专利名称：一种离心铸造高碳高合金钢及其热处理方法
技术领域：
本发明属于金属材料热处理技术领域，特别涉及一种采用离心铸造的高碳高合金材料及其热处理方法。
背景技术：
工业应用离心铸造高碳高合金材料一般含有大量W、Cr、Mo、V等元素，合金元素比重差别大，出现偏析，使用中导致铸造合金钢整体性能大大降低。热处理可以改变高碳高合金钢微观组织，调整碳化物分布状态，但是由于材料化学成分差异和铸造条件不同，对应热处理制度截然不同。中国发明专利CN101240402A公开了“一种复合轧辊用铸造高硼高速钢及其热处理方法”，材料成分百分比为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%，其余为Fe，通过860-880°C退火、1020-1150°C淬火和500-550°C二次回火工艺后，材料硬度为56.3HRC，冲击韧性为10.6J/cm2,断裂韧性24.5MPa.πι1/2，抗拉强度828MPa，耐磨性、抗冲击性能大幅度提高。中国专利“一种低裂纹型高速钢轧辊及其离心铸造方法”，公开号CN1803339 A,其化学成分重量百分比为: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%，其余为 Fe 和不可避免的微量杂质，离心铸造后进行热处理，热处理制度为950-1150°C正火和500-600°C回火，硬度为65.4HRC，抗拉强度为1245MPa，冲击韧性为16.3J/cm2，断裂韧性为36.8MPa.m1/2’，该发明获得的轧辊材料具有良好的使用寿命。为了获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，当碳含量增加时，热处理过程中常因热处理制度不当造成材料出现裂纹，现有热处理制度难以应用到铸造高碳高合金材料热处理中。
发明内容
本发明目的在于提供一种离心铸造高碳高合金钢，该高碳高合金钢中以马氏体为基体，含大量碳化物硬质相，硬度高，产品硬度达67-69HRC，具有良好的耐磨性能。本发明的另一目的还在于提供上述高碳高合金钢的热处理方法，经过该方法热处理后的高碳高合金钢，碳化物组织分布均匀，表面质量好，没有任何裂纹出现，硬度提高明显，且大大缩短了热处理周期，提高工作效率，降低了生产成本。为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案:一种离心铸造高碳高合金钢，其化学成分及重量百分比为: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%，余量为Fe和微量不可避免杂质。所述离心铸造高碳高合金钢主要原料按重量配比成分及制备工艺如下:I)将800份轧制用顶头废钢，20-130份市售钨铁(钨含量75_85%)，40-150份市售微碳铬铁(铬含量70-75%，碳含量小于0.15%)，30-130份市售钥铁(钥含量60_70%)，50-145份市售钒铁(钒含量70-80%)为主原料，350-1200份市售生铁(碳含量3_4%)或10-35份石墨为增碳剂，混合加热熔化成钢水。钢水熔清后，加入30-100份市售硅铁(硅含量8-10%)进行预脱氧，加入1-8份铝块进行终脱氧。2)炉前调整成分合格后升温至1600_1650°C，而后出炉。加入1_13份破碎粒度为6-18mm市售稀土硅铁合金小块(稀土含量30_40%)，稀土硅铁合金小块经160_240°C烘干以后置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，高碳高合金钢钢水预制完成。3)将预制好的钢水浇入到具有一定旋转速度的卧式离心浇铸机内进行离心浇铸，铸型采用双层金属型，铸型涂料采用水载体涂料(含93-95%石英粉，5-7%水玻璃和水)。将铸型预热到160-260°C时喷涂料，涂料厚度为2-5mm，完成后，加热到220_340°C消除涂料中水分。4)离心浇铸完成后，当其温度低于100°C时取出铸件。所述高碳高合金钢的热处理方法依次包括调质处理、固溶强化处理、弥散强化处理。