專利名稱：一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種自動軋管機球形頂頭及其制造方法，尤其涉及一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法。
背景技術：
自動軋管機球形頂頭是熱軋無縫鋼管生產過程中使用的主要工具之一。由于軋管過程中球形頂頭的工作環境惡劣，軋管時，球形頂頭的工作溫度高達1000°c以上，與此同時還要承受巨大的沖擊載荷作用和由驟冷驟熱引起的循環熱應力的作用，這種機械疲勞和熱應力疲勞作用容易使球形頂頭發生變形和開裂等形式的失效。球形頂頭的失效和頻繁更換，一方面造成材料的使用效率降低，鋼管生產成本提高；另一方面，頻繁更換球形頂頭將嚴重影響整個鋼管生產線的效率。因此，如何提高球形頂頭的使用壽命、保證鋼管生產質量一直以來都是無縫鋼管行業致力解決的重要課題之一。高鉻白口鑄鐵作為一種優良的抗磨材料，在冶金、礦山、建材、電力、水泥、筑路機械、耐火材料等領域得到了廣泛的應用，并獲得了較好的經濟效益和社會效益，這主要歸功于高鉻白口鑄鐵中鑲嵌著高硬度的M7C3型碳化物，這中組織特點也決定了高鉻白口鑄鐵是一種制備自動軋管機球形頂頭的優良材料。目前，人們從材料化學成分、變質處理、熱處理工藝、鑄造工藝等不同角度對高鉻白口鑄鐵的強韌化方法進行了大量的研究，但多數都是基于提高耐磨件常溫條件下使用壽命而展開的，對如何提高高鉻白口鑄鐵在高溫條件下使用壽命的研究相對較少。國內無縫鋼管生產應用較多的球形頂頭材質通常為中、高碳高鉻鎳白口鑄鐵， 其主要化學成分含量為c 2. 6% 3. 0%, Cr 26%"29 %，Si 1. 7% 2. 0%, Mn 0. 6% 0. 8%, Ni 3.69Γ4.0%，余量為鐵。在使用前，球形頂頭通常采用的熱處理工藝為脫穩處理，即在 9500C 1050°C下保溫4 8h，出爐空冷，然后再在200°C 400°C下保溫4 8h，出爐空冷。但由于高鉻白口鑄鐵畢竟屬于脆性材料，韌性較差，上述工藝制備的球形頂頭在實際使用過程中常常出現變形和開裂等缺陷而報廢，硬度、韌性及耐磨性能不能達到良好的配合，導致球形頂頭使用壽命較短。
發明內容
本發明的目的是針對現有無縫鋼管自動軋管機組球形頂頭及其制造方法中出現的上述不足，而提供一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法。本發明是這樣來實現的，高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分比為 C 1. 8%"2. 2%, Cr 16% 22 %, Si 0. 0%, Mn 0. 3%"0. 6%, Ni 1. 6%"2. 2%, FeSiRE 0. 69Γ1. 5%，V 0. 29ΓΟ. 7%，余量為鐵。通過采用適當的成分優化、變質處理及鑄造工藝，改善高鉻白口鑄鐵的基體組織及碳化物的大小及形態，結合一定的熱處理工藝，進一步優化高鉻白口鑄鐵的組織結構，確保所生產的高鉻白口鑄鐵在提高韌性的同時，仍保持較高的硬度和耐磨性能。
本發明所述的高鉻白口鑄鐵球形頂頭的制造方法步驟為
(1)采用生鐵、低碳鉻鐵、鎳錳鐵、廢鋼、硅鐵等為原材料，按照提供的配料配方進行配
料；
(2)將配料好的原材料加熱熔化成鐵水，鐵水熔煉溫度為1480°C 1550°C，出爐溫度為 1500 °C 左右；
(3)加入0.29ΓΟ. 7%釩鐵和0. 69Γ1. 5% !^eSiRE進行變質處理，釩采用直接投入的方式加入，FeSiRE采用包底沖入的方式加入，出爐前采用少量鋁片進行預脫氧，變質后的鐵水經在濕砂型中澆注、成型，得到不同規格的球形頂頭；
(4)本發明采用的熱處理工藝為分級保溫熱處理，即將鑄件加熱到1100°C 1200°C保溫0. 5h 2h，隨爐冷至850°C 950°C保溫3h 6h，出爐砂冷，隨后加熱到300°C 400°C保溫 3h^6h出爐砂冷。與現有技術相比，本發明所述的高鉻白口鑄鐵球形頂頭具有以下優點
