專利名稱：一種離心鑄造高碳高合金鋼及其熱處理方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料熱處理技術領域，特別涉及一種采用離心鑄造的高碳高合金材料及其熱處理方法。
背景技術：
工業應用離心鑄造高碳高合金材料一般含有大量W、Cr、Mo、V等元素，合金元素比重差別大，出現偏析，使用中導致鑄造合金鋼整體性能大大降低。熱處理可以改變高碳高合金鋼微觀組織，調整碳化物分布狀態，但是由于材料化學成分差異和鑄造條件不同，對應熱處理制度截然不同。中國發明專利CN101240402A公開了“一種復合軋輥用鑄造高硼高速鋼及其熱處理方法”，材料成分百分比為C0.2-1.0%，B1.0-2.5%，Cr3.5-5.0%，Si0.5-0.9%，Mn0.6-1.3%, V2.0-10%, Ni0.5-1.5%, Mol.0-4.0%, W0.2-4.0%, Nb0.1-2.0%, S 彡 0.04%,P^0.04%，其余為Fe，通過860-880°C退火、1020-1150°C淬火和500-550°C二次回火工藝后，材料硬度為56.3HRC，沖擊韌性為10.6J/cm2,斷裂韌性24.5MPa.πι1/2，抗拉強度828MPa，耐磨性、抗沖擊性能大幅度提高。中國專利“一種低裂紋型高速鋼軋輥及其離心鑄造方法”，公開號CN1803339 A,其化學成分重量百分比為:C1.5-2.0%, W3.0-6.0%, Mol.5-3.0%,V3.0-10%, B1.0-2.5%, Cr3.5-10.0%, Nil.5-3.0%, Mn < 1.5%, Si < 1.5%, RE0.08-0.20%,Κ0.05-0.15%,Mg0.04%-0.10%，其中 0.20% < RE+K+Mg < 0.40%，其余為 Fe 和不可避免的微量雜質，離心鑄造后進行熱處理，熱處理制度為950-1150°C正火和500-600°C回火，硬度為65.4HRC，抗拉強度為1245MPa，沖擊韌性為16.3J/cm2，斷裂韌性為36.8MPa.m1/2’，該發明獲得的軋輥材料具有良好的使用壽命。為了獲得更高硬度和耐磨性，一般需要提高碳元素和合金元素含量，當碳含量增加時，熱處理過程中常因熱處理制度不當造成材料出現裂紋，現有熱處理制度難以應用到鑄造高碳高合金材料熱處理中。
發明內容
本發明目的在于提供一種離心鑄造高碳高合金鋼，該高碳高合金鋼中以馬氏體為基體，含大量碳化物硬質相，硬度高，產品硬度達67-69HRC，具有良好的耐磨性能。本發明的另一目的還在于提供上述高碳高合金鋼的熱處理方法，經過該方法熱處理后的高碳高合金鋼，碳化物組織分布均勻，表面質量好，沒有任何裂紋出現，硬度提高明顯，且大大縮短了熱處理周期，提高工作效率，降低了生產成本。為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案:一種離心鑄造高碳高合金鋼，其化學成分及重量百分比為:C1.5-3.8%，W2_10%，Cr3-10%, Mo2-8%, V4-10%, NbO-3%，Mn0.2-0.8%, RE0.1-0.4%, Si ( 1.0%, Al ( 0.8%,Ni ( 0.3%，余量為Fe和微量不可避免雜質。所述離心鑄造高碳高合金鋼主要原料按重量配比成分及制備工藝如下:I)將800份軋制用頂頭廢鋼，20-130份市售鎢鐵(鎢含量75_85%)，40-150份市售微碳鉻鐵(鉻含量70-75%，碳含量小于0.15%)，30-130份市售鑰鐵(鑰含量60_70%)，50-145份市售釩鐵(釩含量70-80%)為主原料，350-1200份市售生鐵(碳含量3_4%)或10-35份石墨為增碳劑，混合加熱熔化成鋼水。鋼水熔清后，加入30-100份市售硅鐵(硅含量8-10%)進行預脫氧，加入1-8份鋁塊進行終脫氧。2)爐前調整成分合格后升溫至1600_1650°C，而后出爐。加入1_13份破碎粒度為6-18mm市售稀土硅鐵合金小塊(稀土含量30_40%)，稀土硅鐵合金小塊經160_240°C烘干以后置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行變質處理，高碳高合金鋼鋼水預制完成。