专利名称：一种环保型高强度易切削钢用铋锆合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铋锆合金，具体涉及一种用于环保型高强度易切削合金钢合金化处理的铋锆合金，属于合金钢(C22C合金)制备技术领域。
背景技术：
金属铋(Bi)外观呈银白色，有强烈的金属光泽，呈脆性，晶体结构为斜方晶系，由于金属铋无毒，且具有与金属铅相近的低熔点和高柔韧性，因此在工业上被广泛作为铅的替代品，将铋加入铸铁、钢和铝的合金中，可以改善其切削性能，含铋易切削合金钢由于其对环境友好的特性，已成为现代制造业所迫切需要的一种工业原材料。但是，铋的熔点低(271. 30C )给铋易切削合金钢的合金化处理及合金钢的生产，造成了非常大的困难；因此，由于铋的氧化烧损和蒸发，采用金属铋作为所述合金钢的合金化处理添加剂是完全不可行的，铋锰合金可作为易切削合金钢合金化处理的添加剂，但由于锰的熔点较低(1244°C)，而铋锰合金的熔点更低(446°C);因此，用其作为易切削合金钢合金化处理的添加剂，将铋锰合金加入易切削合金钢时铋元素的烧损仍然很大，仍然难以实现其工业应用，而中国专利检索结果表明，合金化处理可行，收得率高的用于易切削合金钢合金化处理的添加剂铋合金，除了铋锰铁合金以外尚未见有其它报道，而铋锰铁的熔点仍然不高。锆是一种过渡族金属元素，呈银白色，它具有熔点高、密度适中、良好的强度和塑性匹配。锆是一个强氧化物、强氮化物形成元素，其化合物不仅熔点高(如ZrO2熔点为2677°C, ZrN熔点为3255°C )，硬度也高，在钢中可以抑制奥氏体晶粒长大。含V，Ti和Zr的合金能代替铝脱氧，可大大减少非金属夹杂物对钢的使用性能的有害影响；研究表明，在高强度低合金钢中加入合金元素锆能使夹杂物的大小、形态及分布均得到了明显改善，形成颗粒细小、圆形或近圆形、呈弥散分布的夹杂物。夹杂物一般是由Ti02、Al203、Zr02&MnS组成的复合夹杂物，Ti02、Al203、Zr02位于复合夹杂物的中心部位，MnS位于外层。锆微合金化使钢中夹杂物尺寸、形态和分布得到改善，能明显提高钢的机械性能。钢中添加铋元素后，虽然可以改善其切削性能，但是钢的机械性能有所下降。为此，提供一种合金化处理可行，既可以提高钢的机械性能、又能提高铋元素的收得率的所述环保型高强度易切削合金钢合金化处理添加剂，便成为现代冶金工业的追求目标。
发明内容
本发明旨在提供一种合金化处理可行，既能提高钢的机械性能、又有较高收得率的铋锆合金，满足环保型高强度易切削钢冶炼生产的需求。本发明实现其目的的技术方案是
一种铋锆合金，其特征在于所述铋锆合金的组分按重量百分含量计算分别为铋15 82% ;不可避免的杂质■.( I. 2% ;锆余量。本发明的一种典型的技术方案是一种铋锆合金，其特征在于所述铋锆合金的组分按重量百分含量计算分别为铋45% 75% ;不可避免的杂质彡I. 2% ;锆余量。本发明所述铋锆合金呈块状，其块度在l(T50mm范围内；或者呈粒状，其粒径在I. O IOmm范围内。本发明所述不可避免的杂质，是指在铋锆合金的制备过程中，不可能彻底去除的金属元素和非金属元素，本发明所述不可避免的杂质，主要是指铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧，其中铁+铬的重量百分含量< O. 2%。上述技术方案得以实施后，由于本发明铋的重量百分含量最高可达82%，且所述本发明熔点较高(BiZr熔点为1302°C，Bi2Zr3熔点为1497°C )，而其比重与铁相当或者略大于铁的比重，因而采用本发明铋锆合金进行炉前合金化处理是完全可行的，合金的加入和混合都很方便；由于铋锆合金的熔点较高，因此铋的收得率很高，可达95%以上；此外、锆元素能起到脱氧和改善钢中夹杂物的大小、形态和分布的作用，对提高钢的机械性能十分有利，因此本发明能满足环保型易切削钢用合金添加剂的要求。
具体实施例方式实施例I :一种铋锆合金，其组分和各组分的重量百分含量是) -M 20，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为1.0%,余量为错；其产品呈块状,块度为20mm。实施例2 :—种铋锆合金，其组分和各组分的重量百分含量是):铋35，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为1.2%，余量为锆；其产品呈粒状，粒径在I. O 10mm范围内。实施例3 :—种铋锆合金，其组分和各组分的重量百分含量是):秘50，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为O. 8%,余量为错；其产品呈块状,块度为35mm。实施例4 :一种铋锆合金，其组分和各组分的重量百分含量是) -M 65，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为1.0%，余量为锆；其产品呈粒状，粒径在I. O 10mm范围内。实施例5 :—种铋锆合金，其组分和各组分的重量百分含量是):秘80，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为I. 0%,余量为错；其产品呈块状,块度为48mm。由于本发明的铋锆合金属于脆性金属间化合物，可以非常容易地制备成小块度或制备成所需粒状的合金产品。本发明制备方法的简要描述是
