CN116871462B - 一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于提出一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，包括造型、熔炼、浇注、清理、退火、粗加工、淬火热处理和精加工，造型时，除了在砂型的底面和侧面均设置冷铁外，于砂型中安装用来铸造内孔的钢套；熔炼后，采用高纯铁粉作为悬浮剂，在铁水出炉时随流加入钢水包内，加入比例为0.5%,冲入钢水至凝固过程中，人为影响使其形成冷质核心点，使碳化物在形成过程中沿着冷质核心点形核并长大；浇注时，将砂型置于微震设备中，控制铁水震动凝固，利用频率转换和时间控制，使碳化物在生长过程中被震动打断，控制碳化物的网状结构和长度。本发明设计合理、结构简单、有利于提高轧辊质量以及轧辊生产效率，适合大规模推广。

Description

一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法

技术领域

本发明属于钢管模具生产制造领域，尤其涉及一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法。

背景技术

铬铸铁材质广泛应用于钢管轧辊模具中。高铬铸铁的化学成分一般包括Fe、C、Mn、Si、Cr、Mo、V、W、Nb、Ni、P和Ti等，现有高铬铸铁材质的耐磨相为M7C3 型碳化物，基体组织为马氏体和奥氏体基体。高铬铸铁在热处理后硬度可达HRC55-62，耐磨性能远优于传统Cr12MoV、H13、SKD11、X155CrVMo121等锻钢材质。

现有专利CN201410320539.5公开了一种采用悬浮铸造制造铸件方法，先将悬浮剂加入到泡沫消失模中，并令其在泡沫消失模中均匀分布，悬浮剂加入量占浇入铸型中金属熔液质量分数的3.5~4.5%。悬浮剂由纯铁粉和稀土镁硅铁合金粉组成，纯铁粉和稀土镁硅铁合金粉的颗粒尺寸为0.5~1.5mm。采用该方法浇注的铸件，组织细小、致密，力学性能比普通铸造时大幅度提高。不过，由于轧辊普遍都带内孔，使用该悬浮法直接铸造的话，碳化物容易在内孔处出现生长不均匀的情况，影响轧辊的质量以及使用寿命；再者，高铬铸铁材质最大的一个缺点是耐磨性足够高但韧性相对不足，造成韧性不足的原因主要是碳化物作为耐磨相对基体组织的割裂作用，特别是碳化物形态呈长链状或形成连续网状极易在使用过程中受力作用下沿碳化物方向开裂或剥落，从而形成模具失效影响使用寿命。

发明内容

本发明针对上述的高铬铸铁钢管模具所存在的技术问题，提出一种设计合理、有利于提高轧辊质量以及轧辊生产效率的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，包括造型、熔炼、浇注、清理、退火、粗加工、淬火热处理和精加工。

a、造型时，除了在砂型的底面和侧面均设置冷铁外，于砂型中安装用来铸造内孔的钢套，钢套作为内孔外冷铁使得凝固过程中碳化物的形成与生长有一定方向性，形成表层细等轴晶金相区且该表层细等轴晶金相区的厚度大于砂芯传统冷却方式形成的表层细等轴晶金相区;

b、熔炼后，采用高纯铁粉作为悬浮剂，在铁水出炉时随流加入钢水包内，加入比例为0.5%,冲入钢水至凝固过程中，人为影响使其形成冷质核心点，使碳化物在形成过程中沿着冷质核心点形核并长大;

c、浇注时，将砂型置于微震设备中，控制铁水震动凝固，利用频率转换和时间控制，使碳化物在生长过程中被震动打断，从而控制碳化物的网状结构和长度。

作为优选，所述铸造高铬铸铁轧辊的材料成份包括：C：2.3-2.8%；Si≤0.8%；Mn：0.4-0.8%；S、P≤0.035%；Cr：16-22%；Ni：0.5-1.5%；Mo：0.4-1.2%；Cu：0.3-1.0%；V：0.1-0.3%；Ti：0.05-0.15%；Re：0.05-0.15%，余量为Fe。

作为优选，所述内孔外冷铁包括空心的管身，所述管身在靠近其两端的位置设置有两个定位环口，所述定位环口与铸件的内孔凸肩配合且其与另一个定位环口相对的一端为斜面。

作为优选，所述微震设备包括机床，所述机床上设置有多对间隔分布的轨道，所述轨道上设置有与其滑动配合的移动座，所述移动座用来放置砂型且其两端均设置有一对钩拉环，所述移动座的相对侧设置有低于其水平位置的定位座，所述定位座的内部设置有磁力微震机构，所述磁力微震机构的底部设置有升降基座，所述升降基座的内侧设置有用来驱动磁力微震机构升降的驱动缸。

