[0001] 本发明涉及铸铁材料技术领域，具体为一种微弧氧化高铬铸铁细晶材料的制备方法。

[0002] 磨损是导致零部件消耗与损坏的重要原因之一，随着国民经济的快速发展，对于耐磨材料的性能要求也日趋苛刻，高铬铸铁作为第三代耐磨材料，正在越来越广泛的领域内取代传统的高锰钢，成为抗磨损的优异材料，尤其在磨料块度小而硬度高的场合下，如粉碎水泥熟料、制备石英砂等工况下更成为一种最佳材质，并被广大相关工业界所接受，但实际工业化生产所得到的性能如硬度、韧性、硬度差等尚有很大的提升空间。

[0003] 浮动油封是为适应恶劣的工作环境而发展起来的一种新颖的机械旋转密封装置，通常由浮封环、O型圈和浮封座三部分组成，在推土机、挖掘机等工程机械产品及煤矿机械、重型载重汽车中上应用广泛；浮封环的主要失效形式是密封工作面因长期磨损，接触面之间的间隙变大，失去密封作用，寿命普遍不长，用一般熔铸材料制造的浮封环难于达到技术要求，传统的高铬合金铸铁是以加入昂贵的钼和铜来改善其韧性，生产成本很高，生产率低，而且随着时间的延长，浮封环的使用寿命会逐渐下降，为了改善其耐磨性，减少高载荷高磨损等造成的破坏，需要研制一种新型低成本、韧性优良和高耐磨的高铬铸铁浮封环。

[0004] 微弧氧化技术适合对耐磨、耐蚀、耐热冲击等性能要求较高部件的表面作强化处理，表面形成的氧化铝陶瓷具有硬度高，耐磨及耐腐蚀等一系列优良性能，氧化铝陶瓷膜应用于高铬铸铁基材上面，利用陶瓷材料的高硬度、高耐磨的性能，可以大大提高铸铁材料的耐磨性能；本发明通过优化高铬铸铁合金组成，添加适量的淬透剂、细化晶粒剂及复合稀土添加剂等，增强了高铬铸铁的耐磨性能，采用微弧氧化技术对其表面进行处理，使得制备的微弧氧化浮封环具有高硬度和高耐磨特性，工艺简单，成本低廉。

[0022] 下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0023] 微弧氧化高铬铸铁细晶材料的制备方法：（1）将按重量份数的52‑60份废钢、16‑22份铬铁、9‑14份生铁，0.5‑1.0份锰铁、
1.5‑2.0份石墨加入到高频感应炉中，在1450‑1550℃下加热熔炼，待合金开始熔化时，加入
0.05‑0.25份淬透剂三氧化二硼或氧化铜和0.1‑0.5份细化晶粒剂钛铁或钒铁，待合金完全熔化后，用冲入法加入复合稀土添加剂Al‑Ce合金或Mg‑Ce合金，静置5‑10min，加入重量份数为0.01‑0.03份的硅钙钡铝脱氧剂或锰硅铝钙合脱氧剂进行脱氧，将熔体扒渣后，得到高铬铸铁细晶铁水，接着将铁水浇入氧化铝坩埚中，在1320‑1420℃下进行浇注成型，然后在
950‑1050℃空冷2‑4h，在200‑300℃下回火1‑2h，得到高铬铸铁细晶材料。

[0024] （2）将高铬铸铁细晶材料置于在氢氧化钠水溶液中，在75‑90℃下除油10‑20min，接着置于硫酸水溶液中，在20‑35℃下除锈3‑8min，然后置于氟化钾和氯化钠水溶液中，在85‑100℃下助镀3‑6min，接着在750‑850℃下热浸镀铝，保温时间为5‑15min，得到镀铝高铬铸铁细晶材料。

[0025] （3）将氢氧化钾、硅酸钠和六偏磷酸钠按照质量比为2:5:3溶于1L去离子水中，搅拌均匀后得到微弧氧化电解液。

[0026] （4）将镀铝高铬铸铁细晶材料置于磷酸钠水溶液中，在80‑95℃下除油4‑8min，接着置于盐酸水溶液中，在20‑35℃下酸洗1‑5min，超声清洗烘干，浸入微弧氧化电解液中，进2
行微弧氧化处理，采用双向脉冲交流电，电流密度为10‑15A/dm，正向电压为200‑500V，负向电压为20‑140V，氧化加工频率为180‑220Hz，额定功率为1.8‑2.2kW，氧化时间为40‑
60min，占空比为20‑50%，然后在550‑650℃退火1‑5h，得到微弧氧化高铬铸铁细晶材料。

