專利名稱：一種高硫減摩耐磨鑄鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑄鋼技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在-40°c -60°c的具有較高耐沖擊性的高 硫減摩耐磨鑄鋼。
背景技術(shù)：
在冶金、礦山、煤機(jī)、運(yùn)輸、工程機(jī)械、磨具制造等領(lǐng)域，機(jī)械設(shè)備的活動部件的失 效原因絕大多數(shù)都是由于磨損造成的。磨損是一切機(jī)械運(yùn)動的固有特性，是相對物質(zhì)表面 不斷損失或產(chǎn)生殘余變形的過程。傳統(tǒng)磨損理論將磨損分為四個類型磨料磨損、腐蝕磨 損、粘著磨損和疲勞磨損。長期以來，人類為了克服磨損給設(shè)備帶來的損失，總結(jié)創(chuàng)造了很 多抗磨損的辦法，比如提高材料的強(qiáng)度和耐磨性，增加潤滑、降低摩擦系數(shù)等。將金屬和合金的表面進(jìn)行改性處理，是目前國內(nèi)外常用的提高材料表面硬度和降 低表面摩擦系數(shù)從而達(dá)到材料耐磨目的的方法，如滲硫或熱噴涂等工藝。此方法可以得到 良好的基材與滲層材的結(jié)合，使其表面具有較低的摩擦系數(shù)和高硬度。但是為了獲得這種 效果必須使工件置入有被滲入元素的活性介質(zhì)中且必須在一定溫度下加熱，保溫后再進(jìn)行 熱處理，相應(yīng)設(shè)備必不可少，不僅能源消耗大，周期長且工藝復(fù)雜，最大的缺點(diǎn)是滲層厚度 僅在10士2um范圍內(nèi)，難以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需要。之后便由最初的滲硫改為在熔化鑄鋼時直接增硫，高硫減摩鑄鋼由此產(chǎn)生。高硫 減摩鑄鋼屬于鑄鋼中的一個新品種，只能用鑄造方法成型，它與其他一般減摩鑄鋼的區(qū)別 在于它不是靠本身硬度提高其耐磨性，而是靠其內(nèi)部存在的大量的硫化物的自潤滑性能， 提高其減摩性而提高其耐磨性。它的基本原理是在鋼中加入含量很高的硫，與其他合金冶 煉，最后形成多種硫化物形式，在運(yùn)動中自動釋放出一種潤滑膜，起到自潤滑抗粘著的作 用，可應(yīng)用在冶金、礦山、煤機(jī)、運(yùn)輸、工程機(jī)械、磨具制造等領(lǐng)域。它運(yùn)行可靠，大大降低了 維護(hù)保養(yǎng)時間，減少了環(huán)境污染，提高了設(shè)備效率。例如專利號為“91108671. 4”，名稱為“高 硫合金鋼及生產(chǎn)方法”的中國專利中提到一種高硫合金鋼，其公開了一種由鐵、碳、硫及合 金元素組成的高硫合金鋼，其中硫含量為0. 5 11%，這種合金鋼具有一定的減摩耐磨性 能，降低了機(jī)件的摩擦磨損系數(shù)，因而延長了機(jī)件的使用壽命。類似的技術(shù)方案還如申請?zhí)?為“200510011276.0”，名稱為“一種高硫減摩耐磨鑄鋼及其生產(chǎn)方法”的中國專利申請文件 中提到的一種適合于高溫及常溫生產(chǎn)環(huán)境下的高硫減摩耐磨鑄鋼，其公開了這種高硫減摩 耐磨鑄鋼的元素組成及含量，其原理也是通過提高硫含量增加其減摩性和耐磨性，從而提 高機(jī)件的使用壽命。在本領(lǐng)域，高硫減摩耐磨鑄鋼最主要的一個用途就是生產(chǎn)軸承，軸承最主要的兩 個性能是機(jī)械性能和軸承性能，軸承性能包括耐磨性和減摩性，機(jī)械性能包括耐沖擊性、延 伸性和抗拉性等。高溫或者常溫下能夠滿足使用要求的高硫合金鋼在低溫條件下的耐沖擊 性能有很大變化，往往是在高溫或者常溫下可以正常使用較長時間的由高硫合金鋼制成的 軸承在低溫條件下低溫脆性很差，很容易發(fā)生碎裂。而如何克服低溫狀態(tài)下，尤其是嚴(yán)寒狀 態(tài)下，長期作業(yè)過程中對于軸套的影響以及損害，特別是軸承在這種低溫環(huán)境下的耐沖擊性如何解決，這是一個技術(shù)難題。因此，本發(fā)明要解決如何生產(chǎn)一種適合于低溫環(huán)境要求的 高硫減摩耐磨鑄鋼的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于通過綜合合金化提供一種高硫減摩耐 磨鑄鋼，同時提供相應(yīng)的鑄造工藝。本發(fā)明以S、C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、Ti、P等元素綜合合金化的高硫減摩耐磨鑄 鋼，其適合在-40°C -60°C的嚴(yán)寒地區(qū)野外作業(yè)中使用的化學(xué)成分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)為C
