发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而设计一种强韧高硅铸钢,考虑到我国镍、钼资源紧缺,价格昂贵,高硅铸钢中不含镍、钼元素,加入少量的铬和微量的硼用于改善合金淬透性,同时采用炉内加少量硅-钙合金结合炉外吹氩气净化钢液,采用炉外加微量稀土、钛铁和钒铁复合变质处理细化凝固组织,随后利用硅在等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点进行等温淬火,得到由无碳化物贝氏体和被碳、硅稳定化了的奥氏体组成的奥-贝双相组织,获得硬度大于50HRC,抗拉强度σb≥1800~2000MPa,延伸率δ≥5~10%,冲击韧性AkV≥30~40J,断裂韧性KIC≥80MPa.m1/2的强韧高硅铸钢,以实现高硅铸钢应用于重载、高可靠性的磨损领域。
本发明所要解决的另一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种制造上述强韧高硅铸钢的方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:该发明强韧高硅铸钢的化学组成成分是:0.5~1.5wt%C,2.0~3.8wt%Si,0.6~1.2wt%Cr,0.3~1.0wt%Mn,0.002~0.02wt%B,0.025~0.085wt%Ca,0.03~0.12wt%Y,0.02~0.12wt%Ti,0.05~0.14wt%V,余量为Fe和不可避免的微量杂质,其中微量杂质P的含量低于0.05wt%,微量杂质S的含量低于0.04wt%。
所述强韧高硅铸钢中各成分的优选含量为:C为0.63~1.27wt%,Si为2.28~3.54wt%,Cr为0.68~1.07wt%,Mn为0.44~0.84wt%,B为0.003~0.017wt%,Ca为0.027~0.073wt%,Y为0.04~0.11wt%,Ti为0.03~0.10wt%,V为0.06~0.12wt%。
本发明制造上述强韧高硅铸钢采用用电炉熔炼,其制造工艺步骤是:首先用钢、硅铁、铬铁、锰铁配料并增碳,待钢水熔化、炉前调整成分合格后,将温度升至1600~1650℃,加入占钢水重量0.12%~0.25%的铝脱氧,出炉前加入硅钙合金,而后出炉;将钇基稀土、硼铁、钛铁和钒铁破碎至粒度小于15mm的小块并烘干,置于浇包底部,用包内冲入法对钢水复合变质处理;变质处理后,对钢水进行吹氩净化处理,氩气流量15~25L/min,氩气压力10~15MPa,吹氩时间5~8min,吹氩后钢水的静置时间为5~8min,然后将钢水浇注成铸件;铸件经800~820℃条件下退火1~3小时及850~950℃条件下奥氏体化0.5~2小时后,直接在温度为260~380℃条件下进行等温淬火,等温时间为1~3小时,随后空冷即获得强韧高硅铸钢。
所述增碳步骤所使用的材料为废石墨电极或生铁。
所述小块的烘干温度为160~200℃。
所述奥氏体化步骤的优选温度条件为875~935℃。
所述等温淬火步骤的优选温度条件为278~360℃。
所述等温淬火在等温盐浴炉中完成。
合金材质的性能是由金相组织决定的,而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺,本发明化学成分是这样确定的:
碳:碳是决定钢强度、硬度和韧性的主要元素。在一定的范围内,碳量越高,淬透性越好,等温淬火后的强度也越高。但碳量过高也会严重地降低钢的韧性,为了保证材料的强度不低于1800MPa和冲击韧性Akv不小于30J,选择碳含量为0.5%~1.5%。
