一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法與流程

2023-05-29 16:30:31

本發明涉及鑄件技術領域，尤其涉及一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法。

背景技術：

鋼鐵材料的品種、產量和質量是一個國家工業發展水平的最重要的標誌之一，是國民經濟持續穩定發展的物質保證。因此，大幅度提高鋼材質量，研製和開發高性能鋼鐵材料，對於加速我國由鋼鐵工業大國向鋼鐵工業強國轉變具有重要戰略意義，也符合21世紀國民經濟可持續發展戰略。隨著我國鋼鐵工業的飛速發展，鋼產量不斷攀升，繼1996年我國鋼產量首次突破1億噸後，2003年鋼產量達到2.3億噸。隨著鋼產量的不斷增加，資源日益緊缺，環境汙染嚴重，原材料價格飛速上漲，因此，開發低成本高性能的鋼鐵材料已引起了廣泛關注。

現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，只有在較大衝擊載荷或接解應力作用下，才能發揮表面加工硬化現象而起到耐磨的作用，但在實際工況中90％以上的工況都不能使高錳鋼有效硬化，使得高錳鋼的實際耐磨性不能令人滿意。

低合金鑄鋼經過適當的熱處理後，可以獲得高強度高硬度與一定的韌性配合，正在取代傳統的高錳鋼成為一種廣泛應用的耐磨材料。但是常用的低合金鑄鋼件淬透性不夠且韌性儲備不足，同時耐磨性依然不能滿足一些特殊條件下的要求。有鑑於鑄鋼件存在的缺陷，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，這就對鑄鋼件的製備方法提出了更高等級的要求。

技術實現要素：

基於背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，其所得到的鑄鋼件具有良好的耐磨性，硬度可達70HRC以上，衝擊韌性可達15J/cm2，完全滿足實際使用過程中對鑄鋼件的要求。

本發明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，，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熔煉爐中，並升溫至1500-1560℃，保溫至熔化完全後加入熔煉添加劑，所述熔煉添加劑按重量份包括：硼酸鈉30-40份、氟矽酸鈉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，同時向所述高頻感應爐內通入氬氣和氦氣的混合惰性氣體，通氣20-35min後靜置，扒渣，得到基質合金液；

S2、檢測：檢測基質合金液的組分含量，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％，餘量為鐵和不可避免的雜質；

S3、澆註：將基質合金液冷卻至1350-1400℃後加入變質劑，所述變質劑按重量份包括：碳化矽10-15份、氮化硼3-5份、氧化鎢5-7份、二氧化矽6-8份、金屬鉬6-8份和金屬鎂3-5份，升溫至1460-1480℃後澆入模腔中，待熔液完全凝固後開模，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，向加熱爐內通入氬氣使爐內氧含量＜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，取出後加入200-250℃的鹽浴中，保溫15-25min，取出後加熱至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。

優選地，S1中，所述混合惰性氣體的通氣流量為5-8L/min。

優選地，S2中，檢測基質合金液的組分含量，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％，餘量為鐵和不可避免的雜質。

優選地，所述V和Nb的重量百分比含量符合：0.039≤V+Nb≤0.046。

優選地，S3中，所述變質劑中還包括稀土元素1-3份；優選地，所述稀土元素選自Nd、Pr、Ce、Y中的一種或者幾種的組合。

優選地，S3中，所述變質劑的用量為基質合金液重量的0.05-0.2％。

優選地，S4中，將鑄鋼坯件加入加熱爐內，向加熱爐內通入氬氣使爐內氧含量＜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，取出後加入220-230℃的鹽浴中，保溫18-22min，取出後加熱至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％。

本發明中提出了一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，首先，採用廢鋼、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，完成本發明對於鑄鋼件密度高和衝擊韌性高的要求，提高鑄鋼件在使用中磨削效率，同時減少鉻的含量，避免合金的電化學腐蝕效應；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，還可以對合金液進行一定程度上的脫氧脫氮，減少基質合金液中氧化物氮化物含量；為了進一步除去熔煉合金液中的氧氮含量以及其他雜質含量，通過選用硼酸鈉、氟矽酸鈉、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，當鋪展在基質合金液表面時，這種多孔層表面積更大，吸附能力更強，使合金液與雜質分離的同時，還可以與合金液中的氧氮化合物反應，實現對合金液的進一步淨化，同時通過通入惰性氣體，有助於擴大熔煉添加劑與基質合金液的接觸面積，使熔煉添加劑在基質合金液中擴散速度加快，促進了脫氧脫氮的效果，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，使得鑄件的強度也進一步得到了提升。

其次，在所得到基質合金液中，控制Mn、Cr和Mo三者的適量添加，使其可以進行合金強化，並控制S的含量，來調控石墨的形態；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於基體，對於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，有利於工作層的耐磨性；適量的Nb則容易生成高熔點的細小氮化物，起到結晶核心作用，有利於提高耐磨層的強韌性；適量的Al、Zr不僅可以細化基體組織，還可以細化碳化物，並使碳化物均勻分布，從而可以明顯提高鑄鋼件耐磨層的強韌性，防止耐磨層實用過程中出現剝落和開裂。