<0. 2%, Si < 1. 3%, Mn < 0. 5%, S < 1. 3%, Cr < 1. 2%, Mo < 0. 5%, Ni < 0. 5%, P
<0. 05%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。以下根據(jù)各元素在該發(fā)明中的作用進(jìn)行敘述C 是鋼中常見元素，是影響鑄鋼力學(xué)性能的主要元素。隨著碳含量增加，鑄鋼的屈 服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度均升高，且抗拉強(qiáng)度比屈服點(diǎn)上升得更多。另外，隨著碳含量增加，鑄鋼的 塑性和韌性降低。并且C含量也是區(qū)分鑄鐵和鑄鋼的標(biāo)準(zhǔn)，鑄鋼是含碳小于2. 11%的鐵-碳 合金，鑄鐵是含碳大于2. 11 %小于6. 69%的鐵-碳合金。本發(fā)明把C控制在< 0. 2質(zhì)量％ 范圍內(nèi)。Si 是鋼中常見元素，是主要合金化元素，改善合金的流動性，降低熱裂傾向，減少 疏松，提高氣密性，可以提高鑄鋼的強(qiáng)度和硬度。本發(fā)明把Si控制在< 1.2質(zhì)量％范圍內(nèi)。Mn:是鋼中常見元素，是良好的脫氧劑。Mn的有益作用是高的強(qiáng)度和耐磨性，淬 透、滲碳、冷工硬化。Mn可改善鋼的焊接性和低溫性能，還可減慢鋼的脫碳作用，還可適當(dāng) 改善鋼的切削性能。Mn極易生成MnS2，它是良好的固體潤滑劑。它可以強(qiáng)化鐵素體和珠光 體，從而提高鋼的強(qiáng)度。本發(fā)明把Mn控制在< 0. 5質(zhì)量％范圍內(nèi)。Cr 是提高淬透性的元素，從而提高材料整體強(qiáng)度和韌性。Cr具有抗氧化性及耐 腐蝕性能，是不銹耐酸鋼和中溫抗氫鋼中的主要元素。Cr的加入更有利于材料綜合性能的 提高，一般在在鋼中加入1 %的Cr可使常溫抗拉強(qiáng)度增加20MPa，高溫時更加顯著。CrS2是 一種極好的固體潤滑劑，均勻的分布在鋼中。本發(fā)明把Cr控制在< 1.2質(zhì)量％范圍內(nèi)。Mo:具有較強(qiáng)的碳化物形成能力，使較低含碳量的合金鋼也具有較高的硬度。而且 鉬能夠阻止奧氏體化的晶粒粗大。鉬會造成C曲線的右移，減小了過冷度，極大的提高了淬 透性，從而提高材料整體強(qiáng)度和韌性。MoS2是一種極好的固體潤滑劑，均勻的分布在鋼中。 本發(fā)明把Mo控制在< 0. 5質(zhì)量％范圍內(nèi)。Ni 作用是提高淬透性及疲勞阻力，減少缺口敏感性，降低鋼脆化轉(zhuǎn)變溫度，鋼中 含有少量Ni，屈伸強(qiáng)度可以提高。但Ni與S結(jié)合，形成低熔點(diǎn)NiS2易于在晶界上形成網(wǎng)狀 而產(chǎn)生熱脆，故本發(fā)明視工件性能要求，將M控制在< 0. 5質(zhì)量％范圍內(nèi)。P:增加鋼的脆性，尤其是低溫脆性，又造成元素嚴(yán)重偏析，故本發(fā)明要求越低越 好，一般控制在< 0. 05質(zhì)量％范圍內(nèi)。S:是本發(fā)明合金鑄件中的關(guān)鍵元素。例如鋼中含有S在0. 15-0. 3%時，鋼的切削 性能大幅度得以提高；使材料表面低溫滲硫，材料表面就有自潤滑性。S與某些元素形成硫 化物的親和力依以下順序而遞增Si、Co、Ni、Fe、W、Mo、Al、Cr、V、Nb、Mn、Ti、&。硫化物是 一種優(yōu)良的固體潤滑劑，其潤滑能力取決于它們分層的組織結(jié)構(gòu)。一些硫化物，如硫化鉬、硫化鎢、硫化鉻、硫化鐵等均有密集六方晶體層狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明，這種結(jié)構(gòu)最容易 分離出諸多滑移面，使其自潤滑性大大增強(qiáng)。它把兩相對運(yùn)動的物體表面間的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)?