CN103305772B - 一种高硬度渣浆泵泵体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬度渣浆泵泵体及其制备方法，它解决了现有技术中渣浆泵泵体硬度不够等问题。本发明的渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比为：碳：2.8％-3.3％，铬：26％-28％，硅：0.30％-0.8％，锰：0.5％-1.0％，镍：0.7％-1.2％，钼：0.15％-0.6％，锆：0.025％-0.050％，铜≤0.50％，铌≤0.020％，余量为铁以及不可避免的杂质。本发明还提供了制备上述渣浆泵泵体的制备方法，其方法包括以下步骤：配比，铸造，浇冒口切割，热处理。本发明还对渣浆泵本体的结构进行改进，使渣浆泵泵体硬度高，机械性能好，使用寿命长。

Description

一种高硬度渣浆泵泵体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种渣浆泵泵体，具体涉及一种高硬度渣浆泵泵体及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

渣浆泵是一种用来输送及处理固液两相或多相物料的离心泵，广泛应用于矿山、有色、冶金冶炼、煤炭、石油和化工等行业。渣浆泵泵体在使用中因含有固体颗粒的流体在输送过程中对渣浆泵产生冲刷的磨损以及所运送的流体介质有不同程度的酸碱性会对渣浆泵有腐蚀作用，从而缩短了渣浆泵泵体的使用周期。故渣浆泵泵体在使用中除了对耐磨-耐气蚀-耐腐蚀性能有着较高的要求，还需要有较高的硬度。

中国专利申请文件(公开号：CN102560232A)公开了一种用于渣浆泵叶片的亚共晶高铬铸铁及热处理加工工艺，该铸铁的化学成分按重量百分比：C：2.6～2.8％、Cr：26～32％、Si：0.5～0.7％、Mn：0.3～0.6％、Ni：0.2～0.4％、Mo：0.1～0.2％、Cu：0.02～0.04％，其采用将铸铁在电炉中进行熔炼、复合变质处理、抛丸处理、去应力退火、机械加工、淬火+回火工艺的热处理工艺，虽提高了叶轮的冲击韧性和耐磨性，但其硬度仍达不到泵体所需的硬度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种机械性能好的高硬度渣浆泵泵体及该高硬度渣浆泵泵体的制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高硬度渣浆泵泵体，其组成元素及质量百分比为：碳(C)：2.8％-3.3％，铬(Cr)：26％-28％，硅(Si)：0.30％-0.8％，锰(Mn)：0.5％-1.0％，镍(Ni)：0.7％-1.2％，钼(Mo)：0.15％-0.6％，锆(Zr)：0.025％-0.050％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述高硬度渣浆泵泵体的机械性能如下：洛氏硬度≥60HB。

相较于现有技术，本发明中的渣浆泵泵体引入了锆、铌元素，通过锆元素与其他各元素的协同作用，即可得到高硬度渣浆泵泵体。

所述杂质中，硫(S)的质量百分比小于等于0.019％，磷(P)的质量百分比小于等于0.019％。

本发明高硬度渣浆泵泵体中碳含量为2.8％-3.3％。在渣浆泵泵体中碳元素可与铁、铬形成稳定的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，也可与Fe、Mn形成碳化物，并通过淬火提高渣浆泵泵体的硬度，同时又可保证足够的塑性、韧性及其他机械性能。本发明中的碳可与其他元素产生协同作用，使渣浆泵泵体具有较好的综合性能，尤其是具有较高的硬度。

本发明渣浆泵泵体中的铬含量为26％-28％。铬原子的半径为2.8.10^-10m，而铁原子半径为2.7·10^-10m，两者十分相近，铬与铁的亲和力比其他元素强，容易与碳、铁结合形成(Cr，Fe)₃C和少量(FeCr)₇C₃溶入固溶体中，可强化基体，提高渣浆泵泵体的淬透性。若Cr含量过低，渣浆泵泵体的耐腐蚀性不佳。本发明将铬元素的质量百分比提高到26％-28％，可使铬与其他元素产生协同作用，从而使本申请中的渣浆泵泵体具有较好的综合性能，尤其是具有较高的硬度。

