CN101012526A - 稀土多元微合金化高铬铸铁及其用途 - Google Patents

Abstract

一种稀土多元微合金化高铬铸铁及其用途。它解决了目前国内挤压辊用钢的耐磨性和使用寿命不理想，不能满足生产需要，而进口设备成本过高等问题，具有较高的热硬性、热强度、热疲劳强度、耐磨性和使用寿命明显提高，机械加工性能良好等优点，可满足挤压辊的需要。该铸铁的化学成分按重量份计含有，碳1.0－3.5份，铬8.0－26.0份，镍0.5－4.5份，钼0.15－2.0份，铜0.5－2.0份，铝0.05－2.0份，钒0.03－0.3份，稀土0.005－0.20份，硅≤0.5份锰≤0.7份，硫≤0.05份，磷≤0.05份，余量为铁。

Description

稀土多元微合金化高铬铸铁及其用途

技术领域

本发明涉及一种铸铁，尤其涉及一种稀土多元微合金化高铬铸铁及其用途。

背景技术

随着科学技术和经济的发展，生产成本较低的焊管替代无缝钢管的应用范围日趋扩大。以冷、热钢带卷为原料的直缝钢管，是以多架带孔型的水平轧辊和立辊组合的成型系统，逐架受力作圆弧冷弯曲，逐渐变形为圆管，再经过焊接和定径机组的微冷拔，生产出合格的产品。产品在成型过程中，管坯和轧辊孔型之间有强烈的摩擦挤压，造成轧辊孔型的磨损，形成轧辊孔型的尺寸逐渐减小，即辊耗。所以挤压辊必须具有高的硬度和热强度，才能具有高的抗磨损性能。对于挤压辊，由于还受到温度的影响，需要高的和热硬性，保持在温度场下的耐磨性。同时，挤压辊在承受反复的冷热交变应力的作用下，表面出现热疲劳裂纹而导致挤压辊失效。热疲劳裂纹多以高温晶间裂纹的形成与扩展为主。因此，挤压辊不仅需要高的热硬性、热强度，还需要高的热疲劳强度。

国内挤压辊用钢主要为3Cr2W8V、H13(4Cr5MoSiV1)等钢种。3Cr2W8V具有较高的韧性、红硬性和热强性，但耐磨性和使用寿命均不理想。3Cr2W8V钢是为压铸模设计的钢种，主要围绕热强性而添加各种合金元素，3Cr2W8V钢的工作温度在560℃以下性能稳定，由于其碳含量在0.3％，因此，3Cr2W8V钢淬火和560℃回火硬度一般在HRC46～50，显然耐磨性不足。H13钢高热强性热作模具钢，铬的加入量为5％，还加入了钼、硅、钒等元素。由于含铬量较高，还加入了钼，因此具有高的淬透性，使钢的强韧性有了基本保证。与3Cr2W8V钢相比，此类钢高铬无钨，铬的碳化物加热时较易溶入奥氏体中，碳化物不均匀性大为减轻，而且由于合金元素的共同作用提高了钢的临界点，所以钢的韧性和热疲劳抗力优于3Cr2W8V钢。钢中加入钼和钒，产生二次硬化效应，提高了钢的热稳定性，加入铬和硅，提高了钢的抗氧化性。但是铬系热作模具钢的热稳定性不如钨系，工作温度较高时硬度下降明显。同时在挤压辊的工作条件下，耐磨性并不高。但由于3Cr2W8V和H13钢机械加工性能和热处理工艺性能较好，加工成本较低，是目前挤压辊应用的主要钢种。

前几年从国外引进焊管机组的同时，也进口了各种规格的成套轧辊。比较具有代表性的是日本的挤压辊钢种SKD11和KD11V等。相当于美国的AISI D2、英国的BS BD2、法国的NFZ160CDV12钢种，与我国的Cr12MoV钢成分相近。SKD11和KD11V钢有良好的机械加工性能。SKD11和KD11V钢经1025℃加热淬火，再经过多次低温和高温回火后具有良好的使用性能。但SKD11和KD11V钢要求有高的冶炼水平。

