CN105331894A - 一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球及其制备方法，所述钢球的成分及重量百分比为：C：0.1～0.15％，Cr：5～7％，Si：0.2～0.4％，Mn：1～1.5％，P：≤0.015％，纳米Si3N4颗粒0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的钢材具有屈服强度高，韧性和耐冲击性能良好，耐磨性能优异的性能，且制备工艺简单，钢球成本低。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁技术领域，特别涉及一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球及其制备方法。
背景技术
研究表明，对材料组织的细化处理是同时提高材料强度和韧度的最为有效途径，而钢中的第二相粒子(主要是夹杂物和强化相)对钢的性能有很大影响，主要表现为凝固时细化铸态组织，轧制过程中成为再结晶核心以及作为钉扎粒子阻碍晶粒长大。但只有当非金属夹杂物尺寸小于1μm，且数量少到夹杂物彼此之间的距离超过10μm时，非金属夹杂物才不会对材料的宏观性能造成影响。同时，当第二相粒子很细小时，才能在凝固结晶及热加工过程中对钢的组织起到一定的细化作用，从而提高钢的综合力学性能。钢中的第二相粒子大都是钢内部析出产生的，很难控制其尺寸及分布达到上述要求。基于钢中的第二相粒子对钢性能的积极作用，因此，通过在钢中外加超细颗粒(如纳米颗粒)的新方法，来提升钢的组织性能和综合力学性能是一个增强铸造钢球性能新途径。
但由于纳米颗粒具有比表面积大、活性高、易团聚、体积密度小等特点，在炼钢生产中很难实现用喷粉、喂丝的方法加入钢液中并使其均匀分散。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球及其制备方法，其制备工艺简单、成本低，且制备的钢球具有屈服强度高、韧性和耐冲击性能良好、耐磨性能优异的性能。
本发明第一方面提供一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球，其组分及组分的重量百分比分别为：C：0.1～0.15％，Cr：5～7％，Si：0.2～0.4％，Mn：1～1.5％，P：≤0.015％，纳米Si3N4颗粒：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述纳米Si3N4颗粒的粒度为15～25nm。
本发明第二方面提供一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米Si3N4颗粒与铁粉按比例采用行星磨在氮气保护下进行机械混合，实现纳米Si3N4颗粒在铁粉中预分散；
S2、将在铁粉中预分散的纳米Si3N4颗粒加压成型成合适大小的块状，置于真空电弧炉中熔融，制备得到含纳米Si3N4颗粒的熔块；
S3、将熔块按照一定的比例加入到钢水中，实现纳米Si3N4颗粒在钢水中的均匀分散；
S4、将C、Cr、Si、Mn、P与纳米Si3N4颗粒按比例混合后加入到工频炉中后，加热到1500～1600℃，变成液体状态；
S5、将上述液体倒入钢包中，浇注于模具之中，冷却脱模成型为钢球；
S6、将钢球进行热处理并冷却。
进一步地，所述步骤S2中采用50t双柱手动液压机将在铁粉中预分散的纳米Si3N4颗粒预压成型。
优选地，所述步骤S2中真空电弧炉的炉温控制在1500～1600℃，并保温5min。
进一步地，所述步骤S6包括：
S601、将冷却了的钢球加热到1000-1050℃；
S602、在800～900℃下用淬火液淬火，淬火时间2min；
S603、淬火后在450～500℃下回火，冷却速度10-12℃/min；
S604、待冷却至250℃后，放入保温桶中缓慢冷却到室温。
优选地，所述步骤S603的回火过程采用空冷。
基于上述技术方案的公开，本发明提供的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球及其制备方法通过将纳米Si3N4颗粒分散于钢液中，制备得到了具有高硬度、高耐磨性能、高冲击韧性的钢球，对降低球磨机能耗、降低研磨成本等具有重要的作用；同时，由于采用行星磨在氮气保护下对纳米Si3N4颗粒与铁粉按比例进行机械混合，实现了纳米Si3N4颗粒在铁粉中预分散；再通过与钢水混合、浇铸、脱模、热处理、冷却等工艺，得到了屈服强度高、韧性和耐冲击性能良好、耐磨性能优异的纳米Si3N4颗粒增强增韧耐磨钢球。
附图说明
图1为本发明提出的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法流程图；
图2为添加不同含量纳米Si3N4颗粒后钢球晶粒尺寸的测定值；
图3为添加不同含量纳米Si3N4颗粒后钢球表面显微硬度的测定值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详述。
请参照图1，本发明提供的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法包括如下步骤：
S1、将纳米Si3N4颗粒与铁粉按比例采用行星磨在氮气保护下进行机械混合，实现纳米Si3N4颗粒在铁粉中预分散；
S2、将在铁粉中预分散的纳米Si3N4颗粒加压成型成合适大小的块状，置于真空电弧炉中熔融，制备得到含纳米Si3N4颗粒的熔块；
S3、将熔块按照一定的比例加入到钢水中，实现纳米Si3N4颗粒在钢水中的均匀分散；
S4、将C、Cr、Si、Mn、P与纳米Si3N4颗粒按比例混合后加入到工频炉中后，加热到1500～1600℃，变成液体状态；
