CN1067730C - 表层含有球状石墨与合金碳化物的铸钢件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有特殊耐磨表层的铸钢件，其母体为中、低碳钢或低合金钢，表层含较高的铬、硅、镍等合金元素，表层组织中同时含有球墨和合金碳化物。其制备方法是将碳化硅、铬铁粉、镍粉等加粘结剂制成渗剂或渗剂薄片，涂敷或固定在铸型中，经烘烤预热浇入＞1580℃的高温钢水，冷却凝固而成。该发明产品硬 度、耐磨性高，综合性能好，能满足外硬内韧的使用要求，且工艺简单，生产周期短、成本低、投资少，可生产各种耐磨和耐热零件，有广泛的应用前景。

Description

表层含有球状石墨与合金碳化物的铸钢件及其制备方法

本发明属于金属材料技术领域，是一种表层含有球状石墨与合金碳化物的铸钢件及其制备方法。

目前，为使金属材料(或钢件)表层获得预期组织结构和性能的方法，主要有化学热处理法、双金属复合铸造法。化学热处理法(《金属学》，冶金工业出版社，1986年5月)是将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入钢件表面，通过改变钢件表层的化学成份来获得预期的组织结构和性能。这种方法可有效地提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性和抗氧化性，从而延长钢件使用寿命。但由于化学热处理需要将钢件加热至高温并长时间保温，不仅增加了能耗、设备和生产工序，而且钢件还有变形、表面氧化和开裂的危险。此外，化学热处理不可能在钢件表面产生含球状石墨的多相特殊耐磨层。

双金属复合铸造(《铸造手册》铸铁分册，机械工业出版社，1993年3月)是将两种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，按特定的浇注方式或浇注系统，先后浇入同一铸型内，使铸件的不同部位层具有不同的成份和性能。衬垫层常用ZG230～450或ZG270～500铸钢，表层如是抗磨层多用高铬白口抗磨铸铁，如是耐蚀层则常用高硅耐酸铸铁，中间过渡层为两种金属的熔融体。双金属复合铸造需要两个熔炼设备，同时熔炼两种不同的合金，设备投资大，工艺过程的控制比较困难。此外，双金属复合铸造也不可能在铸钢件表面产生含球状石墨的多相特殊耐磨层。

在铸钢件的组织中，同时含有合金碳化物和球状石墨只有球墨铸钢，(《铸造》一“球状石墨铸钢的研究”，安徽工学院祖方道等，1992年，No10)。但球墨铸钢是一种整体材料，不是表层耐磨材料，因此其性能受到很大限制，如果耐磨性好，则强度、塑性和韧性则要受到损害，不能满足外硬内韧的要求。为了综合平衡它的性能，球墨铸钢只能含有少量的铬(0.3～0.9％)，因此合金碳化物的数量较少，而且基体组织又是以珠光体为主，故其硬度的提高有限(硬度＜HB380)，耐磨性不可能很高。

本发明的任务之一是提供一种表面为特殊多相耐磨层的铸钢件，该铸钢件的母体具有很高的强度、塑性和韧性，同时外表面还具有较好的耐蚀、耐热性能。

本发明的任务之二是提供一种制备上述铸钢件的方法，该制备方法投资省、工序少，生产周期短，生产成本低。

本发明的第一个任务是由这样一种技术解决方案完成的：该技术解决方案所展示的铸钢件母体为中、低碳钢或低合金钢，以提供母体应具有的强度、塑性和韧性；铸钢件表层同时含有球状石墨和合金碳化物，并且外表面含Cr≥6.5％、Si≥3.4、Ni≥0.3％，以显著提高钢件表面的耐磨性和较好的耐蚀、耐热性。

为了不影响这种内韧外硬铸钢件承受负荷的能力，表层厚度控制在2～10毫米。

完成本发明第二个任务的技术解决方案的核心技术是在铸型表面涂敷或固定特殊成份的渗剂，浇注时通过高温钢水的渗透、熔化及扩散来改变普通铸钢件表面的成份、组织和性能，且整个过程在钢件铸造成形时一次完成。其具体技术配方及工艺如下：

