CN105714183A - 一种含钒钛球铁材料及热处理工艺 - Google Patents

一种含钒钛球铁材料及热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含钒钛球铁材料，按质量百分比计，包括以下组分：碳3.20％-3.90％、硅2.30％-2.93％、锰0.96％-2.80％、铬0.20％-0.90％、铜0.60％-0.90％、钼0.80％-1.20％、钒0.54％-0.68％、钛0.3％-0.78％、铌0.01％-0.09％、0≤磷＜0.05％、0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，其余为铁。本发明通过对各组分的合适配比，具有晶粒细化、提高硬度、增强淬透性、Ms点下移、下贝氏体铁素体更易形成等优点。

Description

一种含钒钛球铁材料及热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种铸造加工领域，尤其涉及一种钒钛球铁及热处理工艺。
背景技术
目前常规球墨铸铁用于机床床身、机械曲轴及耐磨材料等，并分别采取不同的热处理工艺。球墨铸铁(后简称球铁)作为耐磨材料一般是奥氏体化保温后等温淬火，使材料最终得到下贝氏体铁素体、残余奥氏体及球状石墨的复相组织，使材料具有硬度与韧性很好得到协调，并且具有很强的加工硬化能力，是一种抗一定冲击耐磨材料。等温淬火一般在盐浴槽中进行，而盐一般由亚硝酸钠与硝酸钾等组成，分别为毒害品、易爆品，使用相当危险。这就限制了球铁在一些领域的发展，不符合可持续发展的方向，一种不用等温淬火又能得到类似组织的球铁材料及热处理工艺迫在眉睫。
发明内容
鉴于上述不足因素，本发明目的在于提供一种新型球铁材料及热处理工艺，旨在解决取消等温淬火而能得到希望的显微金相组织，既消除了安全隐患又节能环保。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种含钒钛球铁材料，按质量百分比计，包括以下组分：碳3.20％-3.90％、硅2.30％-2.93％、锰0.96％-2.80％、铬0.20％-0.90％、铜0.60％-0.90％、钼0.80％-1.20％、钒0.54％-0.68％、钛0.3％-0.78％、铌0.01％-0.09％、0≤磷＜0.05％、0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，其余为铁。
本发明的有益效果是：本发明提供的球铁材料，在传统C-Si系球铁基础上优化了C、Si、Mn等含量，并添加了V、Ti、Mo、Cu、Nb等，在结晶过程中V、Ti、Nb的加入增多了行核点使晶粒细化，并有少量碳化物形成增加硬度，Mo、Cu的加入使铸锭整体淬透性增强，Ms点下移，下贝氏体铁素体更易形成，从而配置一种全新的球铁材料。本发明中V、Ti、Mo、Cu、Nb与C、Si、Mn等元素配合，使铸态组织均匀优点，可以弥补成分偏析缺陷，进而降低奥氏体化温度，降低能耗；尤其在回火和使用过程中特殊碳化物的析出增强加工硬化能力。本发明所述的含钒钛球铁材料可以广泛应用于发电、水泥、冶金矿山、工程机械等领域。
所述稀土元素主要是镧、铈、钇等。优选地，所述稀土元素为复合稀土元素。所述复合稀土元素指两种或两种以上的稀土元素的混合。
采取上述技术方案的有益效果为：通过添加稀土元素使片状石墨呈球状；使球状石墨保持长时间不变形；可深度降低氧和硫的含量,降低磷、硫、氢、砷、锑、铋、铅、锡等低熔点元素的有害作用；能改变夹杂物的性质、形态和分布；能细化钢的凝固组织,从而改善钢的性能；偏聚于晶界,引起晶界的结构、化学成分和性能的变化,并影响其它元素的扩散和新相形核与长大,从而导致钢的组织与性能发生变化,这种变化被认为是稀土的微合金化作用。
本发明还提供一种铸件的热处理工艺，包括以下步骤：
1)将铸件进行奥氏体化保温，具体操作为：将上述含钒钛球铁材料的铸件在830-880℃温度下保温，保温时间按D×2min/mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；
2)将步骤1)奥氏体化保温的铸件在淬火介质中冷却；
3)将淬火介质中冷却的铸件进行低温回火。
采取上述技术方案的有益效果为：本发明在配方改进的基础上同时对热处理工艺进行了优化，尤其淬火后无需立即回火，实现了硬度与韧性有机结合，使产品广泛用于耐磨制品等领域，既消除了安全隐患又节能环保。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述铸件经过熔炼铁水、球化、浇注成型铸件而成。