S5、将上述液体倒入钢包中，浇注于模具之中，冷却脱模成型为钢球；
S6、将钢球进行热处理并冷却。
其中，所述步骤S2中采用50t双柱手动液压机将在铁粉中预分散的纳米Si3N4颗粒预压成型；真空电弧炉的炉温控制在1500～1600℃，并保温5min。
所述步骤S6的热处理工作具体为：
S601、将冷却了的钢球加热到1000-1050℃；
S602、在800～900℃下用淬火液淬火，淬火时间2min；
S603、淬火后在450～500℃下回火，冷却速度10-12℃/min；
S604、待冷却至250℃后，放入保温桶中缓慢冷却到室温。
其中，回火过程采用空冷。最终钢球的金相组织主要为珠光体。
具体个案请参阅下述实施例。
实施例1：
组分及组分的重量百分比分别为：C：0.1％，Cr：5％，Si：0.2％，Mn：1％，P：≤0.015％，纳米Si3N4颗粒0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。将各组分加入到工频炉中后，加热到1500～1600℃成液体状态，倒入钢包中后，浇注于模具之中，待冷却成型和热处理后，即得到纳米Si3N4颗粒增强增韧耐磨铸造钢球。经过显微硬度测试，其表面硬度达到65HRC。
实施例2：
钢水基材的组成为：C：0.12％，Cr：6％，Si：0.3％，Mn：1.3％，P：≤0.015％，纳米Si3N4颗粒0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。将各组分加入到工频炉中后，加热到1500～1600℃成液体状态，倒入钢包中后，浇注于模具之中，待冷却成型和热处理后，即得到纳米Si3N4颗粒增强增韧耐磨铸造钢球。经过显微硬度测试，其表面硬度达到75HRC。
实施例3：
钢水基材的组成为：C：0.15％，Cr：7％，Si：0.4％，Mn：1.5％，P：≤0.015％，纳米Si3N4颗粒0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。将各组分加入到工频炉中后，加热到1500～1600℃成液体状态，倒入钢包中后，浇注于模具之中，待冷却成型和热处理后，即得到纳米Si3N4颗粒增强增韧耐磨铸造钢球。经过显微硬度测试，其表面硬度达到83HRC。
实施例4
在实施例1的基础上，通过改变添加不同含量的纳米Si3N4颗粒，检测钢球的晶粒尺寸如图2所示。
由此可见，随着纳米Si3N4颗粒含量的增加，钢球铸态晶粒尺寸呈递减规律，其晶粒组织大幅度细化。
实施例5
在实施例1的基础上，通过改变添加不同含量的纳米Si3N4颗粒，检测钢球的表面显微硬度如图3所示。
由此可见，随着纳米Si3N4颗粒含量的增加，钢球硬度明显增加。
综上，本发明提供的所述提供的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球及其制备方法通过将纳米Si3N4颗粒分散于钢液中，制备得到了具有高硬度、高耐磨性能、高冲击韧性的钢球，对降低球磨机能耗、降低研磨成本等具有重要的作用；同时，由于采用行星磨在氮气保护下对纳米Si3N4颗粒与铁粉按比例进行机械混合，实现了纳米Si3N4颗粒在铁粉中预分散；再通过与钢水混合、浇铸、脱模、热处理、冷却等工艺，得到了屈服强度高、韧性和耐冲击性能良好、耐磨性能优异的纳米Si3N4颗粒增强增韧耐磨钢球。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球，其特征在于，其组分及组分的重量百分比分别为：
C：0.1～0.15％，Cr：5～7％，Si：0.2～0.4％，Mn：1～1.5％，P：≤0.015％，纳米Si3N4颗粒：0.1～0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球，其特征在于，所述纳米Si3N4颗粒的粒度为15～25nm。
3.一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将纳米Si3N4颗粒与铁粉按比例采用行星磨在氮气保护下进行机械混合，实现纳米Si3N4颗粒在铁粉中预分散；
S2、将在铁粉中预分散的纳米Si3N4颗粒加压成型成合适大小的块状，置于真空电弧炉中熔融，制备得到含纳米Si3N4颗粒的熔块；
S3、将熔块按照一定的比例加入到钢水中，实现纳米Si3N4颗粒在钢水中的均匀分散；
S4、将C、Cr、Si、Mn、P与纳米Si3N4颗粒按比例混合后加入到工频炉中后，加热到1500～1600℃，变成液体状态；
S5、将上述液体倒入钢包中，浇注于模具之中，冷却脱模成型为钢球；
S6、将钢球进行热处理并冷却。
4.根据权利要求3所述的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中采用50t双柱手动液压机将在铁粉中预分散的纳米Si3N4颗粒预压成型。
5.根据权利要求3所述的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中真空电弧炉的炉温控制在1500～1600℃，并保温5min。
6.根据权利要求3所述的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
S601、将冷却了的钢球加热到1000-1050℃；
S602、在800～900℃下用淬火液淬火，淬火时间2min；
S603、淬火后在450～500℃下回火，冷却速度10-12℃/min；
S604、待冷却至250℃后，放入保温桶中缓慢冷却到室温。
7.根据权利要求3所述的一种纳米Si3N4增强增韧耐磨铸造钢球的制备方法，其特征在于，所述步骤S603的回火过程采用空冷。
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