CN104313452B - 一种含碳化物奥贝耐磨球铁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含碳化物奥贝耐磨球铁及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。先在电炉内冶炼球铁铁水，当铁水的化学组成及其质量百分数达到3.40～3.70C,1.05～1.30Si,1.00～1.20Cr,3.55～3.80Mn,P<0.10,S<0.05,余量为Fe及不可避免的杂质，且铁水温度达到1530～1560℃时，出炉到铁水球化包内，采用铜镁合金球化处理，并用含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金孕育和变质处理，可获得性能优异的含碳化物奥-贝耐磨球铁。
Description
技术领域
本发明公开了一种奥贝球铁及其制备方法，特别涉及一种含碳化物奥-贝耐磨球铁及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。
背景技术
奥贝球铁是在普通珠光体球铁上，通过等温淬火，获得的一种具有良好强韧性和较好耐磨性的球铁材料，中国发明专利CN103276181A公开了一种奥贝球铁衬套的热处理工艺，包括以下步骤：(1)用球墨铸铁铸造衬套，进行机械加工；(2)将衬套放入箱式电阻炉中加热到850～950℃，保温1小时；(3)将加热后的衬套立即淬入250～300℃的硝盐炉中，保温1小时；(4)出炉水冷5分钟左右。该发明提供的奥贝球铁衬套的热处理工艺，制造的奥贝球铁衬套，具有高强度、高硬度、良好的冲击性、高耐磨性和抗疲劳性，磨耗小，很好地控制了销、套的配合间隙，运行途中的振动及噪声明显小于其他车辆，横向摆动也很小，保证了转向架的正位；奥贝球铁衬套光亮度高，抗腐蚀性能良好，运用拆检未发现有裂损现象。中国发明专利CN102560228A还公开了一种ADI车轮的生产方法，包括浇注ADI车轮铸坯、对车轮铸坯粗加工、等温淬火处理、抛丸处理和精加工步骤；其特征在于所述浇注ADI车轮铸坯是将低硫低磷生铁进行浇注，所述低硫低磷生铁中硫＜0.02％、磷＜0.03％、锰＜0.31％、镁0.039～0.062％、稀土元素铈或钇≥0.02％；在中频电炉中熔炼时，喷吹氩气净化铁水，1480～1560℃出炉，并采用球化处理和二次孕育处理；所述等温淬火处理是在可控气体保护的320～385℃盐浴炉中进行，所述可控气体由体积百分比为一氧化碳18％、氢气42％和氮气40％组成，控制热变形量在±0.2mm之内，等温淬火处理的时间为1～3.5小时，奥贝化时间为1～3.5小时，温度环境为820～930℃；所述ADI车轮的石墨球数球化级别为GB9441-88的1-4级，石墨大小为不粗于GB9441-88的5级，基体组织中磷共晶渗碳体总量≤5％。中国发明专利CN102115845A还公开了一种铜锰合金奥贝球铁，按重量百分比计，其组份含有C3.6－4.2％，Si0.01－0.06％，Mn≤0.7％，P≤0.05％，S≤0.02％，Mo0.3－0.6％，Cu0.8－1.6％，其余为铁。该发明的有益效果是：该发明制成的铜锰合金奥贝球铁的塑性符合抗磨铸件冲击载荷工况要求，抗拉强度以及硬度远胜于高锰钢，并且稳定性好，易于加工。中国发明专利CN101736190A还公开了一种合金奥贝球铁蜗轮及其制备工艺，该蜗轮的组分按重量百分比计，其组份含有C3.5－3.9％，Si2.3－2.9％，Mn≤0.4％，P≤0.035％，S≤0.03％，Mo0.2－0.3％，Cu0.3－0.6％，Ni0.2－0.5％，其余为铁，经过熔炼，以稀土镁合金为球化剂，硅铁为孕育剂，处理后浇注毛坯，蜗轮毛坯经过粗加工，加热后等温淬火得到适量残余奥氏体，再进行精加工滚齿，即制成合金奥贝球铁蜗轮。本蜗轮具有抗疲劳强度高、抗点蚀能力强、密度比钢低、变形小等优点。适合于替代铜合金或者锌基合金(ZA27)生产阀门电动执行机构(或阀门电动装置)上的蜗轮，生产成本明显降低。