CN101906596A - 一种高硫减摩耐磨铸钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供适合于在-40℃～-60℃使用的为S、Cr、Si、Mo、Ni、Mn、P、C元素中4到8中元素的综合合金化的多元硫化物自润滑的铸钢，具有高硫减摩耐磨性能，其化学成分范围以质量百分比计为：C＜0.2％，Si＜1.3％，Mn＜0.5％，S＜1.3％，Cr＜1.2％，Mo＜0.5％，Ni＜0.5％，P＜0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。铸造方法为离心铸造。本发明的优点在于，通过不同元素间的合理配比，获得在-40℃～-60℃的温度时与已知高硫减摩耐磨铸钢相比具有更好的耐冲击性的高硫减摩耐磨铸钢。

Description

一种高硫减摩耐磨铸钢

技术领域

本发明属于铸钢技术领域，涉及一种在-40℃～-60℃的具有较高耐冲击性的高硫减摩耐磨铸钢。

背景技术

在冶金、矿山、煤机、运输、工程机械、磨具制造等领域，机械设备的活动部件的失效原因绝大多数都是由于磨损造成的。磨损是一切机械运动的固有特性，是相对物质表面不断损失或产生残余变形的过程。传统磨损理论将磨损分为四个类型：磨料磨损、腐蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损。长期以来，人类为了克服磨损给设备带来的损失，总结创造了很多抗磨损的办法，比如提高材料的强度和耐磨性，增加润滑、降低摩擦系数等。

将金属和合金的表面进行改性处理，是目前国内外常用的提高材料表面硬度和降低表面摩擦系数从而达到材料耐磨目的的方法，如渗硫或热喷涂等工艺。此方法可以得到良好的基材与渗层材的结合，使其表面具有较低的摩擦系数和高硬度。但是为了获得这种效果必须使工件置入有被渗入元素的活性介质中且必须在一定温度下加热，保温后再进行热处理，相应设备必不可少，不仅能源消耗大，周期长且工艺复杂，最大的缺点是渗层厚度仅在10±2um范围内，难以适应实际生产需要。

之后便由最初的渗硫改为在熔化铸钢时直接增硫，高硫减摩铸钢由此产生。高硫减摩铸钢属于铸钢中的一个新品种，只能用铸造方法成型，它与其他一般减摩铸钢的区别在于它不是靠本身硬度提高其耐磨性，而是靠其内部存在的大量的硫化物的自润滑性能，提高其减摩性而提高其耐磨性。它的基本原理是在钢中加入含量很高的硫，与其他合金冶炼，最后形成多种硫化物形式，在运动中自动释放出一种润滑膜，起到自润滑抗粘着的作用，可应用在冶金、矿山、煤机、运输、工程机械、磨具制造等领域。它运行可靠，大大降低了维护保养时间，减少了环境污染，提高了设备效率。例如专利号为“91108671.4”，名称为“高硫合金钢及生产方法”的中国专利中提到一种高硫合金钢，其公开了一种由铁、碳、硫及合金元素组成的高硫合金钢，其中硫含量为0.5～11％，这种合金钢具有一定的减摩耐磨性能，降低了机件的摩擦磨损系数，因而延长了机件的使用寿命。类似的技术方案还如申请号为“200510011276.0”，名称为“一种高硫减摩耐磨铸钢及其生产方法”的中国专利申请文件中提到的一种适合于高温及常温生产环境下的高硫减摩耐磨铸钢，其公开了这种高硫减摩耐磨铸钢的元素组成及含量，其原理也是通过提高硫含量增加其减摩性和耐磨性，从而提高机件的使用寿命。

在本领域，高硫减摩耐磨铸钢最主要的一个用途就是生产轴承，轴承最主要的两个性能是机械性能和轴承性能，轴承性能包括耐磨性和减摩性，机械性能包括耐冲击性、延伸性和抗拉性等。高温或者常温下能够满足使用要求的高硫合金钢在低温条件下的耐冲击性能有很大变化，往往是在高温或者常温下可以正常使用较长时间的由高硫合金钢制成的轴承在低温条件下低温脆性很差，很容易发生碎裂。而如何克服低温状态下，尤其是严寒状态下，长期作业过程中对于轴套的影响以及损害，特别是轴承在这种低温环境下的耐冲击性如何解决，这是一个技术难题。因此，本发明要解决如何生产一种适合于低温环境要求的高硫减摩耐磨铸钢的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于通过综合合金化提供一种高硫减摩耐磨铸钢，同时提供相应的铸造工艺。

本发明以S、C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、Ti、P等元素综合合金化的高硫减摩耐磨铸钢，其适合在-40℃～-60℃的严寒地区野外作业中使用的化学成分以质量百分数计为：C＜0.2％，Si＜1.3％，Mn＜0.5％，S＜1.3％，Cr＜1.2％，Mo＜0.5％，Ni＜0.5％，P＜0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。

