CN101215671B - 抗锌液腐蚀磨损材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种抗锌液腐蚀磨损材料及其制造方法属于材料腐蚀和磨损技术领域。该抗锌液腐蚀磨损材料化学成分是(重量％)：0.6-0.8C，4.0-7.0B，4.0-6.0Cr，4.0-7.0Mo，2.0-5.0W，0.3-0.6Si，0.3-0.6Mn，S＜0.05，P＜0.05，余量为Fe。本发明抗锌液腐蚀磨损材料利用电炉熔炼，采用铸造方法成型，铸件经退火后进行粗加工，经980-1020℃淬火和520-580℃回火后，进行精加工。本发明抗锌液腐蚀磨损材料常温硬度高，达到62-65HRC，在500℃时的硬度也达到56-58HRC。抗弯强度达到了900一1100MPa。在锌液腐蚀磨损环境下，具有优良的使用效果，寿命比316L不锈钢提高3-6倍。
Description
技术领域
本发明为一种抗锌液腐蚀磨损材料及其制造方法，属于材料腐蚀和磨损技术领域。
背景技术
热镀纯锌产品及其合金化产品具有优良的耐蚀性能，成本也相对较低，而且随着热镀锌技术的进步，其产品表面质量几乎可以与电镀锌产品相媲美，因而在汽车上得到了广泛地应用。目前，日系轿车基本上全部采用热镀锌钢板做外板，欧美国家的汽车制造业也在不断地提高热镀锌钢板的使用量。汽车板，特别是汽车外板在需求量不断增加的同时，对热镀锌产品的表面质量和成型性等方面也提出了越来越高的要求，正是这种市场要求的不断提高大大地促进了带钢连续热镀锌工艺技术的进步。
目前世界各钢铁企业运行的带钢热镀锌机组大都采用沉没辊装置，它主要由设置在锌液中的沉没辊、稳定辊及气刀等组成。随钢带的运动而转动的沉没辊通过两侧的轴套支撑在固定架上，轴套起滑动轴承的作用。目前国内热镀锌机组使用的轴套材料包括钴基合金Stellite 6B和316L不锈钢等材料，上机使用7-10天后磨穿，轴套更换频繁，影响热镀锌生产，使用热作模具钢H11和高速钢M2制造的轴套，尽管使用寿命有所延长，但也无法与沉没辊寿命30天以上相匹配。中国发明专利CN1289859公开了一种滑动轴承喷涂材料，属于自熔性硬面合金粉末材料，主要用作连续热镀锌机组沉没构件滑动轴承相对滑动表面的喷涂层。其化学成分组成为(重量％)：Cr20.0～26.0％、Co22.80～61.0％、Mo10.0～16.0％、W6.0～12.0％、Si1.0～4.0％、B2.0～5.0％、Fe≤14.0％、C＜0.2％。采用该发明滑动轴承喷涂材料喷涂的涂层，具有稳定的耐腐蚀、耐磨损性能，有效地提高了滑动轴承的使用寿命。尽管通过表面处理后，轴套寿命可以提高，但存在工艺复杂，陶瓷层与轴套母材结合强度低，使用中陶瓷层易碎裂和剥落等不足，其工作寿命仍较短。沉没辊轴套的频繁更换或维修，不仅降低了热镀锌机组作业率，而且劳动强度高，给生产和操作带来诸多不便，同时大大增加了锌的消耗。
发明内容
本发明目的是提供一种耐锌液腐蚀磨损材料及其制造方法。本发明是在高速钢中，加入一定数量的硼，利用硼可以形成网状铁硼化合物，可明显改善钢的耐锌液腐蚀能力，而高速钢具有良好的红硬性，具有良好的抗高温磨损能力，开发的高硼高速钢具有优异的抗锌液腐蚀磨损能力。用于制作沉没辊轴套以及铸造金属锌粒用定量器滴嘴，可以明显提高其使用寿命。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
本发明抗锌液腐蚀磨损材料的化学组成成分是(重量％)：0.6-0.8C，4.0-7.0B，4.0-6.0Cr，4.0-7.0Mo，2.0-5.0W，0.3-0.6Si，0.3-0.6Mn，S＜0.05，P＜0.05，余量为Fe。
本发明抗锌液腐蚀磨损材料用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将废钢、生铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、硅铁和锰铁混合加热熔化成钢水；
②炉前调整成分合格后将温度升至1560-1600℃，加入与钢水重量比为0.20％～0.35％的铝脱氧，而后出炉；
③抗锌液腐蚀磨损材料采用铸造方法成型，钢水浇注温度1450-1480℃；
④浇注1-3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
⑤铸件经880-920℃并保温1-3小时后炉冷，然后进行粗加工；
⑥铸件最后加热至980-1020℃并保温2-4小时后，在50-80℃油中冷却，随后在520-580℃回火，保温时间5-8小时，然后空气冷却至室温。最后精加工至规定形状和尺寸。