3)將預制好的鋼水澆入到具有一定旋轉速度的臥式離心澆鑄機內進行離心澆鑄，鑄型采用雙層金屬型，鑄型涂料采用水載體涂料(含93-95%石英粉，5-7%水玻璃和水)。將鑄型預熱到160-260°C時噴涂料，涂料厚度為2-5mm，完成后，加熱到220_340°C消除涂料中水分。4)離心澆鑄完成后，當其溫度低于100°C時取出鑄件。所述高碳高合金鋼的熱處理方法依次包括調質處理、固溶強化處理、彌散強化處理。所述高碳高合金鋼的調質處理過程如下:淬火溫度920_960°C，保溫時間t1=(1.5-2.0) δ+150，油冷至室溫，冷速50-80°C / S ;回火溫度720_760°C，保溫時間t2=(1.0-1.5) δ +120，爐冷到500°C后，爐冷或空冷。I1為調質熱處理淬火保溫時間，min ；t2為調質熱處理回火保溫時間，min ； δ為工件厚度，mm。所述高碳高合金鋼的固溶強化處理過程如下:保溫溫度960-1020°C，保溫時間t3=(1.5-2.0) δ+80，油冷至室溫，冷速80-100°C / S。t3為固溶強化保溫時間，min ; δ為工件厚度，mm。固溶強化處理后 硬度為65-67HRC，抗彎強度為950-1 lOOMPa。所述高碳高合金鋼的彌散強化處理過程如下:一次回火溫度340-380°C，保溫時間t4= (1.0-1.5) δ +50，空冷。t4為一次回火保溫時間，min ； δ為工件厚度，mm。一次彌散強化處理后硬度為63-65HRC，抗彎強度為1350-1420Mpa。二次回火溫度為520_560°C，保溫時間t5= (1.0-1.5) δ +50，空冷。t5為二次回火保溫時間，min ； δ為工件厚度，mm。二次彌散處理后硬度為67-69HRC，抗彎強度為1450-1500Mpa。本發明與現有技術相比，具有以下有益效果:I)本發明的高碳高合金鋼中以馬氏體為基體，含大量碳化物硬質相，硬度高，產品硬度達67-69HRC，具有良好的耐磨性能。2)本發明中的熱處理制度，調質熱處理工藝代替一般離心鑄造高碳高合金鋼熱處理過程中的等溫退火熱處理工藝，大大縮短了熱處理周期，提高工作效率。3)本發明中的熱處理制度，彌散熱處理過程時出現二次硬化現象，硬度提高明顯。4)本發明中的熱處理制度，碳化物組織分布均勻，大大減小了偏析現象，表面質量好，沒有任何裂紋出現。5)本發明采用離心鑄造設備簡單，生產成本低廉，熱處理在常用電爐中進行，設備通用性強。
具體實施例方式一、高碳高合金鋼的制備實施例1
采用500公斤容量中頻感應爐熔煉，涉及組分按重量配比和具體制備工藝如下:將800份無縫鋼管軋制用頂頭廢鋼(碳含量為0.15%，鉻含量為1.0%，鑰含量為
0.3%，鎢含量為0.6%，鎳含量為0.3%), 50份市售鎢含量為80%的鎢鐵，55份市售鉻含量為70%，碳含量為0.08%的微碳鉻鐵，55份市售鑰含量為65%的鑰鐵，72份市售釩含量為75%的釩鐵為主原料,20份市售石墨為增碳劑，混合加熱熔化成鋼水。鋼水熔清后,加入50份市售硅含量為8%的硅鐵進行預脫氧，加入5份鋁塊進行終脫氧。爐前調整成分合格后升溫至1620°C后出爐。加入I份破碎粒度為8_12mm，稀土含量為30%的市售稀土硅鐵合金小塊，稀土硅鐵合金小塊經200°C烘干以后置于澆包底部，用包內沖入法對鋼水進行變質處理，高碳高合金鋼鋼水預制工序完成。將預制好的鋼水澆入到臥式離心澆鑄機內離心澆鑄成外徑為145mm，內徑115mm，厚度為30mm的高碳高合金鋼管。離心澆注鑄型采用雙層金屬型，鑄型涂料采用水載體涂料，其成分為94%的石英粉、6%水玻璃和水。將鑄型預熱到180°C時噴涂料，涂料厚度為4mm，完成后，加熱到260°C消除涂料·中水分。當其溫度為90°C時取出高碳高合金鋼管鑄件，離心澆鑄工序完成。其離心鑄造高碳高合金鋼成分為:C2.15%, W3.95%, Cr3.95%, Μο3.49%, V5.42%,Nb0.15%, Mn0.3%, RE0.25%, Si0.45%, A10.5%, Ni0.15%，其余為 Fe 及少量雜質。其硬度為54HRC，抗彎強度為751Mpa。二、高碳高合金鋼的熱處理方法實施例2截取實施例1制備的高度為50mm的高碳高合金鋼管在箱式電阻爐中進行熱處理，具體工藝包括調質處理、固溶強化處理、彌散強化處理。