CN1064413C - 抗钢堆积性优良的高铬多元合金铸钢 - Google Patents

Abstract

本发明为一种抗钢堆积性优良的高铬多元合金铸钢，属于工模具材料。本合金铸钢的化学成分(重量%)为：C0.3～1.5%，Cr5～15%，Si0.5～1.5%，Mn0.5～1.5%，Mo0.3～1.5%，Ni0.5～1.5%，P≤0.05%，S≤0.05%，Ti0.2～0.4%，Ce0.03～0.2%，La0.02～0.10%，Fe为余量。本合金铸钢采用完全退火工艺，保温温度为870～910℃，保温时间为4+0.5Qhr，以≤15～20℃/hr速率炉冷至770°±10℃，保温、空冷。

Description

抗钢堆积性优良的高铬多元合金铸钢

本发明涉及一种高铬多元合金铸钢，是一种耐磨性和耐、抗热裂性及抗钢堆积性优良的工模具材料，适合于制造菌式穿孔机和狄塞尔轧管机穿孔机和轧管机、Accu-Roll轧管机以及其它的导卫板和导卫辊。

在冶金工业金属压力加工中，材料的高温耐磨性、耐冲击性和耐热冲击性是衡量一种工模具材料优劣的重要指标。

摩擦学上，粘着磨损是磨损的重要形式之一，在金属的压力加工行业中，粘钢是常见的问题之一。因此，工模具材料的抗钢堆积性，十分必要。

CN1042193A给出一种高合金铸铁，这种铸铁具有较好的耐热、耐磨性，但C＞2．85％，脆性较大，材料主要用来制造轧管机顶头，并且需进行二次热处理，工艺复杂。US4721153公开了一种耐磨轧辊外壳发明，材料中C2．0～3．5％，属于铸铁材料，材料的脆性较大，这种材料主要用于制造辊壳；CNl026901C所公开的一种高合金耐热耐磨钢，其合金含量C1．45～2．0％，Cr23～32，Ni3～8等，合金含量过高，造成材料的脆性大，成本增加，材料的耐热冲击性也较差，这种材料主要用于制造辊子，尤其是冷轧用轧辊。

为此，本发明给出一种高铬多元合金铸钢，该铸钢可提高钢的抗堆积性和耐磨性。

一、本发明的抗钢堆积性的高铬多元合金铸钢的化学成分(质量％)为：

C0．3～1．5％，Cr5～15％，Si0．5～1．5％，Mn0．5～1．5％，Mo0．3～1．5％，Ni0．5～1．5％，P≤0．05％，S≤0．05％，Ti0．2～0．4％，Ce0．03～0．20％，La0．02～0．10％，Fe为余量。

本发明考虑到材料的耐磨性、耐热冲击性和强韧性，同时让工件表面形成一层致密氧化膜，提高钢的抗堆积性。

本发明中各元素所起的作用和确定成分范围的原则综述如下：

铬(Cr)：铬溶于γ相区，增加钢的淬透性和淬硬性，提高材料的耐磨性。铬是具有钝化倾向的元素，当钢中铬含量达到一定时，表面形成一层铬的钝化膜(Cr₂O₃)，这对提高钢的抗堆积性十分有利。铬含量下限不能低于5％。过量的Cr增加成本和材料的脆性，因此上限最好不超过15％。此外，当铬与铁含量的原子数之比每达到一个n／8时，抗氧化性的提高都会出现一个飞跃。因此，这是铬含量选择的重要依据。

硅(Si)：硅在钢中不形成碳化物，是以固溶体的形态存在于基体中，当含量在1．5％以下时，可以提高钢的强度，适量的硅可以增加钢的淬透性。硅与铬具有共同提高高温抗氧化的作用，并可提高钢的疲劳强度，但超过1．5％时，脆性增加。

锰(Mn)：锰在钢中有固溶强化作用，且是良好的脱氧和脱硫剂，能消除或减弱钢因硫引起的热脆性。＜1．5％的锰扩大γ区和提高钢的淬锈性及增强韧性方面的作用与镍相似。调节锰含量可以控制钢的残余奥氏体量。超过1．5％，脆性增加。

钼(Mo)：钼是增加钢的淬透性、提高硬度和抗磨性的元素，它可以固溶于钢中提高钢的再结晶温度，从而提高钢的回火抗力，改善钢的高温强度和硬度，提高钢的抗热裂性能。在含铬、锰的钢中，加钼还可以降低或抑制铬、锰元素导致的回火脆性。钼是碳化物形成元素，形成复合碳化物，含钼量过高，会促使网状碳化物的生长，使脆性加大。因此，0．5～1．5％含量是既经济又增加材料的淬透性和抗回火软化的最佳选择。

