 0.3～0.8wt％，mn 1.5～2.0wt％，cr 35～40wt％，mo 0.1～0.3wt％，cu 0.1～0.3wt％，ni 0.5～1.0wt％，v 0.3～0.6wt％，al 0.03～0.06wt％，p≤0.03wt％，s≤
0.025wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
8.进一步的，所述过共晶超高铬铸铁材料的组成包括以下质量百分比的化学成分：c 4.8wt％，si 0.6wt％，mn 1.7wt％，cr 36wt％，mo 0.2wt％，cu 0.2wt％，ni 0.8wt％，v 0.3wt％，al 0.04wt％，p≤0.025wt％，s≤0.02wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
9.进一步的，所述过共晶超高铬铸铁材料的微观组织为马氏体、初生碳化物、共晶碳化物、弥散析出碳化物和残余奥氏体共混的结构，其硬度为61～65hrc，10*10*55mm无缺口冲击韧性不低于2.5j/cm2。
10.本发明另一技术方案在于公开上述适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料的制备方法，该方法首先，经高温熔炼获得组成为：c 4.0～5.0wt％，si 0～1.0wt％，mn 1.5～2.5wt％，cr 30～40wt％，mo max0.5wt％，cu max0.5wt％，ni 0～1.0wt％，vmax1.0 wt％，al 0～0.08wt％，p≤0.03wt％，s≤0.025wt％，其余为fe及不可避免的杂质的过共晶高铬铸铁的铁水；然后，过共晶高铬铸铁的铁水出炉过程中采用变质剂进行变质处理，同时浇铸时随铁水流加入颗粒尺寸为max0.5mm的碳化钨颗粒或碳化铬；最后，过共晶高铬铸铁的铁水浇铸成铸件后，采用正火、低温回火工艺热处理后即获得适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料。
11.进一步的，该制备方法具体包括如下步骤：
12.(1)将优质废钢、低硫增碳剂、高碳铬铁、低碳铬铁、钒铁、高碳锰铁加入电炉内，加热熔炼，获得过共晶高铬铸铁的铁水；
13.(2)熔炼温度升至1480℃～1530℃，出炉浇铸；其中，出炉浇铸过程中采用专用yfb-c5变质剂进行变质处理，同时浇铸时随铁水流加入颗粒尺寸为max0.5mm的碳化钨或碳化铬颗粒；所述碳化钨和碳化铬颗粒的加入量分别为进入浇包内铁水重量的0.3～0.5％、0.2～0.3％；
14.(3)采用呋喃树脂砂造型工艺，造型用砂子采用宝珠砂，加入呋喃树脂和固化剂；其中，宝珠砂与铸件的砂铁质量比为3～5:1，呋喃树脂加入量为宝珠砂质量的1.1～1.2％，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30～50％；
15.(4)过共晶高铬铸铁的铁水浇铸获得铸件，浇铸温度为1380℃～1450℃；
16.(5)铸件开箱并冷却至室温后清理，包括清除冒口、飞边和披缝；
17.(6)铸件在热处理炉中进行热处理，热处理包括正火和低温回火两道工序；其中，正火的工艺为950～1050℃保温4～8h，然后出炉后空冷至室温；低温回火的工艺为200～250℃保温4～8h，然后出炉空冷至室温。
18.进一步的，所述步骤(1)中各物料的加料比例为优质废钢27％、高碳铬铁58.6％、低碳铬铁10.3％、高碳锰铁2.5％、钼铁0.33％、镍板0.8％、钒铁0.3％，余量为低硫增碳剂。
19.进一步的，所述步骤(6)中铸件热处理的控温过程为：热处理炉内温度小于250℃时，升温速度20～40℃/h；热处理炉内温度为250-400℃时，升温速率为10～30℃/h；热处理炉内温度为400-700℃时，升温速率为40～60℃/h；当热处理炉内温度超过700℃时，升温速率为50～70℃/h。
20.本发明又一技术方案在于公开上述适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料在渣浆泵过流件上的应用。