所述高碳高合金钢的调质处理过程如下:淬火温度920_960°C，保温时间t1=(1.5-2.0) δ+150，油冷至室温，冷速50-80°C / S ;回火温度720_760°C，保温时间t2=(1.0-1.5) δ +120，炉冷到500°C后，炉冷或空冷。I1为调质热处理淬火保温时间，min ；t2为调质热处理回火保温时间，min ； δ为工件厚度，mm。所述高碳高合金钢的固溶强化处理过程如下:保温温度960-1020°C，保温时间t3=(1.5-2.0) δ+80，油冷至室温，冷速80-100°C / S。t3为固溶强化保温时间，min ; δ为工件厚度，mm。固溶强化处理后 硬度为65-67HRC，抗弯强度为950-1 lOOMPa。所述高碳高合金钢的弥散强化处理过程如下:一次回火温度340-380°C，保温时间t4= (1.0-1.5) δ +50，空冷。t4为一次回火保温时间，min ； δ为工件厚度，mm。一次弥散强化处理后硬度为63-65HRC，抗弯强度为1350-1420Mpa。二次回火温度为520_560°C，保温时间t5= (1.0-1.5) δ +50，空冷。t5为二次回火保温时间，min ； δ为工件厚度，mm。二次弥散处理后硬度为67-69HRC，抗弯强度为1450-1500Mpa。本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:I)本发明的高碳高合金钢中以马氏体为基体，含大量碳化物硬质相，硬度高，产品硬度达67-69HRC，具有良好的耐磨性能。2)本发明中的热处理制度，调质热处理工艺代替一般离心铸造高碳高合金钢热处理过程中的等温退火热处理工艺，大大缩短了热处理周期，提高工作效率。3)本发明中的热处理制度，弥散热处理过程时出现二次硬化现象，硬度提高明显。4)本发明中的热处理制度，碳化物组织分布均匀，大大减小了偏析现象，表面质量好，没有任何裂纹出现。5)本发明采用离心铸造设备简单，生产成本低廉，热处理在常用电炉中进行，设备通用性强。
具体实施例方式一、高碳高合金钢的制备实施例1
采用500公斤容量中频感应炉熔炼，涉及组分按重量配比和具体制备工艺如下:将800份无缝钢管轧制用顶头废钢(碳含量为0.15%，铬含量为1.0%，钥含量为
0.3%，钨含量为0.6%，镍含量为0.3%), 50份市售钨含量为80%的钨铁，55份市售铬含量为70%，碳含量为0.08%的微碳铬铁，55份市售钥含量为65%的钥铁，72份市售钒含量为75%的钒铁为主原料,20份市售石墨为增碳剂，混合加热熔化成钢水。钢水熔清后,加入50份市售硅含量为8%的硅铁进行预脱氧，加入5份铝块进行终脱氧。炉前调整成分合格后升温至1620°C后出炉。加入I份破碎粒度为8_12mm，稀土含量为30%的市售稀土硅铁合金小块，稀土硅铁合金小块经200°C烘干以后置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，高碳高合金钢钢水预制工序完成。将预制好的钢水浇入到卧式离心浇铸机内离心浇铸成外径为145mm，内径115mm，厚度为30mm的高碳高合金钢管。离心浇注铸型采用双层金属型，铸型涂料采用水载体涂料，其成分为94%的石英粉、6%水玻璃和水。将铸型预热到180°C时喷涂料，涂料厚度为4mm，完成后，加热到260°C消除涂料·中水分。当其温度为90°C时取出高碳高合金钢管铸件，离心浇铸工序完成。其离心铸造高碳高合金钢成分为:C2.15%, W3.95%, Cr3.95%, Μο3.49%, V5.42%,Nb0.15%, Mn0.3%, RE0.25%, Si0.45%, A10.5%, Ni0.15%，其余为 Fe 及少量杂质。其硬度为54HRC，抗弯强度为751Mpa。二、高碳高合金钢的热处理方法实施例2截取实施例1制备的高度为50mm的高碳高合金钢管在箱式电阻炉中进行热处理，具体工艺包括调质处理、固溶强化处理、弥散强化处理。调质处理:保温温度为930°C，保温时间为200min，油冷至室温，冷速为60°C /S，回火温度为730°C，保温时间为160min，炉冷至室温，调质热处理工序完成。