CN101591753A - 硫化耐热耐磨稀土合金钢及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硫化耐热耐磨稀土合金钢及其制备方法和应用，属于冶金工业领域。本发明合金钢由以下重量百分比的各组分组成：碳0.1－1.0％，硅0.2－0.4％，钨0.1－1.5％，锰0.2－0.8％，钼0.3－1.7％，硫0.5－2.5％，铬0.4－2.0％，钒0.1－0.5％，稀土0.1－0.001％，余量为铁。本发明硫化耐热耐磨稀土合金钢具有优异的耐高温、耐磨损、固体自润滑等性能，适用于制作高温耐磨作业部件，可制备成各种形状低重负荷下的滑动轴承、轴瓦、轴套、耐磨衬板、滑板、机床滑道等产品，能代替铜合金类产品，具有耐压力、抗磨损等优势，能显著延长工件的使用寿命。

Description

硫化耐热耐磨稀土合金钢及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种合金钢，尤其涉及一种硫化耐热耐磨稀土合金钢，本发明还涉及该硫化耐热耐磨稀土合金钢的制备方法以及该合金钢在制作高温耐磨作业部件中的用途，属于冶金工业机械领域。

背景技术

合金钢可以分为减摩和抗摩擦两个机械性能，主要应用于制造高温、耐摩擦工作下机械零部件，或应用于润滑油受高温环境容易炭化失效、不能润滑的机器零件。例如：冶金炼钢、轧钢、烧结、水泥设备、机床道轨等低速重载滑动体部位，这些零件要求较小的摩擦系数抗磨性能。

耐磨合金钢是一类用于磨损工况的特殊性能钢，其主要特征是在磨损条件下具有较高的强度、硬度韧性和耐磨性。耐磨合金钢以化学成分元素含量的多少分为三类：第一类耐磨低合金钢，合金元素总质量分数不超过5％；第二类耐磨中合金钢，合金元素总质量分数为5％-10％；第三类，耐磨高合金钢，合金元素总质量分数超过10％。

申请号为00114501、0的中国发明专利申请公开了一种铬钨硫化物减摩铸钢，该铬钨硫化物减摩铸钢虽然具有一定的减磨、耐磨、耐高温和抗冲击性能，但主要存在以下几方面的不足，有待改进：

①该合金钢的组织结构和耐磨性能有待提高；没有稀土成分细化晶体，材质组织晶体粗糙，密度差，组织疏松；减摩和耐磨性能差，同时也造成材质韧性差，在使用过程中受压力和冲击性能容易脆性断裂，。

②该合金钢在制备过程中钢液的气体不易固定，使钢铸件容易产生气孔缺陷，铸钢件成品率低，资源浪费过大。

③该合金钢在制备过程中钢液没有稀土净化钢液，造成夹杂物多，容易产生铸件裂纹，机械性能下降。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种抗高温、摩擦系数低、具有优异耐磨性能的合金钢。

本发明首先所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种硫化耐热耐磨稀土合金钢，按重量百分比计，该硫化耐热耐磨稀土合金钢由以下各组分组成：

碳(C)0.10-1.0％，硅(Si)0.20-0.40％，钨(W)0.10-1.5％，锰(Mn)0.2-0.8％，钼(Mo)0.3-1.7％，硫(S)0.5-2.5％，铬(Cr)0.4-2.0％，钒(V)0.1-0.5％，稀土(Re)0.1-0.001％，余量为铁；

优选的，各组分的重量百分比为：

碳(C)0.5％，硅(Si)0.3％，钨(W)1.2％，锰(Mn)0.5％，钼(Mo)0.8％，硫(S)1.5％，铬(Cr)1.0％，钒(V)0.3％，稀土(Re)0.01％，余量为铁。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述硫化耐热耐磨稀土合金钢的制备方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种制备上述硫化耐热耐磨稀土合金钢的方法，包括：