作为优选，所述磁力微震机构包括顶板，所述顶板上设置有四个扇形结构的振源盒，所述振源盒的内部设置有振源且其顶部设置有与振源配合的振动盘，所述定位座包括供振动盘升降活动的结构孔。

作为优选，所述机床上设置有用来安装定位座和升降基座的T形槽，所述定位座包括与T形槽的两侧连接的桥板，所述桥板的中间设置有圆托盘，所述圆托盘的顶面高于机床的顶面，所述移动座的底部设置有与圆托盘过渡配合的槽口。

作为优选，所述升降基座包括座板，所述座板上设置有四个靠近其边角分布的沉头孔，所述座板上靠近其侧边的位置设置有托板，所述托板呈L形且其顶面与圆托盘的底面支撑配合。

作为优选，在步骤b中，将高纯铁粉倒在下料斗中，所述下料斗的出料口倾斜朝向钢水包的敞口。

作为优选，所述下料斗的内底部设置有若干个沿其出料方向分布的凸棱，所述下料斗的外侧设置有振动电机。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，利用钢套作为内孔外冷铁且与其它冷铁相配合地，能够有效地令铸件及其冒口处进行快速冷却，防止这些本容易出现缩孔和缩松的位置出现结构缺陷，有利于提高铸件的质量；采用高纯铁粉作为悬浮剂控制碳化物的形成，同时采用微震的方式控制碳化物的结构与长度，能够进一步提高铸件的质量，令铸件具有较长的实际使用寿命。本装置设计合理、结构简单、有利于提高轧辊质量以及轧辊生产效率，适合大规模推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例提供的钢套和冷铁与铸件的分布示意图；

图2为实施例提供的微震设备的轴测图；

图3为实施例提供的微震设备的侧视图；

图4为实施例提供的定位座、磁力微震机构、升降基座和升降缸的轴测图；

图5为实施例提供的下料斗、振动电机和凸棱的俯视图。

以上各图中，1、铸件；2、钢套；21、管身；22、定位环口；3、冷铁；4、微震设备；41、机床；42、轨道；43、移动座；431、槽口；44、钩拉环；45、定位座；451、结构孔;452、桥板；453、圆托盘；46、磁力微震机构；461、顶板；462、振源盒；463、振动盘;47、升降基座；471、座板；472、沉头孔；473、托板；48、驱动缸；49、T形槽；5、下料斗；51、凸棱；6、振动电机。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例，如图1~5所示，本发明提供的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，包括造型、熔炼、浇注、清理、退火、粗加工、淬火热处理和精加工，在此基础上，本发明在局部工艺处提出有益改进，如：

a、造型时，砂型的顶面设置冒口，而除了在砂型的底面和侧面均设置冷铁3外，于砂型中安装用来铸造内孔的钢套2，钢套2作为内孔外冷铁使得凝固过程中碳化物的形成与生长有一定方向性，形成表层细等轴晶金相区且该表层细等轴晶金相区的厚度大于砂芯传统冷却方式形成的表层细等轴晶金相区；钢套2作为内孔外冷铁且与其它冷铁相配合地，能够有效地令铸件及其冒口处进行快速冷却，防止这些本容易出现缩孔和缩松的位置出现结构缺陷，有利于提高铸件的质量；

b、熔炼后，采用高纯铁粉作为悬浮剂，在铁水出炉时随流加入钢水包内，加入比例为0.5%,冲入钢水至凝固过程中，人为影响使其形成冷质核心点，使碳化物在形成过程中沿着冷质核心点形核并长大;这样人为增加冷制核心后，碳化物的生长点会远远多于自然冷却状态下形成的核心数量，由于成份配比已经决定了碳化物的形成总量，同样条件下，在冷制核心大大增多的情况下，碳化物的链就会相对较短且不易形成网状碳化物，从而削弱碳化物对基体组织的割裂影响，进而提高使用寿命。