随着切削加工技术的进步，高硬度材料的加工逐渐变得可能。原来用于耐磨的简单几何形状的高铬合金铸铁材料，通过合理的合金成分设计、精确控制冶炼成分和浇注温度、热处理、采用新型切削刀具材料和切削加工工艺，在保持高铬铸铁高硬度、高耐磨性的前提下，提高其冲击韧性和热疲劳强度，成为一种高性能的新型材料，应用于高频焊管成型机组中轧辊、挤压辊和材料挤压成型中的模具及轧辊。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前国内挤压辊用钢的耐磨性和使用寿命不理想，不能满足生产需要，而进口设备成本过高等问题，提供一种具有较高的热硬性、热强度、热疲劳强度、耐磨性和使用寿命明显提高，机械加工性能良好等优点，可满足挤压辊需要的稀土多元素微合金高铬铸铁及其用途。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种稀土多元微合金化高铬铸铁，该铸铁的化学成分按重量份计含有，

碳1.0-3.5份  铬8.0-26.0份  镍0.5-4.5份  钼0.15-2.0份  铜0.5-2.0份铝0.05-2.0份钒0.03-0.3份稀土0.005-0.20份  硅≤0.5份  锰≤0.7份  硫≤0.05份磷≤0.05份，余量为铁。

一种稀土多元微合金化高铬铸铁用途，该合金用于高频焊管成型机组中的轧辊或挤压辊或材料挤压成型中的模具及轧辊。

1、成分特点

高铬铸铁含铬量大于11％，铬和碳含量比值超过3.5，在这种条件下，高硬度的M₇C₃型碳化物几乎全部代替了M₃C型碳化物。M₇C₃型碳化物硬度为HV2000左右，通过变质处理基本上是以孤立的条状、块状和颗粒状形态存在，与呈网状连续分布的M₃C型碳化物相比，大大增强了基体的连续性，因而材料的韧性显著提高。高铬铸铁成分的设计中铬含量应适当，同时与碳量保持合适的比值，获得最佳的耐磨性。同时合适的铬含量使合金具有高的抗氧化性能和热稳定性。

简单的高铬铸铁成分并不能完成高频焊管成型机组中轧辊、挤压辊和材料挤压成型中的模具及轧辊，必须添加合理的其他合金元素钼、镍、铜等合金元素。

钼是提高淬透性的元素，强烈推迟奥氏体向珠光体的转变。钼提高合金的高温强度、高温硬度和回火稳定性。同时，钼形成MC和M₂C等二次硬化型碳化物，使合金具有高的热强性。钨与钼具有相同的性质，但合金中加入钨与钼的比值为2∶1。

镍是强烈提高淬透性的元素，同时又是非碳化物形成元素，镍溶入基体相中提高基体的韧性和强度，提高回火稳定性。镍在高铬合金中降低马氏体点，使高铬铸铁中保留一部分残留奥氏体，显著提高高铬铸铁的韧性。镍加入高铬铸铁有一最佳值，在此值范围可以获得高的耐磨性。

铜作为合金元素与钼和镍复合加入高铬铸铁中，在提高淬透性的同时，使碳化物细化，并使之呈现不连续状，使高铬铸铁的耐磨性和韧性提高。

稀土具有变质、细化和净化三大作用。本发明主要是利用稀土的变质和细化的作用。微合金化作用表现在改善晶界和抑制局部弱化，影响相变和改善组织，影响杂质元素的溶解度，与其它微量元素的交互作用等。变质作用主要表现在：适量稀土能使铸态纯铁的二次枝晶臂间距减小，细化组织；形成高熔点夹杂物作为非自发形核核心，沿晶界富集抑制晶粒长大，细化晶粒；最重要的是，稀土能改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高高铬铸铁的各项性能。

不同含量的钛和铌对高铬铸铁组织和性能产生不同的影响。在一定含量范围内，能细化晶粒，提高铸件强度和品质系数，略微增加硬度。

钒是强碳化物形成元素，极小的VC颗粒均匀分布在组织中，在结晶时作为外来核心，明显控制结晶从而细化组织，改善碳化物的分布，减少粗的柱状晶组织。

铝在稀土多元微合金化高铬铸铁中是作为有效合金元素添加的，其主要作用是在磨损面上富集，形成稳定的Al₂O₃，隔离氧进一步氧化基体的作用，从而达到提高耐磨性的作用。

2、组织与性能

检测设备：Nikon金相显微镜(日本)，岛津HR4-150B型光学洛氏硬度计，SX-4-10型箱式电阻炉，MM200型磨损试验机(济南材料试样机厂)，JB30G型冲击试验机，Shimadzu显微硬度计(日本)，JXA8800R型电子探针，D/max-rc型X射线衍射仪。