(1)按照所述硫化耐热耐磨稀土合金钢的组成成分和各成分的含量，计算并称取各原料的用量；

(2)熔炼：将清洁废钢装入中频电炉升温熔化；钢液全部熔化后加入合金原料；彻底脱氧后出钢；

(3)浇铸：将钢液进一步脱氧；镇静；浇铸成型；快速冷却；

(4)热处理：脱模成型铸件实施缓冷；缓冷后工件实施12小时以上高温退火处理，即得合金钢。

优选的，步骤(2)中当钢液全部熔化后温度达1560±10℃时加入合金原料；

步骤(3)中所述镇静的时间优选为1-2分钟；所述浇铸成型优选是当钢液温度达到1540±10℃时进行浇铸成型；

步骤(4)中所述的退火处理优选为采用930℃高温退火处理。

本发明中所用到的各种原料都可从市场购买得到。

上述所得到的合金钢可按工件尺寸要求进行初加工或精加工，可制备得到各种形状、低重负荷下的滑动轴承、轴瓦、轴套、耐磨衬板、滑板、机床滑道等产品。

本发明通过在高温钢液中加入比常规钢种高出数十倍的硫及适量的铬、钼、钨、钒、稀土等合金元素形成FeS、MoS₂、WS₂等金属硫化物，浇铸成型铸件，制备得到硫化耐热耐磨稀土合金钢，该合金钢具有一定自润滑性的硫化物，可满足重负荷偶合件的需要。

本发明在钢液中加入Re和V，使材质结晶体更好细化，实用性增强。部件在运转过程中，剥落的硫化物呈微粒珠状，这是减小摩擦系数，使自偶润滑得以实现。在钢液中加入Re和V都有细化晶粒的作用，诸多金属碳化物共同促使钢的硬度提高，而VC(碳化钒)的熔点高，通常以细小、弥散的固体质点存在于钢中。

硫化物FeS、MoS₂、WS₂等都是固体润滑材料，具有较小的摩擦系数和良好的耐磨性能。本发明通过在钢液中加入硫化铁合金及Mo、W、Cr、V的铁合金，形成FeS、MoS2、WS₂、VS₂，另外还形成Mo、W、Cr、V的碳化物，对其显微组织进行观察，其基体上均匀分布着一定形态和数量的金属硫化物和金属碳化物，用于高温条件下的磨擦偶合件，具有很好的固体润滑和耐磨实用性能。通过加入稀土元素，使钢液净化、结晶细化、晶格扭曲，大大提高各种备件的加工硬度，为此，所制备合金钢的硬度明显提高，抗磨特性尤为突出。用该合金钢可生产各种形状重负荷的滑动轴承、轴瓦、轴套、衬板、滑板等产品；也可替代铜瓦、铜套类产品，能延长工件寿命，经济效益明显。

通常，合金钢视S为极有害元素，在普通钢、特殊钢、工具钢、模具钢类需费大力气和技术措施并耗费大量资金予于排除，方能使S达标。本发明合金钢中S(硫)元素较常规钢种高出十倍，是其明显的特点。本发明合金钢中配加适量的硫化铁(FeS)，使钢中硫大大增加，变为有益元素，使其在高温环境下，偶件摩擦滑动时不粘结；所以可将其用于滑动轴承、轴瓦轴套、衬板滑板、齿轮等工业零部件。在钢液中掺入一定范围硫化铁FeS、Re和耐磨铁合金等材料，能使钢质在高温下运转摩擦下变成不粘结钢(自偶件之间微粒润滑而不粘)，达到固体润滑效果，可降低工件摩擦力，提高其使用寿命。

本发明合金钢内含有诸多硫化物，如MOS₂、WS₂、FeS等，它们具有密排六方和立方的结晶结构，此种结构形式能起到固体自偶润滑、降低钢的磨擦系数等作用。另外本发明合金钢中的高碳量和加入的铬、钒、钼、钨、等合金元素，在碳量足够的前题下都较容易形成不同形态的碳化物，它们的硬度很高，大于200HB，因此本发明合金钢具备了很好的抗磨性。

本发明合金材料是冶炼铸造件，因硬度较高(HB270-400)，所以必须经过退处理后加工(切削)，经过处理后的本发明合金钢，其显微组织方面能获得含有一定比例的合金碳化物硬质相和铁素体珠光体的基体，具备优异的耐热抗磨性能。

本发明合金钢在熔炼和热处理过程中，碳化钒(VC)比其它的碳化物铁体更难溶于奥氏体和铁素体铁中。由于上述原因，钢液在冷却凝固过程中，以先结晶的固体VC(熔点2810℃)质点的形态存在于结晶边界，阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用。在钢热处理退火温度下，碳化钒常以妨碍晶粒生长、细粒分散的析离状态存在于钢中，因此，使钢的热稳定性增加，降低钢对过热的敏感性，提高钢的热硬性能、耐磨损性能，使合金钢具备了耐热、耐磨的特性。