1．将碳化硅5～45％(重量)、铬铁粉20～65％(重量)、镍粉0.5～35％(重量)混匀，并加入粘结剂调匀配制成渗剂。

2．在调匀的渗剂中再加入熔剂混匀后，将其涂敷或压制成薄片固定在铸型侧壁。

3．将涂敷了渗剂或固定有渗剂薄片的铸型在120～180℃下预热烘烤4～10小时，待用。

4．将中、低碳钢或低合金钢熔炼、脱氧后，在温度＞1650℃下出炉。

5．将钢水在温度＞1580℃下浇注入预热的铸型中，冷却凝固即成。

其中所用粘结剂为水玻璃或浓度为10％的聚乙烯醇，加入量为渗剂总重的5～10％。

所用熔剂为硼砂或氟化钠，加入量为渗剂总重的1～7％。

渗剂薄片的固定方式可选用粘结剂粘贴或选用钢丝固定。为了除去渗剂薄片中所含水份，同时便于粘贴和钢丝固定，在粘贴和固定前需在120～180℃下烘烤2～4小时，使之干燥、硬化。涂敷的渗剂层和压制的渗剂薄片厚1～6毫米。

为了更好地完成本发明的任务，本发明还对铸钢件表层的组织结构、性能的优化和强化提供以下措施供选择：

1．渗剂配方中还可含有钒铁粉0～20％(重量)、钼铁粉0～15％(重量)、铜粉0～10％(重量)、锰铁粉0～10％(重量)、钨铁粉0～15％(重量)、还原铁粉0～50％(重量)中的任一种或任两种或任两种以上的组份。

2．渗剂中必要组份和非必要组份的粒度选用范围分别为：碳化硅40～240目，铬铁粉40～240目，镍粉70～200目，钒铁粉70～240目，钼铁粉70～240目，铜粉70～200目，锰铁粉70～200目，钨铁粉70～240目，还原铁粉70～240目。

本发明提供的铸钢件表层铸态组织和机械性能检测结果如下：

厚度            2～10mm

表层组织        含有球墨和合金碳化物

表层基体组织    马氏体+残余奥氏体

铸态硬度(HRC)   48～56

在重载干滑动磨损条件下其耐磨性为淬火45#钢的4.5～8.4倍。

表层组织中含有球墨和合金碳化物是通过场发射电子显微镜、电子探针检测证实的。将铸钢件试样抛光后，用场发射电子显微镜(AMRAY1845FE)观察未腐蚀复合表面层形貌，可见(图1)：存在许多细小黑色圆点及深灰色菊花状(图1a)、条状(图1b)及断续网状(图1c)条纹。将该试样用电子探针(x-650)波谱面扫描(见图2)表明：这些细小黑色圆点含有很高的碳(即图2a中白色亮点)，而深灰色条纹含较高的铬(见图2b中白色条纹)。当用电子探针波谱线扫描(图2c)时，在黑色圆点处只出现碳的波峰，在深灰色条纹处出现铬的波峰同时有碳的小峰，故进一步证实：这些细小黑色圆点是石墨，而深灰色条纹是铬的碳化物。另外x射线衍射物相分析(图3)也表明：复合表面层中含有Cr₇C₃型化合物，而且其基体组织是马氏体(图3中之α-Fe)和残余奥氏体(图3中之γ-Fe)。

本发明具有的优点有：

1．由于本发明铸钢件表层为同时存在球状石墨和合金碳化物的特殊多相层，而这种特殊多相层具有较高的抗热裂、热疲劳性能，并且球状石墨具有自润滑作用，合金碳化物具有很高的硬度，因而在重载干滑动磨损条件下，这种表层显示了很好的耐磨性能。在40公斤负荷时，其耐磨性是淬火45^#钢的4.5～8.4倍，是高铬抗磨铸铁的2.5～4.4倍。