此外，在澆注過程中，通過將基質合金液降溫至合適的溫度後進行變質處理，採用碳化矽、氮化硼、氧化鎢、二氧化矽、金屬鉬和金屬鎂形成的變質劑中，碳化矽、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，形成了穩定的形核質點，與傳統的球磨鑄鐵相比，其所得到的鑄鋼件的強度和韌性可以提高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結合形成相應高熔點碳化物，在合金液結晶過程中，這些高熔點的碳化物通常起外來結晶核心作用，起到細化一次結晶組織的作用，因此可以鑄件磨損的前提下，通過改善碳化物的形態分布，提高韌性，改善抗磨性和使用壽命；二氧化矽能促進石墨生長，改善斷面均勻性，提高抗拉強度；金屬鎂由於可以中和S等反球化元素的作用後，對基質合金液的球化作用明顯；氧化鎢、金屬鉬、二氧化矽中含有的微量元素O在鑄鋼件形核的過程中起著至關重要的作用，其與合金液中的各種金屬元素發生反應生成各種氧化物、硫化物以及金屬間化合物等，增加了鑄鋼件形核的核心，從而達到增加石墨球數量，提高其圓整度的作用，對於改善鑄鐵件的耐磨性能具有極大的改善作用；此後對變質後的合金熔液進行澆鑄，控制澆注溫度和冷卻過程，以得到所述鑄鋼坯件；

最後，在對鑄鋼坯件進行熱處理工藝中，通過設定三段溫區緩慢升溫過程，保證合金鑄件內部組織變化合理，成分更加均勻化；隨後將升溫後的鑄鋼坯體淬入熱鹽浴中，鑄件內部生成的有害內應力及變形相比用冷油等介質淬火的要小得多，同時保證鑄按預定的溫度進行鹽浴等溫淬火，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，衝擊韌性可達10J/cm2。

綜合上述，本發明中通過對合金組分進行控制使其獲得優良綜合性能的同時，對合金熔液進行變質處理，並利用適宜的熱處理工藝來調節基體金屬性能，顯著地提高鑄鋼件的耐磨、韌性等方面的性能，提高本發明的使用壽命，間接降低了使用成本。

具體實施方式

下面，通過具體實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。

實施例1

本發明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，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熔煉爐中，並升溫至1500℃，保溫至熔化完全後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、氟矽酸鈉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，同時向所述高頻感應爐內通入通氣流量為8L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體，通氣20min後靜置，扒渣，得到基質合金液；

S2、檢測：檢測基質合金液的組分含量，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％，餘量為鐵和不可避免的雜質；

S3、澆註：將基質合金液冷卻至1350℃後加入基質合金液重量0.2％的變質劑，所述變質劑按重量份包括：碳化矽10份、氮化硼5份、氧化鎢5份、二氧化矽8份、金屬鉬6份和金屬鎂5份，升溫至1460℃後澆入模腔中，待熔液完全凝固後開模，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，向加熱爐內通入氬氣使爐內氧含量＜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，取出後加入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，取出後加熱至400℃，保溫35min，空冷至室溫，得到所述高韌耐磨鑄鋼件。

實施例2

本發明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，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熔煉爐中，並升溫至1560℃，保溫至熔化完全後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、氟矽酸鈉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，同時向所述高頻感應爐內通入通氣流量為5L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體，通氣35min後靜置，扒渣，得到基質合金液；

S2、檢測：檢測基質合金液的組分含量，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％，餘量為鐵和不可避免的雜質；

S3、澆註：將基質合金液冷卻至1400℃後加入基質合金液重量0.05％的變質劑，所述變質劑按重量份包括：碳化矽15份、氮化硼3份、氧化鎢7份、二氧化矽6份、金屬鉬8份和金屬鎂3份，升溫至1480℃後澆入模腔中，待熔液完全凝固後開模，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，向加熱爐內通入氬氣使爐內氧含量＜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，取出後加入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，取出後加熱至480℃，保溫25min，空冷至室溫，得到所述高韌耐磨鑄鋼件。

實施例3

本發明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，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熔煉爐中，並升溫至1530℃，保溫至熔化完全後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、氟矽酸鈉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，同時向所述高頻感應爐內通入通氣流量為6L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體，通氣30min後靜置，扒渣，得到基質合金液；

S2、檢測：檢測基質合金液的組分含量，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％，餘量為鐵和不可避免的雜質；

S3、澆註：將基質合金液冷卻至1370℃後加入基質合金液重量0.1％的變質劑，所述變質劑按重量份包括：碳化矽12份、氮化硼4份、氧化鎢6份、二氧化矽7份、金屬鉬7份、金屬鎂4份和稀土元素1份，升溫至1470℃後澆入模腔中，待熔液完全凝固後開模，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，向加熱爐內通入氬氣使爐內氧含量＜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，取出後加入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，取出後加熱至460℃，保溫28min，空冷至室溫，得到所述高韌耐磨鑄鋼件。

實施例4

本發明提出的一種高韌耐磨鑄鋼件的製備方法，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熔煉爐中，並升溫至1520℃，保溫至熔化完全後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、氟矽酸鈉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，同時向所述高頻感應爐內通入通氣流量為7L/min的氬氣和氦氣的混合惰性氣體，通氣25min後靜置，扒渣，得到基質合金液；

S2、檢測：檢測基質合金液的組分含量，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％，餘量為鐵和不可避免的雜質；

S3、澆註：將基質合金液冷卻至1380℃後加入基質合金液重量0.08％的變質劑，所述變質劑按重量份包括：碳化矽13份、氮化硼4份、氧化鎢6份、二氧化矽7份、金屬鉬7份、金屬鎂4份和稀土元素3份，升溫至1465℃後澆入模腔中，待熔液完全凝固後開模，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，向加熱爐內通入氬氣使爐內氧含量＜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，取出後加入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，取出後加熱至420℃，保溫32min，空冷至室溫，得到所述高韌耐磨鑄鋼件。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。