CN103290304B - 一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料，按照质量百分比由以下组分组成：C：3.2%-3.4%，Si：2.6%-2.8%，Mn：0.60%-0.90%，P：0.25%-0.35%，B：0.05%-0.1%，Ti：0.08%-0.12%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%。能够在不增加热处理退火的前提下，直接车削出中等硬度的环、套、筒形零件。
Description
技术领域
本发明属于工业技术领域，涉及一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料，本发明还涉及该材料的制备方法。
背景技术
对于应用在摩擦场合下的钢铁材料而言，硬度与切削性能构成了一对难以调和的矛盾。为了高效廉价地制造量大面广的钢质标准件，材料科学工作者早已发明了易切削钢。但在易切削耐磨铸铁材料的研发上，多年来却进展甚微。已有的专利《一种高强度的易切削铸铁》（申请号：89101097.1，公开号：1045279，公开日：1990-09-12），是通过提高硅碳比、降低Mn含量而提高了材料强度，但是其铸件硬件却降低到HB160-210，不具备耐磨性能。而专利《高强度易切削加工灰铸铁》（申请号：201010543613，公开号：101962731A，公开日：2011-02-02），解决不了硬度与切削的矛盾。所查阅到的仅有的一篇专业论文——“易切削高硅铸铁新材料”（载于《新技术新工艺》1996年第3期），“介绍了含Ca易切削高硅铸铁新材料，闸明了微量元素Ca在高硅铸铁中的作用机理和效果。在高硅铸铁中加入微量稀土钙（Re－Ca）添加剂，可以降低硬度，改善切削加工性能”，可见仍然是以降低硬度、牺牲耐磨性为“易切削”的先决条件。
事实上，人们对铸铁材料所关注的，在一定的强度基础上，更多的是其（表面）硬度，因为正是硬度才与其减摩和耐磨性能直接相关。减摩耐磨的易切削铸铁、特别是空心形状的易切削耐磨铸铁材料更为装备制造业所急需。以内燃机气缸套为例，现在我国每年生产一千多万辆汽车，需要近亿只气缸套，车削加工量极大，如果能使其硬度保持较高而切削加工性能良好，其经济社会效益将十分可观。目前的主流技术是用离心铸造方法生产硼-磷铸铁管坯，经车削加工而成。加入B、P的目的是提高其耐磨性。所存在的问题是：
1、轻质的B、P元素在离心铸造时产生向心偏析，难以分布到管坯中心层中，而是聚集到内壁上，既难以在中心层形成足够多的磷共晶和硼化物，又增加了内壁层车削时的困难；
2、离心铸管的中心层必然存在缩松组织，而在车削掉坚硬的内壁层之后，中心层恰恰成了气缸套的滑动摩擦面；
3、离心铸管的外壁和棱边硬度往往超过HB250（按照制造企业的工艺规范，可到HB290），给车削加工造成困难，而中心层上的硬度约为HB200，不利于抵抗磨损。为了克服这一弊病，有些缸套制造企业增加了激光淬火等工艺，然而这样一来使制造成本大大增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料，能够在不增加热处理退火的前提下，直接车削出中等硬度的环、套、筒形零件。
本发明所采用的技术方案是，一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料，按照质量百分比由以下组分组成：C：3.2%-3.4%，Si：2.6%-2.8%，Mn：0.60%-0.90%，P：0.25%-0.35%，B：0.05%-0.1%，Ti：0.08%-0.12%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%。
本发明的特点还在于，
该铸铁材料是由连续铸造方法获得的空心型材。
该铸铁材料金相组织的特征是：磷共晶和硼化物以细小的鱼骨状碎块的形式，弥散分布在珠光体基体上，呈非网状分布。
本发明的另一目的是提供一种上述的铸铁材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照质量百分比称取以下组分：C：3.2%-3.4%，Si：2.6%-2.8%，Mn：0.60%-0.90%，P：0.25%-0.35%，B：0.05%-0.1%，Ti：0.08%-0.12%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%，并将以上材料熔化为铁水；