2．由于本发明铸钢件的表层和内里(母体)的成份、组织和性能差异较大，内里始终保持低、中碳钢或低合金钢的成份、组织和性能，因此母体的强度、塑性和韧性很高。而其表层则不仅同时含有球状石墨和合金碳化物，而且其基体组织是以马氏体为主，使其硬度和耐磨性很高。再加上外表层中的铬(≥6.5％)、镍(≥0.3％)、硅(≥3.4％)等合金元素含量较高，使其又具有较好的耐热和耐蚀性能，故本发明铸钢件的综合性能较好，能满足外硬内韧的使用要求。

3．由于本发明铸钢件的母体为中、低碳钢或低合金钢，仅表层含有较高合金元素，因此与整体合金化铸钢件相比，可以节省大量昂贵的合金。

4．由于本发明制备方法不需要对钢件进行化学热处理，也不需要同时熔炼、浇注两种不同的合金，而是在铸造过程一次浇注成形，钢件铸态下就可满足使用要求，故工艺简单、生产周期短，生产成本低。

5．由于本发明制备方法没有苛刻的特殊要求，在普通的铸钢车间就可实施，故投资少。

综上所述，本发明具有很强的实用性，可用于生产各种耐磨和耐热零件，有广泛的应用前景。

附图说明：

图1为铸钢件表面层的场发射电子显微镜照片。其中黑点为球状石墨，深灰影像为台金碳化物。

图2为铸钢件表面层的电子探针X-650波谱扫描照片。

图3为铸钢件表面层的x-衍射物相测试图。

下面给出本发明实施例。

实施例一：

(1)制造铸型用聚乙烯醇水泥砂制造铸型，并于120～160℃烘烤1～3小时取出待用。

(2)配制渗剂碳化硅29％(粒度200目)、高碳铬铁粉53％(粒度140目)、镍粉10％(粒度200目)、钒铁粉8％(粒度200目)混匀，加入渗剂总重7％的水玻璃调匀成膏状，再加入渗剂总重4％硼砂作为熔剂混匀。

(3)涂敷渗剂将膏状渗剂涂敷在铸型侧壁并压实，厚度为2.5～3毫米。

(4)烘烤预热将涂敷好渗剂的铸型在170℃烘烤8小时，等候浇注。

(5)熔炼钢水用碱性炉衬的中频感应电炉熔炼45#钢，钢水要充分脱氧，出炉温度高于1650℃。

(6)浇注将钢水在高于1580℃下浇注入烘烤预热的铸型中，冷却凝固即成。

本实施例产品的硬度及耐磨性见附表。

实施例二：

(1)制造铸型用水玻璃砂制造铸型，并在180℃烘烤2小时取出待用。

(2)配制渗剂薄片碳化硅23％(粒度100目)、铬铁粉61％(粒度100目)、镍粉16％(粒度140目)，混匀，加入渗剂总重7％的聚乙烯醇水溶液(浓度10％)调匀，再加入渗剂总重2％的熔剂氟化钠混匀，压制成厚度为4毫米的薄片，然后在120～160℃下烘烤4小时。

(3)固定渗剂薄片将烘烤后的薄片用钢丝固定在铸型侧壁，或者用粘结剂将薄片粘贴在铸型侧壁。粘结剂可选用水玻璃或聚乙烯醇或松香或酚醛树脂。

(4)烘烤预热将固定好渗剂薄片的铸型在150℃烘烤10小时，等候浇注。

(5)熔炼钢水用碱性炉衬的中频感应电炉熔炼35^#钢，钢水要充分脱氧，出炉温度高于1650℃。

(6)浇注将钢水在高于1580℃下浇注入烘烤预热的铸型中，冷却凝固即成。

本实施例产品的硬度及耐磨性见附表。

实施例三：

(1)制造铸型用水玻璃砂制造铸型，并在180℃烘烤2小时取出待用。

(2)配制渗剂薄片碳化硅18.5％(粒度140目)、铬铁粉44％(粒度200目)、钼铁粉14.5％(粒度140目)、镍粉23％(粒度120目)，另加入渗剂总重2.5％的硼砂作熔剂，混匀，再加入渗剂总重7％水玻璃调匀，压制成厚度为5毫米的薄片，然后在160℃烘烤4小时。

