本發(fā)明涉及鑄件技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法。
背景技術(shù):
鋼鐵材料的品種、產(chǎn)量和質(zhì)量是一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的最重要的標(biāo)志之一,是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的物質(zhì)保證。因此,大幅度提高鋼材質(zhì)量,研制和開發(fā)高性能鋼鐵材料,對于加速我國由鋼鐵工業(yè)大國向鋼鐵工業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變具有重要戰(zhàn)略意義,也符合21世紀(jì)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。隨著我國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展,鋼產(chǎn)量不斷攀升,繼1996年我國鋼產(chǎn)量首次突破1億噸后,2003年鋼產(chǎn)量達(dá)到2.3億噸。隨著鋼產(chǎn)量的不斷增加,資源日益緊缺,環(huán)境污染嚴(yán)重,原材料價(jià)格飛速上漲,因此,開發(fā)低成本高性能的鋼鐵材料已引起了廣泛關(guān)注。
現(xiàn)行的耐磨鑄鋼件主要有高錳鋼和低合金鋼。高錳鋼是一種奧氏體鋼,起始硬度低,只有在較大沖擊載荷或接解應(yīng)力作用下,才能發(fā)揮表面加工硬化現(xiàn)象而起到耐磨的作用,但在實(shí)際工況中90%以上的工況都不能使高錳鋼有效硬化,使得高錳鋼的實(shí)際耐磨性不能令人滿意。
低合金鑄鋼經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?,可以獲得高強(qiáng)度高硬度與一定的韌性配合,正在取代傳統(tǒng)的高錳鋼成為一種廣泛應(yīng)用的耐磨材料。但是常用的低合金鑄鋼件淬透性不夠且韌性儲備不足,同時(shí)耐磨性依然不能滿足一些特殊條件下的要求。有鑒于鑄鋼件存在的缺陷,因此,要求鑄鋼件既要有高的耐磨性、還要有好的硬度和韌性,這就對鑄鋼件的制備方法提出了更高等級的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題,本發(fā)明提出了一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,其所得到的鑄鋼件具有良好的耐磨性,硬度可達(dá)70HRC以上,沖擊韌性可達(dá)15J/cm2,完全滿足實(shí)際使用過程中對鑄鋼件的要求。
本發(fā)明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,,包括如下步驟:
S1、熔煉:將廢鋼、生鐵、海綿鐵、鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、硼鐵、釩鐵、鋁錠、鋯錠和鈮錠加入到高頻感應(yīng)熔煉爐中,并升溫至1500-1560℃,保溫至熔化完全后加入熔煉添加劑,所述熔煉添加劑按重量份包括:硼酸鈉30-40份、氟硅酸鈉10-15份、碳酸鈉5-10份、氯化鈉10-15份、碳酸稀土5-10份、氧化鋰1-5份和二氧化鈦0.5-2份,同時(shí)向所述高頻感應(yīng)爐內(nèi)通入氬氣和氦氣的混合惰性氣體,通氣20-35min后靜置,扒渣,得到基質(zhì)合金液;
S2、檢測:檢測基質(zhì)合金液的組分含量,各元素按重量百分比包括:C:1.6-2.3%,Si:0.1-0.3%,Cr:2.1-3.5%,Mn:0.5-1.2%,Mo:0.6-0.8%,B:0.03-0.05%,Al:0.05-0.1%,V:0.02-0.04%,Zr:0.01-0.03%,Nb:0.006-0.01%,S:0.01-0.04%,P:0.03-0.06%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì);