硅元素溶解于铁素体中，能强烈抑制和缓解过冷奥氏体的碳化物分解，提高奥氏体稳定性。其含量与锰元素含量配合，能有效改善渣浆泵泵体的韧性，提高渣浆泵泵体的强度和硬度。硅在渣浆泵泵体中还可改变碳化物形貌，当硅含量较低时，如w(Si)＝0.3％，碳化物常呈针片状，但当硅的质量分数增加至0.8％时，碳化物则呈块状。因此该渣浆泵泵体将硅的质量百分比严格控制在0.30-0.80％，使本发明中的渣浆泵泵体具有较好的综合性能。否则即便渣浆泵泵体的抗氧化能力在使用过程中有所提高但极易出现尺寸较大的块状碳化物，从而损害渣浆泵泵体的力学性能。

锰是渣浆泵泵体中主要的强化元素，在渣浆泵泵体中主要起脱氧除气和提高淬透性等作用。锰在渣浆泵泵体中可与铁生成(FeMn)₃C型碳化物，降低奥氏体分解速度，从而大大提高渣浆泵泵体的淬透性。锰在渣浆泵泵体中脱氧其含量须在0.5％以上，但若锰含量过高，锰溶于奥氏体中会降低马氏体转变温度进而使淬火组织中残余的奥氏体量增多从而影响渣浆泵泵体的耐磨性。在保证奥氏体组织的前提下，锰含量的降低会导致奥氏体稳定性略有下降，但渣浆泵泵体的加工硬度会显著增强。在渣浆泵泵体中添加锰元素还可细化材料组织，提高再结晶温度，从而增强渣浆泵泵体在使用过程中因摩擦产生高温时的耐热性。因此本发明将锰含量控制在0.5％-1.0％，既保证了奥氏体组织，又增加了奥氏体的硬度和强度。

镍在渣浆泵泵体中即可降低奥氏体分解速度，大大提高渣浆泵泵体的淬透性，还可大幅度提高渣浆泵泵体的强度和韧性。镍与铬、钼等元素共同作用，可明显提高渣浆泵泵体的硬度。但镍是较稀缺的资源，应在保证渣浆泵泵体性能的前提下尽量减少其含量，因此本发明渣浆泵泵体中的镍含量为0.7％-1.2％。

将细化晶粒的钼元素加入该渣浆泵泵体中，可起三方面作用：一、钼能够有效地抑制渗碳体聚集，导致钼的碳化物以极细小尺寸弥散分布在奥氏体中，同时可弥散强化作用，强化奥氏体组织，使渣浆泵泵体的强度和硬度增加，形变硬化性能增强。二、钼分布在碳化物中可有效抑制渣浆泵泵体冷却过程中晶界碳化物的析出，渣浆泵泵体中加铬可使晶界碳化物析出倾向大大提高，钼与铬两种元素的复合添加可使两种合金元素的有益作用同时发挥出来。三、渣浆泵泵体中添加钼后，针状碳化物变短，数量明显减少，析出温度提高，可使渣浆泵泵体的脆化温度提高到350℃左右。经实验可知当加入约0.5％钼时，能降低或抑止其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下，形成弥漫分布的特殊碳化物，有二次硬化作用。与锰配合加入渣浆泵泵体中更能有效地发挥钼与锰在渣浆泵泵体中的作用，提高渣浆泵泵体的硬度、淬透性等机械性能。

本发明在渣浆泵泵体中加入质量百分比为0.025-0.050％的锆。本发明通过添加硅化锆的方式获得所述锆元素，所述硅化锆为ZrSi、ZrSi₂、ZrSi₃中的一种。加入的锆能使渣浆泵泵体内部组织致密，细化奥氏体晶粒，是渣浆泵泵体中强有力的脱氧、除氮、去硫元素。锆不仅能与碳形成碳化锆，还可与硫结合形成硫化物，从而降低渣浆泵泵体的热脆性，降低应变时效现象，提高渣浆泵泵体的低温韧性。在渣浆泵泵体中加千分之一的锆，就可大大提高渣浆泵泵体的硬度和强度。该渣浆泵泵体中将锆元素的质量百分比控制在0.025-0.050％，可使锆与其他元素产生协同作用，使本发明中的渣浆泵泵体具有较好的综合性能。

