專利名稱：一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)軋管機(jī)球形頂頭及其制造方法，尤其涉及一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法。
背景技術(shù)：
自動(dòng)軋管機(jī)球形頂頭是熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中使用的主要工具之一。由于軋管過程中球形頂頭的工作環(huán)境惡劣，軋管時(shí)，球形頂頭的工作溫度高達(dá)1000°c以上，與此同時(shí)還要承受巨大的沖擊載荷作用和由驟冷驟熱引起的循環(huán)熱應(yīng)力的作用，這種機(jī)械疲勞和熱應(yīng)力疲勞作用容易使球形頂頭發(fā)生變形和開裂等形式的失效。球形頂頭的失效和頻繁更換，一方面造成材料的使用效率降低，鋼管生產(chǎn)成本提高；另一方面，頻繁更換球形頂頭將嚴(yán)重影響整個(gè)鋼管生產(chǎn)線的效率。因此，如何提高球形頂頭的使用壽命、保證鋼管生產(chǎn)質(zhì)量一直以來都是無縫鋼管行業(yè)致力解決的重要課題之一。高鉻白口鑄鐵作為一種優(yōu)良的抗磨材料，在冶金、礦山、建材、電力、水泥、筑路機(jī)械、耐火材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這主要?dú)w功于高鉻白口鑄鐵中鑲嵌著高硬度的M7C3型碳化物，這中組織特點(diǎn)也決定了高鉻白口鑄鐵是一種制備自動(dòng)軋管機(jī)球形頂頭的優(yōu)良材料。目前，人們從材料化學(xué)成分、變質(zhì)處理、熱處理工藝、鑄造工藝等不同角度對(duì)高鉻白口鑄鐵的強(qiáng)韌化方法進(jìn)行了大量的研究，但多數(shù)都是基于提高耐磨件常溫條件下使用壽命而展開的，對(duì)如何提高高鉻白口鑄鐵在高溫條件下使用壽命的研究相對(duì)較少。國內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)應(yīng)用較多的球形頂頭材質(zhì)通常為中、高碳高鉻鎳白口鑄鐵， 其主要化學(xué)成分含量為c 2. 6% 3. 0%, Cr 26%"29 %，Si 1. 7% 2. 0%, Mn 0. 6% 0. 8%, Ni 3.69Γ4.0%，余量為鐵。在使用前，球形頂頭通常采用的熱處理工藝為脫穩(wěn)處理，即在 9500C 1050°C下保溫4 8h，出爐空冷，然后再在200°C 400°C下保溫4 8h，出爐空冷。但由于高鉻白口鑄鐵畢竟屬于脆性材料，韌性較差，上述工藝制備的球形頂頭在實(shí)際使用過程中常常出現(xiàn)變形和開裂等缺陷而報(bào)廢，硬度、韌性及耐磨性能不能達(dá)到良好的配合，導(dǎo)致球形頂頭使用壽命較短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有無縫鋼管自動(dòng)軋管機(jī)組球形頂頭及其制造方法中出現(xiàn)的上述不足，而提供一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法。本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分比為 C 1. 8%"2. 2%, Cr 16% 22 %, Si 0. 0%, Mn 0. 3%"0. 6%, Ni 1. 6%"2. 2%, FeSiRE 0. 69Γ1. 5%，V 0. 29ΓΟ. 7%，余量為鐵。通過采用適當(dāng)?shù)某煞謨?yōu)化、變質(zhì)處理及鑄造工藝，改善高鉻白口鑄鐵的基體組織及碳化物的大小及形態(tài)，結(jié)合一定的熱處理工藝，進(jìn)一步優(yōu)化高鉻白口鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)，確保所生產(chǎn)的高鉻白口鑄鐵在提高韌性的同時(shí)，仍保持較高的硬度和耐磨性能。