进一步，步骤2)中，所述淬火介质为质量浓度为8％-12％的NaCl水溶液。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用氯化钠水溶液作为冷却介质，具有成本低、无毒且环保等优点。氯化钠水溶液的质量浓度为8％-12％有利于提高介质冷却能力，如果质量浓度过高或过低都会降低介质冷却能力。
进一步，步骤2)中，所述冷却时间按D×sec/3mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm，sec的中文名称是秒。
采用上述进一步方案的有益效果是：如果冷却时间过短，容易出现铸件心部为珠光体或屈氏体组织、淬不透等问题；如果冷却时间过长，容易出现马氏体组织增多、韧性下降等问题。
进一步，步骤3)中，低温回火的具体方法为：将淬火介质中冷却的铸件置于回火炉中回火，回火温度为200-250℃，保温时间为2-4小时。
采用上述进一步方案的有益效果是：合适的回火温度和保温时间有利于，如果回火温度温度过低，组织应力大容易出现冲击值降低等问题，如果回火温度过高容易出现硬度降低；如果保温时间过短，铸件加热不足，应力不能完全去除，如果保温时间过长，浪费能源。
本发明中，保温时间均从达到目的温度时开始计时。
附图说明
图1为本发明所述的含钒钛球铁材料的金相显微组织图谱。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：1、球状石墨，2、碳化物，3、4、针状铁素体和奥氏体混合物。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种含钒钛球铁材料，按质量百分比计，包括以下组分：碳3.20％-3.90％、硅2.30％-2.93％、锰0.96％-2.80％、铬0.20％-0.90％、铜0.60％-0.90％、钼0.80％-1.20％、钒0.54％-0.68％、钛0.3％-0.78％、铌0.01％-0.09％、0≤磷＜0.05％、0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，其余为铁。
稀土元素主要有镧、铈、钇等。
所述含钒钛球铁材料生产状态为淬火加低温回火工艺，包括以下步骤：
1)按照上述配比经熔炼铁水、球化、浇注成型制成铸件；
2)将铸件进行奥氏体化保温，具体操作为：将步骤1)制得的铸件在830-880℃温度下保温，保温时间按D×2min/mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；
3)将步骤2)奥氏体化保温的铸件在淬火介质中冷却，所述淬火介质为质量浓度为8％-12％的NaCl水溶液，所述冷却时间按D×sec/3mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；sec是时间单位秒。
4)将淬火介质中冷却的铸件进行低温回火，具体操作为：将淬火介质中冷却的铸件置于回火炉中回火，回火温度为200-250℃，保温时间为2-4小时。
实施例1至实施例3中，所述稀土元素为镧钇复合稀土元素。
实施例1
一种含钒钛球铁材料，按质量百分比计，包括以下组分：C3.20％、Si2.30％、Mn0.96％、Cr0.20％、Cu0.60％、Mo0.80％、V0.54％、Ti0.3％、Nb0.01％、Mg0.03％、稀土元素0.02％，其余为Fe。
所述含钒钛球铁材料生产状态为淬火加低温回火工艺，包括以下步骤：
1)按照上述配比经熔炼铁水、球化、浇注成型制成铸件；
2)将铸件进行奥氏体化保温，具体操作为：将步骤1)制得的铸件在830℃温度下保温，保温时间按D×2min/mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；
3)将步骤2)奥氏体化保温的铸件在淬火介质中冷却，所述淬火介质为质量浓度为8％的NaCl水溶液，所述冷却时间按D×sec/3mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；sec是时间单位秒。
4)将淬火介质中冷却的铸件进行低温回火，具体操作为：将淬火介质中冷却的铸件置于回火炉中回火，回火温度为200℃，保温时间为2小时。
实施例2
一种含钒钛球铁材料，按质量百分比计，包括以下组分：
C3.90％、Si2.93％、Mn2.80％、Cr0.90％、Cu0.90％、Mo1.20％、V0.68％、Ti0.78％、Nb0.09％、P0.045％、S0.028％、Mg0.05％、稀土元素0.03％，其余为Fe。