2.1组织特点

图1是高铬铸铁的金相组织形貌，可以看出经稀土等微合金化元素变质处理后，晶粒明显细化，碳化物细小、弥散，从标尺中可以看出一般碳化物的尺寸都在20μm以下，有些比较细小的可以达到几个μm的尺寸。X-衍射(图2)证实基体组织是马氏体加残余奥氏体。碳化物的类型主要是Cr₇C₃和Cr₂₃C₆。由于组织中存在大量残余奥氏体，使稀土多元微合金化高铬铸铁具有良好的综合力学性能，不仅具有较高的硬度，而且有高的韧性。

2.2性能

2.2.1冲击功

用10×10×50mm无缺口冲击试样测得的冲击功为9～12J。

2.2.2硬度

硬度范围为52～57HRC。

2.2.3耐磨性

采用铸态+200℃回火、硬度52～57HRC，铸态+650℃回火、硬度52～56HRC和930℃+550℃回火，硬度59～64HRC三种状态的组织和硬度进行耐磨性对比。磨痕宽度分别为3.25、3.70和3.50mm，可以看出，铸态+200℃回火的耐磨性分别比铸态+650℃回火和930℃+550℃回火高14％和8％。

一般情况下，硬度高的材料比较耐磨，硬度低的材料耐磨性相对较低，在磨损实验中却出现了相反的情况，即硬度相对较低的铸态+200℃回火磨痕较小，即比较耐磨，其原因是：由于铸态+200℃回火从铸态直接冷却后只经过200℃的低温回火，残余奥氏体的含量比较高，因而硬度较低，而其他状态经过热处理后，其中残余奥氏体的含量降低，马氏体数量增加，硬度升高。铸态+200℃回火试样在磨损实验过程中，试样中大量残余奥氏体受到摩擦应力的作用，产生应力诱发马氏体转变，即残余奥氏体在应力的作用下转变为马氏体，使受磨损部位的硬度升高，所以其耐磨性高。

测试磨损区以下的基体显微硬度平均值为610HV₁，远离磨损区的基体硬度为450HV₁。说明了在磨损区附近发生了马氏体组织的转变，使硬度升高了160HV。

对磨损区的电子探针微区分析表明，在磨损区上的铝含量为0.40％(wt)，比基体铝含量0.15％(wt)高一倍以上，说明在铝在磨损区富集，以Al₃O₂的形式存在，在轧辊的工作温度下隔离了氧进一步对基体的氧化，起到了减小磨损量的作用。

2.2.4热疲劳性能

表1不同稀土含量的试样达到相同龟裂程度所需冷热循环周次

稀土含量，％	冷热循环周次	循环周次平均值
			不含稀土	160  173  165	166
0.010	223  230  225	226
			0.034	283  267  300	283

注：试样尺寸为直径15mm，高度30mm，采用高频加热和水冷却方式。

KV₁＝12.5kv(阳压)；A₁＝1.5A(阳流)；A₂＝0.28A(栅流)；τ＝2s

从表1的数据可以看出，稀土元素的加入显著的提高了高铬铸铁的热疲劳性能。在试样表面达到相同龟裂程度时，加入稀土的2^#和3^#试样所需的冷热循环周次比不加稀土的1^#试样分别提高了35％和69％。

夹杂物对于合金的热疲劳性能有很大的危害，一方面它同基体的弹性模量不同，外加应力作用时相当于基体缺陷，在其周围形成应力集中；另一方面，夹杂物与基体有不同的热膨胀系数，MnS的线膨胀系数为18.1×10^-6℃^-1，与基体(线膨胀系数为12.55×10^-6℃^-1)相差悬殊，相差幅度约为44％，这种夹杂物在快速冷却时以很大的速度收缩，在周围形成空隙，形成热疲劳裂纹源，导致气体原子的聚集，加重氧化。而稀土氧化物多为圆形或椭圆形，减小了应力集中，RE₂O₂S，RE₂S₃等稀土夹杂物的线膨胀系数(10.4×10^-6℃^-1和12.7×10^-6℃^-1)和弹性模量与基体相近，相差幅度分别为17％和1.2％，有较好的适配性，而且具有良好的形态与分布，这些对于改善合金的热疲劳性能是有益的，加之适量的稀土细化了晶粒，净化了晶界，因而热疲劳裂纹萌生较晚，扩展变慢，使合金的热疲劳性能显著提高。