硅:硅是高硅铸钢中的主要合金元素,而且是非碳化物形成元素,可增加碳在奥氏体中的活度,在贝氏体铁素体生长过程中,多余的碳会排向界面一侧的邻近奥氏体中,由于硅阻碍渗碳体析出,造成周围奥氏体富碳,使贝氏体铁素体片条间或片条内的富碳残留奥氏体稳定化,形成无碳化物贝氏体。硅也使钢的第一类回火脆性出现的温度范围升高,使钢可以在较高温度下回火,更多地消除淬火应力。另外,硅还可使钢的TTT或CCT曲线向右下方移动和提高钢的贝氏体淬透性和韧性。硅含量较低(<2.0%)时,由于硅抑制碳化物析出的作用较弱,促进贝氏体转变的作用也不强烈,在等温转变过程中,首先在奥氏体晶界析出贝氏体,而未转变的奥氏体在随后的冷却过程中转变为马氏体,其显微组织由贝氏体铁素体、马氏体和少量残余奥氏体组成,具有高的强度、硬度,而冲击韧性和断裂韧性较低;当硅含量提高到2.0%~3.8%时,硅抑制碳化物析出作用显著增强,使贝氏体成长时排出的碳富集到奥氏体中,提高了过冷奥氏体的稳定性,其显微组织为典型的奥-贝组织,即由板条状的贝氏体铁素体和其间分布的富碳的残余奥氏体组成,材料具很好的强韧性。当钢中的硅含量提高到3.8%以上时,组织中出现了大量的未转变奥氏体组织,导致材料的强度下降。综合考虑,选择硅含量为2.0%~3.8%。
铬:高硅铸钢中加入适量的铬,主要是为了提高钢的淬透性,细化钢的组织,铬加入量过少,钢的淬透性提高不明显,铬加入量过多,钢中将出现含铬的碳化物,使钢的韧性大幅度下降。综合考虑,将其含量控制在0.6%~1.2%。
锰:高硅铸钢中加入适量的锰,主要是为了提高钢的淬透性,加入量过多,将会粗化钢的组织,增大高硅铸钢的热裂倾向,综合考虑,将其含量控制在0.3%~1.0%。
硼:钢中加入微量硼主要是为了提高材料的淬透性。硼加入量太少,对淬透性影响不明显,加入量过多,将在晶界产生脆性的硼化物,使高硅铸钢的强度和韧性明显降低,综合考虑,将其含量控制在0.002%~0.02%。
钙:钙与氧有很大的亲合力,钙的脱氧能力很强,钙对钢水有很好的除气效果。钙还对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用,加入适量钙可将高硅铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca,Mn)S夹杂,适量钙还显著降低硫在晶界的偏聚,钙对降低高硅铸钢脆性和提高高硅铸钢铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入过多的钙将使高硅铸钢中夹杂物增多,对高硅铸钢韧性的提高不利,合适的钙含量为0.025%~0.085%。
钇:稀土加入钢中具有脱硫、除气的作用,同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子,具有加速凝固的形核作用,稀土元素的这些特性能细化高硅铸钢晶粒,限制树枝晶偏析,提高机械性能和耐磨性。加稀土的副作用是带来夹杂,为了充分发挥稀土的有益作用,克服其副作用,用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物,以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物以Ce2O2S计,其密度为6.00g/cm3,钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y2O2S计,密度为4.25g/cm3,按Stokes公式(Ladenburg R.W,Physical Measurements in Gas Dynamicsand in Combustion,New York:Prince-ton University Press,1964,137~144.)计算夹杂物的上浮速度V为:
式中:V-夹杂物上浮速度,m/sec;r-夹杂物半径,m;ρ液-金属液体的密度,N/m3;ρ杂-夹杂物的密度,N/m3;η-液体的动力粘度,N.s/m2。可见后者的上浮速度较前者增大1倍,这是使用钇稀土获得洁净组织对钢污染少的重要原因。综合考虑,将钇含量控制在0.03%~0.12%。
