專利名稱：一種環保型高強度易切削鋼用鉍鋯鐵合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種鉍鋯鐵合金，具體涉及一種用于環保型高強度易切削合金鋼合金化處理的鉍鋯鐵合金，屬于合金(C22C合金)生產技術。
背景技術：
金屬鉍(Bi)外觀呈銀白色，有強烈的金屬光澤，呈脆性，晶體結構為斜方晶系，由于金屬鉍無毒，且具有與金屬鉛相近的低熔點和高柔韌性，因此在工業上被廣泛作為鉛的替代品，將鉍加入鑄鐵、鋼和鋁的合金中，可以改善其切削性能，含鉍易切削合金鋼由于其對環境友好的特性，已成為現代制造業所迫切需要的一種工業原材料。但是，鉍的熔點低(271. 30C )給鉍易切削合金鋼的合金化處理及合金鋼的生產，造成了非常大的困難；因此，由于鉍的氧化燒損和蒸發，采用金屬鉍作為所述合金鋼的合金化處理添加劑是完全不可行的，鉍錳合金可作為易切削合金鋼合金化處理的添加劑，但由于錳的熔點較低(1244°C)，而鉍錳合金的熔點更低(446°C);因此，用其作為易切削合金鋼合金化處理的添加劑，將鉍錳合金加入易切削合金鋼時鉍元素的燒損仍然很大，仍然難以實現其工業應用，而中國專利檢索結果表明，合金化處理可行，收得率高的用于易切削合金鋼合金化處理的添加劑鉍合金，除了鉍錳鐵合金以外尚未見有其它報道，而鉍錳鐵的熔點仍然不高。鋯是一種過渡族金屬元素，呈銀白色，它具有熔點高(1852° C)、密度適中、良好的強度和塑性匹配；鋯是一個強氧化物、強氮化物形成元素，其化合物不僅熔點高(如ZrO2熔點為2677°C，ZrN熔點為3255°C )，硬度也高，在鋼中可以抑制奧氏體晶粒長大；含V，Ti和Zr的合金能代替鋁脫氧，可大大減少非金屬夾雜物對鋼的使用性能的有害影響；研究表明，在高強度低合金鋼中加入合金元素鋯能使夾雜物的大小、形態及分布均得到了明顯改善，形成顆粒細小、圓形或近圓形、呈彌散分布的夾雜物；夾雜物一般是由Ti02、A1203、ZrO2及MnS組成的復合夾雜物，TiO2> A1203、ZrO2位于復合夾雜物的中心部位，MnS位于外層,錯微合金化使鋼中夾雜物尺寸、形態和分布得到改善，能明顯提高鋼的機械性能。鋼中添加鉍元素后，雖然可以改善其切削性能，但是鋼的機械性能有所下降。為此，提供一種合金化處理可行，既可以提高鋼的機械性能、又能提高鉍元素的收得率的所述環保型高強度易切削合金鋼合金化處理添加劑，便成為現代冶金工業的追求目標。
發明內容
本發明旨在提供一種合金化處理可行，既能提高鋼的機械性能、又有較高收得率的鉍鋯鐵合金，滿足環保型高強度易切削鋼冶煉生產的需求。本發明實現其目的的技術方案是
一種鉍鋯鐵合金，其特征在于，所述鉍鋯鐵合金的組分按重量百分含量計算分別為鉍18% 70%，鋯20% 60wt%，不可避免的雜質彡I. 2%，鐵5% 60%。本發明的一種典型的技術方案是一種鉍鋯鐵合金，各組分的重量百分含量是鉍45°/Γ65% ;鋯25°/Γ45% ;不可避免的雜質彡 I. 2% ;鐵:8% 28%。本發明所述鉍鋯鐵合金呈塊狀，其塊度在l(T50mm范圍內；或者呈粒狀，其粒徑在I. O IOmm范圍內。本發明所述不可避免的雜質，是指在鉍鋯鐵合金的制備過程中，不可能徹底去除的金屬元素和非金屬元素，本發明所述不可避免的雜質，主要是指鉿、鉻、碳、氮、氫和氧。上述技術方案得以實施后，由于本發明鉍的重量百分含量可調，且所述本發明熔點較高(BiZr熔點為1302°C，Bi2Zr3熔點為1497°C )，而其比重與鐵相當或者略大于鐵的比重，因而采用本發明鉍鋯鐵合金進行爐前合金化處理是完全可行的，合金的加入和混合都很方便；由于鉍鋯鐵合金的熔點較高，且鐵的加入調低了鉍的含量，因此鉍的收得率可進一步提高，可達96%以上；此外鋯元素能起到脫氧和改善鋼中夾雜物的大小、形態和分布的作用，對提高鋼的機械性能十分有利，因此本發明能滿足環保型易切削鋼用合金添加劑·的要求。
具體實施例方式實施例I :一種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):鉍20，鋯60,不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為12mm,破碎后的粒徑在I. O IOmm范圍內。實施例2 :—種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):秘30，鋯50,不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. 2,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為20mm,破碎后的粒徑在I. O IOmm范圍內。