CN100363525C - 一种铸造耐磨高速钢的制备方法 - Google Patents

一种铸造耐磨高速钢的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铸造耐磨高速钢的制备方法，制成的铸造耐磨高速钢的化学成分的重量百分比为：C：0.5～1.5%，W：5.0～7.0%，Mo：4.0～6.5%，Cr：3.5～5.5%，V：1.2～2.5%，Si＜1.2%，Mn＜1.2%，Ti：0.02～0.12%，N：0.005～0.040%，Nb：0.03～0.20%，Zn：0.005～0.050%，S＜0.04%，P＜0.04%，余量为Fe；本发明铸造耐磨高速钢用电炉熔炼，炉前调整成分合格后，加入中间铁合金作为孕育剂，随流孕育处理钢水，钢水经静置和扒渣处理后，直接浇入铸型。钢水浇注过程中，加入铁合金丸作为悬浮剂。铸件经清砂和机械加工后进行淬火和回火处理，获得的铸造耐磨高速钢硬度高，韧性和耐磨性好，其方法生产工艺简便，明显降低了铸造耐磨高速钢生产成本。

Description

一种铸造耐磨高速钢的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种铸造耐磨高速钢制备方法，特别涉及一种采用悬浮铸造和随流孕育处理铸造耐磨高速钢的制备方法。
背景技术
高速钢是一类具有优良红硬性和高温耐磨性的材料，被广泛用于制造工模具。传统高速钢工模具的生产方法是首先将高速钢铸锭锻成坯料，之后再切削加工制成工模具。在高速钢凝固过程中，由于碳及碳化物形成元素钨、钼、铬、钒等的偏析，在高速钢铸锭凝固组织中形成大量的粗大共晶碳化物，使高速钢晶界脆化严重，韧性降低。由于晶界网状共晶碳化物的存在，锻造时易产生开裂、过烧等废品。另外，高速钢工模具的锻造和切削加工过程中，将有大量合金被烧损或变成切屑，不仅造成材料的浪费，而且增加了生产能耗，延长了加工时间，降低了生产效率。用铸造方法生产高速钢工模具则可以充分发挥铸造的优势，使工模具毛坯最大限度地接近工模具的最终形状，从而达到提高材料利用率，简化工模具的生产工艺，降低工模具成本的目的。为了使高速钢工模具实现铸造方法生产，改善铸造高速钢中共晶碳化物的形态和分布以及细化铸造高速钢凝固组织是十分必要的。中国发明专利CN1264749公开了一种高耐磨性铸造高速钢，其成分如下(重量％)：1.8～4.2C，2～12W，3～12Mo，4～15Cr，0～10Co，2.5～10V，0.3～2.5Nb，0.5～1.5Si，0.3～0.8Mn，0.2～0.6Al，0.02～0.1 0N，S≤0.03，P≤0.03，其余为Fe，该发明采用高碳、高钒、高铬型铸造高速钢，铸造性能良好，耐磨及红硬性好，适用于大型耐磨件、复合轧辊工作层，该发明铸造耐磨高速钢尽管具有优良的耐磨性，但共晶碳化物数量多，强韧性低，直接铸造工模具使用中易开裂和剥落。前苏联发明专利SU834225-B公开了一种铸造高速钢，其主要成分(重量％)如下：1.0-1.2C，4.0-5.0W，6.5-8.0Mo，6.5-8.0Cr，2.5-3.5V，0.15-0.40Si，0.10-0.40Mn，1.2-1.8Cu，0.25-0.35Ce，0.05-0.15Nb，0.4-0.6Te和0.03-0.06B，其余为Fe。其中Te和B的加入使铸造高速钢刀具的磨损量减少，抗冲击和疲劳性能增加。该发明铸造高速钢中含有较多的碲，高速钢白口倾向明显，脆性较大，难以满足大型工模具的直接铸造成型。
发明内容
本发明目的是提供一种铸造耐磨高速钢的制备方法。该方法在制备过程中采用铁合金丸作为悬浮剂、中间铁合金为孕育剂，采用悬浮铸造和随流孕育处理工艺处理铸造高速钢，达到细化高速钢凝固组织，改善共晶碳化物形态和分布，从而提高其强韧性和耐磨性。
为了实现上述任务，本发明通过以下技术解决方案来实现：
一种铸造耐磨高速钢的制备方法，采用电炉熔炼，其特征在于，制成的铸造耐磨高速钢的化学成分的重量百分比为：C：0.5～1.5％，W：5.0～7.0％，Mo：4.0～6.5％，Cr：3.5～5.5％，V：1.2～2.5％，Si＜1.2％，Mn＜1.2％，Ti：0.02～0.12％，N：0.005～0.040％，Nb：0.03～0.20％，Zn：0.005～0.050％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe；