镍(Ni)：镍是强烈扩大γ区的元素。在奥氏体不锈钢中常用来形成并稳定单一的奥氏体组织。镍可以在不显著降低塑性与韧性的情况下提高钢的强度，加入适当的镍能改善由于高碳、高铬引起的塑性和韧性下降。但过量的镍增加材料成本，一般0．5～1．5％。

碳(C)：随着碳含量的提高，材料的硬度和抗磨性提高，而耐腐蚀性则相应降低。碳含量的高低，影响着碳化物的数量以及固定在基体中碳的含量，因此，碳是一个十分重要的强化元素。

碳含量的选择为下限不少于0．3％，是考虑到需要一定的强度和耐磨性；上限不超过1．5％，是考虑到脆性的增加及抗热冲击能力的下降。

钛(Ti)：钛是活泼元素、能和氮及碳形成很稳定的、弥散的、硬度很高的质点，是一种去气剂和固碳元素。TiN为面心立方结构，晶格常数4．23，而γ铁晶格常数a=(3．616+0．8496×10^-4·t)()，t为温度(℃)，t=1000℃时，a=3．701，两者晶体结构相同、晶格常数相近，能起到晶粒的核心作用，所以，加入少量的钛可细化晶粒，起到一种孕育作用。钛含量一般为0．2～0．4。

铈(Ce)：一种轻稀土元素，能去除钢中的杂质氧和硫，且与钛一起能起变质作用，能细化碳化物，使其尖端圆钝，提高材质的韧性。铈能促进合金中铬的扩散，在合金表面迅速形成连续的Cr₂O₃保护膜；同时，还改善氧化皮的韧性，阻碍空位在界面，特别是在氧化皮／基体界面的聚集长大成孔，改善氧化皮的粘着性，防止氧化皮剥落，能显著提高钢的抗堆积性。含量一般选在0．03～0．2％。

镧(La)：一种重稀土元素，其作用与铈相似，属于氧活化元素，能改进氧化膜的粘附性，降低氧化物晶粒尺寸和降低氧化膜的应力。残余量0．02～0．10％，一般与铈结合作用，原因是La和Ce还能改善合金的铸造性能，强化晶界并减少晶界上的杂质元素。但La+Ce的含量不能过高，否则钢的脆性增加，La+Ce含量不超过0．30％。

二、本发明的合金铸钢的热处理工艺如下：

1．退火工艺：采用完全退火工艺，加热及保温温度控制在870～910℃，保温时间4+0．5Qhr(Q为装炉吨量)，以15～20℃／hr速率炉冷至770℃±10℃并保温2-6hr，然后空冷，退火后的硬度控制在HB210-250；可铸态使用。当材料需加工时，再采用上述退火工艺。

2．淬火工艺：奥氏体温度随含碳的变化而变化，Ac₃(Ac₁)+30～50℃，控制在870-1120℃，温度越高，铸态析出的碳化物溶解于奥氏体中的数量越多，高温中长时间的保温，有利于网状碳化物的溶解，但是奥氏体晶粒趋于长大，淬火加热保温时间按下列经验公式估算：

t=a·K·D

式中t-保温时间(min)；

a-保温时间系数(min／mm)0．65～0．85；

K-工件装炉方式修正系数1．0～4．0；

D-工件有效厚度(mm)。

3．回火工艺：回火的目的，主要是消除淬火的应力和调整硬度。回火温度根据工件使用温度而选择，以防止工件使用过程中自行回火软化，一般400～700℃。残余奥氏体量可以通过多次回火的办法加以减少。

4．预氧化处理：淬火、回火后不须精加工的工件，表面已形成氧化膜；须精加工的工件，利用精加工工序进行表面预氧化，参数是：

切削速度≤110m／min，进刀量0．1～0．5mm／转，切削深度1～2mm，同步喷水雾，水雾量大小以工件表面得到蓝灰色为准。

刀具选择机夹复合陶瓷刀片，刀具的参数选择：

前角(γ)：-5～-10°，后角(α)：2～8°，刃倾角(λ)：-5～10°，主偏角φ₀：15～45°，付偏角φ₁：0～15°，刃尖园弧半径(γ)：≤0．8～1．5mm，负倒棱0．3～2．0mm，倒棱角6～25°。

经上述热处理后，本发明合金铸钢的最终组织特点是碳化物+回火索氏体或回火马氏体，其性能特点是：

退火后HB210～250；淬火、回火后HRC30～45；抗拉伸强度δ_b≥730MPa；冲击值a_K≥9．65J／cm²；延伸率δ_s≥1．5％。

本发明的高铬多元耐磨铸钢由于具有良好的抗钢堆积性及减少粘着磨损，尤其适用于US4578974中的ACCU-ROLL轧管机导盘，由于该铸钢是一种耐磨性和耐热裂性及抗钢堆积性优良的工模具材料，可用于制造菌式穿孔机和狄塞尔轧合机的导盘，及其它轧机的复合式合金导卫板的合金部分和各种整体导卫板和导卫辊。