本發(fā)明所述的高鉻白口鑄鐵球形頂頭的制造方法步驟為
(1)采用生鐵、低碳鉻鐵、鎳錳鐵、廢鋼、硅鐵等為原材料，按照提供的配料配方進(jìn)行配
料；
(2)將配料好的原材料加熱熔化成鐵水，鐵水熔煉溫度為1480°C 1550°C，出爐溫度為 1500 °C 左右；
(3)加入0.29ΓΟ. 7%釩鐵和0. 69Γ1. 5% !^eSiRE進(jìn)行變質(zhì)處理，釩采用直接投入的方式加入，F(xiàn)eSiRE采用包底沖入的方式加入，出爐前采用少量鋁片進(jìn)行預(yù)脫氧，變質(zhì)后的鐵水經(jīng)在濕砂型中澆注、成型，得到不同規(guī)格的球形頂頭；
(4)本發(fā)明采用的熱處理工藝為分級(jí)保溫?zé)崽幚恚磳㈣T件加熱到1100°C 1200°C保溫0. 5h 2h，隨爐冷至850°C 950°C保溫3h 6h，出爐砂冷，隨后加熱到300°C 400°C保溫 3h^6h出爐砂冷。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的高鉻白口鑄鐵球形頂頭具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)本發(fā)明在成分優(yōu)化設(shè)計(jì)上遵循節(jié)約合金元素、滿足優(yōu)異性能的原則，利用原有高鉻白口鑄鐵的相關(guān)組織結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)，適當(dāng)降低了 C、Cr、Ni、Mn等元素含量。由于C、Cr是碳化物形成元素，在C、Cr元素保持平衡的條件下，隨著C含量的提高，碳化物數(shù)量越多，材料硬度和耐磨性能也隨著增加，但過高的碳含量將降低材料的沖擊韌性，增加脆性。較低的 C含量時(shí)，奧氏體枝晶間距較小，使網(wǎng)狀共晶碳化物斷續(xù)，裂紋尖端應(yīng)力集中得到一定程度的釋放，同時(shí)改變裂紋擴(kuò)展的方向，抑制裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性。同時(shí)，當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)原材料成本日益高漲，降低價(jià)格昂貴的合金元素將有利于降低高鉻白口鑄鐵球形頂頭的生產(chǎn)成本。(2)本發(fā)明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭在成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上同時(shí)還添加了適量的變質(zhì)劑釩及i^eSiRE，通過釩及!^eSiRE凈化鐵液，去除結(jié)晶組織中晶界富集的有害雜質(zhì)，細(xì)化晶粒，改善鑄件組織，提高綜合性能。(3)本發(fā)明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭采用分級(jí)保溫?zé)崽幚砉に囘M(jìn)行熱處理。與常規(guī)的脫穩(wěn)處理工藝相比，分級(jí)保溫處理中在較高溫度進(jìn)行第一級(jí)保溫，有利于減少鑄件中微裂紋數(shù)量和降低成分偏析現(xiàn)象，提高材料的韌性；在較低溫度下進(jìn)行第二級(jí)保溫，基體組織上析出大量不同層次的二次碳化物顆粒，一方面降低了基體組織中的碳含量，有利于馬氏體的形成，提高材料的硬度，另一方面二次碳化物彌散分布于基體組織中起到第二相強(qiáng)化的作用，疲勞裂紋不易萌生和失穩(wěn)擴(kuò)展，耐磨性能得到改善。因此，經(jīng)分級(jí)保溫處理的高鉻白口鑄鐵硬度、沖擊韌性達(dá)到更加合理的匹配，耐磨性能提高，高溫條件下表現(xiàn)出良好的使用性能。