21.本发明还提供一技术方案公开一种渣浆泵过流件，该述渣浆泵用过流件采用上述
的适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料制造。
22.由以上技术方案可知，本发明的技术方案获得了如下有益效果：
23.本发明公开一种适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料、制备方法、应用及渣浆泵过流件，其制备方法利用yfb-c5专用变质剂和随流孕育剂细化初生及共晶碳化物，并通过正火、低温回火工艺使得基体组织转变为马氏体+初生碳化物+共晶碳化物+弥散析出碳化物+残余奥氏体共混的微观组织；制得的过共晶超高铬铸铁材料包括以下质量百分比的化学成份：c 4.0～5.0wt％，si 0～1.0wt％，mn 1.5～2.5wt％，cr 30～40wt％，mo 0.5max wt％，cu 0.5maxwt％，ni 0～1.0wt％，v 1.0max wt％，al 0～0.08wt％，p≤0.03％，s≤0.025％，其余为fe及不可避免的杂质；采用此类方法生产的过共晶高铬铸铁渣浆泵过流件，生产工艺简便、成本低，铸造性好，具有优良的耐磨性和高的使用寿命。
24.本发明制得的过共晶超高铬铸铁材料相对于传统的btmcr
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mo3材料，本发明化学成分组织的过共晶超高铬铸铁材料由于具有更高的碳含量和铬含量，能形成更高的碳化物数量，提升碳化物的体积分数，能够有效地提高材料的耐磨性；mo、ni、cu元素的加入提高了材料的淬透性，专用yfb-c5变质剂及碳化物随流孕育剂细化了初生及共晶碳化物；正火、低温回火工艺强化了过共晶超高铬铸铁材料基体组织，同时保证了材料的力学性能。
25.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
26.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
27.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
28.图1为本发明实施例1中最终热处理后过共晶超高铬铸铁材料的金相(100x)组织图；
29.图2为本发明实施例1中最终热处理后过共晶超高铬铸铁材料的金相(500x)组织图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
31.本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文
清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
32.基于现有技术中以btmcr
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mo3材料等制成的渣浆泵过流件在应用过程中都存在耐磨性不足和使用寿命短的技术问题；本发明旨在提出一种适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料、制备方法、应用及渣浆泵过流件，该材料利用高碳和高铬的加入大幅度提升材料中碳化物的体积分数，提升材料的耐磨性能，mo、ni、cu元素的加入提高材料的淬透性，专用yfb-c5变质剂及碳化物随流孕育剂细化初生及共晶碳化物；由于材质制备时采用正火、低温回火工艺强化过共晶超高铬铸铁材料基体组织，因此保证了材料的力学性能，在具有优良耐磨性的同时，具有高的使用寿命。
33.本发明公开的适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料，其组成包括以下质量百分比的化学成分：c 4.0～5.0wt％，si 0～1.0wt％，mn 1.5～2.5wt％，cr 30～40wt％，mo max0.5wt％，cu max0.5wt％，ni 0～1.0wt％，v max1.0wt％，al 0～0.08wt％，p≤0.03wt％，s≤0.025wt％，其余为fe及不可避免的杂质。