具体制备包括下列步骤：
1)将普通废钢、高速钢废料、钨铁、钼铁、铬铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，钢水熔清后加入硅铁、锰铁和钒铁；
2)炉前调整成分合格后将温度升至1580℃～1630℃，加入占钢水重量0.10％～0.20％的铝脱氧，而后出炉；
3)钢水出炉时，加入1.5％～3.0％钢水重量的中间铁合金作为孕育剂，随流孕育处理钢水，钢水经静置和扒渣处理后，直接浇入铸型；
所说的孕育剂的化学成分的重量百分比为：Ti：2.5～8.0％，N：0.5～2.5％，Nb：3.0～10.0％，Zn：0.5～2.0％，Mn：0.5～1.5％，Si：0.5～1.5P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe；
4)钢水浇注时，加入钢水重量的1.0％～2.0％的铁合金丸作为悬浮剂；
所说的悬浮剂的化学成分的重量百分比为：C：0.80～1.50％，Mn：0.40～1.50％，Si：0.30～1.50％，Cr：0.50～1.00％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe；
5)铸件经清砂和机械加工后进行淬火和回火处理，淬火加热温度1180℃～1 260℃，保温时间2～4h，冷却方式采用油冷，油温30℃～60℃；回火温度为550℃～650℃，保温时间3～6h，回火后空冷，相同工艺下回火2～3次，即得到铸造耐磨高速钢。
本发明的技术效果是：
①采用本发明的方法制造分铸造耐磨高速钢，省去了高速钢铸锭锻成坯料工艺，减少了热锻过程中合金的烧损，节省了热锻能耗，缩短了生产周期，生产工艺简便，明显降低了铸造耐磨高速钢生产成本。
②铸造耐磨高速钢经过中间合金随流孕育和铁合金丸悬浮处理后，铸造性能好，铸造组织细小，共晶碳化物网状组织消失，力学性能大幅度提高，在硬度保持62～66HRC前提下，冲击韧性超过20J/cm2，断裂韧性超过35MPa.m1/2。
③铸造耐磨高速钢拉丝模的使用寿命比普通锻造高速钢提高30％～50％，生产成本降低40％以上，以铸造耐磨高速钢制备的导卫板，其使用寿命比高镍铬合金钢提高2～3倍，明显提高了设备作业率，降低了钢材生产成本，改善了钢材表面质量。
附图说明
图1是本发明铸造耐磨高速钢悬浮处理工艺示意图，其中1-浇口杯；2-加料斗；3-集液包；4-直浇道；5-型腔。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明的铸造耐磨高速钢的化学成分的重量(％)为：
C：0.5～1.5％，W：5.0～7.0％，Mo：4.0～6.5％，Cr：3.5～5.5％，V：1.2～2.5％，Si＜1.2％，Mn＜1.2％，Ti：0.02～0.12％，N：0.005～0.040％，Nb：0.03～0.20％，Zn：0.005～0.050％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe。
本发明铸造耐磨高速钢用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢、高速钢废料、钨铁、钼铁、铬铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，钢水熔清后加入硅铁、锰铁和钒铁。
②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1630℃，加入占钢水重量0.10％～0.20％的铝脱氧，而后出炉。
③将含C：0.80～1.50％，Mn：0.40～1.50％，Si：0.30～1.50％，Cr：0.50～1.00％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe的铁合金破碎至粒度0.1～0.4mm的铁合金丸和含Ti：2.5～8.0％，N：0.5～2.5％，Nb：3.0～10.0％，Zn：0.5～2.0％，Mn：0.5～1.5％，Si：0.5～1.5％，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe的中间铁合金破碎至粒度为2～5mm的小块，然后烘干，烘干温度小于200℃，用于悬浮铸造和孕育处理的悬浮剂和孕育剂。