浇注时，将砂型置于微震设备4中，控制铁水震动凝固，利用频率转换和时间控制，使碳化物在生长过程中被震动打断，从而控制碳化物的网状结构和长度。

高纯铁粉FZXFJ作为悬浮剂控制碳化物的形成，同时采用微震的方式控制碳化物的结构与长度，能够进一步提高铸件1的质量，令铸件具有较长的实际使用寿命。

为了提高铸件1的质量，本发明铸造高铬铸铁轧辊的材料成份采用包括：C：2.3-2.8%；Si≤0.8%；Mn：0.4-0.8%；S、P≤0.035%；Cr：16-22%；Ni：0.5-1.5%；Mo：0.4-1.2%；Cu：0.3-1.0%；V：0.1-0.3%；Ti：0.05-0.15%；Re：0.05-0.15%，余量为Fe。工艺流程遵循造型→熔炼→浇注→清理→退火→粗加工→淬火热处理→精加工。其中，钼元素及其含量设计能够与 Fe 形成强化相，改善钢的晶界界面连续性，提高晶界平衡界面剪切强度，从而增强钢的硬度和强度，并且能够形成强化相和沉淀物，阻碍晶格缺陷的移动和扩展，从而提高钢的耐疲劳性；钢中加0.1-0.3%的钒（V）可细化组织晶粒,提高强度和韧性，而且钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提 高抗氢腐蚀能力；稀土元素（Re）能够提高高铬铸铁的塑性和冲击韧性，特别是在铸钢中尤为显著，它还能提高耐热钢、电热合金和高温合金的抗蠕变性能，同时稀土元素也可以改善钢的流动性，减少非金属夹杂，使钢组织纯净。

进一步地，由于钢套2作为内孔外冷铁对内孔的质量具有直接的影响，所以本发明提供的钢套2采用了与铸件向匹配的结构，如钢套2（内孔外冷铁）包括空心的管身21，管身21在靠近其两端的位置设置有两个定位环口22，定位环口22与另一个定位环口22相对的一端为斜面。这样的话，浇注之后，管身21与铸件的内孔壁面面接触，定位环口22与铸件的内孔凸肩配合，成型的铸件内孔完全由钢套2紧贴与支撑，从而保证铸件的质量。

为了提高铸件的生产效率，本发明提供的微震设备4包括机床41，机床41上设置有多对间隔分布的轨道42，轨道42上设置有与其滑动配合的移动座43，移动座43用来放置砂型（砂箱）且其两端均设置有一对钩拉环44，移动座43的相对侧设置有低于其水平位置的定位座45，定位座45的内部设置有磁力微震机构46，磁力微震机构46的底部设置有升降基座47，升降基座47的内侧设置有用来驱动磁力微震机构46升降的驱动缸48。其中，机床41上可以布置多组移动座43和磁力微震机构46，一个移动座43对应一套定位座45、磁力微震机构46、升降基座47和驱动缸48。具体地，移动座43承托砂型被浇注钢水之后，工人或者车间机器人拉动钩拉环44令移动座43沿着轨道42朝定位座45方向移动，直到移动座43的中心与定位座45的中心对中，驱动缸48驱动磁力微震机构46上升并与砂型砂箱接触，通过电控启动磁力微震机构46就可以令砂型产生微震，同时钢水在微震条件下实现凝固，而且通过改变磁力电源侧的电流可以达到改变磁力强度的目的，令碳化物在生长过程中被震动打断，从而控制碳化物的网状结构和长度，有利于提高铸件毛坯的质量。

为了提高磁力微震机构46的稳定性，本发明提供的磁力微震机构46包括顶板461，顶板461上设置有四个扇形结构的振源盒462，振源盒462的内部设置有振源且其顶部设置有与振源配合的振动盘463，定位座45包括供振动盘463升降活动的结构孔451。其中，振源为振动盘463以及砂型提供微震，而顶板461则便于驱动缸48同步驱动四个振源，令振源能够同步升至紧贴砂型的位置或者降到低于定位座45顶面以下的位置。定位座45采用非全通孔设计，而是采用多个结构孔451的设计，其结构孔451的边缘对振动盘463以及振源盒462起到限位的作用，有利于提高振源工作的稳定性。

为了统筹安装定位座45和升降基座47，本发明在机床41上设置有用来安装定位座45和升降基座47的T形槽49。为了提高定位座45的支撑性能，而且也便于对升降基座47和驱动缸48进行拆装，本发明提供的定位座45采用了架空的设计，如包括与T形槽49的两侧连接的桥板452，桥板452的中间设置有圆托盘453，圆托盘453的顶面高于机床41的顶面，移动座43的底部设置有与圆托盘453过渡配合的槽口431。定位座45的圆托盘453除了起到支撑移动座43的作用，还能与槽口431相配合地，起到一定的导向的作用，令移动座43相对流畅地进入定位座45的定位中心。