(3)固定渗剂薄片将烘烤后的薄片用钢丝固定在铸型侧壁。

(4)烘烤预热将固定好渗剂薄片的铸型在180℃烘烤10小时，等候浇注。

其后工序中除钢的品种为20#钢外，其余内容同实施例二中的(5)、(6)，略。

本实施例产品的硬度及耐磨性见附表。

实施例四：

(1)制造铸型同实施例三，略。

(2)配制渗剂薄片碳化硅16.7％(粒度70目)、铬铁粉33.3％(粒度200目)、锰铁粉3％(粒度140目)、还原铁粉45％(粒度200目)、铜粉2％(粒度100目)，另加入渗剂总重5％的氟化钠作熔剂，混匀，再加入渗剂总重为7％水玻璃调匀，压制成厚度为1.5～3.5毫米的薄片，然后在120～180℃下烘烤2小时。

(3)固定渗剂薄片：同实施例三，略。

(4)烘烤预热烘烤温度160℃，烘烤时间6小时。

其后工序中除钢的品种为低合金钢(40Cr)外，其余内容同实施例二中的(5)、(6)，略。

本实施例产品的硬度及耐磨性见附表。

实施例五：

(1)制造铸型用实施例三，略。

(2)配制渗剂薄片碳化硅20％(粒度40目)、铬铁粉40％(粒度240目)、钨铁粉8％(粒度240目)、镍粉12％(粒度120目)、还原铁粉20％(粒度140目)，另加入渗剂总重6％的硼砂作熔剂，混匀，再加入渗剂总重7％水玻璃调匀，压制成厚度为1～2.5毫米的薄片，然后在140℃，烘烤3小时。

后续工序中除钢的品种为30^#钢、铸型烘烤预热温度为140℃，时间为7小时外。其余内容与实施例三相同，略。

本实施例产品的硬度及耐磨性见附表。

附表：

Claims (10)

1．一种具有特殊耐磨表层的铸钢件，其特征在于其母体为中、低碳钢或低合金钢，表层同时含有球状石墨和合金碳化物，而且其外表面含Cr≥6.5％,Si≥3.4％,Ni≥0.3％。

2．根据权利要求1所述的铸钢件，其特征在于其表层厚度为2～10毫米。

3．一种制备具有特殊耐磨表层的铸钢件的方法，其特征在于：

①将碳化硅5～45％(重量)、铬铁粉20～65％(重量)、镍粉0.5～35％(重量)混匀，并加入粘结剂调匀配制成渗剂；

②在渗剂中再加入熔剂混匀后，涂敷或压制成薄片固定在铸型侧壁；

③将涂敷了渗剂或固定有渗剂薄片的铸型在120～180℃下预热烘烤4～10小时，待用；

④将中、低碳钢或低合金钢熔炼、脱氧后，在＞1650℃下出炉；

⑤将钢水在＞1580℃下浇注入预热的铸型中，冷却凝固即成。

4．根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于渗剂中还含有钒铁粉0～20％(重量)、钼铁粉0～15％(重量)、铜粉0～10％(重量)、锰铁粉0～10％(重量)、钨铁粉0～15％(重量)、还原铁粉0～50％(重量)中的任一种或任两种或任两种以上的组份。

5．根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于渗剂中各组份采用的粒度分别为：碳化硅40～240目，铬铁粉40～240目，镍粉70～200目，钒铁粉70～240目，钼铁粉70～240目，铜粉70～200目，锰铁粉70～200目，钨铁粉70～240目，还原铁粉70～240目。

6．根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于粘结剂为水玻璃或浓度为10％的聚乙烯醇，其用量为渗剂总重的5～10％。

7．根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所用熔剂为硼砂或氟化钠，其用量为渗剂总重的1～7％。

8．根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于渗剂薄片用粘结剂粘贴或用钢丝固定在铸型侧壁。

9．根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于渗剂薄片在粘贴或固定前需在120～180℃下烘烤2～4小时。

10．根据权利要求3或8或9所述的制备方法，其特征在于渗剂涂敷层或压制的薄片厚度为1～6毫米。

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