衬套及衬套的制备方法和装置与流程

本发明涉及耐磨零件制造领域，尤其涉及耐磨衬套领域。

背景技术：

衬套是常用的耐磨机械零件，工作中需承受强烈的磨损和冲击，服役寿命有限。为有效提高衬套的工作寿命，应根据其工况条件选择合适的材质和加工方法。采用奥氏体锰钢材质可以利用其工作中的冲击，充分发挥奥氏体锰钢的冲击硬化效果。但液态奥氏体锰钢的冷却过程属于中间凝固方式，介于逐层凝固和糊状凝固之间，导致奥氏体晶粒度仅能达到0-2级，晶粒粗大造成高锰钢的力学性能不够高。而且，由于高锰钢原材料成分复杂，杂质含量高，在冶炼过程容易形成气孔和夹杂等缺陷，因而影响到高锰钢性能的发挥。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有高级耐磨属性的衬套。

本发明另一所要解决的技术问题在于，提供一种衬套的制备方法，以获得具高致密度的衬套。

本发明又一所要解决的技术问题在于，提供一种衬套的制备装置，以制得具高级耐磨衬套。

为解决上述技术问题，本发明首先提供一种衬套，其特征在于，以奥氏体锰钢为基体材料，所述基体材料中均匀弥散分布有纳米改性剂，所述纳米材料包括氮化硅、氮化钛、氮化铝、碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化锆、硼化硅、硼化锆及稀土氧化物中的至少一种，述纳米材料的含量占衬套总重量的0.01％-0.30％。

进一步地，所述衬套中锰合金含量占衬套总重量的6-18％。

进一步地，所述衬套为筒状。

本发明还提供一种衬套的制备方法，包括：

烘干步骤：以奥氏体锰钢为原材料进行加热烘干，以去除原材料的水分；

冶炼步骤：对烘干后的原材料进行冶炼，并通过造渣和除渣减少金属液的杂质；

净化步骤：当冶炼获得的钢液到达出炉温度后，将钢液转入内置液态纳米变质剂的浇包中进行纳米变质，以进一步细化晶粒、净化钢液，使纳米改性剂在钢液中达到弥散分布；

离心铸造步骤：将净化后的钢液注入事先在内壁涂装有纳米材料的离心铸造模具中进行离心铸造，铸造过程中实现再次纳米变质及细化晶粒；及

冷却步骤：冷却后取出衬套。

本发明还提供一种衬套的制备装置，包括与卧式或立式离心铸造机连接的底座、固定于所述底座并可随所述底座转动的模具、位于所述模具内部的内垫、位于所述模具外端的外垫、挡在所述外垫外侧的挡板、与所述模具连接的紧固架、及被压入所述紧固架且位于所述挡板外侧的固定块。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：借助将纳米材料加注到液态高锰钢中，细化晶粒，极大改善高锰钢的金相组织和衬套的力学性能。通过加注纳米材料，金属组织晶粒极度细化，钢液纯净，力学性能指标提高，耐磨性更好，起到优化改性的目的。

附图说明

图1是本发明衬套和衬套的制备装置的剖视图。

图2是本发明衬套的制备方法的流程框图。

图3是未加入纳米改性剂的衬套的金相图。

图4是本发明加入纳米改性剂的衬套的金相图。

图5是本发明另一加入纳米改性剂的衬套的金相图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种衬套4，以奥氏体锰钢为基体材料制成筒状体，所述基体材料中均匀弥散分布有纳米改性剂。其中，所述纳米材料包括氮化硅、氮化钛、氮化铝、碳化硅、碳化钛、碳化硼、碳化锆、硼化硅、硼化锆及稀土氧化物中的至少一种，述纳米材料的含量占衬套总重量的0.01％-0.30％；所述衬套4中锰合金含量占衬套4总重量的6-18％。

如图2所示，本发明一种衬套的制备方法，包括以下步骤：

烘干步骤：以奥氏体锰钢为原材料进行加热烘干，以去除原材料的水分；

冶炼步骤：对烘干后的原材料进行冶炼，并通过造渣和除渣减少金属液的杂质；

净化步骤：当冶炼获得的钢液到达出炉温度后，将钢液转入内置液态纳米变质剂的浇包中进行纳米变质，以进一步细化晶粒、净化钢液，使纳米改性剂在钢液中达到弥散分布；

离心铸造步骤：将净化后的钢液注入事先在内壁涂装有纳米材料的离心铸造模具中进行离心铸造，铸造过程中实现再次纳米变质及细化晶粒；

冷却步骤：冷却后取出衬套；及

水韧步骤：对冷却后取出的衬套进行水韧处理。

如图1所示，本发明衬套的制备装置，包括与卧式或立式离心铸造机连接的底座1、固定于底座的模具3、位于模具3内部的内垫2，位于模具3外端的外垫7，挡在外垫外侧的挡板8，与模具连接的紧固架6、被压入紧固架的固定块5，及穿过挡板8和外垫7伸入模具3内的流槽。

底座1、模具3和紧固架6通过焊接方式连接，根据衬套4的尺寸和材料，设定离心机转速，打开卧式离心铸造机，在浇入熔炼的金属液之前，将纳米材料加入模具3型腔内部，浇注结束后撤掉流槽，经过冷却后关闭离心铸造机，取出衬套4.

纳米材料添加到模具内，可以与钢液形成充分搅拌掺混，从而渗透到钢液的内部，这个过程的温度恰好处在高锰钢的结晶凝固期，温度偏低，纳米一经掺混马上凝固，几乎不烧损。相反，曾经试验过将纳米加入熔炼炉中、钢水包中都出现烧损严重、搅拌不够等问题，导致纳米效果不良。

本发明使用纳米材料铸造高锰钢件，可以调整纳米材料的品种和剂量，满足不同衬套的材质性能要求。本实施例中，衬套的尺寸范围为：外径30mm-600mm，内径20mm-500mm，长度30mm-1000mm。材质标准为gb/t5680-2010，金相标准为gb/t13925-2010。

通过加入一定量的氮化钛tin和碳化硅sic纳米改性剂时，衬套的冲击吸收功率提高。表1为未添加和分别加入0.01％-0.10％、0.02％-0.20％的碳化钛tic、碳化硅sic、氮化钛tin时衬套的硬度检测值和冲击吸收功率值。

表1纳米变质剂对衬套硬度及冲击吸收功率的影响

表2示出在拉伸试验中，加入一定量的碳化钛tic、碳化硅sic、氮化钛tin时衬套的屈服强度提高、抗拉强度提高、断后伸长率及断面收缩率均不同程度地得到了提高，而磨损率则相应降低。

表2纳米改性剂对衬套初始硬度的影响

本发明属于离心铸造过程，借助将纳米材料加注到液态高锰钢中，细化晶粒，极大改善高锰钢的金相组织和衬套的力学性能。请参考图3至图5，通过两次加注纳米材料，金属组织晶粒极度细化，钢液纯净，力学性能指标提高，耐磨性更好，起到优化改性的目的。通过控制液态金属加热温度、加热速度和冷却速度，给纳米改性剂粉体创造一个均匀游离扩散的环境，最大限度的成为奥氏体晶粒初始晶核，达到细化晶粒的目的。细化晶粒结果达到5级以上，相应增加了组织晶界形变抗力，提高了晶粒位错阻力，材料抗拉强度提高，在冲击磨损的环境下，奥氏体组织基体形变能提高，零件表层急剧硬化，从而达到强韧耐磨。

二次纳米变质的优点：一次纳米材料添加量较少，与常规变质剂配合起来，加入钢水包中，对钢液起到净化作用，重点除氧、去气、脱硫，为第二次纳米加入提供良好条件，如果钢液不纯净，大量的氧化物、硫化物就会稀释纳米材料，破坏纳米材料的功效。第二次纳米材料是对钢液结晶效果起决定作用的部分，添加量要精确，对温度及模具转速都有严格要求，纳米得到率越高组织晶粒度越高，纳米材料功效才能充分体现出来。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。