合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：
C：在锌液腐蚀磨损环境下，希望材料既具有优异的抗高温磨损性能，又具有优良的抗锌液腐蚀性能，而优异的抗高温磨损性能来源于组织中存在的高硬度碳化物和硼化物，而C对碳化物数量影响最大，另外，部分C溶于基体，可改善材料的淬透性和淬硬性，但提高C含量明显降低钢的耐锌液腐蚀性能，考虑其利弊，将C含量控制在0.6-0.8％。
B：硼原子半径为0.82，与铁原子半径之比大于0.59，因此与铁化合后形成复杂的金属间化合物FeB和Fe2B。FeB为正交点阵，含硼重量百分比16.23％，Fe2B为四方点阵，含硼量为8.83％。硼化铁具有极高的硬度(FeB和Fe2B的硬度分别为1800-2200HV和1400-1600HV)，好的耐磨性和抗高温氧化性，能在800℃高温下长期使用而不氧化。另外，硼化铁还具有良好的耐酸碱腐蚀性，除硝酸外，对硫酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等都具有非常好的耐蚀性，同时对锌液也具有非常好的耐蚀性。钢中加入硼后，易形成连续网状分布的铁硼化合物。随着硼含量增加，硼化物数量增加，钢的耐蚀性明显提高，但是硼含量过高，钢中脆性硼化物明显增多，材料的力学性能、铸造性能和加工性能恶化，综合考虑，将硼含量控制在4.0-7.0％。
Cr：Cr除部分形成碳化物，增加耐磨性外，其主要作用是溶于基体，增大基体的淬透性。合适的Cr含量是4.0-6.0％。
W：W在高速钢中主要以Fe4W2C形式存在，淬火加热时，一部分Fe4W2C溶入奥氏体，淬火后存在于马氏体中。W原子与C原子结合力较强，能提高回火马氏体的分解温度，W原子半径大，能提高铁的自扩散激活能，提高钢的回火温度，使高速钢中马氏体加热到600℃～625℃时还很稳定。回火过程中有一部分W以W2C的形式弥散析出，造成二次硬化。淬火加热过程中未溶解的Fe4W2C能阻止高温下奥氏体晶粒长大。W含量增加，可以提高高速钢红硬性及减少热过敏性，但W含量太高会增加碳化物的不均匀性，增大钢的脆性，因此将W含量控制在2.0-5.0％。
Mo：Mo对高速钢的影响与W相近，它同样是促进二次硬化的主要元素，Mo的原子量约为W的1/2，加入1％Mo对高速钢的影响程度相当于加入2％W。Mo加入高速钢中可以细化莱氏体组织，对改善高速钢的韧性和耐磨性是有益的。但Mo使高速钢高温热处理时脱碳倾向增大，因此将Mo含量控制在3.0％～8.0％。
Si：Si是熔炼脱氧元素，加适量的Si，可防止其它合金元素氧化，但Si又是非碳化物形成元素，主要溶于基体，降低淬透性，另外Si使钢的耐锌液腐蚀性能大幅下降，考虑其利弊，将Si含量控制在0.3-0.6％。
Mn：Mn也具有较好的脱氧效果，但促使铸钢加热时晶粒长大，增大铸件热裂倾向，Mn还使钢的耐锌液腐蚀性能大幅下降，因此Mn含量控制在0.3-0.6％。
不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有P和S，均是有害元素，为了保证抗锌液腐蚀磨损材料的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，将P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.05％以下。
抗锌液腐蚀磨损材料的热处理工艺制订依据是：
铸态抗锌液腐蚀磨损材料硬度高，加工性能差，需要进行退火处理，以改善加工性能。退火温度低于880℃，或退火保温时间少于1小时，材料硬度降低不明显，加工性能差。退火温度超过920℃或保温时间超过3小时，将增加能耗，并降低了生产效率。在880-920℃并保温1-3小时后炉冷，可降低硬度，明显改善材料加工性能。
抗锌液腐蚀磨损材料需要进行淬火处理，以获得高硬度马氏体基体，改善耐磨性。淬火加热温度低于980℃，高温奥氏体中溶解的碳和合金元素较少，淬透性和淬硬性差，淬火加热温度超过1020℃后，网状硼化物局部出现断网，降低了材料的抗锌液腐蚀能力，选择加热至980-1020℃并保温2-4小时后，在50-80℃油中冷却，随后在520-580℃回火，保温时间5-8小时，然后空气冷却至室温。可确保材料具有高硬度和优良的耐磨性，另外还具有优异的抗锌液腐蚀能力。
本发明效果：
①用本发明制造的抗锌液腐蚀磨损材料，生产工艺简便，金相组织中含有网状分布的铁硼化合物，可明显改善抗锌液腐蚀性能。基体组织以高硬度马氏体为主，并含有较多的W、Mo等元素，可明显改善材料的高温磨损性能，使材料具有良好的抗锌液腐蚀磨损能力。
②本发明抗锌液腐蚀磨损材料常温硬度高，达到62-65 HRC，在500℃时的硬度也达到56-58 HRC。本发明材料抗弯强度达到了900-1100MPa。