[0027] 微弧氧化浮封环的制备方法：S1、将按重量份数的52‑60份废钢、16‑22份铬铁、9‑14份生铁，0.5‑1.0份锰铁、
1.5‑2.0份石墨加入到高频感应炉中，在1450‑1550℃下加热熔炼，待合金开始熔化时，加入
0.05‑0.25份淬透剂三氧化二硼或氧化铜和0.1‑0.5份细化晶粒剂钛铁或钒铁，待合金完全熔化后，用冲入法加入复合稀土添加剂Al‑Ce合金或Mg‑Ce合金，静置5‑10min，加入重量份数为0.01‑0.03份的硅钙钡铝脱氧剂或锰硅铝钙合脱氧剂进行脱氧，将熔体扒渣后，得到高铬铸铁细晶铁水，接着将铁水浇入氧化铝坩埚中，在1320‑1420℃下进行浇注成型，然后在
950‑1050℃空冷2‑4h，在200‑300℃下回火1‑2h，得到高铬铸铁细晶材料。

[0028] S2、将上述S1制备的高铬铸铁细晶材料在1400‑1500℃下熔炼，浇注于浮封环模具中，冷却，形成浮封环毛坯，毛坯经打磨去毛刺后，放入整形模上，将20‑30kg压铁压于整形模上保持10‑20min，浮封环锻件于900‑1000℃固体渗碳3‑6h，渗碳后进行淬火和回火处理，然后对浮封环毛坯端面研磨清洗后，得到浮封环。

[0029] S3、将浮封环置于在氢氧化钠水溶液中，在75‑90℃下除油10‑20min，接着置于硫酸水溶液中，在20‑35℃下除锈3‑8min，然后置于氟化钾和氯化钠水溶液中，在85‑100℃下助镀3‑6min，接着在750‑850℃下热浸镀铝，保温时间为5‑15min，得到镀铝浮封环。

[0030] S4、将镀铝浮封环置于磷酸钠水溶液中，在80‑95℃下除油4‑8min，接着置于盐酸水溶液中，在20‑35℃下酸洗1‑5min，超声清洗烘干，浸入微弧氧化电解液中，进行微弧氧化2
处理，采用双向脉冲交流电，电流密度为10‑15A/dm，正向电压为200‑500V，负向电压为20‑
140V，氧化加工频率为180‑220Hz，额定功率为1.8‑2.2kW，氧化时间为40‑60min，占空比为
20‑50%，然后在920‑980℃淬火，在140‑180℃回火1‑2h，得到微弧氧化浮封环。

[0031] 实施例1将按重量份数的60g废钢、20g铬铁、13g生铁，0.8g锰铁、1.8g石墨加入到高频感应炉中，在1500℃下加热熔炼，待合金开始熔化时，加入0.05g淬透剂三氧化二硼和0.1g细化晶粒剂钛铁，待合金完全熔化后，用冲入法加入0.8g复合稀土添加剂Al‑Ce合金，静置8min，加入重量份数为0.02g硅钙钡铝脱氧剂进行脱氧，将熔体扒渣后，得到高铬铸铁细晶铁水，接着将铁水浇入氧化铝坩埚中，在1380℃下进行浇注成型，然后在1000℃空冷3h，在240℃下回火2h，得到高铬铸铁细晶材料。

[0032] 实施例2本实施例与实施例1的区别在于，淬透剂为氧化铜（替换三氧化二硼），其他条件保持一致。

[0033] 冲击韧性和硬度测试：采用摆锤式冲击试验机测试，取三个试样的平均值作为测定结果，在冲断的冲击试样上测定样品的硬度HRc。

[0034] 表1硬度和冲击韧性测试2
硬度HRc 冲击韧性（J/cm）
实施例1 62.1 8.2
实施例2 61.5 7.7
由上表测试结果可知，实施例1的淬透剂为三氧化二硼，实施例2的淬透剂为氧化
铜，实施例1的冲击韧性和硬度均强于实施例2，故后续制备方法中添加三氧化二硼作为淬透剂。