S3、澆注:將基質(zhì)合金液冷卻至1350-1400℃后加入變質(zhì)劑,所述變質(zhì)劑按重量份包括:碳化硅10-15份、氮化硼3-5份、氧化鎢5-7份、二氧化硅6-8份、金屬鉬6-8份和金屬鎂3-5份,升溫至1460-1480℃后澆入模腔中,待熔液完全凝固后開模,冷卻至室溫,得到鑄鋼坯件;
S4、熱處理:將鑄鋼坯件加入加熱爐內(nèi),向加熱爐內(nèi)通入氬氣使?fàn)t內(nèi)氧含量<5%,以25-30℃/min的升溫速率升溫至960-1000℃,保溫30-40min,以15-20℃/min的升溫速率升溫至1050-1150℃,保溫10-15min,以5-10℃/min的升溫速率升溫至1200-1300℃,保溫5-10min,取出后加入200-250℃的鹽浴中,保溫15-25min,取出后加熱至400-480℃,保溫25-35min,空冷至室溫,得到所述高韌耐磨鑄鋼件。
優(yōu)選地,S1中,所述熔煉添加劑的用量為熔煉原料總重量的0.5-1%。
優(yōu)選地,所述碳酸稀土選自碳酸鑭、碳酸鈰、碳酸鐠、碳酸釹中的一種或者幾種的組合。
優(yōu)選地,S1中,所述混合惰性氣體的通氣流量為5-8L/min。
優(yōu)選地,S2中,檢測基質(zhì)合金液的組分含量,各元素按重量百分比包括:C:1.8-2.1%,Si:0.18-0.26%,Cr:2.5-3.1%,Mn:0.7-1.0%,Mo:0.65-0.75%,B:0.03-0.04%,Al:0.06-0.08%,V:0.03-0.04%,Zr:0.01-0.02%,Nb:0.007-0.009%,S:0.02-0.03%,P:0.04-0.05%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
優(yōu)選地,所述V和Nb的重量百分比含量符合:0.039≤V+Nb≤0.046。
優(yōu)選地,S3中,所述變質(zhì)劑中還包括稀土元素1-3份;優(yōu)選地,所述稀土元素選自Nd、Pr、Ce、Y中的一種或者幾種的組合。
優(yōu)選地,S3中,所述變質(zhì)劑的用量為基質(zhì)合金液重量的0.05-0.2%。
優(yōu)選地,S4中,將鑄鋼坯件加入加熱爐內(nèi),向加熱爐內(nèi)通入氬氣使?fàn)t內(nèi)氧含量<3%,以27-28℃/min的升溫速率升溫至970-990℃,保溫32-38min,以17-18℃/min的升溫速率升溫至1080-1120℃,保溫12-14min,以7-8℃/min的升溫速率升溫至1230-1270℃,保溫7-8min,取出后加入220-230℃的鹽浴中,保溫18-22min,取出后加熱至420-460℃,保溫28-32min,空冷至室溫,得到所述高韌耐磨鑄鋼件。
優(yōu)選地,S4中,所述鹽浴按重量百分比包括:硝酸鉀50-54%、硝酸鈉40-44%和氯化鈣4-8%。
本發(fā)明中提出了一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,首先,采用廢鋼、生鐵、海綿鐵、鉻鐵、錳鐵、鉬鐵等配合作為一種低合金鑄鋼件的主料,完成本發(fā)明對于鑄鋼件密度高和沖擊韌性高的要求,提高鑄鋼件在使用中磨削效率,同時(shí)減少鉻的含量,避免合金的電化學(xué)腐蝕效應(yīng);加入的釩鐵、鋁錠、鋯錠和鈮錠相互配合,除了對鑄鋼件的性能改善以外,還可以對合金液進(jìn)行一定程度上的脫氧脫氮,減少基質(zhì)合金液中氧化物氮化物含量;為了進(jìn)一步除去熔煉合金液中的氧氮含量以及其他雜質(zhì)含量,通過選用硼酸鈉、氟硅酸鈉、碳酸鈉氯化鈉、碳酸稀土等作為熔煉添加劑,其在熔融條件下形成具有多孔表面層熔劑相,當(dāng)鋪展在基質(zhì)合金液表面時(shí),這種多孔層表面積更大,吸附能力更強(qiáng),使合金液與雜質(zhì)分離的同時(shí),還可以與合金液中的氧氮化合物反應(yīng),實(shí)現(xiàn)對合金液的進(jìn)一步凈化,同時(shí)通過通入惰性氣體,有助于擴(kuò)大熔煉添加劑與基質(zhì)合金液的接觸面積,使熔煉添加劑在基質(zhì)合金液中擴(kuò)散速度加快,促進(jìn)了脫氧脫氮的效果,最終提高鑄鋼件的使用壽命;此外該熔融添加劑可以提高合金液的流動性,減少了成品鑄鋼件的氣孔和渣孔,使得鑄件的強(qiáng)度也進(jìn)一步得到了提升。