實施例3:—種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％):鉍40，鋯40,不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為O. 8,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為28mm,破碎后的粒徑在I. O IOmm范圍內。實施例4 :一種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):秘55，鋯30,不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為36mm,粒徑在I. O IOmm范圍內。實施例5 :—種鉍鋯鐵合金，其組分和各組分的重量百分含量是(％ ):秘70，鋯15,不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為45臟，破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內。由于本發明的鉍鋯鐵合金主要由各種脆性金屬間化合物組成，可以非常容易地制備成小塊度或制備成所需粒狀的合金產品。本發明制備方法的簡要描述是
采用浸滲反應法實施本發明，本發明的制備方法為首先將粒度為200目的鋯粉和200目鐵粉在球磨機中進行均勻混合，然后將混合好的鋯鐵混合物放入鑄鐵坩堝中，將坩堝中的混合料上方抹平，再將金屬鉍塊均勻地擺放在鋯鐵混合料上方；將盛有鋯鐵混合粉和金屬鉍的鑄鐵坩堝置于井式電阻爐中加熱到800°C，在此溫度下保溫使鉍液滲入鋯鐵粉中，使鉍與鋯發生反應形成鉍鋯化合物，待金屬鉍完全滲入鋯鐵粉后，切斷電源并將鑄鐵坩堝取出，待其在空氣中冷卻至50°C時將鉍鋯鐵合金從鑄鐵坩堝中取出，然后將其破碎成所需尺寸，制成所需的鉍鋯鐵合金。采用本發明制作的鉍鋯鐵進行爐前合金化處理的結果顯示，其加入方法簡便可行，合金化處理鉍的收得率可達96%以上。實施例6 :由于Q235鋼成分接近含鉍鋯的易切削鋼，因此選用Q235鋼作為合金化處理對象，將Q235鋼在真空感應爐中進行熔煉，待其完全熔化后加入本發明鉍鋯鐵合金I并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍20，鋯60，不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為12mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內，合金加入量按照此公式計算合金加入量4. 381g =鋼水質量500gX (目標元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量20%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進行常規熱處理，隨后進行切削實驗和力學性能實驗。實施例7 :將Q235鋼在真空感應爐中進行熔煉，待其完全熔化后加入本發明鉍鋯 鐵合金2并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍30，鋯50，不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. 2,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為20mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內；合金加入量按照此公式計算合金加入量2. 921g =鋼水質量500gX (目標元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量30%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進行常規熱處理，隨后進行切削實驗和力學性能實驗。實施例8 :將Q235鋼在真空感應爐中進行熔煉，待其完全熔化后加入本發明鉍鋯鐵合金3并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍40，鋯40，不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為O. 8,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為28mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內；合金加入量按照此公式計算合金加入量2. 191g =鋼水質量500gX (目標元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量40%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進行常規熱處理，隨后進行切削實驗和力學性能實驗。