中国发明专利CN101713454A还公开了一种铜铌高强度奥贝球铁重型商用车主/从动螺旋锥齿轮的制造方法，其特征是它包括以下步骤：(1)炉料准备：按重量百分比，Q10生铁55－65％、低碳钢10－15％和回炉铁20－30％进行炉料配比；(2)熔化：采用中频炉熔炼铁水，熔炼铁水温度1490－1530℃出炉，然后进行球化处理，球化处理采用冲入法，温度在1460－1490℃；球化处理工艺如下：按每包出铁水量的1.5－1.7％将稀土镁硅铁球化剂放入球化包中，然后放0.6－0.8％的孕育剂最后放入0.9－1.1％的覆盖剂，待铁水温度达到球化处理工艺温度时直接将铁水冲入在球化包中进行球化处理；(3)造型：采用包括加砂、造型、合箱、浇注后冷却、落砂及砂处理系统的多触头高压造型机，用金属模型板的模具造型；(4)浇注：采用机械浇包人工浇注，浇注温度1350－1450℃，浇注速度为4.5－5.5kg/s或保持铁液上升速度为30－50mm/s；(5)落砂：铸件在砂箱中冷却40－60分钟后，进行打箱落砂，采用机械振动式落砂机落砂；(6)清理：采用吊钩式抛丸清理机对铸件喷丸清理，使用钢丸直径1.5－2.0mm；(7)退火：采用台车式电阻炉，退火温度：890－920℃，保温时间：3－4小时，之后随炉冷至600－550℃出炉；(8)机械加工：采用通用齿轮设备进行机械加工，检验加工后的尺寸；(9)奥氏体化和等温淬火：采用井式气氛控制电阻炉进行奥氏体化和等温淬火处理，奥氏体形成基理是将工件加热到Ac1或Ac3以上，使常温下原有的组织转变为奥氏体，奥氏体化温度900－920℃，等温淬火温度840－860℃，等温保温后进行淬火，冷却介质为油，等温保温温度300－320℃，所得金相组织为贝氏体加残余奥氏体；(10)衍磨：采用齿轮衍磨机床对螺旋锥齿轮进行衍磨；(11)终检入库：表面质量及全尺寸检验。中国发明专利CN1936368还公开了锰铜合金奥贝球铁汽车后桥螺旋锥齿轮及其制备方法。该齿轮是以普通新生铁为原材料，采用冲天炉和电炉双联熔炼，以稀土镁硅铁合金为球化剂，处理后造渣除渣，分两次孕育浇注齿轮毛坯，再经机加工、等温淬火和回火处理后制成。该齿轮的组成重量百分比为：C3.4～3.8％，Si2.4～2.9％，Mn0.4～1.0％，Cu0.5～1.2％，＜0.06％P，＜0.02％S，余量为铁。合金成分选用Mn、Cu保证淬透性的前提下，具有强度、塑性、韧性、抗疲劳性能和耐磨性都很高的综合力学性能。锰铜合金奥贝球铁特别适合替代20CrMnTi合金锻钢生产EQ140和EQ145汽车后桥螺旋锥齿轮，而成本明显降低。中国发明专利CN1861313还公开了一种用于柴油机上的奥贝(上贝)球铁齿轮的制造工艺，具体地说是将上贝氏体+残余奥氏体之奥贝(上贝)球铁制造齿轮，并应用于大功率车用柴油机上。其制造方法为：铁模制造、覆膜砂造型、电炉熔炼、球化处理、浇注、退火、超声波检测、粗加工、半精加工、滚齿、等淬热处理、喷丸处理、精加工、剃齿或磨齿、打标识、成品检验、清洗、上防锈油、包装入库。该发明奥贝(上贝)球铁齿轮与钢齿轮相比可显著降低齿轮噪声，减轻齿轮重量约10％，奥贝球铁(上贝)齿轮具有良好的综合力学性能，高于调质态齿轮钢，良好的耐磨性，高于氮化钢齿轮，较高的接触疲劳强度，高于氮化钢齿轮，接近20CrMnTi渗碳钢齿轮，较高的弯曲疲劳强度。中国发明专利CN1035140还公开了铜钨系合金奥贝球铁，其特征是组成重量百分比为＜0.5％Mn；3.4～3.8％C；2.4～2.7％Si；＜0.07％P；＜0.02％S；0～1.5％Cu；0～1.0％W。铜钨系合金奥贝球铁的热处理工艺是铸件加热到900～930℃，保温1小时，淬入盐浴中，盐浴终温为300-330℃，盐浴重量和淬入铸件重量比应不小于5。但是上述奥贝球铁普遍存在硬度较低，抗磨料磨损能力较差等不足。
为了提高奥贝球铁的耐磨性，中国发明专利CN103320674A公开了一种带碳化物等温淬火球铁及其淬火工艺，它是在Mn、Si合金基础上加Cr和B，适当增加碳化物量、并用RE—B进行孕育变质处理，使碳化物成细小均匀分布的团块状，以提高硬度、抗磨性、淬透性和韧性；加Sn及增加Si量，提高基体电极电位，并与Cr共同形成表面钝化膜，以提高抗腐蚀性。该带碳化物等温淬火球铁的淬火工艺是分级等温淬火，关键是将奥氏体化处理后的工件用分级淬火油进行第一级等温淬火，避免珠光体产生后，在空气等温炉中用适当温度进行第二级等温淬火，以获得适量细针下贝氏体基础上，增加回火马氏体量，进一步提高硬度和抗磨性，从而获得强度硬度高、韧性恰当、抗磨抗腐蚀性强、加工性能良好、精度易保证、成本低的带碳化物等温淬火球铁。中国发明专利CN103225036还公开了一种硼碳化物强化耐磨贝氏体球铁磨球及其制造方法，其特征在于磨球化学组成按质量百分比％为：3.35-3.65C，2.50-2.90Si，2.65-3.20Mn，0.65-0.90Cr，0.25-0.35B，0.03-0.06Mg，0.03-0.05Y，0.05-0.09Bi，0.08-0.12Ti，0.03-0.08Al，0.03-0.05Sb，＜0.08P，＜0.025S，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明磨球经电炉熔炼、金属型铸造成形和水玻璃水溶液淬火后，具有硬度高，韧性好，破碎率低和磨耗小等特点。