实施例：

本发明材料的应用实例1：

US4578974描述的ACCU-ROLL轧管延伸机，第一台样机，导盘尺寸φ1730×135，由于采用的材料不能胜任耐磨性和钢抗堆积性及强韧性良好的配合，当导盘外圈采用本发明的合金材料时，寿命是原球墨铸铁3倍以上，并且具有与球墨铸铁相当的抗钢的堆积性。

本实例所采取的具体成分及工艺是：C0．76％，Si0．8％，Mn0．8％，Cr10．83％，Ni1．20％，Mo0．39％，P0．014％，S0．019％，Ti0．21％，Ce0．10％，La0．021％，Fe为余量。

熔炼是在中频炉内进行，熔炼温度1600℃，出炉温度1550℃，浇注温度1500℃，采用立式离心机离心铸造，铸型冷型挂砂，离心机转速200转／分，冷型温度100℃，退火后粗机加工，淬火、回火后精加工，并同时进行表面预氧化处理。

退火工艺：900±10℃，保温4．5hr(4+0．5Q，Q=1．0吨)，以20℃／hr速率炉冷至770℃，4hr保温，然后空冷。

淬火、回火：1100±10℃，保温2．0hr，(t=a·K·D，a=0．85，K=1．0，D=135mm)，然后650℃，4hr保温回火，炉冷至250℃，空冷。

预氧化处理参数选择：选用ST复合陶瓷刀片，参数选择：γ′=-8°，α=5°，λ=-8°，φ₀=30°，φ₁=7．5°，γ=0．8mm，负倒棱1．0mm，倒棱角15°，切削速度100m／min，进刀量0．1mm／转，同步喷适量水雾。

金相组织：碳化物+回火索氏体；

性能指标：退火后HB247．5

          淬火、回火后，HRC35．6

          抗拉强度δ_b782．0MPa

          冲击值a_K9．81J／cm²

          延伸率δ_s1．78％

          抗钢堆积性：优良，与球墨铸铁相当。

          耐热冲击性：优良，700±10℃，20分钟水激冷，65次后没有出现裂纹，而对比材料球墨铸铁出现严重裂纹。

提高轧机作业率30％以上。

应用实例2

与CN85203604所描述的复合式导卫板相似的线材导卫板，第9、11、13机架的合金导卫部分用本发明的合金材料制造，没有出现粘钢，使用寿命过钢量达605．5吨。具体的材料成分和工艺是：C0．79％，Si1．30％，Mn0．76％，Cr13．65％，Ni1．00％，Mo0．80％，Ti0．22％，P0．020％，S0．028％，Ce0．08％，La0．02％，Fe为余量。

中频炉熔炼，温度1600℃，出炉温度1550℃，浇注温度1500℃，粘土砂型铸造，湿型。

淬火工艺：1050±10℃，保温1．0hr，然后空冷

回火工艺：600℃，2hr保温，空冷

回火后不再机加工，直接使用。

金相组织：碳化物+回火马氏体

性能指标：铸态HRC4．0，淬火回火后45．0HRC，淬硬层厚度10mm。

一次性使用寿命比高铬高镍合金钢导板寿命提高20％，而成本只占60％，可大大减少更换导板时间，提高轧机作业率。

Claims (3)

1．一种抗钢堆积性的高铬多元合金铸钢，其特征在于其化学成分(质量％)为：C0．3～1．5％，Cr5～15％，Si0．5～1．5％，Mn0．5～1．5％，Mo0．3～1．5％，Ni0．5～1．5％，P≤0．05％，S≤0．05％，Ti0．2～0．4％，Ce0．03～0．20％，La0．02～0．10％，Fe为余量。

2．如权利要求1所述的高铬多元合金铸钢的热处理方法，其特征在于采用完全退火工艺，保温温度为870～910℃，保温时间为4+0．5Qhr，其中Q为装炉吨量，以≤15～20℃／hr速率炉冷至770°±10℃，并保温2～6hr，然后空冷，退火后的硬度为HB210～250，其淬火温度为870～1120℃，淬火加热保温时间采用下列公式计算：

t=a·K·D式中，t-保温时间(min)，a-保温时间系数(min／mm)0．65～0．85，K-工件装炉方式修正系数，0．65～0．85，D-工件有效厚度(mm)。

3．如权利要求2所述的方法，其特征在于对淬火，回火后进行精加工的合金铸钢工件利用精加工工序进行表面预氧化处理，切削刀具选择机夹复合陶瓷刀片，切削速度≤110m／min，进刀量0．1～0．5mm／转，切削深度1～2mm，同步喷适量水雾，水雾量大小以工件表面得到蓝灰色为准。