(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭在國內(nèi)某知名大型無縫鋼管廠的Φ90πιπι和Φ 140mm機(jī)組上進(jìn)行軋管試驗(yàn)時(shí)，軋制低合金無縫鋼管200根以上，遠(yuǎn)高于目前普遍采用的球形頂頭(使用壽命為100根左右)。在合金管的試軋制過程中，本發(fā)明所述的高鉻白口鑄鐵球形頂頭使用壽命為目前普遍采用的球形頂頭的1. 5倍以上。下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為各實(shí)施例的金相圖片，其中(a)為傳統(tǒng)工藝鑄態(tài)金相、(b)為傳統(tǒng)工藝熱處理態(tài)金相、(c)為實(shí)施例一鑄態(tài)金相、(d)為實(shí)施例一熱處理態(tài)金相、(e)為實(shí)施例二鑄態(tài)金相、(f)為實(shí)施例二熱處理態(tài)金相；
圖2為傳統(tǒng)工藝制造的球形頂頭使用失效后的宏觀形貌圖； 圖3為采用本發(fā)明制造的球形頂頭使用失效后的宏觀形貌圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分比為c 1. 9%，Cr 18. 5 %，Si 0. 7%，Mn 0. 6%， Ni 2. 1%，F(xiàn)eSiRE 0. 8%，V 0. 6%，余量為鐵，其制造工藝為
(1)將生鐵、低碳鉻鐵、廢鋼等爐料混合放入放入750kg中頻感應(yīng)電爐熔化，待鐵水熔清后加入鎳錳鐵和硅鐵，每爐爐料設(shè)計(jì)重量為600kg ；
(2)爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1520°C 1550°C，加入少量鋁片進(jìn)行脫氧，脫氧 Γ2分鐘后，加入3. 6Kg經(jīng)預(yù)熱、粒度為5 25mm釩鐵塊進(jìn)行變質(zhì)處理，釩鐵加入廣2分鐘后出爐；
(3)將4.8Kg粒度為廣4mm的稀土硅鐵合金經(jīng)預(yù)烘干后置于澆包底部，用包底沖入法對(duì)鐵水進(jìn)行變質(zhì)處理；
(4)將鐵水澆注成大小為Φ90mm球形頂頭，鐵水澆注溫度為1480°C左右；
(5)將澆注成型的球形頂頭放于高溫箱式電阻爐中進(jìn)行分級(jí)保溫處理。分級(jí)保溫處理工藝為將鑄件加熱到1200°C保溫lh，隨爐冷至850°C保溫6h，出爐砂冷，隨后加熱到 400°C保溫汕出爐砂冷。采用上述工藝制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，基本力學(xué)性能如表1所示。實(shí)施例二
高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分比為c 1.84%，Cr 19.2 %，Si 0.8%，Mn 0.7%， Ni 1. 8%, FeSiRE 1.3 %，V 0.3%，余量為鐵。其制造工藝為
(1)將生鐵、低碳鉻鐵、廢鋼等爐料混合放入放入750kg中頻感應(yīng)電爐熔化，待鐵水熔清后加入鎳錳鐵和硅鐵，每爐爐料設(shè)計(jì)重量為600kg ；
(2)爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1520°C 1550°C，加入少量鋁片進(jìn)行脫氧，脫氧 Γ2分鐘后，加入1. SKg經(jīng)預(yù)熱、粒度為5 25mm釩鐵塊進(jìn)行變質(zhì)處理，釩鐵加入廣2分鐘后出爐；
(3)將7.8Kg粒度為廣4mm的稀土硅鐵合金經(jīng)預(yù)烘干后置于澆包底部，用包底沖入法對(duì)鐵水進(jìn)行變質(zhì)處理；
(4)將鐵水澆注成大小為Φ140mm球形頂頭，鐵水澆注溫度為1480°C左右；