采用一步重熔法或浸渗反应法实施本发明，一步重熔法即采用熔铸法直接制备铋锆中间合金，其制备方法有两种，一种方法是先熔炼铋，再加入工业纯锆(海绵锆)；另一种方法是先熔炼工业纯锆，再加入铋。第一种一步重熔法制备本发明将金属铋和工业纯锆按制备本发明所需的配比配料，先行熔化金属铋，再加入工业纯锆并进行搅拌，以使锆充分溶解到铋液中，在此过程中，随着锆的不断加入，对合金液进行缓慢升温，直至工业纯锆完全溶解并均匀混合后把合金液浇注到铸锭模内快速冷却，即制成本发明铋锆合金锭。第二种一步重熔法制备本发明将金属铋和工业纯锆按制备本发明所需的配比配料，先行熔化工业纯锆，再将金属铋投入金属锆液中并进行搅拌，以使铋充分溶解到锆液中，在此过程中，随着金属铋的不断加入，对合金液进行缓慢降温处理，直至金属铋完全溶解并均匀混合后把合金液浇注到铸锭模内快速冷却，即制成本发明铋锆合金锭。由于本发明铋锆合金属于金属间化合物，比较脆，若需要较小颗粒的本发明时，可对本发明实施人工或机械分碎，由于本发明在熔炼过程中采用升温和降温处理，可以有效减少秘的损耗。浸渗反应法
首先将粒度为200目的锆粉放入铸铁坩埚中并上方抹平，再将金属铋块均匀地摆放在锆粉上方；将盛有锆粉和金属铋的铸铁坩埚置于井式电阻炉中加热到800°C，在此温度下保温使铋液渗入锆粉中，使铋与锆发生反应形成铋锆化合物，待金属铋完全渗入锆粉后，切断电源并将铸铁坩埚取出，待其在空气中冷却至50°C时将铋锆合金从铸铁坩埚中取出，然后将其破碎成所需尺寸，制成所需的铋锆合金。采用本发明生产的铋锆合金作炉前合金化处理的结果显示，其加入方法简便可行；合金化处理铋的收得率可达95%以上。实施例6 :由于Q235钢成分接近含铋锆的易切削钢，因此选用Q235钢作为合金化处理对象；将Q235号钢在真空感应炉中进行熔炼，待其完全熔化后加入本发明铋锆合金I并保持5分钟，该合金成分为(％):铋20，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为1.0，余量为锆；其产品呈块状，块度为20mm，合金加入量按照此公式计算合金加入量
4.474g =钢水质量500gX (目标元素Bi含量O. 17% 一钢中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95%，控制钢液温度在1600°C进行浇注，浇注为圆棒试样，将浇注好的试样进行常规热处理，随后进行切削实验和力学性能实验。实施例7 :选用Q235钢作为合金化处理对象。将Q235号钢在真空感应炉中进行熔炼，待其完全熔化后加入本发明铋锆合金2并保持5分钟，该合金成分为(％):铋35，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为I. 2，余量为锆；其产品呈粒状，粒径在I. (TlOmm范围内，合金加入量按照此公式计算合金加入量2. 556g =钢水质量500gX (目标元素Bi含量O. 17% 一钢中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量35%X合金中Bi元素收得率95%，控制钢液温度在1600°C进行浇注，浇注为圆棒试样，将浇注好的试样进行常规热处理，随后进行切削实验和力学性能实验。实施例8 :选用Q235钢作为合金化处理对象。将Q235号钢在真空感应炉中进行熔炼，待其完全熔化后加入本发明铋锆合金3并保持5分钟，该合金成分为(％):铋50，不可避免的杂质铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为I. 2,余量为错；其产品呈块状,块度为35mm,合金加入量按照此公式计算合金加入量I. 789g =钢水质量500gX (目标元素Bi含量
0.17% 一钢中Bi元素含量0%)/合金中Bi元素含量50%X合金中Bi元素收得率95%，控制钢液温度在1600°C进行浇注，浇注为圆棒试样，将浇注好的试样进行常规热处理，随后进行切削实验和力学性能实验。实施例9 :选用Q235钢作为合金化处理对象。将Q235号钢在真空感应炉中进行熔炼，待其完全熔化后加入本发明铋锆合金4并保持5分钟，该合金成分为(％):铋65，不可避免的杂质，铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为1.0，余量为锆；其产品呈粒状，粒径在