以下根据各元素在该发明中的作用进行叙述：

C：是钢中常见元素，是影响铸钢力学性能的主要元素。随着碳含量增加，铸钢的屈服点和抗拉强度均升高，且抗拉强度比屈服点上升得更多。另外，随着碳含量增加，铸钢的塑性和韧性降低。并且C含量也是区分铸铁和铸钢的标准，铸钢是含碳小于2.11％的铁-碳合金，铸铁是含碳大于2.11％小于6.69％的铁-碳合金。本发明把C控制在＜0.2质量％范围内。

Si：是钢中常见元素，是主要合金化元素，改善合金的流动性，降低热裂倾向，减少疏松，提高气密性，可以提高铸钢的强度和硬度。本发明把Si控制在＜1.2质量％范围内。

Mn：是钢中常见元素，是良好的脱氧剂。Mn的有益作用是高的强度和耐磨性，淬透、渗碳、冷工硬化。Mn可改善钢的焊接性和低温性能，还可减慢钢的脱碳作用，还可适当改善钢的切削性能。Mn极易生成MnS₂，它是良好的固体润滑剂。它可以强化铁素体和珠光体，从而提高钢的强度。本发明把Mn控制在＜0.5质量％范围内。

Cr：是提高淬透性的元素，从而提高材料整体强度和韧性。Cr具有抗氧化性及耐腐蚀性能，是不锈耐酸钢和中温抗氢钢中的主要元素。Cr的加入更有利于材料综合性能的提高，一般在在钢中加入1％的Cr可使常温抗拉强度增加20MPa，高温时更加显著。CrS₂是一种极好的固体润滑剂，均匀的分布在钢中。本发明把Cr控制在＜1.2质量％范围内。

Mo：具有较强的碳化物形成能力，使较低含碳量的合金钢也具有较高的硬度。而且钼能够阻止奥氏体化的晶粒粗大。钼会造成C曲线的右移，减小了过冷度，极大的提高了淬透性，从而提高材料整体强度和韧性。MoS₂是一种极好的固体润滑剂，均匀的分布在钢中。本发明把Mo控制在＜0.5质量％范围内。

Ni：作用是提高淬透性及疲劳阻力，减少缺口敏感性，降低钢脆化转变温度，钢中含有少量Ni，屈伸强度可以提高。但Ni与S结合，形成低熔点NiS₂易于在晶界上形成网状而产生热脆，故本发明视工件性能要求，将Ni控制在＜0.5质量％范围内。

P：增加钢的脆性，尤其是低温脆性，又造成元素严重偏析，故本发明要求越低越好，一般控制在＜0.05质量％范围内。

S：是本发明合金铸件中的关键元素。例如钢中含有S在0.15-0.3％时，钢的切削性能大幅度得以提高；使材料表面低温渗硫，材料表面就有自润滑性。S与某些元素形成硫化物的亲和力依以下顺序而递增：Si、Co、Ni、Fe、W、Mo、Al、Cr、V、Nb、Mn、Ti、Zr。硫化物是一种优良的固体润滑剂，其润滑能力取决于它们分层的组织结构。一些硫化物，如硫化钼、硫化钨、硫化铬、硫化铁等均有密集六方晶体层状结构。实验和实践证明，这种结构最容易分离出诸多滑移面，使其自润滑性大大增强。它把两相对运动的物体表面间的摩擦转变为硫化物层与层之间的具有极低摩擦系数的摩擦。硫化物对金属有较强的附着性能，一般摩擦不易脱落。另外，硫化物在其塑变时易于填平金属表面凹凸不平之处，以避免在摩擦时相对运动中金属间相互接触而产生的粘着破坏；硫化物抗压性能高，在高压下金属表面也不会产生咬死或熔接。本发明把S控制在＜1.3质量％范围内。

根据上述理由，按规定在冶炼时加入各种合金元素，可以得到一种十分新颖的具有高自润滑性能的高硫减摩耐磨铸钢。在选择合金元素时同时考虑它们形成的硫化物类型和自润滑作用、它们改善硫化物形态和分布的有益作用，它们提高基体硬度、强度和耐寒性的有益作用，一种元素至少要起一种有益作用，但整个的合金化系统必须保证以上三方面的有益作用和保证钢中所能溶入所需的硫含量。

上述的用于轴套生产的高硫减摩耐磨铸钢的生产方法包括配料备料、冶炼和铸造三个主要环节，其特征在于：将废钢(或工业纯铁)、钼铁和钨铁等难熔且不易氧化的合金料加入中频感应炉中加热熔化，温度达到1620-1680℃时炉前定碳并用废电极碎块补碳，同时加入硅铁、铬铁和钒铁等脱氧和合金化，待全部熔化后再加入硫铁，待所有物料全部熔化且成分均匀化后进行浇注，浇注温度为1500-1600℃，可采用离心铸造和金属铸造。