本发明的有益效果是：稀土元素的加入变质了高铬合金中的夹杂物，使长条状的MnS夹杂物被球状的复合稀土夹杂物所代替，抑制了热疲劳裂纹的萌生和扩展，同时，钒、钛、铌等微量元素的加入使基体组织细化，因而使高铬铸铁的热疲劳寿命显著提高，耐磨性和使用寿命明显提高，机械加工性能良好，可满足挤压辊需要的稀土多元素微合金高铬铸铁及其用途。

附图说明

图1为稀土多元微合金化高铬铸铁的金相组织形貌；

图2为稀土多元微合金化高铬铸铁的X-衍射图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

该铸铁的化学成分按重量份计含有碳1.0-3.5份  铬8.0-26.0份  镍0.5-4.5份  钼0.15-2.0份  铜0.5-2.0份  铝0.05-2.0份  钒0.03-0.3份  稀土0.005-0.20份  硅≤0.5份  锰≤0.7份  硫≤0.05份  磷≤0.05份  余量为铁。

实施例2：

该铸铁的化学成分按重量份计含有，1.0-3.5份  铬8.0-26.0份  镍0.5-4.5份  钼0.15-2.0份  铜0.5-2.0份  铝0.05-2.0份  钒0.03-0.30份  钛0.03-0.30份  稀土0.005-0.200份  硅：≤0.5份  锰：≤0.7份  硫≤0.05份  磷≤0.05份  余量为铁。

实施例3：

1.0-3.5份  铬8.0-26.0份  镍0.5-4.5份  钼0.1 5-2.0份  铜0.5-2.0份  铝0.05-2.0份钒0.03-0.30份  钛0.03-0.3份  铝0.05-2.0份  稀土0.005-0.200份  硅：≤0.5份  锰：≤0.7份  硫≤0.05份  磷≤0.05份  余量为铁。

实施例4：

该铸铁的化学成分按重量份计含有，1.0-3.5份  铬8.0-26.0份  镍0.5-4.5份  钼0.15-2.0份  铜0.5-2.0份  铝0.05-2.0份  钒0.03-0.30份  钛0.03-0.30份  铝0.05-2.00份  铌0.03-0.30份  稀土0.005-0.200份  硅：≤0.5份  锰：≤0.7份  硫≤0.05份  磷≤0.05份  余量为铁。

本发明可用于高频焊管成型机组中的轧辊或挤压辊或材料挤压成型中的模具及轧辊。本发明合金的微观组织为，马氏体+残余奥氏体+(C_r7C₃+少量Cr₂₃C₆型)碳化物或马氏体+(C_r7C₃+少量Cr₂₃C₆型)碳化物。

Claims (5)

1、一种稀土多元微合金化高铬铸铁，其特征是：该铸铁的化学成分按重量份计含有，碳1.0-3.5份  铬8.0-26.0份  镍0.5-4.5份  钼0.15-2.0份  铜0.5-2.0份铝0.05-2.0份  钒0.03-0.3份  稀土0.005-0.20份  硅≤0.5份  锰≤0.7份  硫≤0.05份磷≤0.05份余量为铁。

2、根据权利要求1所述的稀土多元微合金化高铬铸铁，其特征是：该铸铁的化学成分按重量份计还含有钛0.03-0.30份。

3、根据权利要求2所述的稀土多元微合金化高铬铸铁，其特征是：该铸铁的化学成分按重量份计还含有铌0.03-0.30份。

4、根据权利要求3所述的稀土多元微合金化高铬铸铁，其特征是：该铸铁的化学成分按重量份计还含有，钼0.15-0.60份，钨0.80-3.70。

5、一种权利要求1-5中任一所述的稀土多元微合金化高铬铸铁用途，其特征是：该合金用于高频焊管成型机组中的轧辊或挤压辊或材料挤压成型中的模具及轧辊。

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