其次,在所得到基質(zhì)合金液中,控制Mn、Cr和Mo三者的適量添加,使其可以進(jìn)行合金強(qiáng)化,并控制S的含量,來調(diào)控石墨的形態(tài);適量的B的存在,可以獲得高硬度的硼碳化物以及利用硼固溶于基體,對于改善鑄件的耐磨性能具有顯著的效果,同樣適量的V的加入則可獲得高硬度的MC型碳化物,有利于工作層的耐磨性;適量的Nb則容易生成高熔點(diǎn)的細(xì)小氮化物,起到結(jié)晶核心作用,有利于提高耐磨層的強(qiáng)韌性;適量的Al、Zr不僅可以細(xì)化基體組織,還可以細(xì)化碳化物,并使碳化物均勻分布,從而可以明顯提高鑄鋼件耐磨層的強(qiáng)韌性,防止耐磨層實(shí)用過程中出現(xiàn)剝落和開裂。
此外,在澆注過程中,通過將基質(zhì)合金液降溫至合適的溫度后進(jìn)行變質(zhì)處理,采用碳化硅、氮化硼、氧化鎢、二氧化硅、金屬鉬和金屬鎂形成的變質(zhì)劑中,碳化硅、氮化硼能最有效地提高鑄鋼件的形核能力,降低過冷傾向,同時(shí)改善鑄鋼件組織中的石墨形狀,使石墨更小且分布均勻,減少了其對基體的割裂作用,形成了穩(wěn)定的形核質(zhì)點(diǎn),與傳統(tǒng)的球磨鑄鐵相比,其所得到的鑄鋼件的強(qiáng)度和韌性可以提高10%以上;氧化鎢、金屬鉬中提供的W,Mo與C的親和力較大,能與C結(jié)合形成相應(yīng)高熔點(diǎn)碳化物,在合金液結(jié)晶過程中,這些高熔點(diǎn)的碳化物通常起外來結(jié)晶核心作用,起到細(xì)化一次結(jié)晶組織的作用,因此可以鑄件磨損的前提下,通過改善碳化物的形態(tài)分布,提高韌性,改善抗磨性和使用壽命;二氧化硅能促進(jìn)石墨生長,改善斷面均勻性,提高抗拉強(qiáng)度;金屬鎂由于可以中和S等反球化元素的作用后,對基質(zhì)合金液的球化作用明顯;氧化鎢、金屬鉬、二氧化硅中含有的微量元素O在鑄鋼件形核的過程中起著至關(guān)重要的作用,其與合金液中的各種金屬元素發(fā)生反應(yīng)生成各種氧化物、硫化物以及金屬間化合物等,增加了鑄鋼件形核的核心,從而達(dá)到增加石墨球數(shù)量,提高其圓整度的作用,對于改善鑄鐵件的耐磨性能具有極大的改善作用;此后對變質(zhì)后的合金熔液進(jìn)行澆鑄,控制澆注溫度和冷卻過程,以得到所述鑄鋼坯件;
最后,在對鑄鋼坯件進(jìn)行熱處理工藝中,通過設(shè)定三段溫區(qū)緩慢升溫過程,保證合金鑄件內(nèi)部組織變化合理,成分更加均勻化;隨后將升溫后的鑄鋼坯體淬入熱鹽浴中,鑄件內(nèi)部生成的有害內(nèi)應(yīng)力及變形相比用冷油等介質(zhì)淬火的要小得多,同時(shí)保證鑄按預(yù)定的溫度進(jìn)行鹽浴等溫淬火,不需回火便能得到綜合性能好的貝氏體和殘留奧氏體混合組織,大幅度提高鑄段的韌性,沖擊韌性可達(dá)10J/cm2。
綜合上述,本發(fā)明中通過對合金組分進(jìn)行控制使其獲得優(yōu)良綜合性能的同時(shí),對合金熔液進(jìn)行變質(zhì)處理,并利用適宜的熱處理工藝來調(diào)節(jié)基體金屬性能,顯著地提高鑄鋼件的耐磨、韌性等方面的性能,提高本發(fā)明的使用壽命,間接降低了使用成本。
具體實(shí)施方式
下面,通過具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
本發(fā)明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,包括如下步驟:
S1、熔煉:將廢鋼、生鐵、海綿鐵、鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、硼鐵、釩鐵、鋁錠、鋯錠和鈮錠加入到高頻感應(yīng)熔煉爐中,并升溫至1500℃,保溫至熔化完全后加入熔煉原料總重量1%的熔煉添加劑,所述熔煉添加劑按重量份包括:硼酸鈉30份、氟硅酸鈉15份、碳酸鈉5份、氯化鈉15份、碳酸鑭5份、氧化鋰5份和二氧化鈦0.5份,同時(shí)向所述高頻感應(yīng)爐內(nèi)通入通氣流量為8L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體,通氣20min后靜置,扒渣,得到基質(zhì)合金液;