本发明的有益效果是：在充分利用多元硫化物固体自润滑作用和减摩耐磨作用的同时减少其对力学性能的有害作用，以利于通过提高硫含量和硫化物量增加其减摩性和耐磨性，由此获得在-40℃或乃至-60℃的温度时与已知铸钢相比具有更高的耐磨性和低脆性的高硫减摩耐磨铸钢。

具体实施方式

根据本发明的一种适合于在-40℃～-60℃使用的高硫减摩耐磨铸钢，为S、Cr、Si、Mo、Ni、Mn、P、C元素中4到8中元素的综合合金化的多元硫化物自润滑的铸钢，所述高硫减摩耐磨铸钢的化学成分以质量百分比计为：

C＜0.2％

Si＜1.3％

Mn＜0.5％

S＜1.3％

Cr＜1.2％

Mo＜0.5％

Ni＜0.5％

P＜0.05％

其余为Fe及不可避免的杂质。

更为具体地，在根据本发明的一个具体实施例中，所述高硫减摩耐磨铸钢的化学成分以质量百分比计为：

C    0.10％

S    1.00％

Mn   0.21％

Si   0.14％

P    0.023％

其余为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，结合本实施例说明其具体生产工。首先按照所给出的化学成分范围，将废钢加入中频感应炉加热熔化，温度达到1640℃时加入硅铁、铬铁、碳棒碎块脱氧并合金化，全部熔化后加入硫铁，待所有物料全部熔化且成分均匀化后进行浇注。优选的浇注温度为1540℃。

更进一步地，在一个优选例中，根据本发明示出的高硫减摩铸钢的铸造方式为离心铸造。具体地，将熔化的铸钢熔液倒入离心铸钢机的旋转的铸型里，在离心力作用下充型并凝固成铸件，采用离心铸造的优点是铸钢熔液在离心力作用下充型和凝固，金属补缩效果好，铸件组织致密，机械性能好；铸造铸件不需浇冒口，金属利用率可大大提高。因此对于高硫减摩铸钢的铸造工艺来说，离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺。次优选地，高硫减摩铸钢的铸造方式为金属型铸造。具体地，将熔化的铸钢熔液倒入金属铸型，以获得铸件。本领域技术人员理解，所述金属型铸造也是现有技术，在此不予赘述。

将根据本发明示出的具体实施例中的元素含量比例生产出的高硫减摩耐磨铸钢加工成10×10×55u2型冲击试样3件，根据GB/T229-2007“金属材料夏比摆锤冲击试验方法”测试，分别在-40℃、-50℃与-60℃的环境条件下进行测试，得出的冲击吸收功数据具体如表1所示。

表1

将上述冲击功数据转化为冲击韧性，具体转化方法为用试样缺口处的截面积去除冲击吸收功，可得到材料的冲击韧度。表1中所得冲击吸收功转化为冲击韧性数值列表如表2所示。

表2

根据上海建筑机械制造厂理化实验室做的检测报告证明，冲击韧性为1.764J/CM²的高硫铸铁轴承件在2年时间内正常使用没有任何问题，而现在即使在-60℃时最低测试数据仍为5.5J/CM²，是该数值的3.1倍，而本发明最高数值11.2J/CM²，更是达到了原先数值的6.4倍，由此证明本发明的高硫减摩耐磨铸钢的性能完全可以达到-40℃～-60℃使用标准。同时可以证明本发明的作用的为申请专利号为“01120590.3”，名称为“一种超高硫具有多种复合自润滑的高耐磨合金铸造材料”的中国专利申请文件，其中该发明所提到的高耐磨合金铸造材料，冲击功测试数据为9.0J/CM²、6.5J/CM²和4.5J/CM²，与本发明的测试数据相类似，但该发明的测试温度为常温条件，而本发明的测试温度是-40℃、-50℃和-60℃，两者温度相差巨大，但测试数据相类似，更说明了本发明的实用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种高硫减摩耐磨铸钢，其特征在于，适合于在-40℃～-60℃使用的为S、Cr、Si、Mo、Ni、Mn、P、C元素中4到8中元素的综合合金化的多元硫化物自润滑的铸钢，具有高硫减摩耐磨性能，其化学成分范围以质量百分比计为：C＜0.2％，Si＜1.3％，Mn＜0.5％，S＜1.3％，Cr＜1.2％，Mo＜0.5％，Ni＜0.5％，P＜0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述高硫减摩耐磨铸钢，其特征在于，适合于在-40℃～-60℃使用的高硫减摩耐磨铸钢，其化学成分范围为：C 0.10％，S 1.00％，Mn 0.21％，Si 0.14％，P 0.023％，其余为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述高硫减摩铸钢，其特征在于，所述高硫减摩铸钢的浇注方法为

-离心铸造；以及

-金属型铸造。