中国发明专利CN103060668还公开了一种含碳化物球铁及其制备方法，其化学组成质量百分比％为：3.40～3.65C,2.35～2.80Si,2.80～3.15Mn,1.60～1.85Cr,0.04～0.06Mg,0.03～0.05K,0.008～0.016Ca,0.018～0.035Ba,0.03～0.06Ti,0.025～0.050V，0.012～0.018N,<0.10P,<0.02S,余量为Fe及不可避免的杂质。可以用电炉或冲天炉熔炼，经铸造成形后，再经等温淬火，可获得优异的性能。中国发明专利CN101589661还公开了一种带有碳化物的等温淬火球铁犁铧，该犁铧以等温淬火球墨铸铁为原料，该球墨铸铁包括下列重量百分比的化学成份：C3.40～3.80，Si2.20～2.80，Mn0.20～0.50，P≤0.03，S≤0.02，Mg0.03～0.04，Re0.01～0.02，Cr0.25～0.50，其余为铁；所述的球墨铸铁中的石墨金相组织为：球化率2级以上，石墨大小6级以上，石墨数量＞100个/mm2；所述球墨铸铁的基体是：马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物；所述碳化物＜20wt％；该发明具有如下有益效果：该发明改变了过去采用低合金钢精铸犁铧的传统工艺；其使用寿命是低合金钢材料犁铧的3倍以上；价格比精铸低合金钢犁铧降低三分之一，大大降低农业生产成本。
但是，上述含碳化物奥贝球铁，生产工艺复杂，碳化物分布不均匀，导致球铁的强韧性波动较大，影响含碳化物奥贝球铁的推广应用。
发明内容
本发明目的是在奥贝球铁中，加入碳化物形成元素，并加入微合金元素改变碳化物形态和分布，在此基础上，采用水玻璃溶液淬火，可获得具有良好强韧性和优异耐磨性的含碳化物奥贝耐磨球铁。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
本发明含碳化物奥贝耐磨球铁的具体制备工艺步骤包括：
①先在电炉内冶炼球铁铁水，铁水的化学组成及其质量百分数达到3.40～3.70C,1.05～1.30Si,1.00～1.20Cr,3.55～3.80Mn,P<0.10,S<0.05,余量为Fe及不可避免的杂质，当铁水温度达到1530～1560℃时，出炉到铁水球化包内；铁水球化包内预先加入了铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金，铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金加入量分别占加入到铁水球化包内铁水质量分数的1.2～1.5％和2.8～3.2％；铜镁合金颗粒尺寸为25～35mm，含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金颗粒尺寸为12～20mm；
②当步骤①所得铁水温度降至1380～1420℃时，将铁水浇注成铸件，铸件毛坯经清砂、去浇冒口和飞边、毛刺处理后，随炉加热至920～960℃，保温2～4小时后，在含有质量分数6～10％NaOH、温度为40～60℃、浓度为10～13°Bé水玻璃溶液中淬火冷却20～40分钟，即可获得性能优异的含碳化物奥贝耐磨球铁。
如上所述铜镁合金的化学组成及其质量分数是：15～20％Mg,85～80％Cu。
如上所述含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金的化学组成及其质量分数是：35～38％Si,5.0～6.5％K,7.0～8.5％Zn,6.0～8.0％Ca,6.0～8.0％Al,余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明含碳化物奥贝耐磨球铁中，加入了3.55～3.80％的Mn，可以提高球铁淬透性，有利于获得奥贝组织。此外，还加入了1.00～1.20％的强碳化物形成元素Cr，易于获得耐磨硬质相(Cr,Fe)3C碳化物，有利于提高球铁耐磨性。在此基础上，在铁水中加入占铁水球化包内铁水质量分数的1.2～1.5％铜镁合金，且其颗粒尺寸为25～35mm，其化学组成及其质量分数是：15～20％Mg,85～80％Cu，除了起促进石墨球化作用外，还利用铜提高淬透性及在基体中的固溶强化作用，从而可提高含碳化物奥贝耐磨球铁的综合性能。在此基础上，加入占铁水球化包内铁水质量分数的2.8～3.2％含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金，且含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金颗粒尺寸为12～20mm，其化学组成及其质量分数是：35～38％Si,5.0～6.5％K,7.0～8.5％Zn,6.0～8.0％Ca,6.0～8.0％Al,余量为Fe及不可避免的杂质，除了利用硅的孕育作用外，Ca和Al有脱氧、脱硫作用，铁别是Ca有促进夹杂物形态和分布改善的作用。K和Zn的加入除了具有细化晶粒作用外，还有改善碳化物形态和分布的作用，可提高含碳化物奥贝耐磨球铁的综合性能。