硫化物層與層之間的具有極低摩擦系數(shù)的摩擦。硫化物對金屬有較強(qiáng)的附著性能，一般摩 擦不易脫落。另外，硫化物在其塑變時易于填平金屬表面凹凸不平之處，以避免在摩擦?xí)r相 對運(yùn)動中金屬間相互接觸而產(chǎn)生的粘著破壞；硫化物抗壓性能高，在高壓下金屬表面也不 會產(chǎn)生咬死或熔接。本發(fā)明把S控制在< 1.3質(zhì)量％范圍內(nèi)。根據(jù)上述理由，按規(guī)定在冶煉時加入各種合金元素，可以得到一種十分新穎的具 有高自潤滑性能的高硫減摩耐磨鑄鋼。在選擇合金元素時同時考慮它們形成的硫化物類型 和自潤滑作用、它們改善硫化物形態(tài)和分布的有益作用，它們提高基體硬度、強(qiáng)度和耐寒性 的有益作用，一種元素至少要起一種有益作用，但整個的合金化系統(tǒng)必須保證以上三方面 的有益作用和保證鋼中所能溶入所需的硫含量。上述的用于軸套生產(chǎn)的高硫減摩耐磨鑄鋼的生產(chǎn)方法包括配料備料、冶煉和鑄造 三個主要環(huán)節(jié)，其特征在于將廢鋼(或工業(yè)純鐵)、鉬鐵和鎢鐵等難熔且不易氧化的合金 料加入中頻感應(yīng)爐中加熱熔化，溫度達(dá)到1620-1680°C時爐前定碳并用廢電極碎塊補(bǔ)碳，同 時加入硅鐵、鉻鐵和釩鐵等脫氧和合金化，待全部熔化后再加入硫鐵，待所有物料全部熔化 且成分均勻化后進(jìn)行澆注，澆注溫度為1500-160(TC，可采用離心鑄造和金屬鑄造。本發(fā)明的有益效果是在充分利用多元硫化物固體自潤滑作用和減摩耐磨作用的 同時減少其對力學(xué)性能的有害作用，以利于通過提高硫含量和硫化物量增加其減摩性和耐 磨性，由此獲得在-40°C或乃至-60°C的溫度時與已知鑄鋼相比具有更高的耐磨性和低脆 性的高硫減摩耐磨鑄鋼。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的一種適合于在_40°C -60°C使用的高硫減摩耐磨鑄鋼，為S、Cr、 Si、Mo、Ni、Mn、P、C元素中4到8中元素的綜合合金化的多元硫化物自潤滑的鑄鋼，所述高 硫減摩耐磨鑄鋼的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為C < 0. 2%Si < 1. 3%Mn < 0. 5%S < 1. 3%Cr < 1. 2%Mo < 0. 5%Ni < 0. 5%P < 0. 05%其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。更為具體地，在根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施例中，所述高硫減摩耐磨鑄鋼的化學(xué) 成分以質(zhì)量百分比計(jì)為C 0. 10%S 1. 00%Mn 0. 21%
Si 0. 14%P 0. 023%其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。進(jìn)一步地，結(jié)合本實(shí)施例說明其具體生產(chǎn)工。首先按照所給出的化學(xué)成分范圍， 將廢鋼加入中頻感應(yīng)爐加熱熔化，溫度達(dá)到1640°C時加入硅鐵、鉻鐵、碳棒碎塊脫氧并合金 化，全部熔化后加入硫鐵，待所有物料全部熔化且成分均勻化后進(jìn)行澆注。優(yōu)選的澆注溫度 為 1540 "C ο更進(jìn)一步地，在一個優(yōu)選例中，根據(jù)本發(fā)明示出的高硫減摩鑄鋼的鑄造方式為離 心鑄造。具體地，將熔化的鑄鋼熔液倒入離心鑄鋼機(jī)的旋轉(zhuǎn)的鑄型里，在離心力作用下充型 并凝固成鑄件，采用離心鑄造的優(yōu)點(diǎn)是鑄鋼熔液在離心力作用下充型和凝固，金屬補(bǔ)縮效 果好，鑄件組織致密，機(jī)械性能好；鑄造鑄件不需澆冒口，金屬利用率可大大提高。因此對于 高硫減摩鑄鋼的鑄造工藝來說，離心鑄造是一種節(jié)省材料、節(jié)省能耗、高效益的工藝。次優(yōu) 選地，高硫減摩鑄鋼的鑄造方式為金屬型鑄造。具體地，將熔化的鑄鋼熔液倒入金屬鑄型， 以獲得鑄件。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，所述金屬型鑄造也是現(xiàn)有技術(shù)，在此不予贅述。