2）将化好的铁水从浇注杯浇入中频感应保温炉，调整中频感应保温炉的功率，使铁水始终保持在1350℃±10℃；
3）牵引辊夹持的引锭杆插入结晶器，使引锭杆带有倒锥形的引晶头的下端插入结晶器上部1/3深处，然后对结晶器进行通水冷却；
4）开启气压控制柜，使压缩空气进入炉膛，压下液面，铁水通过升液管进入结晶器，液面高度根据浇注杯中同时升高的液面来确定；然后给碳硅棒加热器通电，防止浇注杯杯口处铁水冷凝；
5）根据结晶器13内径Φ的粗细，等待0.5-2分钟，当Φ≤100mm时等待0.5分钟，当Φ≥200mm时等待2分钟，当100≤Φ≤200时按插值公式确定，牵引辊提拉引锭杆，步进式拉出已冷凝成形的管壳；待管壳拉拔1-2米长时，管壳表面无气坑和疤痕缺陷后，开启超声发生器，给结晶器施加超声场，用红外温度传感器测量从结晶器拉出的管壳的表面温度，使管壳的表面温度为900℃—1000℃；
6）待铁水消耗接近完毕前，续加第二包铁水；气压控制装置通过气液比例传感器来控制结晶器中的液面保持恒定，使结晶成形过程稳定不断；
7）当管壳拉制长度4±0.05米或所需长度时，牵引辊上方的随动切断机构进行断取操作，对成形的管壳进行检测后，即得到所述的铸铁材料。
步骤7）中对成形的管壳检测包括：
a.测量断口处的管壁厚度，调整拉拔参数，若小于所要求的厚度，则增加拉拔的停歇时间，反之，则减少拉拔停歇时间，使之完全与产品要求一致；
b.对成形管壳作成分化验和金相组织观察分析，同时进行机械力学性能测试，以便调整下一次的拉拔参数，若珠光体比例较少，铁素体比例较高，强度较低而塑性较高，则增加铁水中的含碳量，降低含硅量，反之则增加含硅量降低含碳量；
检查硬度，若硬度偏高，即HB≥310，则将B含量降低到下限；若硬度偏低，即HB≤260，则将B含量提升到上限，使HB值处于260-310。
本发明的有益效果是，该材料其外形为空心型材，用连续铸造方法拉制而成，不需热处理而硬度为HB260-310，耐磨性成倍提高。铸态组织中的硬质相——硼化物和磷共晶数量虽多，但不连成网状，而是弥散分布，且呈现鱼骨状。此种独特的金相组织使车削加工时刀刃部前沿的剪切挤压带变窄，具有了良好的切削性能，但对磨粒磨损的抵抗力较强。用此材料可在不增加热处理退火的前提下，直接车削出中等硬度的环、套、筒形零件，如汽车发动机缸套，显著提高使用寿命。
附图说明
图1是经改造后的低塑性金属空心型材的连铸成形设备的结构示意图；
图2是低塑性金属空心型材的连铸成形设备中超声发生器的结构示意图；
图3是图2沿A-A方向的剖视图；
图4是200倍放大的连铸B-P铸铁型材中硼化物和磷共晶显微照片；
图5是400倍放大的连铸B-P铸铁型材中硬质相中镶嵌的形态与分布显微照片。
图中，1.感应保温炉，2.坩埚，3.浇注管，4.密封炉盖，5.浇注杯，6.碳硅棒加热器，7.进/排气管，8.热电偶管，9.牵引辊，10.空心型材，11.超声发生器b，12.压紧螺丝，13.结晶器，14.升液管，15.铁水，16.超声发生器a，17.连接底座a，18.连接底座b，19.石墨套，20.引锭杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：C：3.2%-3.4%，Si：2.6%-2.8%，Mn：0.60%-0.90%，P：0.25%-0.35%，B：0.05%-0.1%，Ti：0.08%-0.12%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%。该铸铁材料是由连续铸造方法获得的空心型材，其磷共晶和硼化物以细小的鱼骨状碎块的形式，弥散分布在珠光体基体上，呈非网状分布。
本发明还提供上述铸铁材料的制备方法，该制备方法在专利低塑性金属空心型材的连铸成形设备（专利号：ZL200710018928.2，公开号：101134231，公开日：2008-03-05）上实施，如图1-3所示，与原装置不同之处在于，在原有的水冷结晶器13的上部侧面，通过连接底座a17与连接底座b18固定安装两个1000W的超声发生器，呈90°分布，以求纵向超声波可以作用在结晶器内铁水液柱的全部范围内，且超声发生器及其与控制器的连接导线用石棉布包裹，防止铁水溅伤失效，包括以下步骤：