本发明合金钢合金钢中加入Re(稀土元素)，可起到净化钢液，细化晶粒的作用，其原因如下：

稀土元素在钢液结晶的过程中，有使晶格奇变的特性，使晶格歪扭，这样，使加工成部件的备件在使用过程中，加工硬化速度(备件受力而变硬的特性)变快，受力越大，硬化程度越高，备件表程硬化程度高，具备了抗磨的特性。稀土元素具有表面活性的性质和起到化合物的结晶核心作用，使钢的铸态组织细化，从而取得细化晶粒的效果。稀土加入钢中，降低了相界面的张力，使晶粒核形成(功)降低，结晶形成速度激剧增加。在冷凝结晶过程中，稀土元素在基体和其它相中分配系数很小(小于0.02％)。使其表面活性大大增加。由于选择吸附的结果，它们大多富集在长大晶体与钢液的界面上，建立起一层吸附薄膜、阻碍并降低了晶体长大的倾向。从而细化了钢的晶粒度。

稀土元素的化学性质活泼，可以与钢液中的[S]、[O]等形成稳定的化合物。钢液中加入稀土后，会形成高熔点的稀土硫化物(例如：ReS、Re₂S₃)、稀土氧化物(ReO₂)，这些化合物的熔点一般都高于2000℃，以细小、微粒状、弥散状分布于晶格内。稀土加入一方面减少了钢中有害夹杂物的数量，净化钢液，而最主要的是改变了夹杂物形状(园粒状)、大小(细化)、分布(由偏于晶界及枝间变成弥散于晶内)，大大减少了非金属夹杂物对钢的危害作用。

另外，稀土(Re)能和钢液中的[H][N]形成较为稳定的化合物，如：ReH₃和ReN等。这样就固定了钢液中的气体，减少钢铸件容易产生气孔缺陷，提高铸钢件成品率。稀土和氧的亲合力强，Re(稀土)加入钢液，能促进钢液的进一步脱氧，降低钢中氧含量，减少有害夹杂物的数量和危害，改善合金钢的冶金质量。稀土加入到钢液中，不但细化晶粒，而且促进结晶错位密度提高，加快了钢的加工硬化速度，使钢的耐磨性能随之提高。钢中的加入稀土对合金钢的耐磨性起到了主导作用。高度弥散的稀土氧化物和稀土硫化物质点(有阻止碳化物长大之特性)和高熔点的诸多金属碳化物，使晶粒细化，晶格奇曲变形，提高铸件的加工硬度(过程受力而变硬的特性)，使所制备的合金钢具有耐高温，耐磨损，耐腐蚀等优异性能。

本发明硫化耐热耐磨稀土合金钢的各项性能优异，经检测，其硬度为：HB220-360(热处理后)；冲击值(ak)为：2-5J/cm²；线膨胀系数为：a＝8.96×10^-6，摩擦系数：f＝0.01-0.05(有润滑)，0.10-0.12(无润滑)；许用速度：≤6m/S；许用比压：30-45Mpa；许用值≥25-30Mpa.m/S；环境温度≤800℃。

本发明硫化耐热耐磨稀土合金钢具有优异的耐高温、耐磨损、固体自润滑等性能，用它可生产各种形状低重负荷下的滑动轴承、轴瓦、轴套、耐磨衬板、滑板、机床滑道等产品，适用于制作常温和高温耐磨作业部件；也可代替铜合金类产品，如铜瓦、铜套等产品，相比铜合金类产品，具有耐压力、抗磨损、缺少润滑油工况使用优势，能延长工件寿命，经济效果明显。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

1、本实施例所制备的合金钢的各组成成分和含量按表1进行控制。

表1       (单位：重量百分比)

C：0.5％	Si：0.3％	W：1.2％	Mn：0.5％	Mo：0.8％
					S：1.5％	Cr：1.0％	V：0.3％	Re：0.01％	余量为铁

2、所用原材料：见表2。

表2        (单位：重量百分比)