實施例9 :將Q235鋼在真空感應爐中進行熔煉，待其完全熔化后加入本發明鉍鋯鐵合金4并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％):鉍55，鋯30，不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為36mm,粒徑在I. O IOmm范圍內；合金加入量按照此公式計算合金加入量I. 593g =鋼水質量500gX (目標元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%)/合金中Bi元素含量55%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進行常規熱處理，隨后進行切削實驗和力學性能實驗。實施例10 :將Q235鋼在真空感應爐中進行熔煉，待其完全熔化后加入本發明鉍鋯鐵合金5并保持5分鐘，該合金的重量百分含量是(％ ):鉍70，鋯15，不可避免的雜質鉿、鉻、碳、氮、氫和氧的總和為I. O,余量為鐵；其產品呈塊狀,塊度為45mm,破碎后的粒徑在I. (TlOmm范圍內；合金加入量按照此公式計算合金加入量I. 252g =鋼水質量500gX (目標元素Bi含量O. 17% 一鋼中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量70%X合金中Bi元素收得率97%，控制鋼液溫度在1600°C進行澆注，澆注為圓棒試樣，將澆注好的試樣進行常規熱處理，隨后進行鋼的易切削性能主要通過切削鋼的刀具壽命來間接評定的，與已公開的切削性能相近的12L14易切削鋼的切削性能相比，使用五種不同鉍含量的鉍鋯合金對Q235 鋼合金化處理后，獲得的鉍鋯易切削鋼達到了易切削鋼的切削性能要求。
表I為本發明鉍鋯合金合金化處理Q235鋼后獲得的鉍鋯易切削鋼的機械性能，可見，鋼的機械性能均都于標準的中上限。
表I鉍鋯鐵合金合金化處理Q235鋼后獲得的鉍鋯易切削鋼的機械性能
權利要求
1.一種鉍鋯鐵合金，其特征在于所述鉍鋯鐵合金的組分按重量百分含量計算分別為鉍18% 70%，鋯20% 60wt%，不可避免的雜質彡I. 2%，鐵5% 60%。
2.如權利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金，其特征在于各組分的重量百分含量是鉍 45% 65% ;鋯25% 45% ;不可避免的雜質S I. 2% ;鐵:8% 28%。
3.如權利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金，其特征在于所述鉍鋯鐵合金呈塊狀，其塊度在l(T50mm范圍內；或者呈粒狀，其粒徑在I. O IOmm范圍內。
4.如權利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金，其特征在于所述不可避免的雜質主要是指鉿、鉻、碳、氮、氫和氧。
5.如權利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金的制備方法，其特征在于首先將粒度為200 目的鋯粉和200目鐵粉在球磨機中進行均勻混合，然后將混合好的鋯鐵混合物放入鑄鐵坩堝中，將坩堝中的混合料上方抹平，再將金屬鉍塊均勻地擺放在鋯鐵混合料上方；將盛有鋯鐵混合粉和金屬鉍的鑄鐵坩堝置于井式電阻爐中加熱到800°C，在此溫度下保溫使鉍液滲入鋯鐵粉中，使鉍與鋯發生反應形成鉍鋯化合物，待金屬鉍完全滲入鋯鐵粉后，切斷電源并將鑄鐵坩堝取出，待其在空氣中冷卻至50°C時將鉍鋯鐵合金從鑄鐵坩堝中取出，然后將其破碎成所需尺寸，制成所需的鉍鋯鐵合金。
6.如權利要求I所述的一種鉍鋯鐵合金在高強度易切削鋼合金化處理的用途，其特征在于將易切削鋼在真空感應爐中進行熔煉，待易切削鋼完全熔化后加入鉍鋯鐵合金并保持5分鐘,秘錯鐵合金加入量按照此公式計算合金加入量=鋼水質量X (目標元素Bi含量一鋼中Bi元素含量)/合金中Bi元素含量X合金中Bi元素收得率,控制鋼液溫度在 1600 V進行澆注，澆注為圓棒試樣。
全文摘要
本發明涉及一種鉍鋯鐵合金，具體涉及一種用于環保型高強度易切削合金鋼合金化處理的鉍鋯鐵合金。所述鉍鋯鐵合金的組分按重量百分含量計算分別為鉍18%~70%，鋯20%~60wt%，不可避免的雜質≤1.2％，鐵5%~60%。本發明具有使易切削鋼合金化處理可行，鋼的機械性能提高，鉍的收得率高等特點，適用于環保型高強度易切削鋼合金化處理的添加劑。
文檔編號C22C16/00GK102925749SQ20121039130
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者王建華, 蘇旭平, 劉亞, 涂浩, 彭浩平, 吳長軍 申請人:常州大學