此外，当铁水温度降至1380～1420℃时，将铁水浇注成铸件，铸件毛坯经清砂、去浇冒口和飞边、毛刺处理后，随炉加热至920～960℃，保温2～4小时后，实现奥氏体化，然后在含有质量分数6～10％NaOH、温度为40～60℃、浓度为10～13°Bé水玻璃溶液中淬火冷却有利于获得奥贝组织。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1)本发明含碳化物奥贝耐磨球铁中不含昂贵的钼、镍、稀土等昂贵元素，具有较低的生产成本；
2)本发明含碳化物奥贝耐磨球铁制造工艺简便，易于实现规模化生产；
3)本发明含碳化物奥贝耐磨球铁硬度超过55HRC，抗拉强度超过800MPa，冲击韧性大于30J/cm2，具有良好的综合性能；
4)本发明含碳化物奥贝耐磨球铁具有优异的耐磨性，其耐磨性比普通奥贝球铁提高50％以上。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1:
采用500公斤中频感应电炉熔炼含碳化物奥贝耐磨球铁材料，具体制备工艺如下：
①先在电炉内冶炼球铁铁水，当铁水的化学组成及其质量百分数达到3.44C,1.28Si,1.01Cr,3.79Mn,0.074P,0.041S,余量为Fe及不可避免的杂质，且铁水温度达到1559℃时，出炉到铁水球化包内。铁水球化包内预先加入了铜镁合金(铜镁合金的化学组成及其质量分数是：15％Mg,85％Cu)和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金(含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金的化学组成及其质量分数是：37.84％Si,5.06％K,8.45％Zn,6.15％Ca,7.90％Al,余量为Fe及不可避免的杂质)，铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金加入量分别占加入到铁水球化包内铁水质量分数的1.5％和2.8％。铜镁合金颗粒尺寸为25～35mm，含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金颗粒尺寸为12～20mm。
②当铁水温度降至1415℃时，将铁水浇注成铸件，铸件毛坯经清砂、去浇冒口和飞边、毛刺处理后，随炉加热至960℃，保温4小时后，在含有质量分数10％NaOH、温度为42℃、浓度为13°Bé水玻璃溶液中淬火冷却20分钟，即可获得性能优异的含碳化物奥贝耐磨球铁，具体性能见表1。
实施例2:
采用500公斤中频感应电炉熔炼含碳化物奥贝耐磨球铁材料，具体制备工艺如下：
①先在电炉内冶炼球铁铁水，当铁水的化学组成及其质量百分数达到3.69C,1.06Si,1.18Cr,3.59Mn,0.067P,0.046S,余量为Fe及不可避免的杂质，且铁水温度达到1532℃时，出炉到铁水球化包内。铁水球化包内预先加入了铜镁合金(铜镁合金的化学组成及其质量分数是：20％Mg,80％Cu)和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金(含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金的化学组成及其质量分数是：35.23％Si,6.47％K,7.02％Zn,7.90％Ca,6.08％Al,余量为Fe及不可避免的杂质)，铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金加入量分别占加入到铁水球化包内铁水质量分数的1.2％和3.2％。铜镁合金颗粒尺寸为25～35mm，含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金颗粒尺寸为12～20mm。
②当铁水温度降至1384℃时，将铁水浇注成铸件，铸件毛坯经清砂、去浇冒口和飞边、毛刺处理后，随炉加热至960℃，保温2小时后，在含有质量分数6％NaOH、温度为60℃、浓度为10°Bé水玻璃溶液中淬火冷却40分钟，即可获得性能优异的含碳化物奥贝耐磨球铁，具体性能见表1。