名称	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr	W	V	Re	Mg
												安阳生铁	4.10	1.45	0.7	0.050	0.020
清洁废钢	0.20	0.25	0.4	0.020	0.020
												75％Fe-Si	0.10	75	0.5
高碳Fe-Mn	7	2.0	70	0.04	0.03
												55％Fe|-Mo	0.25	1.5		0.04	0.02	55
名称	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr	W	V	Re	Mg
												高碳Re-Cv	9.5	3.0		0.06	0.06		65
Fe-V	0.75	2.5	0.5						50
												Fe-W								75
硫化铁					32
												稀土镁										7	8

3、熔炼装料顺序

装料顺序：按表3A-J顺序下料

①成渣剂，配以硅酸盐如玻璃瓶制品3-5kg；

②金属炉料，其中易熔剂(生铁)、难熔料(合金料)；

③炉料熔炼结束有4.7％的烧损；炉料314.8kg；配比％：100；最终获得300kg；

表3            (单位：重量百分比)

材料	Kg	配比％	材料	Kg	配比％
						A生铁	8	2.7	F高碳锰铁	2.5	0.8

B钨铁	5	1.7	G硅铁	1.5	0.5
						C钼铁	4.5	1.5	H钒铁	2.6	0.9
D高碳铬铁	4.7	1.6	I硫化铁	15	5
						E废钢	270	85	J稀土镁	1	0.3

4、熔炼

采用300kg非真空中频感应电炉，装料始装入，成(渣)剂、生铁、钨铁、钼铁、铬铁，而后给电升温，待炉料熔清后温度钢液达1540℃±10℃加入高碳锰、硅铁、使钢液预脱氧并取样化验钢中诸多元素成分，并进行成分微调整；加入全部硫化铁，提高温度进行精炼；待钢液测温达1560℃，用铝终脱氧，出钢前加入用盒封装好的稀土镁料(压入钢液中)，待渣良好后，即可出钢。钢液在钢包中镇静1-2分钟，1540℃浇铸。

实施例2

本实施例所制备的合金钢的各组成成分和含量(重量百分比)按表4进行控制。

表4            (单位：重量百分比)

C：1.0％	Si：0.4％	W：1.5％	Mn：0.8％	Mo：1.7％
					S：2.5％	Cr：2.0％	V：0.5％	Re：0.1	余量为生铁

①生产工艺流程基本同实施例1，本实施例特点是采用高配碳、废钢料采用45#钢，用高碳铬铁、高碳锰铁增加钢中[C]。并采用生铁增碳措施。

②因钢中碳量高，钢水流动性好，实控钢液出钢温度和浇铸温度，较实施例1均可降低10℃。

具体用料：

①按A-J顺序(表5)下料；

②金属炉料，其中易熔剂(为生铁)、难熔料(为合金料)；

表5

材料	Kg	材料	Kg
				A生铁	12	F高碳锰铁	3.65
B钨铁	6.7	G硅铁	2
				C钼铁	9	H钒铁	3.5
D高碳铬铁	10	I硫化铁	26.3
				E废钢	237	J稀土镁	4.7

实施例3

本实施例所制备的合金钢的各组成成分和含量按表6进行控制。

表6

C：0.1％	Si：0.2％	W：0.19％	Mn：0.2％	Mo：0.3％
					S：0.5％	Cr：0.4％	V：0.10％	Re：0.01％	余量为生铁

①生产工艺流程基本同实施例1。本实施例特点是含碳低，这样就必须采用低碳配料选0-1#钢碳废钢，低Fe-Mn微碳络铁无需增碳。

②本实施例钢中含碳极低，钢液中的平衡氧较高，熔炼过程要注意加强脱氧环节。在钢液流动性相应变差的情况下，出钢温度和浇铸温度比实施例1要上提10℃。

具体用料：

①按A-J顺序(表7)下料；

②金属炉料，其中易熔剂(为生铁)、难熔料(为合金料)；

表7

材料	Kg	材料	Kg
				A生铁	0	F低碳锰铁	1
B钨铁	0.5	G硅铁	1
				C钼铁	2	H钒铁	0.8
D微碳铬铁	1.6	I硫化铁	4.7
				E废钢	303	J稀土镁	0.5