1）按照质量百分比称取以下组分：C：3.2%-3.4%，Si：2.6%-2.8%，Mn：0.60%-0.90%，P：0.25%-0.35%，B：0.05%-0.1%，Ti：0.08%-0.12%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%，并将以上材料熔化为铁水；
2）将化好的铁水从浇注杯浇入中频感应保温炉，调整中频感应保温炉的功率，使铁水始终保持在1350±10℃；
3）牵引辊9夹持的引锭杆20插入结晶器13，使引锭杆20带有倒锥形的引晶头的下端插入结晶器13上部1/3深处，然后对结晶器13进行通水冷却；
4）开启气压控制柜，使压缩空气进入炉膛，压下液面，铁水通过升液管14进入结晶器13，液面高度根据浇注杯5中同时升高的液面来确定；然后给碳硅棒加热器6通电，防止浇注杯5杯口处铁水冷凝；
5）根据结晶器13内径Φ的粗细，等待0.5-2分钟，当Φ≤100mm时等待0.5分钟，当Φ≥200mm时等待2分钟，当100≤Φ≤200时按插值公式确定等待时间，牵引辊9提拉引锭杆20，步进式拉出已冷凝成形的管壳；待管壳拉拔1-2米长时，管壳表面无气坑和疤痕缺陷后，开启超声发生器11，给结晶器13施加超声场，用红外温度传感器测量从结晶器13拉出的管壳的表面温度，使管壳的表面温度为900℃—1000℃；
6）待铁水消耗接近完毕前，续加第二包铁水；气压控制装置通过气液比例传感器来控制结晶器13中的液面保持恒定，使结晶成形过程稳定不断；
7）当管壳拉制一定长度，如4±0.05米，或根据用户要求确定，牵引辊9上方的随动切断机构进行断取操作，对成形的管壳进行检测后，即得到所述的铸铁材料。
其中步骤7）中对成形的管壳检测包括：
a.测量断口处的管壁厚度，调整拉拔参数，若小于所要求的厚度，则增加拉拔的停歇时间，反之，则减少拉拔停歇时间，使之完全与产品要求一致；
b.对成形管壳作成分化验和金相组织观察分析，同时进行机械力学性能测试，以便调整下一次的拉拔参数；该步骤具体如何进行，请详细说明
c.检查硬度，若硬度偏高，即HB≥310，将B含量降低到下限；若硬度偏低，即HB≤260，将B含量提升到上限，使HB值处于260-310；
实施例1
按照质量百分比称取以下组分：C：3.2%，Si：2.8%，Mn：0.8%，P：0.3%，B：0.05%，Ti：0.12%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%，并将以上材料熔化为铁水，将化好的铁水从浇注杯浇入中频感应保温炉，调整中频感应保温炉的功率，使铁水始终保持在1350℃±10℃；
牵引辊夹持的引锭杆插入结晶器，使引锭杆带有倒锥形的引晶头的下端插入结晶器上部1/3深处，然后对结晶器进行通水冷却；
开启气压控制柜，使压缩空气进入炉膛，压下液面，铁水通过升液管进入结晶器，液面高度根据浇注杯中同时升高的液面来确定；然后给碳硅棒加热器通电，防止浇注杯杯口处铁水冷凝；
根据结晶器内径Φ的粗细，等待0.5-2分钟，当Φ≤100mm时等待0.5分钟，当Φ≥200mm时等待2分钟，当100≤Φ≤200时按插值公式确定，牵引辊提拉引锭杆，步进式拉出已冷凝成形的管壳；待管壳拉拔1-2米长时，管壳表面无气坑和疤痕缺陷后，开启超声发生器，给结晶器施加超声场，用红外温度传感器测量从结晶器拉出的管壳的表面温度，使管壳的表面温度为900℃—1000℃；
待铁水消耗接近完毕前，续加第二包铁水；气压控制装置通过气液比例传感器来控制结晶器中的液面保持恒定，使结晶成形过程稳定不断；
当管壳拉制长度4±0.05米时，牵引辊上方的随动切断机构进行断取操作，对成形的管壳进行检测后，即得到所述的铸铁材料。
实施例2
按照质量百分比称取以下组分：C：3.4%，Si：2.7%，Mn：0.6%，P：0.25%，B：0.07%，Ti：0.08%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%，并将以上材料熔化为铁水，将化好的铁水从浇注杯浇入中频感应保温炉，调整中频感应保温炉的功率，使铁水始终保持在1350℃±10℃；
牵引辊夹持的引锭杆插入结晶器，使引锭杆带有倒锥形的引晶头的下端插入结晶器上部1/3深处，然后对结晶器进行通水冷却；
开启气压控制柜，使压缩空气进入炉膛，压下液面，铁水通过升液管进入结晶器，液面高度根据浇注杯中同时升高的液面来确定；然后给碳硅棒加热器通电，防止浇注杯杯口处铁水冷凝；