④钢水出炉后，加入1.5％～3.0％的中间铁合金作为孕育剂，随流孕育处理钢水，钢水经静置和扒渣处理后，直接浇入铸型。钢水浇注过程中，加入1.0％～2.0％铁合金丸作为悬浮剂。
⑤铸件经清砂和机械加工后进行淬火和回火处理，淬火加热温度1180～1260℃，保温时间2～4h，冷却方式采用油冷，油温30～60℃，回火温度550～650℃，保温时间3～6h，回火后空冷，相同工艺下回火2～3次，即可得到铸造耐磨高速钢。
以下是发明人给出的实施例：
实施例1：
本发明铸造耐磨高速钢用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢、高速钢废料、钨铁、钼铁、铬铁混合加热熔化，用生铁增碳，钢水熔清后加入硅铁、锰铁和钒铁。
②炉前调整成分合格后将温度升至1620℃，加入占钢水重量0.17％的铝脱氧，而后出炉。
③钢水出炉后，加入钢水重量1.8％的中间铁合金作为孕育剂，孕育剂的化学成分的重量百分比为：Ti：6.03％，N：1.31％，Nb：4.10％，Zn：0.79％，Mn：0.97％，Si：0.88％，S：0.02％，P：0.02％，余量为Fe；中间铁合金破碎至粒度为2～5mm的小块，并在180℃温度下烘干，随流孕育处理钢水，钢水经静置和扒渣处理后，直接浇入铸型，浇注轧钢机导卫板。
④钢水从浇口杯1中浇入，钢水浇注过程中，从加料斗2中加入钢水重量的1.4％的铁合金丸作为悬浮剂，该悬浮剂的粒度为0.2mm，并经160℃烘干，其中化学成分的重量百分比为：C：1.33％，Mn：0.82％，Si：0.62％，Cr：0.75％，P：0.03％，S：0.02％，余量为Fe；钢水和悬浮剂在集液包3中反应，然后经直浇道4注入型腔5(参见图1)。
⑤铸件经清砂和机械加工后进行淬火和回火处理，淬火加热温度1240℃，保温时间2.5h，冷却方式采用油冷，油温30～60℃，回火温度620℃，保温时间5h，回火后空冷，相同工艺下回火3次，得到轧钢机导卫板。
铸造的轧钢机导卫板成分见表1，性能见表2。
表1轧钢机导卫板成分(重量％)
 C  W  Mo  Cr  V  Ti  N  Nb  Zn  Si  Mn  S  P     Fe
 0.88  6.53  4.27  3.84  1.55  0.09  0.021  0.07  0.013  1.10  0.93  0.017  0.032     余量
表2轧钢机导卫板性能
    室温硬度HRC     600℃红硬性HRC     抗拉强度MPa     冲击韧性J/cm<sup>2</sup>   断裂韧性MPa.m<sup>1/2</sup>
    64.7     60.8     953     24.7   39.2
实施例2：
本发明铸造耐磨高速钢用1500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢、高速钢废料、钨铁、钼铁、铬铁混合加热熔化，用石墨增碳，钢水熔清后加入硅铁、锰铁和钒铁。
②炉前调整成分合格后将温度升至1590℃，加入占钢水重量0.12％的铝脱氧，而后出炉。
③钢水出炉后，加入钢水重量2.7％的中间铁合金作为孕育剂，孕育剂的化学成分的重量百分比为：Ti：4.38％，N：0.81％，Nb：5.72％，Zn：1.39％，Mn：1.24％，Si：0.86％，S：0.02％，P：0.03％，余量为Fe；中间铁合金破碎至粒度为2～5mm的小块并在180℃温度下烘干，随流孕育处理钢水，钢水经静置和扒渣处理后，直接浇入铸型，浇注拉丝机拉丝模。
④钢水从浇口杯1中浇入，钢水浇注过程中，从加料斗2中加入钢水重量1.6％的铁合金丸作为悬浮剂，其悬浮剂粒度为0.2mm，并经160℃烘干，其中化学成分的重量百分比为：C：1.02％，Mn：1.10％，Si：0.97％，Cr：0.53％，P：0.03％，S：0.02％，余量为Fe，钢水和悬浮剂在集液包3中反应，然后经直浇道4注入型腔5(参见图1)。
⑤铸件经清砂和机械加工后进行淬火和回火处理，淬火加热温度1195℃，保温时间3.5h，冷却方式采用油冷，油温30～60℃，回火温度590℃，保温时间5h，回火后空冷，相同工艺下回火2次，得到拉丝机拉丝模。
铸造耐磨高速钢拉丝机拉丝模成分见表3，性能见表4。
表3铸造耐磨高速钢拉丝机拉丝模成分(重量％)
  C   W   Mo   Cr   V   Ti   N  Nb  Zn  Si    Mn     S     P     Fe