本发明渣浆泵泵体中加入铜元素，使渣浆泵泵体即具有较高的强度、韧性和淬透性。在本发明中与钼联合加入，使产生协同作用，在提高淬透性的同时，又可进一步改变碳化物形态和分布，并促进空淬时获得针状组织。但若铜加入量超过0.5％，则会生成富铜相和微裂纹，渣浆泵泵体的塑性会因此降低。为稳定奥氏体因此本发明将铜的含量控制在0.50％以下。

本发明渣浆泵泵体中因为铌的存在铸态组织明显细化，在奥氏体基体上弥散分布着形状规则的NbC质点，粒度在10μm以下。渣浆泵泵体在服役时，奥氏体受冲击后产生滑移线，这些滑移线必须绕过铌质点，从而阻碍滑移和塑性变形，提高渣浆泵泵体强度性能，特别是屈服强度提高近1倍。微量铌不仅可以在不影响渣浆泵泵体的塑性或韧性的情况下，提高渣浆泵泵体的强度，还可增加渣浆泵泵体的回火稳定性，有二次硬化作用。但若铌加入的量过多，会出现粗大的含铌化合物，反而降低渣浆泵泵体的强韧性。

本发明渣浆泵泵体中将硫控制在0.025％以内用以降低渣浆泵泵体的热脆性，提高渣浆泵泵体的延展性和硬度。

磷和硫相似，对渣浆泵泵体的耐磨性和机械性能均有特别有害的影响。本发明将磷的含量控制在0.025％以内，用以提高渣浆泵泵体的塑性、韧性、耐磨性，每0.02％的P平均降低冲击韧性1.98J/cm²，但当磷从0.07％-1.0％降到0.02％-0.04％，渣浆泵泵体的塑性、韧性、硬度均可提高40％-50％，铸件裂纹也可大大减少，还可避免沿晶界析出共晶磷化物。

进一步地，所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比为：碳(C)：2.68％，锰(Mn)：1.012％，硅(Si)：0.608％，铬(Cr：23.65％，镍(Ni)：0.267％，钼(Mo)：0.164％，锆(Zr)：0.028％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述高硬度渣浆泵泵体的机械性能如下：洛氏硬度≥60HB，其中所述杂质中，硫(S)的质量百分比小于等于0.019％，磷(P)的质量百分比小于等于0.019％。

本发明还提供一种如上述高硬度渣浆泵泵体的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、原料配制：按照所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比配制原料。

s2、铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、浇注成型，得到成型渣浆泵泵体。

S3、浇冒口切割：将上述成型渣浆泵泵体预热后热割、热刨。

S4、热处理：将上述热刨后的成型渣浆泵泵体进行表面打磨处理，然后升温至950-1000℃时进行正火，待温度为890-920℃时进行淬火，淬火后保温，然后出炉空冷，在温度为220-250℃的条件下回火，回火后保温，即得到成品高硬度渣浆泵泵体。

热处理是提高与改善铸钢件力学性能的重要工序。在热处理前，渣浆泵泵体存在较大内应力，气割时容易产生裂纹，为避免裂纹，需要采用冒口热割。热割时需注意氧气切割时不能割进铸件，冒口根部用碳弧气棒刨平。电弧气刨利用碳电极与铸件之间产生高达6000-7000℃的电极来熔化金属，借助压缩空气将熔融金属液吹除，以达切除铸件浇冒口。本发明采用的淬火加热温度不同于常规亚共析钢的淬火温度，按常规设定淬火温度最高为900℃，但淬火效果并不理想。钢在加热过程中，在400-700℃时，碳化物不断地析出和长大，700-900℃时碳化物逐渐溶解，加热至900℃以上时，即使晶界上残余的碳化物也会全部溶解。由于难溶的碳化物的存在，有必要提高其固溶温度，将淬火温度提高到890-920℃，渣浆泵泵体可达到最佳的韧性和塑性。提高淬火的温度有利于成分的均匀化，进一步减少高碳微区，增大高位错板条壮马氏体和薄膜状残余奥氏体的数量，从而提高渣浆泵泵体的强韧性，增强抵抗裂纹扩展的能力，减轻应力集中，改善韧性。