根据结晶器内径Φ的粗细，等待0.5-2分钟，当Φ≤100mm时等待0.5分钟，当Φ≥200mm时等待2分钟，当100≤Φ≤200时按插值公式确定，牵引辊提拉引锭杆，步进式拉出已冷凝成形的管壳；待管壳拉拔1-2米长时，管壳表面无气坑和疤痕缺陷后，开启超声发生器，给结晶器施加超声场，用红外温度传感器测量从结晶器拉出的管壳的表面温度，使管壳的表面温度为900℃—1000℃；
待铁水消耗接近完毕前，续加第二包铁水；气压控制装置通过气液比例传感器来控制结晶器中的液面保持恒定，使结晶成形过程稳定不断；
当管壳拉制长度4±0.05米时，牵引辊上方的随动切断机构进行断取操作，对成形的管壳进行检测后，即得到所述的铸铁材料。
实施例3
按照质量百分比称取以下组分：C：3.3%，Si：2.6%，Mn：0.9%，P：0.35%，B：0.1%，Ti：0.1%，S≤0.1%，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100%，并将以上材料熔化为铁水，将化好的铁水从浇注杯浇入中频感应保温炉，调整中频感应保温炉的功率，使铁水始终保持在1350℃±10℃；
牵引辊夹持的引锭杆插入结晶器，使引锭杆带有倒锥形的引晶头的下端插入结晶器上部1/3深处，然后对结晶器进行通水冷却；
开启气压控制柜，使压缩空气进入炉膛，压下液面，铁水通过升液管进入结晶器，液面高度根据浇注杯中同时升高的液面来确定；然后给碳硅棒加热器通电，防止浇注杯杯口处铁水冷凝；
根据结晶器内径Φ的粗细，等待0.5-2分钟，当Φ≤100mm时等待0.5分钟，当Φ≥200mm时等待2分钟，当100≤Φ≤200时按插值公式确定，牵引辊提拉引锭杆，步进式拉出已冷凝成形的管壳；待管壳拉拔1-2米长时，管壳表面无气坑和疤痕缺陷后，开启超声发生器，给结晶器施加超声场，用红外温度传感器测量从结晶器拉出的管壳的表面温度，使管壳的表面温度为900℃—1000℃；
待铁水消耗接近完毕前，续加第二包铁水；气压控制装置通过气液比例传感器来控制结晶器中的液面保持恒定，使结晶成形过程稳定不断；
当管壳拉制长度达到所需长度时，牵引辊上方的随动切断机构进行断取操作，对成形的管壳进行检测后，即得到所述的铸铁材料。
本发明所依据的技术原理在于：
1>结晶器13对铁水的强烈冷却和超声振动在铁水中引致的“空泡化闭合”效应，使共晶团密度成倍增加，从而使晶界面积成倍增加，由此而细化和弥散了硬质相（硼化物、磷共晶、渗碳体等）的体积及分布。连续铸造的结晶器，其冷却速度是砂型铸造的30倍、离心铸造的5倍左右，铁水凝固时的形核率大大提高，而超声振动使已经结晶的枝晶折断，成为更多的晶核，使铸态组织更为细密；
2>这些硬质相沿共晶团之间的界面分布，晶界增加使得沿晶界析出的硬质相（硼化物的硬度HV1000-1400，磷共晶的硬度HV600-700）的厚度随之减薄，从离心铸造所得到的连续网状变成断续网状甚至非网状形态。这种形态使得后续车削加工时刀刃横切硬质相的几率减少，对刀刃的磨损较小；
3>快速冷却和超声振动条件下，硬质相来不及长大成块状或厚片状，而是成为单薄的鱼骨状（硼化物）和窗格状（磷共晶），弥散分布在晶界上，见图4。我们知道，车削切割的实质是刀刃前部的金属被瞬时剪切挤压——撕裂的过程，切削阻力大小取决于剪切挤压带的宽窄。断续分布的鱼骨状和窗格状硬质相，相比于连续分布的厚片状和块状，其剪切挤压带窄得多，从而其切削阻力很低；
4>由图5可详见，鱼骨状的硼化物和窗格状的磷共晶中，镶嵌着深浅不一的石墨片，这是由于连续铸造的冷却速度快，晶界附近碳原子来不及远距离扩散，就地形核为细薄片石墨，被快速生长的硬质相包裹所致。这些石墨片割裂了硬质相，使其更易在车削时挤碎折断，进一步降低了切削阻力；
5>鱼骨状和窗格状的硬质相弥散分布，并且镶嵌有石墨片，容易被挤碎折断，可以使剪切挤压带变窄，降低切削阻力，但是对于磨粒磨损来说，却有比网状分布的大块状硬质相更大的抵抗作用。磨粒磨损的机理是：小直径的磨粒首先犁削掉软基体组织，使硬质相悬空，然后剥落，成为磨粒，加速磨损。因为硬质磨粒的直径是大小不等的，显然，受磨材料中的硬质相越是弥散分布，软基体也就越细密，能犁削进入的磨粒也就越少。
Claims (5)
1.一种中硬度易切削的耐磨铸铁材料，其特征在于，按照质量百分比由以下组分组成：C：3.2％-3.4％，Si：2.6％-2.8％，Mn：0.60％-0.90％，P：0.25％-0.35％，B：0.05％-0.1％，Ti：0.08％-0.12％，S≤0.1％，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100％；