[0035] 实施例3本实施例与实施例1的区别在于，淬透剂三氧化二硼的用量为0.1g，其他条件保持一致。

[0036] 实施例4本实施例与实施例1的区别在于，淬透剂三氧化二硼的用量为0.15g，其他条件保
持一致。

[0037] 实施例5本实施例与实施例1的区别在于，淬透剂三氧化二硼的用量为0.2g，其他条件保持一致。

[0038] 实施例6本实施例与实施例1的区别在于，淬透剂三氧化二硼的用量为0.25g，其他条件保
持一致。

[0039] 对比例1对比例1本对比例与实施例1的区别在于，不加入淬透剂三氧化二硼，其他条件保
持一致。

[0040] 表2硬度和冲击韧性测试2
硬度HRc 冲击韧性（J/cm）
实施例1 62.1 8.2
实施例3 64.3 8.5
实施例4 64.8 8.9
实施例5 65.2 9.1
实施例6 64.8 8.7
对比例1 59.7 7.7
由上表测试结果可知，随着材料中硼元素含量的增加，高铬铸铁细晶材料的硬度
2
和冲击韧性得到增强，实施例5的硬度为HRc65.2，冲击韧性达到9.1J/cm，相较于未加硼元素的对比例1来说，硬度和冲击韧性得到较大的提高，这是因为硼是一个强淬透性元素，在热处理中由于硼能减少固溶体中碳的含量，使铁液中碳的溶解量增加，从而使碳化物的生长核心增多，促进了碳化物的细化；另一方面，硼又是表面活性元素，它吸附在正在长大的固态晶体表面，阻碍了晶体生长时所需要的原子供应，从而降低了晶体长大率，增加了材料的韧性和硬度。

[0041] 实施例7本实施例与实施例5的区别在于，细化晶粒剂为钒铁（替换钛铁），其他条件保持一致。

[0042] 相对耐磨性测试：采用静载三体磨粒磨损试验机测试，湿磨介质为水和石英砂，水砂比为5：3，砂浆的pH为7，静载荷为1Kg，每组试样磨损3次，标样为40Cr钢，每次磨损后用丙酮浸泡清洗烘干后称重，相对耐磨性按下式计算。

[0043] 相对耐磨性=标样磨损失量/试样磨损失量。

[0044] 表3冲击韧性测试和相对耐磨性测试2
冲击韧性（J/cm） 相对耐磨性
实施例5 9.1 1.88
实施例7 9.1 2.11
由上表测试结果可知，实施例5的细化晶粒剂为钛铁，实施例7的细化晶粒剂为钒
铁，在冲击韧性相同的情况下，实施例7的相对耐磨性均强于实施例5，故后续制备方法中添加钒铁作为细化晶粒剂。

[0045] 实施例8本实施例与实施例7的区别在于，细化晶粒剂钒铁的用量为0.3g，其他条件保持一致。

[0046] 实施例9本实施例与实施例7的区别在于，细化晶粒剂钒铁的用量为0.5g，其他条件保持一致。

[0047] 对比例2本对比例与实施例7的区别在于，不加入细化晶粒剂钒铁，其他条件保持一致。

[0048] 表4冲击韧性测试和相对耐磨性测试2
冲击韧性（J/cm） 相对耐磨性
实施例7 9.1 2.11
实施例8 9.2 2.25
实施例9 9.1 2.19
对比例2 9.0 1.72
由上表测试结果可知，随着材料中钒元素含量的增加，高铬铸铁细晶材料的相对
耐磨性得到增强，这是因为钒加入合金中可以起到细化晶粒的作用，使得材料的韧性得到增加，钒可以代替铬浸入基体，形成致密的钝化膜，使得材料不易被腐蚀磨损，对比例2中未加入钒元素，其冲击韧性和相对耐磨性不佳。

[0049] 实施例10本实施例与实施例8的区别在于，复合稀土添加剂为Mg‑Ce合金（替换Al‑Ce合金），其他条件保持一致。

[0050] 对比例3本对比例与实施例8的区别在于，不加入复合稀土添加剂，其他条件保持一致。

[0051] 耐磨性测试：将待测样品用线切割机制备成10mm×10mm×20mm的试样，在动载磨料磨损机上进行磨料磨损测试，冲击功为1J，磨料为150μm的石英砂和刚玉砂，砂流流量为1Kg/h，磨损时间为30min，在分析天平上称量，计算试样的质量损失。