S2、檢測:檢測基質(zhì)合金液的組分含量,各元素按重量百分比包括:C:1.6%,Si:0.3%,Cr:2.1%,Mn:1.2%,Mo:0.6%,B:0.05%,Al:0.05%,V:0.04%,Zr:0.01%,Nb:0.01%,S:0.01%,P:0.06%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì);
S3、澆注:將基質(zhì)合金液冷卻至1350℃后加入基質(zhì)合金液重量0.2%的變質(zhì)劑,所述變質(zhì)劑按重量份包括:碳化硅10份、氮化硼5份、氧化鎢5份、二氧化硅8份、金屬鉬6份和金屬鎂5份,升溫至1460℃后澆入模腔中,待熔液完全凝固后開模,冷卻至室溫,得到鑄鋼坯件;
S4、熱處理:將鑄鋼坯件加入加熱爐內(nèi),向加熱爐內(nèi)通入氬氣使?fàn)t內(nèi)氧含量<5%,以25℃/min的升溫速率升溫至1000℃,保溫30min,以20℃/min的升溫速率升溫至1050℃,保溫15min,以5℃/min的升溫速率升溫至1300℃,保溫5min,取出后加入250℃的鹽浴中,所述鹽浴按重量百分比包括:硝酸鉀50%、硝酸鈉44%和氯化鈣6%,保溫25min,取出后加熱至400℃,保溫35min,空冷至室溫,得到所述高韌耐磨鑄鋼件。
實(shí)施例2
本發(fā)明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,包括如下步驟:
S1、熔煉:將廢鋼、生鐵、海綿鐵、鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、硼鐵、釩鐵、鋁錠、鋯錠和鈮錠加入到高頻感應(yīng)熔煉爐中,并升溫至1560℃,保溫至熔化完全后加入熔煉原料總重量0.5%的熔煉添加劑,所述熔煉添加劑按重量份包括:硼酸鈉40份、氟硅酸鈉10份、碳酸鈉10份、氯化鈉10份、碳酸鈰10份、氧化鋰1份和二氧化鈦2份,同時(shí)向所述高頻感應(yīng)爐內(nèi)通入通氣流量為5L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體,通氣35min后靜置,扒渣,得到基質(zhì)合金液;
S2、檢測:檢測基質(zhì)合金液的組分含量,各元素按重量百分比包括:C:2.3%,Si:0.1%,Cr:3.5%,Mn:0.5%,Mo:0.8%,B:0.03%,Al:0.1%,V:0.02%,Zr:0.03%,Nb:0.006%,S:0.04%,P:0.03%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì);
S3、澆注:將基質(zhì)合金液冷卻至1400℃后加入基質(zhì)合金液重量0.05%的變質(zhì)劑,所述變質(zhì)劑按重量份包括:碳化硅15份、氮化硼3份、氧化鎢7份、二氧化硅6份、金屬鉬8份和金屬鎂3份,升溫至1480℃后澆入模腔中,待熔液完全凝固后開模,冷卻至室溫,得到鑄鋼坯件;
S4、熱處理:將鑄鋼坯件加入加熱爐內(nèi),向加熱爐內(nèi)通入氬氣使?fàn)t內(nèi)氧含量<5%,以30℃/min的升溫速率升溫至960℃,保溫40min,以15℃/min的升溫速率升溫至1150℃,保溫10min,以10℃/min的升溫速率升溫至1200℃,保溫10min,取出后加入200℃的鹽浴中,所述鹽浴按重量百分比包括:硝酸鉀54%、硝酸鈉40%和氯化鈣6%,保溫15min,取出后加熱至480℃,保溫25min,空冷至室溫,得到所述高韌耐磨鑄鋼件。
實(shí)施例3
本發(fā)明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,包括如下步驟:
S1、熔煉:將廢鋼、生鐵、海綿鐵、鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、硼鐵、釩鐵、鋁錠、鋯錠和鈮錠加入到高頻感應(yīng)熔煉爐中,并升溫至1530℃,保溫至熔化完全后加入熔煉原料總重量0.8%的熔煉添加劑,所述熔煉添加劑按重量份包括:硼酸鈉35份、氟硅酸鈉12份、碳酸鈉7份、氯化鈉13份、碳酸鐠7份、氧化鋰3份和二氧化鈦1份,同時(shí)向所述高頻感應(yīng)爐內(nèi)通入通氣流量為6L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體,通氣30min后靜置,扒渣,得到基質(zhì)合金液;
S2、檢測:檢測基質(zhì)合金液的組分含量,各元素按重量百分比包括:C:1.8%,Si:0.26%,Cr:2.5%,Mn:1.0%,Mo:0.65%,B:0.04%,Al:0.06%,V:0.04%,Zr:0.01%,Nb:0.009%,S:0.02%,P:0.05%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì);
S3、澆注:將基質(zhì)合金液冷卻至1370℃后加入基質(zhì)合金液重量0.1%的變質(zhì)劑,所述變質(zhì)劑按重量份包括:碳化硅12份、氮化硼4份、氧化鎢6份、二氧化硅7份、金屬鉬7份、金屬鎂4份和稀土元素1份,升溫至1470℃后澆入模腔中,待熔液完全凝固后開模,冷卻至室溫,得到鑄鋼坯件;
S4、熱處理:將鑄鋼坯件加入加熱爐內(nèi),向加熱爐內(nèi)通入氬氣使?fàn)t內(nèi)氧含量<3%,以27℃/min的升溫速率升溫至990℃,保溫32min,以18℃/min的升溫速率升溫至1080℃,保溫14min,以7℃/min的升溫速率升溫至1270℃,保溫7min,取出后加入230℃的鹽浴中,所述鹽浴按重量百分比包括:硝酸鉀50%、硝酸鈉42%和氯化鈣8%,保溫18min,取出后加熱至460℃,保溫28min,空冷至室溫,得到所述高韌耐磨鑄鋼件。
實(shí)施例4
本發(fā)明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的制備方法,包括如下步驟:
S1、熔煉:將廢鋼、生鐵、海綿鐵、鉻鐵、錳鐵、鉬鐵、硼鐵、釩鐵、鋁錠、鋯錠和鈮錠加入到高頻感應(yīng)熔煉爐中,并升溫至1520℃,保溫至熔化完全后加入熔煉原料總重量0.7%的熔煉添加劑,所述熔煉添加劑按重量份包括:硼酸鈉33份、氟硅酸鈉13份、碳酸鈉6份、氯化鈉12份、碳酸釹8份、氧化鋰2份和二氧化鈦1.5份,同時(shí)向所述高頻感應(yīng)爐內(nèi)通入通氣流量為7L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體,通氣25min后靜置,扒渣,得到基質(zhì)合金液;
S2、檢測:檢測基質(zhì)合金液的組分含量,各元素按重量百分比包括:C:2.1%,Si:0.18%,Cr:3.1%,Mn:0.7%,Mo:0.75%,B:0.03%,Al:0.08%,V:0.03%,Zr:0.02%,Nb:0.007%,S:0.03%,P:0.04%,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì);
S3、澆注:將基質(zhì)合金液冷卻至1380℃后加入基質(zhì)合金液重量0.08%的變質(zhì)劑,所述變質(zhì)劑按重量份包括:碳化硅13份、氮化硼4份、氧化鎢6份、二氧化硅7份、金屬鉬7份、金屬鎂4份和稀土元素3份,升溫至1465℃后澆入模腔中,待熔液完全凝固后開模,冷卻至室溫,得到鑄鋼坯件;
S4、熱處理:將鑄鋼坯件加入加熱爐內(nèi),向加熱爐內(nèi)通入氬氣使?fàn)t內(nèi)氧含量<3%,以28℃/min的升溫速率升溫至970℃,保溫38min,以17℃/min的升溫速率升溫至1120℃,保溫12min,以8℃/min的升溫速率升溫至1230℃,保溫8min,取出后加入220℃的鹽浴中,所述鹽浴按重量百分比包括:硝酸鉀54%、硝酸鈉42%和氯化鈣4%,保溫22min,取出后加熱至420℃,保溫32min,空冷至室溫,得到所述高韌耐磨鑄鋼件。
以上所述,僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi),根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。