③用本发明制造的热镀锌机组沉没辊轴套和铸造金属锌粒用定量器滴嘴，使用寿命比316L不锈钢提高3-6倍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述：
实施例1：
用150公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体工艺步骤是：
①将废钢、生铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、硅铁和锰铁混合加热熔化；
②炉前调整成分合格后将温度升至1597℃，加入占钢水重量0.27％的铝脱氧，而后出炉；
③抗锌液腐蚀磨损材料采用铸造方法成型，钢水浇注温度1472℃；
④浇注2小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
⑤铸件经900℃并保温2小时后炉冷，然后进行粗加工；
⑥铸件最后加热至1000℃并保温3小时后，在50-80℃油中冷却，随后在560℃回火，保温时间6小时，然后空气冷却至室温。最后精加工至规定形状和尺寸。材料成分见表1，材料性能见表2。
表1材料成分(重量％)
| 元素 | C | B | Cr | Mo | W |
| 成分 | 0.71 | 5.13 | 4.86 | 5.74 | 3.49 |
| 元素 | Si | Mn | S | P | Fe |
| 成分 | 0.50 | 0.47 | 0.028 | 0.035 | 余量 |
表2材料性能
| 常温硬度/HRC | 500℃硬度/HRC | 抗弯强度/MPa |
| 64.7 | 56.3 | 1040.8 |
实施例2：
用150公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体工艺步骤是：
①将废钢、生铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、硅铁和锰铁混合加热熔化；
②炉前调整成分合格后将温度升至1563℃，加入占钢水重量0.22％的铝脱氧，而后出炉；
③抗锌液腐蚀磨损材料采用铸造方法成型，钢水浇注温度1451℃；
④浇注1.2小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
⑤铸件经880℃并保温3小时后炉冷，然后进行粗加工；
⑥铸件最后加热至980℃并保温4小时后，在50-80℃油中冷却，随后在520℃回火，保温时间8小时，然后空气冷却至室温。最后精加工至规定形状和尺寸。材料成分见表3，材料性能见表4。
表3材料成分(重量％)
| 元素 | C | B | Cr | Mo | W |
| 成分 | 0.62 | 6.93 | 4.11 | 6.96 | 2.15 |
| 元素 | Si | Mn | S | P | Fe |
| 成分 | 0.32 | 0.57 | 0.030 | 0.039 | 余量 |
表4材料性能
| 常温硬度/HRC | 500℃硬度/HRC | 抗弯强度/MPa |
| 64.8 | 57.5 | 929.2 |
实施例3：
用250公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体工艺步骤是：
①将废钢、生铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、硅铁和锰铁混合加热熔化；
②炉前调整成分合格后将温度升至1584℃，加入占钢水重量0.35％的铝脱氧，而后出炉；
③抗锌液腐蚀磨损材料采用铸造方法成型，钢水浇注温度1472℃；
④浇注2.5小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
⑤铸件经920℃并保温1小时后炉冷，然后进行粗加工；
⑥铸件最后加热至1020℃并保温2小时后，在50-80℃油中冷却，随后在580℃回火，保温时间5小时，然后空气冷却至室温。最后精加工至规定形状和尺寸。材料成分见表5，材料性能见表6。
表5材料成分(重量％)
| 元素 | C | B | Cr | Mo | W |
| 成分 | 0.80 | 4.20 | 5.87 | 4.16 | 4.83 |
| 元素 | Si | Mn | S | P | Fe |
| 成分 | 0.59 | 0.30 | 0.028 | 0.042 | 余量 |
表6材料性能
| 常温硬度/HRC | 500℃硬度/HRC | 抗弯强度/MPa |
| 62.5 | 56.3 | 1093.8 |
