專利名稱：一種環(huán)保型高強度易切削鋼用鉍鋯鐵合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉍鋯鐵合金，具體涉及一種用于環(huán)保型高強度易切削合金鋼合金化處理的鉍鋯鐵合金，屬于合金(C22C合金)生產(chǎn)技術(shù)。
背景技術(shù)：
金屬鉍(Bi)外觀呈銀白色，有強烈的金屬光澤，呈脆性，晶體結(jié)構(gòu)為斜方晶系，由于金屬鉍無毒，且具有與金屬鉛相近的低熔點和高柔韌性，因此在工業(yè)上被廣泛作為鉛的替代品，將鉍加入鑄鐵、鋼和鋁的合金中，可以改善其切削性能，含鉍易切削合金鋼由于其對環(huán)境友好的特性，已成為現(xiàn)代制造業(yè)所迫切需要的一種工業(yè)原材料。但是，鉍的熔點低(271. 30C )給鉍易切削合金鋼的合金化處理及合金鋼的生產(chǎn)，造成了非常大的困難；因此，由于鉍的氧化燒損和蒸發(fā)，采用金屬鉍作為所述合金鋼的合金化處理添加劑是完全不可行的，鉍錳合金可作為易切削合金鋼合金化處理的添加劑，但由于錳的熔點較低(1244°C)，而鉍錳合金的熔點更低(446°C);因此，用其作為易切削合金鋼合金化處理的添加劑，將鉍錳合金加入易切削合金鋼時鉍元素的燒損仍然很大，仍然難以實現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用，而中國專利檢索結(jié)果表明，合金化處理可行，收得率高的用于易切削合金鋼合金化處理的添加劑鉍合金，除了鉍錳鐵合金以外尚未見有其它報道，而鉍錳鐵的熔點仍然不高。鋯是一種過渡族金屬元素，呈銀白色，它具有熔點高(1852° C)、密度適中、良好的強度和塑性匹配；鋯是一個強氧化物、強氮化物形成元素，其化合物不僅熔點高(如ZrO2熔點為2677°C，ZrN熔點為3255°C )，硬度也高，在鋼中可以抑制奧氏體晶粒長大；含V，Ti和Zr的合金能代替鋁脫氧，可大大減少非金屬夾雜物對鋼的使用性能的有害影響；研究表明，在高強度低合金鋼中加入合金元素鋯能使夾雜物的大小、形態(tài)及分布均得到了明顯改善，形成顆粒細(xì)小、圓形或近圓形、呈彌散分布的夾雜物；夾雜物一般是由Ti02、A1203、ZrO2及MnS組成的復(fù)合夾雜物，TiO2> A1203、ZrO2位于復(fù)合夾雜物的中心部位，MnS位于外層,錯微合金化使鋼中夾雜物尺寸、形態(tài)和分布得到改善，能明顯提高鋼的機(jī)械性能。鋼中添加鉍元素后，雖然可以改善其切削性能，但是鋼的機(jī)械性能有所下降。為此，提供一種合金化處理可行，既可以提高鋼的機(jī)械性能、又能提高鉍元素的收得率的所述環(huán)保型高強度易切削合金鋼合金化處理添加劑，便成為現(xiàn)代冶金工業(yè)的追求目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種合金化處理可行，既能提高鋼的機(jī)械性能、又有較高收得率的鉍鋯鐵合金，滿足環(huán)保型高強度易切削鋼冶煉生產(chǎn)的需求。本發(fā)明實現(xiàn)其目的的技術(shù)方案是
一種鉍鋯鐵合金，其特征在于，所述鉍鋯鐵合金的組分按重量百分含量計算分別為鉍18% 70%，鋯20% 60wt%，不可避免的雜質(zhì)彡I. 2%，鐵5% 60%。本發(fā)明的一種典型的技術(shù)方案是一種鉍鋯鐵合金，各組分的重量百分含量是鉍45°/Γ65% ;鋯25°/Γ45% ;不可避免的雜質(zhì)彡 I. 2% ;鐵:8% 28%。本發(fā)明所述鉍鋯鐵合金呈塊狀，其塊度在l(T50mm范圍內(nèi)；或者呈粒狀，其粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)。本發(fā)明所述不可避免的雜質(zhì)，是指在鉍鋯鐵合金的制備過程中，不可能徹底去除的金屬元素和非金屬元素，本發(fā)明所述不可避免的雜質(zhì)，主要是指鉿、鉻、碳、氮、氫和氧。上述技術(shù)方案得以實施后，由于本發(fā)明鉍的重量百分含量可調(diào)，且所述本發(fā)明熔點較高(BiZr熔點為1302°C，Bi2Zr3熔點為1497°C )，而其比重與鐵相當(dāng)或者略大于鐵的比重，因而采用本發(fā)明鉍鋯鐵合金進(jìn)行爐前合金化處理是完全可行的，合金的加入和混合都很方便；由于鉍鋯鐵合金的熔點較高，且鐵的加入調(diào)低了鉍的含量，因此鉍的收得率可進(jìn)一步提高，可達(dá)96%以上；此外鋯元素能起到脫氧和改善鋼中夾雜物的大小、形態(tài)和分布的作用，對提高鋼的機(jī)械性能十分有利，因此本發(fā)明能滿足環(huán)保型易切削鋼用合金添加劑·的要求。
具體實施例方式實施例I :一種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):鉍20，鋯60,不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為12mm,破碎后的粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)。實施例2 :—種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):秘30，鋯50,不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. 2,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為20mm,破碎后的粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)。實施例3:—種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％):鉍40，鋯40,不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為O. 8,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為28mm,破碎后的粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)。