试验例1

1、试验地点：首钢迁钢公司炼钢分厂；

2、试验样品：用实施例1所制备的合金钢制备成的轴套轴瓦；

3、试验方法及结果：该厂连铸机二冷室辊道轴套属高温设备，24小时运转，工况条件恶劣，原使用铜套磨损快，寿命短，维修频繁，严重影响生产；改用试验样品后，使用3个月未发现过快磨损，可显著提高生产效率，可在原基础上提高3倍左右；步进冷床原用铜瓦，因设备负荷较大，出现磨损快，床体摆动产生倾斜擦边，严重影响生产，改用试验样品后，磨损快，床体摆动产生倾斜擦边等现象得到明显改进。

试验例2

1、试验地点：柳州钢铁股份有限公司中板厂

2、试验样品：用实施例2所制备的合金钢制备成的轴承；

3、试验方法及结果：该厂加热炉炉前辊道运转环境恶劣，温度高，湿度大，使用寿命短，由于维护不方便，常发生轴承破裂和滚珠卡死的现象，轴承的损耗大，容易产生设备故障，制约了该厂的生产。自2004年底大修时，该厂开始试用试验样品，经过一年的试用，发现试验样品平均使用的周期为4个月，比原用的轴承，其使用周期平均要长2-3个月。

试验例3

1、试验地点：南钢集团无锡金鑫轧钢有限公司；

2、试验样品：用实施例3所制备的合金钢制备成的轴承；

3、试验方法及结果：将试验样品在加热炉装钢辊道代替普通轴承进行试用，并推广到750前后辊道和升降台，试验结果如下：

(1)、原装钢辊道轴承使用寿命仅为1个月左右，改用试验样品后，已使用23个月未见损坏，尚可继续使用；

(2)、该试验样品抗氧化铁皮，耐高温，性能优良；

(3)、可在恶劣环境下替代普通轴承使用，可明显减少检修次数，降低生产成本，同时可降低劳动强度。

试验例4

1、试验地点：宝钢集团上海梅山钢铁有限公司(厂位置在南京雨花台区)

2、试验样品：用实施例3所制备的合金钢制备成的轴套；

3、试验方法及结果：在钢包耳轴代替铜套进行试用，试验结果如下：该部位原用铜合金轴套，经常因压力过大，铜套使用一个月断裂；改为制备的合金钢制备成的轴套，使用6个月没有断裂，耐压耐磨方面优于铜套。

Claims (9)

1、一种硫化耐热耐磨稀土合金钢，其特征在于，按重量百分比计，所述合金钢由以下各组分组成：碳0.1-1.0％，硅0.2-0.40％，钨0.1-1.5％，锰0.2-0.8％，钼0.3-1.7％，硫0.5-2.5％，铬0.4-2.0％，钒0.1-0.5％，稀土0.1-0.001％，余量为铁。

2、按照权利要求1所述的硫化耐热耐磨稀土合金钢，其特征在于，各组分的重量百分比为：碳0.5％，硅0.3％，钨1.2％，锰0.5％，钼0.8％，硫1.5％，铬1.0％，钒0.3％，稀土0.01％，余量为铁。

3、一种制备权利要求1或2所述硫化耐热耐磨稀土合金钢的方法，包括：

(1)按照所述硫化耐热耐磨稀土合金钢的组成成分和各成分的含量配比，计算并称取各原料的用量；

(2)熔炼：将清洁废钢装入中频电炉升温熔化；钢液全部熔化后加入合金原料，彻底脱氧后出钢；

(3)浇铸：将步骤(2)所得到的钢液进一步脱氧；镇静；浇铸成型；快速冷却；

(4)热处理：脱模成型铸件实施缓冷；缓冷后工件实施12小时以上高温退火处理，即得。

4、按照权利要求3的方法，其特征在于：步骤(2)中当钢液全部熔化后温度达1560±10℃时再加入合金原料。

5、按照权利要求3的方法，其特征在于：步骤(3)中所述镇静的时间为1-2分钟。

6、按照权利要求3的方法，其特征在于：所述浇铸成型是当钢液温度达到1540±10℃时进行浇铸成型。

7、按照权利要求3的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的退火处理为采用930℃的高温进行退火处理。

8、由权利要求1或2所述的硫化耐热耐磨稀土合金钢所制备得到的耐磨作业部件。

9、按照权利要求8所述的耐磨作业部件，其特征在于：所述的耐磨作业部件包括滑动轴承、轴瓦、轴套、耐磨衬板、滑板或机床滑道。