(1)本發明在成分優化設計上遵循節約合金元素、滿足優異性能的原則，利用原有高鉻白口鑄鐵的相關組織結構、性能指標，適當降低了 C、Cr、Ni、Mn等元素含量。由于C、Cr是碳化物形成元素，在C、Cr元素保持平衡的條件下，隨著C含量的提高，碳化物數量越多，材料硬度和耐磨性能也隨著增加，但過高的碳含量將降低材料的沖擊韌性，增加脆性。較低的 C含量時，奧氏體枝晶間距較小，使網狀共晶碳化物斷續，裂紋尖端應力集中得到一定程度的釋放，同時改變裂紋擴展的方向，抑制裂紋的失穩擴展，提高材料的斷裂韌性。同時，當前工業生產原材料成本日益高漲，降低價格昂貴的合金元素將有利于降低高鉻白口鑄鐵球形頂頭的生產成本。(2)本發明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭在成分優化設計的基礎上同時還添加了適量的變質劑釩及i^eSiRE，通過釩及!^eSiRE凈化鐵液，去除結晶組織中晶界富集的有害雜質，細化晶粒，改善鑄件組織，提高綜合性能。(3)本發明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭采用分級保溫熱處理工藝進行熱處理。與常規的脫穩處理工藝相比，分級保溫處理中在較高溫度進行第一級保溫，有利于減少鑄件中微裂紋數量和降低成分偏析現象，提高材料的韌性；在較低溫度下進行第二級保溫，基體組織上析出大量不同層次的二次碳化物顆粒，一方面降低了基體組織中的碳含量，有利于馬氏體的形成，提高材料的硬度，另一方面二次碳化物彌散分布于基體組織中起到第二相強化的作用，疲勞裂紋不易萌生和失穩擴展，耐磨性能得到改善。因此，經分級保溫處理的高鉻白口鑄鐵硬度、沖擊韌性達到更加合理的匹配，耐磨性能提高，高溫條件下表現出良好的使用性能。(4)試驗結果表明，本發明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭在國內某知名大型無縫鋼管廠的Φ90πιπι和Φ 140mm機組上進行軋管試驗時，軋制低合金無縫鋼管200根以上，遠高于目前普遍采用的球形頂頭(使用壽命為100根左右)。在合金管的試軋制過程中，本發明所述的高鉻白口鑄鐵球形頂頭使用壽命為目前普遍采用的球形頂頭的1. 5倍以上。下面結合具體實施方式
對本發明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法做進一步詳細說明。
圖1為各實施例的金相圖片，其中(a)為傳統工藝鑄態金相、(b)為傳統工藝熱處理態金相、(c)為實施例一鑄態金相、(d)為實施例一熱處理態金相、(e)為實施例二鑄態金相、(f)為實施例二熱處理態金相；
圖2為傳統工藝制造的球形頂頭使用失效后的宏觀形貌圖； 圖3為采用本發明制造的球形頂頭使用失效后的宏觀形貌圖。
具體實施例方式實施例一
高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分比為c 1. 9%，Cr 18. 5 %，Si 0. 7%，Mn 0. 6%， Ni 2. 1%，FeSiRE 0. 8%，V 0. 6%，余量為鐵，其制造工藝為
(1)將生鐵、低碳鉻鐵、廢鋼等爐料混合放入放入750kg中頻感應電爐熔化，待鐵水熔清后加入鎳錳鐵和硅鐵，每爐爐料設計重量為600kg ；
(2)爐前調整成分合格后將溫度升至1520°C 1550°C，加入少量鋁片進行脫氧，脫氧 Γ2分鐘后，加入3. 6Kg經預熱、粒度為5 25mm釩鐵塊進行變質處理，釩鐵加入廣2分鐘后出爐；
(3)將4.8Kg粒度為廣4mm的稀土硅鐵合金經預烘干后置于澆包底部，用包底沖入法對鐵水進行變質處理；
(4)將鐵水澆注成大小為Φ90mm球形頂頭，鐵水澆注溫度為1480°C左右；
(5)將澆注成型的球形頂頭放于高溫箱式電阻爐中進行分級保溫處理。分級保溫處理工藝為將鑄件加熱到1200°C保溫lh，隨爐冷至850°C保溫6h，出爐砂冷，隨后加熱到 400°C保溫汕出爐砂冷。采用上述工藝制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，基本力學性能如表1所示。實施例二
高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分比為c 1.84%，Cr 19.2 %，Si 0.8%，Mn 0.7%， Ni 1. 8%, FeSiRE 1.3 %，V 0.3%，余量為鐵。其制造工藝為
(1)將生鐵、低碳鉻鐵、廢鋼等爐料混合放入放入750kg中頻感應電爐熔化，待鐵水熔清后加入鎳錳鐵和硅鐵，每爐爐料設計重量為600kg ；