在上述高硬度渣浆泵泵体的制备方法中，作为优选，在步骤S1中，通过添加硅化锆的方式获得所述锆元素，所说硅化锆为ZrSi、ZrSi₂、ZrSi₃中的一种。

在上述高硬度渣浆泵泵体的制备方法中，作为优选，在步骤S2中，所述成型渣浆泵泵体浇铸成型时的温度为1550-1570℃。

浇注温度对钢的晶粒度影响巨大，低温浇注可获得细晶结构，还可提高韧度。但是过低的浇注温度打乱了铸件的顺序凝固方式，会出现同时凝固，使浇注时卷入的气体和杂质得不到排出，渣浆泵泵体铸件得不到应有的补缩，产生严重的缩松，甚至出现内裂纹。

在上述高硬度渣浆泵泵体的制备方法中，作为优选，在步骤S3中，所述成型渣浆泵泵体预热时的预热温度为350-480℃，预热时间为3-5小时。

在上述高硬度渣浆泵泵体的制备方法中，作为优选，在步骤S4中，所述正火温度为960-990℃，正火保温时间为2-4小时。所述淬火温度为910-950℃，淬火保温时间为2-4小时；所述回火温度为200-220℃，回火保温时间为2-4小时。

若热处理中加热温度偏低或保温时间不足，碳化物不能充分溶解，常常聚集在奥氏体的晶界上，而若热处理中加热温度偏高，奥氏体晶粒则会长大。

本发明的目的还在于通过对渣浆泵本体结构的改进，提高其硬度，延长其使用寿命，所述的渣浆泵泵体包括具有出口的本体，在本体内壁靠近出口部设置有凸台，凸台一侧面与本体出口内侧壁处于同一平面上，凸台另一侧面圆弧过渡至本体内壁上。通过在泵体出口处设置凸台，在不影响泵体内叶轮的转动下，提高了渣浆泵的硬度。

在上述的渣浆泵中，所述凸台与本体连为一体。

在上述的渣浆泵中，所述凸台厚度与本体厚度相同。

在上述的渣浆泵中，所述凸台曲率半径为80mm。

与现有技术相比，本发明通过配置特定组分特别添加了锆、铌元素及特定质量百分比的原料，并通过特殊的制备方法，同时对渣浆泵本体的结构进行改进，得到本发明的渣浆泵泵体。该渣浆泵泵体的机械性能好，尤其是具有较高的硬度，使用寿命更长。

附图说明

图1是本渣浆泵的结构示意图。

图中，1、本体；2、出口；3、凸台。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

表1：实施例1-3用于制备高硬度渣浆泵泵体的组成元素和质量百分比

实施例1

按表1实施例1确定高硬度渣浆泵泵体的组成成份及其质量百分比，高硬度渣浆泵泵体的组成成份及其质量百分比对渣浆泵泵体的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的高硬度渣浆泵泵体的机械性能也有较大的影响。

按以下方法制备高硬度渣浆泵泵体：

原料配制：按照按表1中实施例1所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比配制原料。

铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、在温度为1550℃的条件下浇注成型，得到成型渣浆泵泵体。

浇冒口切割：将上述成型渣浆泵泵体在温度为360℃的条件下预热3小时，然后热割、热刨。

热处理：将上述热刨后的成型渣浆泵泵体进行表面打磨处理，然后升温至960℃时进行正火，正火后保温2小时。待温度为900℃时进行淬火，淬火后保温3小时，然后出炉空冷。在温度为220℃的条件下回火，回火后保温2小时，即得到成品高硬度渣浆泵泵体。

实施例2

按以下方法制备高硬度渣浆泵泵体：

原料配制：按照按表1中实施例2所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比配制原料。

铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、在温度为1560℃的条件下浇注成型，得成型渣浆泵泵体。

浇冒口切割：将上述成型渣浆泵泵体在温度为420℃的条件下预热4小时，然后热割、热刨。

热处理：将上述热刨后的成型渣浆泵泵体进行表面打磨处理，然后升温至980℃时进行正火，正火后保温3小时。待温度为910℃时进行淬火，淬火后保温2小时，然后出炉空冷。在温度为230℃的条件下回火，回火后保温3小时，即得到成品高硬度渣浆泵泵体。

实施例3

按以下方法制备高硬度渣浆泵泵体：

原料配制：按照按表1中实施例3所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比配制原料。

铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、在温度为1570℃的条件下浇注成型，得成型渣浆泵泵体。