實施例4 :一種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):秘55，鋯30,不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為36mm,粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)。實施例5 :—種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):秘70，鋯15,不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為45臟，破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內(nèi)。由于本發(fā)明的鉍鋯鐵合金主要由各種脆性金屬間化合物組成，可以非常容易地制備成小塊度或制備成所需粒狀的合金產(chǎn)品。本發(fā)明制備方法的簡要描述是
采用浸滲反應(yīng)法實施本發(fā)明，本發(fā)明的制備方法為首先將粒度為200目的鋯粉和200目鐵粉在球磨機(jī)中進(jìn)行均勻混合，然后將混合好的鋯鐵混合物放入鑄鐵坩堝中，將坩堝中的混合料上方抹平，再將金屬鉍塊均勻地擺放在鋯鐵混合料上方；將盛有鋯鐵混合粉和金屬鉍的鑄鐵坩堝置于井式電阻爐中加熱到800°C，在此溫度下保溫使鉍液滲入鋯鐵粉中，使鉍與鋯發(fā)生反應(yīng)形成鉍鋯化合物，待金屬鉍完全滲入鋯鐵粉后，切斷電源并將鑄鐵坩堝取出，待其在空氣中冷卻至50°C時將鉍鋯鐵合金從鑄鐵坩堝中取出，然后將其破碎成所需尺寸，制成所需的鉍鋯鐵合金。采用本發(fā)明制作的鉍鋯鐵進(jìn)行爐前合金化處理的結(jié)果顯示，其加入方法簡便可行，合金化處理鉍的收得率可達(dá)96%以上。實施例6 :由于Q235鋼成分接近含鉍鋯的易切削鋼，因此選用Q235鋼作為合金化處理對象，將Q235鋼在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，待其完全熔化后加入本發(fā)明鉍鋯鐵合金I并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍20，鋯60，不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為12mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內(nèi)，合金加入量按照此公式計算合金加入量4. 381g =鋼水質(zhì)量500gX (目標(biāo)元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量20%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進(jìn)行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進(jìn)行常規(guī)熱處理，隨后進(jìn)行切削實驗和力學(xué)性能實驗。實施例7 :將Q235鋼在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，待其完全熔化后加入本發(fā)明鉍鋯 鐵合金2并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍30，鋯50，不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. 2,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為20mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內(nèi)；合金加入量按照此公式計算合金加入量2. 921g =鋼水質(zhì)量500gX (目標(biāo)元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量30%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進(jìn)行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進(jìn)行常規(guī)熱處理，隨后進(jìn)行切削實驗和力學(xué)性能實驗。實施例8 :將Q235鋼在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，待其完全熔化后加入本發(fā)明鉍鋯鐵合金3并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍40，鋯40，不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為O. 8,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為28mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內(nèi)；合金加入量按照此公式計算合金加入量2. 191g =鋼水質(zhì)量500gX (目標(biāo)元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量40%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進(jìn)行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進(jìn)行常規(guī)熱處理，隨后進(jìn)行切削實驗和力學(xué)性能實驗。