其硬度为43HRC，抗弯强度为1340Mpa。固溶强化处理:保温温度为960°C，保温时间为130min，油冷至室温，冷速90°C /S，固溶强化热处理工序完成。其硬度为65HRC，抗弯强度为980Mpa。弥散强化处理:一次回火温度为350°C，保温时间为80min，空冷至室温；二次回火温度为530°C，保温时间80min，空冷至室温，弥散强化处理工序完成。一次回火硬度为64HRC，抗弯强度为1390Mpa ;二次回火硬度为68HRC，抗弯强度为1460Mpa。实施例3截取实施例1制备的高度为75mm的离心铸造高碳高合金钢管在箱式电阻炉中进行热处理，具体工艺包括调质处理、固溶强化处理、弥散强化处理。调质处理:保温温度为950°C，保温时间为200min，油冷至室温，冷速为60°C /S，回火温度为750°C，保温时间为160min，炉冷至室温，调质热处理工序完成。其硬度为40HRC，抗弯强度为1450Mpa。固溶强化处理:保温温度为1000°C，保温时间为130min，油冷至室温，冷速90°C /S，固溶强化热处理工序完成。其硬度为67HRC，抗弯强度为1040Mpa。弥散强化处理:一次回火温度为370°C，保温时间为80min，空冷至室温；二次回火温度为550°C，保温时间80min，空冷至室温，弥散强化处理工序完成。一次回火硬度为65HR C，抗弯强度为1420Mpa ;二次回火硬度为69HRC，抗弯强度为1495Mpa。
权利要求
1.一种离心铸造高碳高合金钢，其化学成分及重量百分比为: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%，余量为Fe和微量不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的高碳高合金钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法依次包括调质处理、固溶强化处理、弥散强化处理。
3.如权利要求2所述的高碳高合金钢的热处理方法，其特征在于，所述调质处理过程如下:淬火温度920-960°C，保温时间t1= (1.5-2.0) δ+150，油冷至室温，冷速50_80°C /S ;回火温度720-760°C，保温时间t2= (1.0-1.5) δ +120，炉冷到500°C后，炉冷或空冷，&、t2分别为淬火保温时间、回火保温时间，min，δ为工件厚度，mm。
4.如权利要求2所述的高碳高合金钢的热处理方法，其特征在于，所述固溶强化处理过程如下:保温温度960-1020 °C，保温时间t3= (1.5-2.0) δ+80，油冷至室温，冷速80-100°C / S，&为固溶强化保温时间，min，δ为工件厚度，mm。
5.如权利要求2所述的高碳高合金钢的热处理方法，其特征在于，所述弥散强化处理过程如下:一次回火温度340-380°C，保温时间t4= (1.0-1.5) δ +50，空冷，二次回火温度为520-560°C，保温时间t5= (1.0-1.5) δ+50，空冷，t4、t5分别为一次回火保温时间、二次回火保温时间，min, δ为工件厚 度，mm。
全文摘要
本发明涉及一种离心铸造高碳高合金钢及其热处理方法，该高碳高合金钢的化学成分及重量百分比为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%，余量为Fe和微量不可避免杂质。其热处理方法依次包括调质处理、固溶强化处理、弥散强化处理。该高碳高合金钢中以马氏体为基体，含大量碳化物硬质相，具有良好的耐磨性能，其热处理方法大大缩短了热处理周期，提高了工作效率，降低了生产成本，经该方法处理后的高碳高合金钢，碳化物组织分布均匀，表面质量好。
文档编号C21D11/00GK103215526SQ20131014543
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者薛屺, 秦曾, 辛荣 申请人:西南石油大学