(2)爐前調整成分合格后將溫度升至1520°C 1550°C，加入少量鋁片進行脫氧，脫氧 Γ2分鐘后，加入1. SKg經預熱、粒度為5 25mm釩鐵塊進行變質處理，釩鐵加入廣2分鐘后出爐；
(3)將7.8Kg粒度為廣4mm的稀土硅鐵合金經預烘干后置于澆包底部，用包底沖入法對鐵水進行變質處理；
(4)將鐵水澆注成大小為Φ140mm球形頂頭，鐵水澆注溫度為1480°C左右；
(5)將澆注成型的球形頂頭放于高溫箱式電阻爐中進行分級保溫處理。分級保溫處理工藝為將鑄件加熱到1100°C保溫池，隨爐冷至900°C保溫4h，出爐砂冷，隨后加熱到 400°C保溫4h出爐砂冷。采用上述工藝制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，基本力學性能如表1所示。各實施例的金相圖片如圖1所示。由圖1可知，與傳統工藝相比，采用本發明制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，其組織中共晶碳化物更細小，網狀連續性和方向性降低，基體組織晶粒變細，經
5熱處理后基體組織中析出大量的二次碳化物。結合表1及圖1可知，采用本發明制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，其性能較傳統工藝制造的球形頂頭明顯得到提高，使用壽命是同類國內外產品的2倍以上。對比圖2和圖3可知，采用本發明制備的高鉻白口鑄鐵球形頂頭， 使用過程中不易發生明顯的變形和開裂失效，使用效果良好。
表1高鉻白口鑄鐵球形頂頭的基本力學性
權利要求
1.一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭，其特征是各組分重量百分比為C 1.89T2.2%，Cr 169Γ22 %，Si 0. 59Γ1. 0%, Mn 0. 3% 0. 6%, Ni 1. 6% 2. 2%, FeSiRE 0. 6% 1. 5%, V 0. 2°Γθ. 7%,余量為鐵。
2.—種權利要求1所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭的制造方法，其特征是制造方法步驟為(1)采用生鐵、低碳鉻鐵、鎳錳鐵、廢鋼、硅鐵等為原材料，按照提供的配料配方進行配料；(2)將配料好的原材料加熱熔化成鐵水，鐵水熔煉溫度為1480°C 1550°C，出爐溫度為1500°C左右；(3)加入0.29ΓΟ. 7%釩鐵和0. 69Γ1. 5% FeSiRE進行變質處理，釩采用直接投入的方式加入，FeSiRE采用包底沖入的方式加入，出爐前采用少量鋁片進行預脫氧，變質后的鐵水經在濕砂型中澆注、成型，得到不同規格的球形頂頭；(4)本發明采用的熱處理工藝為分級保溫熱處理，即將鑄件加熱到1100°C 1200°C 保溫0. 5h 2h，隨爐冷至850°C 950°C保溫3h 6h，出爐砂冷，隨后加熱到300°C 400°C保溫 3h^6h出爐砂冷。
全文摘要
本發明公開了一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法，高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分數為C1.8%~2.2%，Cr16%~22%，Si0.5%~1.0%，Mn0.3%~0.6%，Ni1.6%~2.2%，FeSiRE0.6%~1.5%，V0.2%~0.7%，余量為鐵。其制造方法為澆注前，向高鉻白口鑄鐵鐵水中加入少量鋁片進行預脫氧，然后加入特種變質劑對鐵水進行變質處理；然后在鐵水包中加入覆蓋劑于鐵水表面，鎮靜，澆注；脫模、打磨表面后采用分級保溫處理的方式進行熱處理。本發明使高鉻白口鑄鐵中M7C3型碳化物由連續、網狀、粗大板條狀向孤立、斷續、細心條狀轉變，基體組織連續性提高，同時析出大量的二次碳化物，在改善鑄鐵韌性的同時使其仍具有較高硬度，廣泛應用于無縫鋼管軋制生產過程。
文檔編號C22C37/10GK102352460SQ20111032966
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者何文, 梁炳亮, 艾云龍, 陳衛華 申請人:南昌航空大學