工艺过程如下：
1)按照上述配比经熔炼铁水、球化、浇注成型制成铸件。
2)将铸件进行奥氏体化保温，具体操作为：将步骤1)制得的铸件在880℃温度下保温，保温时间按D×2min/mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm。
3)将步骤2)奥氏体化保温的铸件在淬火介质中冷却，所述淬火介质为质量浓度为10％的NaCl水溶液，所述冷却时间按D×sec/3mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；sec是时间单位秒。
4)将淬火介质中冷却的铸件进行低温回火，具体操作为：将淬火介质中冷却的铸件置于回火炉中回火，回火温度为250℃，保温时间为4小时。
实施例3
一种含钒钛球铁材料，按质量百分比计，包括以下组分：
C3.60％、Si2.5％、Mn1.56％、Cr0.50％、Cu0.70％、Mo1.00％、V0.60％、Ti0.50％、Nb0.05％、P0.02％、S0.01％、Mg0.04％、稀土元素0.025％，其余为Fe。
工艺过程如下：
1)按照上述配比经熔炼铁水、球化、浇注成型制成铸件；
2)将铸件进行奥氏体化保温，具体操作为：将步骤1)制得的铸件在850℃温度下保温，保温时间按D×2min/mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；
3)将步骤2)奥氏体化保温的铸件在淬火介质中冷却，所述淬火介质为质量浓度为12％的NaCl水溶液，所述冷却时间按D×sec/3mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；sec是时间单位秒；
4)将淬火介质中冷却的铸件进行低温回火，具体操作为：将淬火介质中冷却的铸件置于回火炉中回火，回火温度为220℃，保温时间为3小时。
将实施例1热处理后的铸件进行金相显微组织图谱检测，结果如图1所示，黑色球团状为球状石墨1，白亮组织为碳化物2，余下为针状铁素体3与奥氏体混合物4。
通过图1可以看出，球状石墨能够阻止微裂纹扩展；共晶碳化物作为耐磨硬质点均匀分布在铸件中，增强耐磨性；作为基体的针状铁素体与过饱和奥氏体混合物韧性好的耐磨组织，随着形变残余过饱和奥氏体能够转变马氏体，提高强度。
实施例2和实施例3的结果与图1的结果一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含钒钛球铁材料，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：碳3.20％-3.90％、硅2.30％-2.93％、锰0.96％-2.80％、铬0.20％-0.90％、铜0.60％-0.90％、钼0.80％-1.20％、钒0.54％-0.68％、钛0.3％-0.78％、铌0.01％-0.09％、0≤磷＜0.05％、0≤硫＜0.03％、镁0.03％-0.05％、稀土元素0.02％-0.03％，其余为铁。
2.根据权利要求1所述一种含钒钛球铁材料，其特征在于，所述稀土元素为复合稀土元素。
3.一种铸件的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)将铸件进行奥氏体化保温，具体操作为：将权利要求1或2所述含钒钛球铁材料的铸件在830-880℃温度下保温，保温时间按D×2min/mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm；
2)将步骤1)奥氏体化保温的铸件在淬火介质中冷却；
3)将淬火介质中冷却的铸件进行低温回火。
4.根据权利要求3所述一种铸件的热处理工艺，其特征在于，所述铸件经过熔炼铁水、球化、浇注成型铸件而成。
5.根据权利要求3所述一种铸件的热处理工艺，其特征在于，步骤2)中，所述淬火介质为质量浓度为8％-12％的NaCl水溶液。
6.根据权利要求3-5任一项所述一种铸件的热处理工艺，其特征在于，步骤2)中，所述冷却时间按D×sec/3mm计算，其中D为铸件最大厚度尺寸，单位为mm，sec的中文名称是秒。
7.根据权利要求3-5任一项所述一种铸件的热处理工艺，其特征在于，步骤3)中，低温回火的具体方法为：将淬火介质中冷却的铸件置于回火炉中回火，回火温度为200-250℃，保温时间为2-4小时。
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