[0052] 表5在石英砂和刚玉砂中的耐磨性测试

[0053] 由上表测试结果可知，实施例8的复合稀土添加剂为Al‑Ce合金，实施例10的复合稀土添加剂为Mg‑Ce合金，在添加量相同的情况下，实施例10在石英砂和刚玉砂中的耐磨性均强于实施例8，这是因为Mg的熔点低，是强成分过冷元素，可细化共晶组织，Mg与S、O和P等有极大亲和力，可生成密度低于合金液的化合物，使化合物上浮形成熔渣达到除硫、氧的目的，起到净化合金液的作用，另外稀土Ce能与合金液形成硫氧化物，在合金液中形核长大，使得共晶转变温度下降，促进离异共晶的生长；另一方面是由于Ce是表面活性元素，会吸附在生长的共晶碳化物上，利于获得板块状碳化物，并且能净化铁液减少夹杂，促进形核细化晶粒，进而提高了高铬铸铁细晶材料的耐磨性。

[0054] 实施例11将高铬铸铁细晶材料（由实施例10制备）置于在氢氧化钠水溶液中，在90℃下除油
20min，接着置于硫酸水溶液中，在30℃下除锈8min，然后置于氟化钾和氯化钠水溶液中，在
100℃下助镀3min，接着在850℃下热浸镀铝，保温时间为10min，得到镀铝高铬铸铁细晶材料。

[0055] 将10g氢氧化钾、25g硅酸钠和15g六偏磷酸钠溶于500mL去离子水中，搅拌均匀后得到的微弧氧化电解液。

[0056] 将镀铝高铬铸铁细晶材料置于磷酸钠水溶液中，在90℃下除油4min，接着置于盐酸水溶液中，在30℃下酸洗5min，超声清洗烘干，浸入微弧氧化电解液中，进行微弧氧化处2
理，采用双向脉冲交流电，电流密度为14A/dm，正向电压为200V，负向电压为80V，氧化加工频率为180Hz，额定功率为2.1kW，氧化时间为40min，占空比为30%，然后在600℃退火4h，得到微弧氧化高铬铸铁细晶材料。

[0057] 实施例12将高铬铸铁细晶材料（由实施例10制备）置于在氢氧化钠水溶液中，在85℃下除油
15min，接着置于硫酸水溶液中，在35℃下除锈5min，然后置于氟化钾和氯化钠水溶液中，在
90℃下助镀4min，接着在780℃下热浸镀铝，保温时间为10min，得到镀铝高铬铸铁细晶材料。

[0058] 将40g氢氧化钾、100g硅酸钠和60g六偏磷酸钠溶于2L去离子水中，搅拌均匀后得到的微弧氧化电解液。

[0059] 将镀铝高铬铸铁细晶材料置于磷酸钠水溶液中，在90℃下除油4min，接着置于盐酸水溶液中，在35℃下酸洗4min，超声清洗烘干，浸入微弧氧化电解液中，进行微弧氧化处2
理，采用双向脉冲交流电，电流密度为10A/dm，正向电压为500V，负向电压为20V，氧化加工频率为210Hz，额定功率为2.0kW，氧化时间为50min，占空比为20%，然后在650℃退火2h，得到微弧氧化高铬铸铁细晶材料。

[0060] 表6硬度、冲击韧性和质量损失量测试2
硬度HRc 冲击韧性（J/cm） 刚玉砂中质量损失量（mg）
实施例10 65.3 9.2 0.039
实施例11 66.1 9.3 0.025
实施例12 65.8 9.2 0.024
由上表测试结果可知，经过微弧氧化工艺后得到的高铬铸铁微晶材料，其硬度、冲击韧性和耐磨性均得到增强，这是因为高铬铸铁微晶材料先经热浸镀铝后，再经微弧氧化，在其表面形成陶瓷，可弥补铸铁材料易锈蚀、不耐磨等缺陷，进一步增加了材料的耐磨性能，开拓了铸铁材料的应用领域。

[0061] 由说明书图1和图2显示，高铬铸铁细晶材料的金相组织为马氏体，残余奥氏体，初晶碳化物和共晶碳化物。

[0062] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。