  1.13   5.32   5.89   5.14   2.10   0.10   0.019  0.15  0.033  0.88    1.12     0.02     0.03     余量
表4铸造耐磨高速钢拉丝机拉丝模性能
    室温硬度HRC   600℃红硬性HRC     抗拉强度MPa     冲击韧性J/cm<sup>2</sup>    断裂韧性MPa.m<sup>1/2</sup>
    65.5   61.2     983     22.4    36.9
采取上述实施例1和实施例2铸造耐磨高速钢导卫板和拉丝模进行装机使用，其耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗热疲劳性均有大幅度提高，并且还具有较好的韧性。使用过程中没有发生断裂现象。每套导卫板可以轧制线材2000～2500t，比高镍铬合金钢导卫板提高2～3倍，完全可以满足用户的要求。将失效的导卫板回收重熔后再次利用，还可以大量节约贵重合金，获得了较好的经济效益。本发明铸造耐磨高速钢拉丝模在拉拔速度10m/s的拉丝机上用于将φ1.0mm的70#钢丝拉拔成φ0.35mm，每千吨钢约磨损0.073～0.094mm，耐磨性好，拉拔过程中造成的断丝少，而且拉丝模表面光洁度高，拉拔力低，吨丝可节30～35kW.h，约降低电耗5％以上。
本发明铸造耐磨高速钢硬度高，红硬性和韧性好，耐磨性和抗氧化性优良，使用过程中不断裂，不剥落，生产工艺简便，生产成本低，使用性能明显优于普通合金钢和锻造高速钢。可以显著提高工矿耐磨备件使用寿命，降低备件成本，具有很好的经济效益。

Claims (3)

1.一种铸造耐磨高速钢的制备方法，采用电炉熔炼，其特征在于，制成的铸造耐磨高速钢的化学成分的重量百分比为：C：0.5～1.5％，W：5.0～7.0％，Mo：4.0～6.5％，Cr：3.5～5.5％，V：1.2～2.5％，Si＜1.2％，Mn＜1.2％，Ti：0.02～0.12％，N：0.005～0.040％，Nb：0.03～0.20％，Zn：0.005～0.050％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe；
具体制备包括下列步骤：
1)将普通废钢、高速钢废料、钨铁、钼铁、铬铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，钢水熔清后加入硅铁、锰铁和钒铁；
2)炉前调整成分合格后将温度升至1580℃～1630℃，加入占钢水重量0.10％～0.20％的铝脱氧，而后出炉；
3)钢水出炉时，加入1.5％～3.0％钢水重量的中间铁合金作为孕育剂，随流孕育处理钢水，钢水经静置和扒渣处理后，直接浇入铸型；
所说的孕育剂的粒度为2mm～5mm，其化学成分的重量百分比为：Ti：2.5～8.0％，N：0.5～2.5％，Nb：3.0～10.0％，Zn：0.5～2.0％，Mn：0.5～1.5％，Si：0.5～1.5％，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe；
4)钢水浇注时，加入钢水重量的1.0％～2.0％的铁合金丸作为悬浮剂；
所说的悬浮剂的粒度为0.1mm～0.4mm，其化学成分的重量百分比为：C：0.80～1.50％，Mn：0.40～1.50％，Si：0.30～1.50％，Cr：0.50～1.00％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe；
5)铸件经清砂和机械加工后进行淬火和回火处理，淬火加热温度1180℃～1260℃，保温时间2～4h，冷却方式采用油冷，油温30℃～60℃；回火温度为550℃～650℃，保温时间3～6h，回火后空冷，相同工艺下回火2～3次，即得到铸造耐磨高速钢。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的悬浮剂烘干后使用，其烘干温度不大于200℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的悬浮剂烘干后使用，其烘干温度不大于200℃。
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