將根據(jù)本發(fā)明示出的具體實(shí)施例中的元素含量比例生產(chǎn)出的高硫減摩耐磨鑄鋼 加工成IOX 10X55u2型沖擊試樣3件，根據(jù)GB/T229-2007“金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方 法”測試，分別在-40°C、-50°C與_60°C的環(huán)境條件下進(jìn)行測試，得出的沖擊吸收功數(shù)據(jù)具 體如表1所示。表 1 將上述沖擊功數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沖擊韌性，具體轉(zhuǎn)化方法為用試樣缺口處的截面積去除 沖擊吸收功，可得到材料的沖擊韌度。表1中所得沖擊吸收功轉(zhuǎn)化為沖擊韌性數(shù)值列表如 表2所示。表2 根據(jù)上海建筑機(jī)械制造廠理化實(shí)驗(yàn)室做的檢測報(bào)告證明，沖擊韌性為1. 764J/CM2 的高硫鑄鐵軸承件在2年時間內(nèi)正常使用沒有任何問題，而現(xiàn)在即使在-60°C時最低測試 數(shù)據(jù)仍為5. 5J/CM2，是該數(shù)值的3. 1倍，而本發(fā)明最高數(shù)值11. 2J/CM2，更是達(dá)到了原先數(shù)值 的6. 4倍，由此證明本發(fā)明的高硫減摩耐磨鑄鋼的性能完全可以達(dá)到-40°C -60°C使用標(biāo) 準(zhǔn)。同時可以證明本發(fā)明的作用的為申請專利號為“01120590. 3”，名稱為“一種超高硫具有 多種復(fù)合自潤滑的高耐磨合金鑄造材料”的中國專利申請文件，其中該發(fā)明所提到的高耐 磨合金鑄造材料，沖擊功測試數(shù)據(jù)為9. 0J/CM2、6. 5J/CM2和4. 5J/CM2，與本發(fā)明的測試數(shù)據(jù) 相類似，但該發(fā)明的測試溫度為常溫條件，而本發(fā)明的測試溫度是-40°C、-5(TC和-60°C， 兩者溫度相差巨大，但測試數(shù)據(jù)相類似，更說明了本發(fā)明的實(shí)用性。以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種高硫減摩耐磨鑄鋼，其特征在于，適合于在 40℃～ 60℃使用的為S、Cr、Si、Mo、Ni、Mn、P、C元素中4到8中元素的綜合合金化的多元硫化物自潤滑的鑄鋼，具有高硫減摩耐磨性能，其化學(xué)成分范圍以質(zhì)量百分比計(jì)為C＜0.2％，Si＜1.3％，Mn＜0.5％，S＜1.3％，Cr＜1.2％，Mo＜0.5％，Ni＜0.5％，P＜0.05％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高硫減摩耐磨鑄鋼，其特征在于，適合于在-40°C -60°C使用 的高硫減摩耐磨鑄鋼，其化學(xué)成分范圍為C 0. 10%, S 1.00%, Mn 0.21%, Si 0. 14%, P 0. 023%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高硫減摩鑄鋼，其特征在于，所述高硫減摩鑄鋼的澆注方法為 -離心鑄造；以及-金屬型鑄造。
全文摘要
本發(fā)明提供適合于在-40℃～-60℃使用的為S、Cr、Si、Mo、Ni、Mn、P、C元素中4到8中元素的綜合合金化的多元硫化物自潤滑的鑄鋼，具有高硫減摩耐磨性能，其化學(xué)成分范圍以質(zhì)量百分比計(jì)為C＜0.2％，Si＜1.3％，Mn＜0.5％，S＜1.3％，Cr＜1.2％，Mo＜0.5％，Ni＜0.5％，P＜0.05％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。鑄造方法為離心鑄造。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過不同元素間的合理配比，獲得在-40℃～-60℃的溫度時與已知高硫減摩耐磨鑄鋼相比具有更好的耐沖擊性的高硫減摩耐磨鑄鋼。
文檔編號B22D13/00GK101906596SQ20101021911
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者郁壽林 申請人:郁壽林