实施例3:
采用500公斤中频感应电炉熔炼含碳化物奥贝耐磨球铁材料，具体制备工艺如下：
①先在电炉内冶炼球铁铁水，当铁水的化学组成及其质量百分数达到3.56C,1.22Si,1.09Cr,3.67Mn,0.075P,0.038S,余量为Fe及不可避免的杂质，且铁水温度达到1546℃时，出炉到铁水球化包内。铁水球化包内预先加入了铜镁合金(铜镁合金的化学组成及其质量分数是：20％Mg,80％Cu)和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金(含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金的化学组成及其质量分数是：36.84％Si,5.97％K,7.82％Zn,6.91％Ca,6.88％Al,余量为Fe及不可避免的杂质)，铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金加入量分别占加入到铁水球化包内铁水质量分数的1.4％和3.0％。铜镁合金颗粒尺寸为25～35mm，含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金颗粒尺寸为12～20mm。
②当铁水温度降至1397℃时，将铁水浇注成铸件，铸件毛坯经清砂、去浇冒口和飞边、毛刺处理后，随炉加热至950℃，保温3小时后，在含有质量分数8％NaOH、温度为53℃、浓度为12°Bé水玻璃溶液中淬火冷却30分钟，即可获得性能优异的含碳化物奥贝耐磨球铁，具体性能见表1。
表1含碳化物奥贝耐磨球铁力学性能
| 力学性能 | 硬度/HRC | 抗拉强度/MPa | 冲击韧性/J.cm-2 |
| 实施例1 | 56.4 | 835 | 36.0 |
| 实施例2 | 55.7 | 830 | 32.8 |
| 实施例3 | 56.6 | 850 | 34.7 |
本发明含碳化物奥贝耐磨球铁中不含昂贵的钼、镍、稀土等昂贵元素，具有较低的生产成本，且制造工艺简便，易于实现规模化生产。本发明含碳化物奥贝耐磨球铁硬度超过55HRC，抗拉强度超过800MPa，冲击韧性大于30J/cm2，具有良好的综合性能，在ML100型磨损试验机上进行对比磨损试验，与普通奥贝球铁相比，磨损量减少50％以上，其耐磨性比普通奥贝球铁提高50％以上，具有良好的推广应用前景。
Claims (4)
1.一种含碳化物奥贝耐磨球铁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①先在电炉内冶炼球铁铁水，铁水的化学组成及其质量百分数达到3.40～3.70C,1.05～1.30Si,1.00～1.20Cr,3.55～3.80Mn,P<0.10,S<0.05,余量为Fe及不可避免的杂质，当铁水温度达到1530～1560℃时，出炉到铁水球化包内；铁水球化包内预先加入了铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金，铜镁合金和含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金加入量分别占加入到铁水球化包内铁水质量分数的1.2～1.5％和2.8～3.2％；铜镁合金颗粒尺寸为25～35mm，含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金颗粒尺寸为12～20mm；
②当步骤①所得铁水温度降至1380～1420℃时，将铁水浇注成铸件，铸件毛坯经清砂、去浇冒口和飞边、毛刺处理后，随炉加热至920～960℃，保温2～4小时后，在含有质量分数6～10％NaOH、温度为40～60℃、浓度为10～13°Bé水玻璃溶液中淬火冷却20～40分钟，即可获得性能优异的含碳化物奥贝耐磨球铁。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述铜镁合金的化学组成及其质量分数是：15～20％Mg,85～80％Cu。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述含Si-K-Zn-Ca-Al铁合金的化学组成及其质量分数是：35～38％Si,5.0～6.5％K,7.0～8.5％Zn,6.0～8.0％Ca,6.0～8.0％Al,余量为Fe及不可避免的杂质。
4.按照权利要求1-3的任一方法制备得到的含碳化物奥贝耐磨球铁。
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