(5)將澆注成型的球形頂頭放于高溫箱式電阻爐中進(jìn)行分級(jí)保溫處理。分級(jí)保溫處理工藝為將鑄件加熱到1100°C保溫池，隨爐冷至900°C保溫4h，出爐砂冷，隨后加熱到 400°C保溫4h出爐砂冷。采用上述工藝制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，基本力學(xué)性能如表1所示。各實(shí)施例的金相圖片如圖1所示。由圖1可知，與傳統(tǒng)工藝相比，采用本發(fā)明制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，其組織中共晶碳化物更細(xì)小，網(wǎng)狀連續(xù)性和方向性降低，基體組織晶粒變細(xì)，經(jīng)
5熱處理后基體組織中析出大量的二次碳化物。結(jié)合表1及圖1可知，采用本發(fā)明制造的高鉻白口鑄鐵球形頂頭，其性能較傳統(tǒng)工藝制造的球形頂頭明顯得到提高，使用壽命是同類國內(nèi)外產(chǎn)品的2倍以上。對(duì)比圖2和圖3可知，采用本發(fā)明制備的高鉻白口鑄鐵球形頂頭， 使用過程中不易發(fā)生明顯的變形和開裂失效，使用效果良好。
表1高鉻白口鑄鐵球形頂頭的基本力學(xué)性
權(quán)利要求
1.一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭，其特征是各組分重量百分比為C 1.89T2.2%，Cr 169Γ22 %，Si 0. 59Γ1. 0%, Mn 0. 3% 0. 6%, Ni 1. 6% 2. 2%, FeSiRE 0. 6% 1. 5%, V 0. 2°Γθ. 7%,余量為鐵。
2.—種權(quán)利要求1所述高鉻白口鑄鐵球形頂頭的制造方法，其特征是制造方法步驟為(1)采用生鐵、低碳鉻鐵、鎳錳鐵、廢鋼、硅鐵等為原材料，按照提供的配料配方進(jìn)行配料；(2)將配料好的原材料加熱熔化成鐵水，鐵水熔煉溫度為1480°C 1550°C，出爐溫度為1500°C左右；(3)加入0.29ΓΟ. 7%釩鐵和0. 69Γ1. 5% FeSiRE進(jìn)行變質(zhì)處理，釩采用直接投入的方式加入，F(xiàn)eSiRE采用包底沖入的方式加入，出爐前采用少量鋁片進(jìn)行預(yù)脫氧，變質(zhì)后的鐵水經(jīng)在濕砂型中澆注、成型，得到不同規(guī)格的球形頂頭；(4)本發(fā)明采用的熱處理工藝為分級(jí)保溫?zé)崽幚恚磳㈣T件加熱到1100°C 1200°C 保溫0. 5h 2h，隨爐冷至850°C 950°C保溫3h 6h，出爐砂冷，隨后加熱到300°C 400°C保溫 3h^6h出爐砂冷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高鉻白口鑄鐵球形頂頭及其制造方法，高鉻白口鑄鐵球形頂頭各組分重量百分?jǐn)?shù)為C1.8%~2.2%，Cr16%~22%，Si0.5%~1.0%，Mn0.3%~0.6%，Ni1.6%~2.2%，F(xiàn)eSiRE0.6%~1.5%，V0.2%~0.7%，余量為鐵。其制造方法為澆注前，向高鉻白口鑄鐵鐵水中加入少量鋁片進(jìn)行預(yù)脫氧，然后加入特種變質(zhì)劑對(duì)鐵水進(jìn)行變質(zhì)處理；然后在鐵水包中加入覆蓋劑于鐵水表面，鎮(zhèn)靜，澆注；脫模、打磨表面后采用分級(jí)保溫處理的方式進(jìn)行熱處理。本發(fā)明使高鉻白口鑄鐵中M7C3型碳化物由連續(xù)、網(wǎng)狀、粗大板條狀向孤立、斷續(xù)、細(xì)心條狀轉(zhuǎn)變，基體組織連續(xù)性提高，同時(shí)析出大量的二次碳化物，在改善鑄鐵韌性的同時(shí)使其仍具有較高硬度，廣泛應(yīng)用于無縫鋼管軋制生產(chǎn)過程。
文檔編號(hào)C22C37/10GK102352460SQ20111032966
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者何文, 梁炳亮, 艾云龍, 陳衛(wèi)華 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)