钛和钒:在高硅铸钢中加入微量钛和钒,可以明显细化铸钢晶粒,减少枝晶偏析,提高高硅铸钢的强度和韧性。主要原因是钛与铸钢中的N、C形成高熔点化合物Ti(C,N),这种化合物有助于铸钢的晶粒细化,使枝晶间和枝晶内的碳和合金元素分布均匀。钒是强碳化物形成元素,能强化基体,增加淬透性、淬硬性、回火稳定性、细化晶粒,促使碳化物弥散分布,起到增加材料的强度、韧性和耐磨性等作用。加入量过多,含钛、钒的化合物数量增加且粗化,反而导致高硅铸钢的强度和韧性下降。综合考虑,将钛含量控制在0.02%~0.12%,钒含量控制在0.05%~0.14%。
不可避免的微量杂质是原料中带入的,其中有磷和硫,均是有害元素,为了高硅铸钢的强度、韧性和耐磨性,将磷含量控制在0.05%以下,硫含量控制在0.04%以下。
高硅铸钢的性能还与钢水净化和热处理工艺有直接关系,其制订依据是:
高硅铸钢的净化采用炉内加入硅钙脱氧和炉后吹氩复合处理工艺,钢水吹氩净化处理时,氩气流量若小于15L/min,则钢水中的气体和夹杂物不能充分向钢包顶部富集,钢水中残留的气体和夹杂物多,氩气流量超过25L/min后,钢包顶部的钢水翻腾,反而卷入气体,污染钢水。吹氩时间小于5min时,钢水中的夹杂物和气体残留量多,而吹氩时间超过8min后,钢水降温过多,不利于随后的铸件浇注。氩气压力小于10MPa时,钢水中残留的气体和夹杂物多,氩气压力超过15MPa后,氩气对钢水的搅拌加剧,易卷入气体和钢包顶部富集的夹杂物,污染钢液。选择氩气流量15~25L/min,氩气压力10~15MPa,吹氩时间5~8min,吹氩后钢水的静置时间5~8min的吹氩净化处理工艺,钢水净化效果好。
高硅铸钢的奥氏体化温度过低,高温奥氏体中溶解的碳和合金元素较少,高温奥氏体稳定性差,等温淬火组织中易出现珠光体和铁素体组织,降低铸钢的强度、韧性和耐磨性。高硅铸钢的奥氏体化温度过高,高温奥氏体中溶解的碳和合金元素过多,高温奥氏体稳定性高,等温淬火组织中易出现大量奥氏体,而且奥氏体化温度过高,还使组织显著粗化,降低铸钢的强度、韧性和耐磨性。
等温淬火温度对高硅铸钢组织和性能影响明显。在不同等温淬火处理条件下得到的显微组织均为典型的无碳化物奥-贝组织。当等温温度较低时,贝氏体铁素体板条较为细小,取向十分杂乱。随着等温温度的提高,贝氏体铁素体板条加宽,其间的富碳残余奥氏体薄膜加厚。这是因为等温温度较高时,贝氏体铁素体转变的孕育期缩短,碳原子的扩散能力增强,贝氏体铁素体的生长速度加快,富碳的稳定奥氏体量也增加。同时贝氏体铁素体板条的取向也逐渐变得一致,在一个原奥氏体晶粒内部生成不同取向的相互成一定交角的贝氏体铁素体板条束。当转变温度高于380℃时,组织发生明显变化,贝氏体铁素体变得粗大而且出现分枝,奥氏体薄膜加厚。对高硅铸钢采用经800~820℃条件下退火1~3小时、850~950℃条件下奥氏体化0.5~2小时后,直接在温度为260~380℃的等温盐浴炉中进行等温淬火,保温时间1~3h,随后空冷即可获得高强度和高韧性。
本发明与现有技术相比具有以下特点:
①本发明强韧高硅铸钢以廉价的硅为主要合金元素,原材料来源丰富,不加钼、镍等昂贵合金,加少量铬、锰和微量硼改善淬透性,使合金性能明显提高。
②本发明强韧高硅铸钢利用硅在等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点进行等温淬火,得到由无碳化物贝氏体和被碳、硅稳定化了的奥氏体组成的奥-贝双相组织,这种复相组织具有较高的强度、硬度和优异的耐磨性。
③本发明采用炉内加硅钙脱氧和炉外吹氩除气去渣工艺,使钢水中气体和夹杂物大幅度减少,夹杂物含量由普通高硅铸钢0.5%以上降至0.1%以下。
④本发明采用钇、钒、钛对钢水复合变质处理,可以明显细化钢的显微组织,强韧高硅铸钢的晶粒度稳定在8级以上。
⑤本发明高硅铸钢由于钢水的净化和凝固组织的细化,力学性能明显提高,获得了硬度大于50HRC,抗拉强度σb≥180~2000MPa,延伸率δ≥5~10%,冲击韧性AkV≥30~40J,断裂韧性KIC≥80MPa.m1/2的强韧高硅铸钢,完全可应用于重载、高可靠性的磨损领域。