1.(TlOmm范围内，合金加入量按照此公式计算合金加入量I. 377g =钢水质量500gX (目标元素Bi含量O. 17% 一钢中Bi元素含量0%) /合金中Bi元素含量65%X合金中Bi元素收得率95%，控制钢液温度在1600°C进行浇注，浇注为圆棒试样，将浇注好的试样进行常规热处理，随后进行切削实验和力学性能实验。实施例10 :选用Q235钢作为合金化处理对象。将Q235号钢在真空感应炉中进行熔炼，待其完全熔化后加入本发明铋锆合金5并保持5分钟，该合金成分为(％):铋80，不可避免的杂质，铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧的总和为I. O,余量为错；其产品呈块状,块度为48mm,合金加入量按照此公式计算合金加入量I. 118g =钢水质量500gX (目标元素Bi含量O. 17% 一钢中Bi元素残余含量0%) /合金中Bi元素含量80%X合金中Bi元素收得率95%，控制钢液温度在1600°C进行浇注，浇注为圆棒试样，将浇注好的试样进行常规热处理，随后进行切削实验和力学性能实验。钢的易切削性能主要通过切削钢的刀具寿命来间接评定的，与已公开的切削性能相近的12L14易切削钢的切削性能相比，使用五种不同铋含量的铋锆合金对Q235钢合金化处理后，获得的铋锆易切削钢达到了易切削钢的切削性能要求。表I为本发明铋锆合金合金化处理Q235钢后获得的铋锆易切削钢的机械性能，可见，钢的机械性能均处于标准的中上限。表I铋锆合金合金化处理Q235钢后获得的铋锆易切削钢的机械性能
权利要求
1.一种铋锆合金，其特征在于所述铋锆合金的组分按重量百分含量计算分别为铋15 82% ;不可避免的杂质■.( I. 2% ;锆余量。
2.如权利要求I所述的一种铋锆合金，其特征在于所述铋锆合金的组分按重量百分含量计算分别为铋:45% 75% ;不可避免的杂质I. 2% ;锆余量。
3.如权利要求I所述的一种铋锆合金，其特征在于所述铋锆合金呈块状，其块度在l(T50mm范围内；或者呈粒状，其粒径在I. O IOmm范围内。
4.如权利要求I所述的一种铋锆合金，其特征在于所述不可避免的杂质，是指在铋锆合金的制备过程中，不可能彻底去除的金属元素和非金属元素，主要是指铪、铁、铬、碳、氮、氢和氧，其中铁+铬的重量百分含量< O. 2%。
5.如权利要求I所述的一种铋锆合金的制备方法，其特征在于将金属铋和工业纯锆按所需的配比配料，先行熔化金属铋，再加入工业纯锆并进行搅拌，以使锆充分溶解到铋液中，在此过程中，随着锆的不断加入，对合金液进行缓慢升温，直至工业纯锆完全溶解并均匀混合后把合金液浇注到铸锭模内快速冷却，即制成铋锆合金锭。
6.如权利要求I所述的一种铋锆合金的制备方法，其特征在于将金属铋和工业纯锆按所需的配比配料，先行熔化工业纯锆，再将金属铋投入金属锆液中并进行搅拌，以使铋充分溶解到锆液中，在此过程中，随着金属铋的不断加入，对合金液进行缓慢降温处理，直至金属铋完全溶解并均匀混合后把合金液浇注到铸锭模内快速冷却，即制成铋锆合金锭。
7.如权利要求I所述的一种铋锆合金的制备方法，其特征在于首先将粒度为200目的锆粉放入铸铁坩埚中并上方抹平，再将金属铋块均匀地摆放在锆粉上方；将盛有锆粉和金属铋的铸铁坩埚置于井式电阻炉中加热到800°C，在此温度下保温使铋液渗入锆粉中，使铋与锆发生反应形成铋锆化合物，待金属铋完全渗入锆粉后，切断电源并将铸铁坩埚取出，待其在空气中冷却至50°C时将铋锆合金从铸铁坩埚中取出，然后将其破碎成所需尺寸，制成铋锆合金。
8.如权利要求I所述的一种铋锆合金在高强度易切削钢合金化处理的用途，其特征在于将易切削钢在真空感应炉中进行熔炼，待易切削钢完全熔化后加入铋锆合金并保持5分钟，铋锆合金加入量按照此公式计算合金加入量=钢水质量X (目标元素Bi含量一钢中Bi元素含量)/合金中Bi元素含量X合金中Bi元素收得率，控制钢液温度在1600°C进行浇注，浇注为圆棒试样。
全文摘要
本发明涉及一种铋锆合金，具体涉及一种用于环保型高强度易切削合金钢合金化处理的铋锆合金，属于合金钢(C22C合金)制备技术领域。所述铋锆合金的组分按重量百分含量计算分别为铋15~82%；不可避免的杂质≤1.2%；锆余量。本发明具有使高强度易切削钢合金化处理可行，钢的机械性能提高，铋的收得率高等特点，适用于环保型高强度易切削钢合金化处理的添加剂。
文档编号C22C12/00GK102912185SQ20121039128
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者王建华, 苏旭平, 涂浩, 刘亚, 吴长军, 彭浩平 申请人:常州大学