34.上述适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料制备时，首先，经高温熔炼获得组成为：c 4.0～5.0wt％，si 0～1.0wt％，mn 1.5～2.5wt％，cr 30～40wt％，mo max 0.5wt％，cu max0.5wt％，ni 0～1.0wt％，v max1.0wt％，al 0～0.08wt％，p≤0.03wt％，s≤0.025wt％，其余为fe及不可避免的杂质的过共晶高铬铸铁的铁水；然后，过共晶高铬铸铁的铁水出炉过程中采用变质剂进行变质处理，同时浇铸时随铁水流加入颗粒尺寸为max0.5mm的碳化钨颗粒或碳化铬；最后，过共晶高铬铸铁的铁水浇铸成铸件后，采用正火、低温回火工艺热处理后即获得适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料。
35.该制备方法实施时，具体包括如下步骤：
36.(1)将优质废钢、低硫增碳剂、高碳铬铁、低碳铬铁、钼铁、镍板、钒铁、高碳锰铁加入电炉内，如按照优质废钢、低硫增碳剂、高碳铬铁、低碳铬铁、钼铁、镍板、钒铁、高碳锰铁的加料顺序，加热熔炼，获得过共晶高铬铸铁的铁水；其中，各物料的加料比例为优质废钢27％、高碳铬铁58.6％、低碳铬铁10.3％、高碳锰铁2.5％、钼铁0.33％、镍板0.8％、钒铁0.3％，余量为低硫增碳剂。
37.(2)熔炼温度升至1480℃～1530℃，出炉浇铸；其中，出炉浇铸过程中采用专用yfb-c5变质剂进行变质处理，同时浇铸时随铁水流加入颗粒尺寸为max0.5mm的碳化钨或碳化铬颗粒；所述碳化钨和碳化铬颗粒的加入量分别为进入浇包内铁水重量的0.3～0.5％、0.2～0.3％；
38.(3)采用呋喃树脂砂造型工艺，造型用砂子采用宝珠砂，加入呋喃树脂和固化剂；其中，宝珠砂与铸件的砂铁质量比为3～5:1，呋喃树脂加入量为宝珠砂质量的1.1～1.2％，固化剂使用苯磺酸，加入量为树脂质量的30～50％；
39.(4)过共晶高铬铸铁的铁水浇铸获得铸件，浇铸温度为1380℃～1450℃；
40.(5)铸件冷却至低于200℃后开箱，冷却至室温后清理，包括清除冒口、飞边和披缝；
41.(6)铸件在热处理炉中进行热处理，热处理包括正火和低温回火两道工序；其中，正火的工艺为950～1050℃保温4～8h，然后出炉后空冷至室温；低温回火的工艺为200～250℃保温4～8h，然后出炉空冷至室温。在热处理过程中根据不同阶段，严格控制升温速率，避免铸件出现开裂等问题。
42.为提升制得的适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料的耐磨性能，上述步骤(1)熔炼的过共晶高铬铸铁的铁水的组成还可以为以下质量百分比的化学成分：c 4.5～5.0wt％，si 0.3～0.8wt％，mn 1.5～2.0wt％，cr 35～40wt％，mo 0.1～0.3wt％，cu 0.1～0.3wt％，ni 0.5～1.0wt％，v0.3～0.6wt％，al 0.03～0.06wt％，p≤0.03％，s≤0.025％，其余为fe及不可避免的杂质；各化学成分质量百分比优选为：c 4.7wt％，si 0.6wt％，mn 1.8wt％，c 37wt％，mo 0.25wt％，cu 0.2wt％，ni 0.7wt％，v 0.5wt％，al 0.04wt％，p≤0.025％，s≤0.02％，其余为fe及不可避免的杂质。
43.下面结合具体实施例，对本发明公开的适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料和制备方法作进一步具体介绍。下述实施例1-3为将采用上述方法制得的适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料应用于制备渣浆泵过流件，并通过对渣浆泵过流件进行耐磨性能测试表征本材料在耐磨性能上的大幅度提升。
44.实施例1