調質處理:保溫溫度為930°C，保溫時間為200min，油冷至室溫，冷速為60°C /S，回火溫度為730°C，保溫時間為160min，爐冷至室溫，調質熱處理工序完成。其硬度為43HRC，抗彎強度為1340Mpa。固溶強化處理:保溫溫度為960°C，保溫時間為130min，油冷至室溫，冷速90°C /S，固溶強化熱處理工序完成。其硬度為65HRC，抗彎強度為980Mpa。彌散強化處理:一次回火溫度為350°C，保溫時間為80min，空冷至室溫；二次回火溫度為530°C，保溫時間80min，空冷至室溫，彌散強化處理工序完成。一次回火硬度為64HRC，抗彎強度為1390Mpa ;二次回火硬度為68HRC，抗彎強度為1460Mpa。實施例3截取實施例1制備的高度為75mm的離心鑄造高碳高合金鋼管在箱式電阻爐中進行熱處理，具體工藝包括調質處理、固溶強化處理、彌散強化處理。調質處理:保溫溫度為950°C，保溫時間為200min，油冷至室溫，冷速為60°C /S，回火溫度為750°C，保溫時間為160min，爐冷至室溫，調質熱處理工序完成。其硬度為40HRC，抗彎強度為1450Mpa。固溶強化處理:保溫溫度為1000°C，保溫時間為130min，油冷至室溫，冷速90°C /S，固溶強化熱處理工序完成。其硬度為67HRC，抗彎強度為1040Mpa。彌散強化處理:一次回火溫度為370°C，保溫時間為80min，空冷至室溫；二次回火溫度為550°C，保溫時間80min，空冷至室溫，彌散強化處理工序完成。一次回火硬度為65HR C，抗彎強度為1420Mpa ;二次回火硬度為69HRC，抗彎強度為1495Mpa。
權利要求
1.一種離心鑄造高碳高合金鋼，其化學成分及重量百分比為:C1.5-3.8%，W2-10%，Cr3-10%, Mo2-8%, V4-10%, NbO-3%，Mn0.2-0.8%, RE0.1-0.4%, Si ( 1.0%, Al ( 0.8%,Ni ( 0.3%，余量為Fe和微量不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的高碳高合金鋼的熱處理方法，其特征在于，所述熱處理方法依次包括調質處理、固溶強化處理、彌散強化處理。
3.如權利要求2所述的高碳高合金鋼的熱處理方法，其特征在于，所述調質處理過程如下:淬火溫度920-960°C，保溫時間t1= (1.5-2.0) δ+150，油冷至室溫，冷速50_80°C /S ;回火溫度720-760°C，保溫時間t2= (1.0-1.5) δ +120，爐冷到500°C后，爐冷或空冷，&、t2分別為淬火保溫時間、回火保溫時間，min，δ為工件厚度，mm。
4.如權利要求2所述的高碳高合金鋼的熱處理方法，其特征在于，所述固溶強化處理過程如下:保溫溫度960-1020 °C，保溫時間t3= (1.5-2.0) δ+80，油冷至室溫，冷速80-100°C / S，&為固溶強化保溫時間，min，δ為工件厚度，mm。
5.如權利要求2所述的高碳高合金鋼的熱處理方法，其特征在于，所述彌散強化處理過程如下:一次回火溫度340-380°C，保溫時間t4= (1.0-1.5) δ +50，空冷，二次回火溫度為520-560°C，保溫時間t5= (1.0-1.5) δ+50，空冷，t4、t5分別為一次回火保溫時間、二次回火保溫時間，min, δ為工件厚 度，mm。
全文摘要
本發明涉及一種離心鑄造高碳高合金鋼及其熱處理方法，該高碳高合金鋼的化學成分及重量百分比為C1.5-3.8%，W2-10%，Cr3-10%，Mo2-8%，V4-10%，Nb0-3%，Mn0.2-0.8%，RE0.1-0.4%，Si≤1.0%，Al≤0.8%，Ni≤0.3%，余量為Fe和微量不可避免雜質。其熱處理方法依次包括調質處理、固溶強化處理、彌散強化處理。該高碳高合金鋼中以馬氏體為基體，含大量碳化物硬質相，具有良好的耐磨性能，其熱處理方法大大縮短了熱處理周期，提高了工作效率，降低了生產成本，經該方法處理后的高碳高合金鋼，碳化物組織分布均勻，表面質量好。
文檔編號C21D11/00GK103215526SQ20131014543
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者薛屺, 秦曾, 辛榮 申請人:西南石油大學