该铸铁材料金相组织的特征是：磷共晶和硼化物以细小的鱼骨状碎块的形式，弥散分布在珠光体基体上，呈非网状分布。
2.根据权利要求1所述的中硬度易切削的耐磨铸铁材料，其特征在于，该铸铁材料是由连续铸造方法获得的空心型材。
3.一种权利要求1所述的铸铁材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照质量百分比称取以下组分：C：3.2％-3.4％，Si：2.6％-2.8％，Mn：0.60％-0.90％，P：0.25％-0.35％，B：0.05％-0.1％，Ti：0.08％-0.12％，S≤0.1％，Fe为余量，以上各组分质量百分比总和为100％，并将以上材料熔化为铁水；
2)将化好的铁水从浇注杯浇入中频感应保温炉，调整中频感应保温炉的功率，使铁水始终保持在1350℃±10℃；
3)牵引辊(9)夹持的引锭杆(20)插入结晶器(13)，使引锭杆(20)带有倒锥形的引晶头的下端插入结晶器(13)上部1/3深处，然后对结晶器(13)进行通水冷却；
4)开启气压控制柜，使压缩空气进入炉膛，压下液面，铁水通过升液管(14)进入结晶器(13)，液面高度根据浇注杯(5)中同时升高的液面来确定；然后给碳硅棒加热器(6)通电，防止浇注杯(5)杯口处铁水冷凝；
5)根据结晶器(13)内径Φ的粗细，等待0.5-2分钟，当Φ≤100mm时等待0.5分钟，当Φ≥200mm时等待2分钟，当100≤Φ≤200时按插值公式确定，牵引辊(9)提拉引锭杆(20)，步进式拉出已冷凝成形的管壳；待管壳拉拔1-2米长时，管壳表面无气坑和疤痕缺陷后，开启超声发生器(11)，给结晶器(13)施加超声场，用红外温度传感器测量从结晶器(13)拉出的管壳的表面温度，使管壳的表面温度为900℃—1000℃；
6)待铁水消耗接近完毕前，续加第二包铁水；气压控制装置通过气液比例传感器来控制结晶器(13)中的液面保持恒定，使结晶成形过程稳定不断；
7)当管壳拉制到所需长度时，牵引辊(9)上方的随动切断机构进行断取操作，对成形的管壳进行检测后，即得到所述的铸铁材料。
4.根据权利要求3所述的铸铁材料的制备方法，其特征在于，步骤7)中对成形的管壳检测包括：
a.测量断口处的管壁厚度，调整拉拔参数，若小于所要求的厚度，则增加拉拔的停歇时间，反之，则减少拉拔停歇时间，使之完全与产品要求一致；
b.对成形管壳作成分化验和金相组织观察分析，同时进行机械力学性能测试，以便调整下一次的拉拔参数，若珠光体比例较少，铁素体比例较高，强度较低而塑性较高，则增加铁水中的含碳量，降低含硅量，反之则增加含硅量降低含碳量；
c.检查硬度，若硬度偏高，即HB≥310，则将B含量降低到下限；若硬度偏低，即HB≤260，则将B含量提升到上限，使HB值处于260-310。
5.根据权利要求3所述的铸铁材料的制备方法，其特征在于，步骤7)中管壳拉制长度为4±0.05米。
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Citations (2)
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| US5851014A (en) * | 1995-07-15 | 1998-12-22 | A E Goetze Gmbh | Slide ring seal assembly for the running gears of track-laying vehicles |
| CN101532116A (zh) * | 2009-03-02 | 2009-09-16 | 贵州金磨科工贸发展有限公司 | 用于生产气缸套的多元微量合金铸件新材料及制备方法 |
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| CN101532116A (zh) * | 2009-03-02 | 2009-09-16 | 贵州金磨科工贸发展有限公司 | 用于生产气缸套的多元微量合金铸件新材料及制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 硼系合金白口耐磨铸铁的切削加工;朱正芳等;《水利电力机械》;19851231(第03期);34-39 * |
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