45.将优质废钢530公斤、高碳铬铁1173公斤、低碳铬铁205公斤、高碳锰铁52公斤、钼铁7公斤、镍板16公斤，钒铁21公斤，依次加入到2吨中频炉中加热熔化，熔清待钢水达到1480℃时取样分析，并根据检测结果调整成份；成份合格后，升温并脱氧，1500℃出炉。出炉前包内加入专用yfb-c5变质剂6kg。当包内测温到1400℃时，去浇铸铸件。同时，在浇铸过程中随流碳化物颗粒4kg。
46.实施例2
47.将优质废钢530公斤、高碳铬铁1110公斤、低碳铬铁260公斤、高碳锰铁52公斤、钼铁7公斤、镍板16公斤，钒铁21公斤，增碳剂5kg，依次加入到2吨中频炉中加热熔化，熔清待钢水达到1500℃时取样分析，并根据检测结果调整成份。成份合格后，升温并脱氧，1510℃出炉。出炉前包内加入专用yfb-c5变质剂6kg。当包内测温到1390℃时，去浇铸铸件。同时，在浇铸过程中随流碳化物颗粒4kg。
48.实施例3
49.将优质废钢520公斤、高碳铬铁935公斤、低碳铬铁425公斤、高碳锰铁52公斤、钼铁7公斤、镍板16公斤，钒铁21公斤，增碳剂20kg，依次加入到2吨中频炉中加热熔化，熔清待钢水达到1490℃时取样分析，并根据检测结果调整成份；成份合格后，升温并脱氧，1520℃出炉。出炉前包内加入专用yfb-c5变质剂6kg。当包内测温到1420℃时，去浇铸铸件。同时，在浇铸过程中随流碳化物颗粒4kg。
50.实施例1-3获得的铸件在砂箱内冷却至200℃以下时开箱，一般是浇铸后4～8天开箱；继续冷却到常温后，清除冒口、飞边和披缝，再进行打磨处理。打磨后铸件在热处理炉中进行处理，包括正火和低温回火两道工序；正火工艺为950～1050℃保温4～8h，然后自然空冷至室温；所述低温回火工艺为200～250℃保温4～8h，然后出炉空冷至室温；在热处理过程中根据不同阶段，严格控制升温速率，避免铸件出现开裂等问题。当热处理炉内温度小于250℃时，升温速度控制20～40℃/h；当热处理炉内温度为250-400℃时，升温速率控制10～
30℃/h；当热处理炉内温度为400-700℃时，升温速率控制40～60℃/h；当热处理炉内温度超过700℃时，升温速率控制50～70℃/h。
51.上述实例1-3制得的为由上述适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料构成的渣浆泵过流件，各渣浆泵过流件化学成分和硬度值结果如表1所示。
52.表1各实施例制得的渣浆泵过流件过流件化学成分和硬度值
[0053][0054]
实施例1-3制得的渣浆泵过流件，其金相组织如附图1和图2所示；渣浆泵过流件微观组织为马氏体+初生碳化物+共晶碳化物+弥散析出碳化物+残余奥氏体；具体的，对制成渣浆泵过流件的过共晶超高铬铸铁材料进行性能测试，其硬度为61～65hrc，10*10*55mm无缺口冲击韧性不低于2.5j/cm2。
[0055]
对实施例1-3制得的渣浆泵过流件在冲蚀磨损试验机上做浆料冲蚀磨损实验，浆料从矿山取样。与过流件常用材料btmcr
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做对比，转速为1450r/min。材料状态选择热处理态，耐磨性比较结果如表2所示：
[0056]
表2磨损性能对比
[0057][0058][0059]
对实施例1制得的渣浆泵过流件进行装机应用，即在某矿山200nzjc渣浆泵上应用；原厂家采用btmcr
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过流件，使用寿命约430h，采用实施例1渣浆泵过流件的使用寿命800h，耐磨性提高80％。
[0060]
本发明制得适用于细颗粒工矿用过共晶超高铬铸铁材料，具有高硬度、高碳化物含量、高耐磨性、性比价高等优良性能，其在渣浆泵过流件上应用时，是理想的渣浆泵过流件用材料；其在细颗粒工矿用渣浆泵过流件上的应用，对于提高渣浆泵过流件的使用寿命、保证渣浆泵运转率、提升作业效率具有重要的深远的影响。
[0061]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。