浇冒口切割：将上述成型渣浆泵泵体在温度为480℃的条件下预热4小时，然后热割、热刨。

热处理：将上述热刨后的成型渣浆泵泵体进行表面打磨处理，然后升温至990℃时进行正火，正火后保温4小时。待温度为920℃时进行淬火，淬火后保温3小时，然后出炉空冷。在温度为250℃的条件下回火，回火后保温4小时，即得到成品高硬度渣浆泵泵体。

随即抽取本发明实施例1-3中制备得到的高硬度渣浆泵泵体进行机械性能测试，结果如表2所示。

表2：高硬度渣浆泵泵体的机械性能测试结果

从表2可以得出本发明中的渣浆泵泵体具有良好的机械性能，尤其渣浆泵泵体的硬度高，使用寿命长。

如图1所示，渣浆泵泵体包括具有出口2的本体1，在本体1内壁靠近出口2处设置有凸台3，凸台3一侧面与本体1出口2内侧壁处于同一平面上，凸台3另一侧面圆弧过渡至泵体2内壁上，凸台3与本体1连为一体且凸台3厚度与泵体1厚度相同，凸台3曲率半径为80mm。由于原有的渣浆泵泵体出口处侧壁较薄，在使用过程中磨损最为严重，绝大部分泵体的更换都是因为出口处磨损而无法使用，通过在泵体1出口处设置凸台3，在不影响泵体1内叶轮的转动下，提高了渣浆泵的硬度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种高硬度渣浆泵泵体，其特征在于，所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比为：碳(C)：2.91％-3.3％，铬(Cr)：26％-28％，硅(Si)：0.30％-0.455％，锰(Mn)：0.665％-1.0％，镍(Ni)：0.7％-1.2％，钼(Mo)：0.308％-0.6％，锆(Zr)：0.025％-0.050％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述高硬度渣浆泵泵体的机械性能如下：洛氏硬度≥60HB。

2.根据权利要求1所述的高硬度渣浆泵泵体，其特征在于，所述杂质中，硫(S)的质量百分比小于等于0.040％，磷(P)的质量百分比小于等于0.040％。

3.根据权利要求2所述的高硬度渣浆泵泵体，其特征在于，所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比为：碳(C)：2.91％，铬(Cr)：27.06％，硅(Si)：0.455％，锰(Mn)：0.725％，镍(Ni)：0.765％，钼(Mo)：0.467％，锆(Zr)：0.032％，铜(Cu)≤0.50％，铌(Nb)≤0.020％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；所述高硬度渣浆泵泵体的机械性能如下：洛氏硬度≥60HB，其中所述杂质中，硫(S)的质量百分比小于等于0.019％，磷(P)的质量百分比小于等于0.019％。

4.一种如权利要求1所述的高硬度渣浆泵泵体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、原料配制：按照所述高硬度渣浆泵泵体的组成元素及质量百分比配制原料；通过添加硅化锆的方式获得所述锆元素；

S2、铸造：将上述配制好的原料进行冶炼、浇注成型，得到成型渣浆泵泵体；浇铸成型的温度为1550-1570℃；

S3、浇冒口切割：将上述成型渣浆泵泵体预热后热割、热刨；预热温度为350-480℃，预热时间为3-5小时；

S4、热处理：将上述热刨后的成型渣浆泵泵体进行表面打磨处理，然后升温至950-1000℃时进行正火，正火保温时间为2-4小时，待温度为890-920℃时进行淬火，淬火保温2-4小时，然后出炉空冷，在温度为220-250℃的条件下回火，回火保温2-4小时，即得到成品高硬度渣浆泵泵体。

5.一种如权利要求4所述制备方法制成的渣浆泵泵体，包括具有出口的本体，在本体内壁靠近出口部设置有凸台，凸台一侧面与本体出口内侧壁处于同一平面上，凸台另一侧面圆弧过渡至本体内壁上，所述凸台与本体连为一体。

6.根据权利要求5所述的渣浆泵泵体，其特征在于，所述凸台厚度与本体厚度相同。

7.根据权利要求6所述的渣浆泵泵体，其特征在于，所述凸台曲率半径为80mm。