實施例9 :將Q235鋼在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，待其完全熔化后加入本發(fā)明鉍鋯鐵合金4并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍55，鋯30，不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為36mm,粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)；合金加入量按照此公式計算合金加入量I. 593g =鋼水質(zhì)量500gX (目標(biāo)元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%)/合金中Bi元素含量55%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進(jìn)行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進(jìn)行常規(guī)熱處理，隨后進(jìn)行切削實驗和力學(xué)性能實驗。實施例10 :將Q235鋼在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，待其完全熔化后加入本發(fā)明鉍鋯鐵合金5并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％ ):鉍70，鋯15，不可避免的雜質(zhì)鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產(chǎn)品呈塊狀,塊度為45mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內(nèi)；合金加入量按照此公式計算合金加入量I. 252g =鋼水質(zhì)量500gX (目標(biāo)元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量70%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進(jìn)行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進(jìn)行常規(guī)熱處理，隨后進(jìn)行鋼的易切削性能主要通過切削鋼的刀具壽命來間接評定的，與已公開的切削性能相近的12L14易切削鋼的切削性能相比，使用五種不同鉍含量的鉍鋯合金對Q235 鋼合金化處理后，獲得的鉍鋯易切削鋼達(dá)到了易切削鋼的切削性能要求。
表I為本發(fā)明鉍鋯合金合金化處理Q235鋼后獲得的鉍鋯易切削鋼的機(jī)械性能，可見，鋼的機(jī)械性能均都于標(biāo)準(zhǔn)的中上限。
表I鉍鋯鐵合金合金化處理Q235鋼后獲得的鉍鋯易切削鋼的機(jī)械性能
權(quán)利要求
1.一種鉍鋯鐵合金，其特征在于所述鉍鋯鐵合金的組分按重量百分含量計算分別為鉍18% 70%，鋯20% 60wt%，不可避免的雜質(zhì)彡I. 2%，鐵5% 60%。
2.如權(quán)利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金，其特征在于各組分的重量百分含量是鉍 45% 65% ;鋯25% 45% ;不可避免的雜質(zhì)S I. 2% ;鐵:8% 28%。
3.如權(quán)利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金，其特征在于所述鉍鋯鐵合金呈塊狀，其塊度在l(T50mm范圍內(nèi)；或者呈粒狀，其粒徑在I. O IOmm范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金，其特征在于所述不可避免的雜質(zhì)主要是指鉿、鉻、碳、氮、氫和氧。
5.如權(quán)利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金的制備方法，其特征在于首先將粒度為200 目的鋯粉和200目鐵粉在球磨機(jī)中進(jìn)行均勻混合，然后將混合好的鋯鐵混合物放入鑄鐵坩堝中，將坩堝中的混合料上方抹平，再將金屬鉍塊均勻地擺放在鋯鐵混合料上方；將盛有鋯鐵混合粉和金屬鉍的鑄鐵坩堝置于井式電阻爐中加熱到800°C，在此溫度下保溫使鉍液滲入鋯鐵粉中，使鉍與鋯發(fā)生反應(yīng)形成鉍鋯化合物，待金屬鉍完全滲入鋯鐵粉后，切斷電源并將鑄鐵坩堝取出，待其在空氣中冷卻至50°C時將鉍鋯鐵合金從鑄鐵坩堝中取出，然后將其破碎成所需尺寸，制成所需的鉍鋯鐵合金。
6.如權(quán)利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金在高強度易切削鋼合金化處理的用途，其特征在于將易切削鋼在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，待易切削鋼完全熔化后加入鉍鋯鐵合金并保持5分鐘,秘錯鐵合金加入量按照此公式計算合金加入量=鋼水質(zhì)量X (目標(biāo)元素Bi含量一鋼中Bi元素含量)/合金中Bi元素含量X合金中Bi元素收得率,控制鋼液溫度在 1600 V進(jìn)行澆注，澆注為圓棒試樣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉍鋯鐵合金，具體涉及一種用于環(huán)保型高強度易切削合金鋼合金化處理的鉍鋯鐵合金。所述鉍鋯鐵合金的組分按重量百分含量計算分別為鉍18%~70%，鋯20%~60wt%，不可避免的雜質(zhì)≤1.2％，鐵5%~60%。本發(fā)明具有使易切削鋼合金化處理可行，鋼的機(jī)械性能提高，鉍的收得率高等特點，適用于環(huán)保型高強度易切削鋼合金化處理的添加劑。
文檔編號C22C16/00GK102925749SQ20121039130
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者王建華, 蘇旭平, 劉亞, 涂浩, 彭浩平, 吳長軍 申請人:常州大學(xué)