实施例4：
用250公斤中频感应电炉熔炼本发明材料，其具体工艺步骤是：
①将废钢、生铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、硅铁和锰铁混合加热熔化；
②炉前调整成分合格后将温度升至1592℃，加入占钢水重量0.31％的铝脱氧，而后出炉；
③抗锌液腐蚀磨损材料采用铸造方法成型，钢水浇注温度1466℃；
④浇注1小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
⑤铸件经910℃并保温2小时后炉冷，然后进行粗加工；
⑥铸件最后加热至990℃并保温3小时后，在50-80℃油中冷却，随后在550℃回火，保温时间7小时，然后空气冷却至室温。最后精加工至规定形状和尺寸。材料成分见表7，材料性能见表8。
表7材料成分(重量％)
| 元素 | C | B | Cr | Mo | W |
| 成分 | 0.75 | 6.14 | 4.00 | 6.35 | 2.48 |
| 元素 | Si | Mn | S | P | Fe |
| 成分 | 0.42 | 0.55 | 0.033 | 0.041 | 余量 |
表8材料性能
| 常温硬度/HRC | 500℃硬度/HRC | 抗弯强度/MPa |
| 63.9 | 57.2 | 1008.0 |
取本发明材料制作的热镀锌机组沉没辊轴套和铸造金属锌粒用定量器滴嘴，分别在连续热镀锌机组和铸造金属锌粒生产线上进行了装机运行试验，锌液温度为460-480℃。结果如下：用本发明材料制作的热镀锌机组沉没辊轴套和铸造金属锌粒用定量器滴嘴，具有硬度高，耐锌液腐蚀性能好，具有良好的抗锌液腐蚀磨损性能，沉没辊轴套的使用寿命比316L不锈钢轴套提高3-4倍，达到28-35天。而铸造金属锌粒用高硼高速钢定量器滴嘴的使用寿命比316L不锈钢定量器滴嘴提高5-6倍，与陶瓷定量器滴嘴使用寿命相当，但克服了陶瓷定量器滴嘴加工困难和脆性大，安装和使用中易断裂的不足。使用本发明抗锌液腐蚀磨损材料，具有很好的经济和社会效益。
Claims (2)
1.一种抗锌液腐蚀磨损材料，其特征在于，该材料成分的重量百分比为：0.6-0.8C，4.0-7.0B，4.0-6.0Cr，4.0-7.0Mo，2.0-5.0W，0.3-0.6Si，0.3-0.6Mn，S＜0.05，P＜0.05，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的抗锌液腐蚀磨损材料的制造方法，其特征在于，用电炉生产，其工艺步骤是：
①将废钢、生铁、铬铁、钼铁、钨铁、硼铁、硅铁和锰铁混合加热熔化成钢水；
②炉前调整成分合格后将温度升至1560-1600℃，加入与钢水重量比为0.20％～0.35％的铝脱氧，而后出炉；
③抗锌液腐蚀磨损材料采用铸造方法成型，钢水浇注温度1450-1480℃；
④浇注1-3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
⑤铸件加热至880-920℃并保温1-3小时后炉冷，然后进行粗加工；
⑥铸件最后加热至980-1020℃并保温2-4小时后，在50-80℃油中冷却，随后在520-580℃回火，保温时间5-8小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定形状和尺寸。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20080709 Assignee: Jiangsu Jiulian Metallurgy Machinery Co., Ltd. Assignor: Beijing University of Technology Contract record no.: 2013990000090 Denomination of invention: Material capable of resisting zinc solution corrosive wear and manufacturing method thereof Granted publication date: 20100804 License type: Exclusive License Record date: 20130319 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100804 Termination date: 20150111 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |