专利名称：高铬合金铸铁及其热处理工艺和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耐磨耐热的高烙合金铸铁，以及这种高铬合金铸铁的热处理工艺，并将该材料用于制造轧管机用顶头。
高铬合金铸铁是一种良好的耐磨材料，其应用范围不断扩大，品种、规格和需用量增加。高铬铸铁的研制要根据具体机件的服役条件和性能要求来选定合金成份，制定其生产工艺、特别是热处理工艺。
在冶金等行业中，有一些机体、工具、衬板等，不但要求有高的耐磨性，而且要有高的耐热性。如热轧无缝钢管生产中，轧管机的顶头担负很重的工作应力，又受热金属包围，服役条件极为恶劣。顶头是对轧管质量和轧管生产率都有重大影响的关键性工具，要求材质在高温下有良好的耐磨性、硬度、强度和韧性的合理匹配，以及使用中金相组织、性能不发生变化。特别是国内一些厂家，由于穿孔机与轧管机的布置不太恰当，造成钢管在进入轧管机时温度偏低，加大了顶头的工作负荷，对顶头材质性能的要求更苛刻。又如穿孔机导板也是主要受力部件之一，极易磨损。管坯在轧辊作用下高速旋转前进，导板受到管坯变形时的旋转压力、延伸压力和摩擦力作用，其值相当轧制力的30%。穿孔时被加热到1250℃以上的管坯，在导板上旋转前进，产生高温摩擦，其接触部分的瞬间温度可升到500～1000℃左右。另外，还要承受反复的激冷激热。所以，导板材质也必须有优良的高温硬度、高温强度、高温抗氧化性、耐磨性和耐激冷激热性等。
稀土元素是有效的变质剂。研究证明，稀土可以细化初生奥氏体枝晶并可使碳化物更趋于弧立块状，有利于韧性和抗压抗弯强度的提高，所加入的稀土在基体中有一定的溶解度，溶于奥氏体后造成晶格畸变，使硬度增加，高铬合金铸铁中加入稀土，还可提高合金高温力学性能，增加抗氧化能力，并阻止高温时晶粒粗化。我国稀土资源丰富，应注意发挥稀土在高铬合金铸铁中的作用。商用名称为Panfanax的西德高铬合金铸铁，其成份为(重量百分比)C2.6～3.1，Si0.8～1.2，Mn0.7～1.0，Cr27.0～30.0，Ni2.0～2.3，其中未加入稀土元素。东德专利文献DL140362报导了如下成份的合金铸铁(重量百分比)C3～3.5，Si0.6～1.5，Mn0.8～1.5，Cr23～27，Ni3～3.5，Ti0.6～1，其中也未加入稀土元素。
高铬合金铸铁的硬度与碳和铬含量有关。增加含碳量有助于提高硬度，因为有足够的碳量，才能使合金中有足够的碳化物强化相。铬不但是提高合金铸铁抗氧化性能最有效的元素，而且又是强碳化物形成元素，随含铬量增加，铬碳化物变成M7C3和M23C6型，因而能提高重荷下的抗磨性、热稳定性。中国专利文献CN86106715A报导的“稀土高铬高温耐热钢，”虽然含有稀土元素和Cr30～36，Ni7～10(重量百分比等，但含碳量仅为0.6～1.0。中国专利文献CN87104467报导的高铬铸铁，含稀土元素，含碳1.5～2.5%，但含铬量仅为5～15%。上述材质均不符合制造轧管机顶头、穿孔机导板等机件、工具的要求。
目前常用的轧管机顶头、穿孔机导板材料Cr32NiS、Cr15Ni2，不含稀土金属，它们在工作条件特别苛刻的情况下使用寿命较短。
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，为轧管机顶头等工具，机件提供一种适合其具体服役条件需要的，有高耐磨性和耐热性的，加有稀土元素的高铬合金铸铁，以延长使用寿命，并提供其热处理工艺和用途。
本发明高铬合金铸铁的组分为(重量百分比)C2.85～3.40、Si0.80～1.50、Mn0.30～0.40、S＜0.02、P＜0.03、Cr25～38、Ni3～8，RE0.08～0.15，余量为Fe。
碳、铬和稀土的作用已在前面叙述过。镍能提高淬透性，并在铸态下形成稳定的奥氏体组织，还限制耐磨性差的珠光体组织产生，同时镍在高温下也起稳定奥氏体的作用，可提高固溶体强度，又能改善钢的韧性和热疲劳性。适宜的锰量和热处理，可提高抗磨性和冲击韧性。硅固溶于奥氏体中，加入一定量的硅能防止晶间龟裂，提高抗氧化性能，增加固溶体的硬度和强度。
本发明高铬合金铸铁的热处理工艺是进行两次热处理，第一次热处理温度为1100℃～1300℃，保温3～8小时后出炉空冷至室温。第一次热处理的目的是细化铸造组织的碳化物。经过第一次热处理后金相结构见
图1。第二次热处理温度为1000℃～1250℃，保温2～5小时后缓冷至室温。缓冷的方法最好是随炉冷却。第二次热处理的目的是使奥氏体基底上析出细小的碳化物颗粒，以提高工件在高温下的耐热性、硬度、强度和韧性。经过第二次热处理后的金相结构见图2，为奥氏体+M7C3+M23C6，宏观硬度为HRC50～55。(金相试样的浸蚀剂均为氯化铁盐酸水溶液三氯化铁5克、盐酸50毫升、水100毫升)。
熔炼本发明的高铬合金铸铁时，用铝脱氧，一部分稀土加入炉内，另一部分稀土加入铁水包内。浇注温度控制在1550℃～1650℃。
本发明的优点和积极效果是根据对轧管机顶头、穿孔机导板等工具、机件的高耐磨性、耐热性特殊要求，合理设计了合金成分和热处理工艺，发挥了稀土元素的良好作用，可以较大幅度地提高工具机件的使用寿命，成为一种有经济效益和社会效益的新材料。
实施例1共熔炼5炉下述组分的高铬合金铸铁(重量百分比)C2.85～3.1，Si0.80～1.10、Mn0.30～0.40、S＜0.02、P＜0.03、Cr28～33、Ni4～6、RE0.08～0.12，余量为Fe。
熔炼操作时，按材质化学成分要求以及原料实际化学成分，计算出所需各种原料的配比，将铬铁(块度小于50×100×150mm)、镍板(块度小于10×50×100mm)、废钢(块度小于50×50×100mm)，碳精(块度小于30×30×30mm)等原料按比例分批加入中频炉(随着熔化过程的进行，分批加入，直到加完为止)。原料熔化完毕后，保温十分钟，按比例加入硅铁，用SiO2去渣。用铝条脱氧五分钟后，一部分稀土加入炉内，主要目的是净化铁水。十五分钟后，把另外一部分稀土加入铁水包内与冲入包内的铁水充分搅均，起到改变碳化物体积、形态、分布以及细化晶粒等作用。
采用多箱堆垛浇注，浇注工件为轧管机顶头。浇注时间25～35秒，不能间断。由于合理控制碳和稀土的加入量，减少了铁水中的气体，增强了铁水的流动性、提高了顶头成品率。浇注完后保温10小时以上开箱。
从五炉高铬合金铸铁顶头铸造毛坯中，取64只加工成φ64.4mm的球顶头，其余毛坯根据生产需要加工成φ63.8mm～φ65.0mm的球顶头，均按本发明热处理工艺进行热处理后，装机在实际生产条件下使用。跟踪试验结果64只新质顶头轧管量为610.65吨，平均每只顶头轧管9.54吨，为旧材质顶头每只轧管量3吨的3.18倍(穿管机与轧管机呈对角线排列，钢管在进入轧管机时温度偏低，约为650～950℃，顶头工作条件极恶劣)。旧材质顶头的化学成分为(重量百分比)C1.8～2.2、Si0.3～0.5、Ni3～6、Cr30～34、除S、P外余量为Fe。
实施例2共熔炼9炉下述组分的高铬合金铸铁(重量百分比)C2.905～3.280、Si0.904～1.330、Mn0.32～0.34、S＜0.02、Cr33.94～35.38、Ni5.803～6.675、RE0.080～0.130，余量为铁。
熔炼操作，浇注和热处理与实施例1相同。做了130只球顶头，轧管量为1183吨，平均每只顶头轧管9.1吨，为旧材质顶头的3.03倍。
权利要求
1.一种耐磨耐热的高铬合金铸铁，其特征在于它的成分为(重量百分比)C2.85～3.40、Si0.80～1.50、Mn0.30～0.40、S＜0.02、P＜0。03、Cr25～38、Ni3～8、RE0.08～0.15，余量为铁。
2.如权利要求1所述的高铬合金铸铁，其特征在于它的成分为(重量百分比)C2.85～3.30、Si0.80～1.33、Mn0.30～0.40、S＜0.02、P＜0.03、Cr28～35.38、Ni4～6.68、RE0.08～0.13，余量为铁。
3.如权利要求1所述的高铬合金铸铁的热处理工艺，其特征在于进行两次热处理，第一次热处理温度为1100℃～1300℃，保温3～8小时后出炉空冷至室温，第二次热处理温度为1000～1250℃，保温2～5小时后缓冷至室温。
4.如权利要求3所述的热处理工艺，其特征在于第二次热处理缓冷的方式为随炉冷却。
5.如权利要求1或2所述的高铬合金铸铁，其特征在于用于制造轧管机顶头。
全文摘要
本发明涉及一种耐磨耐热的高铬合金铸铁及其独特的热处理工艺，并将该材料用于制造轧管机顶头。发明材料的成分为(重量百分比)C2.85～3.40、Si0.80～1.50、Mn0.30～0.40、S＜0.02、P＜0.03、Cr25～38、Ni3～8、RE0.08～0.15，余量为铁。进行两次热处理，第一次的温度为1100～1300℃，出炉后空冷；第二次的温度为1000～1250℃，缓冷。本发明根据轧管机顶头、穿孔机导板等工具、机件的特殊要求合理设计了成分和工艺、发挥了稀土的良好作用。
文档编号C22C37/08GK1042193SQ8910889
公开日1990年5月16日 申请日期1989年11月23日 优先权日1989年11月23日
发明者孙熙柱, 江静波, 黄金洪, 张立汉, 李侨英, 陶云祥, 罗锐, 李洪清, 李志学 申请人:昆明钢铁公司