为了提高升降基座47的稳定性，本发明提供的升降基座47包括座板471，座板471上设置有四个靠近其边角分布的沉头孔472，沉头孔472中用螺栓将升降基座47与机床41进行固定。为了提供给磁力微震机构46下沉的空间，座板471的中心采用中空的设计，而且其底部中心安装驱动缸48，驱动缸48将磁力微震机构46拉回到定位座45底面水平以下之后，就可以对升降基座47、驱动缸48和磁力微震机构46进行拆装和维护。为了提高定位座45的支撑性能，本发明在座板471上靠近其侧边的位置设置有托板，托板呈L形且其顶面与圆托盘453的底面支撑配合。

为了方便在钢水倒入钢水包的时候加入高纯铁粉，并且保证加料的安全性，在步骤b中，借助下料斗5来倒高纯铁粉，下料斗具有一定的长度且其口径由上至下逐渐变小，而且其出料口倾斜朝向钢水包的敞口。

进一步地，本发明在下料斗5的内底部设置有若干个沿其出料方向分布的凸棱51，下料斗5的外侧设置有振动电机6。这样的话，振动电机在为下料斗提供振动的同时，高纯铁粉从凸棱之间有序落下，有利于保证加料的均匀性，促进高纯铁粉与钢水的混合效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，包括造型、熔炼、浇注、清理、退火、粗加工、淬火热处理和精加工，其特征在于：

a、造型时，除了在砂型的底面和侧面均设置冷铁外，于砂型中安装用来铸造内孔的钢套，钢套作为内孔外冷铁使得凝固过程中碳化物的形成与生长有一定方向性，形成表层细等轴晶金相区且该表层细等轴晶金相区的厚度大于砂芯传统冷却方式形成的表层细等轴晶金相区；

b、熔炼后，采用高纯铁粉作为悬浮剂，在铁水出炉时随流加入钢水包内，加入比例为0.5％,冲入钢水至凝固过程中，人为影响使其形成冷质核心点，

使碳化物在形成过程中沿着冷质核心点形核并长大；

c、浇注时，将砂型置于微震设备中，控制铁水震动凝固，利用频率转换和时间控制，使碳化物在生长过程中被震动打断，从而控制碳化物的网状结构和长度；

所述微震设备包括机床，所述机床上设置有多对间隔分布的轨道，所述轨道上设置有与其滑动配合的移动座，所述移动座用来放置砂型且其两端均设置有一对钩拉环，所述移动座的相对侧设置有低于其水平位置的定位座，所述定位座的内部设置有磁力微震机构，所述磁力微震机构的底部设置有升降基座，所述升降基座的内侧设置有用来驱动磁力微震机构升降的驱动缸；所述磁力微震机构包括顶板，所述顶板上设置有四个扇形结构的振源盒，所述振源盒的内部设置有振源且其顶部设置有与振源配合的振动盘，所述定位座包括供振动盘升降活动的结构孔。

2.根据权利要求1所述的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，其特征在于，所述铸造高铬铸铁轧辊的材料成份包括：C：2.3-2.8％；Si≤0.8％；Mn：0.4-0.8％；S、P≤0.035％；Cr：16-22％；Ni：0.5-1.5％；Mo：0.4-1.2％；Cu：0.3-1.0％；V：0.1-0.3％；Ti：0.05-0.15％；Re：0.05-0.15％，余量为Fe。

3.根据权利要求2所述的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，其特征在于，所述内孔外冷铁包括空心的管身，所述管身在靠近其两端的位置设置有两个定位环口，所述定位环口与铸件的内孔凸肩配合且其与另一个定位环口相对的一端为斜面。

4.根据权利要求3所述的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，其特征在于，所述机床上设置有用来安装定位座和升降基座的T形槽，所述定位座包括与T形槽的两侧连接的桥板，所述桥板的中间设置有圆托盘，所述圆托盘的顶面高于机床的顶面，所述移动座的底部设置有与圆托盘过渡配合的槽口。

5.根据权利要求4所述的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，其特征在于，所述升降基座包括座板，所述座板上设置有四个靠近其边角分布的沉头孔，所述座板上靠近其侧边的位置设置有托板，所述托板呈L形且其顶面与圆托盘的底面支撑配合。

6.根据权利要求1所述的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，其特征在于，在步骤b中，将高纯铁粉倒在下料斗中，所述下料斗的出料口倾斜朝向钢水包的敞口。

7.根据权利要求6所述的一种优化高铬铸铁碳化物形态的钢管模具轧辊制备方法，其特征在于，所述下料斗的内底部设置有若干个沿其出料方向分布的凸棱，所述下料斗的外侧设置有振动电机。