一種高釩耐磨合金材料及其生產(chǎn)工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耐磨材料領(lǐng)域，具體說是一種高I凡耐磨合金材料及其生產(chǎn)工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在耐磨材料領(lǐng)域大都是應(yīng)用具有馬氏體或者貝氏體基體組織的耐磨材料或者除馬氏體和貝氏體、殘余奧氏體基體以外還具有顆粒增強相的第三代耐磨材料-高鉻鑄鐵開發(fā)耐磨零部件，由于在高鉻鑄鐵中還有高硬度的增強相Cr7C3，其碳化物顯微硬度達到了 HV1300?1600，故其比前兩代耐磨材料-白口鑄鐵和高錳鋼性能有了較大幅度提升，硬度可以達到HRC60?65，但是由于其碳化物通常呈現(xiàn)長條形且比較粗大，故其沖擊韌性一般都在3?7J/cm2之間，有些還有低于3J/cm2，普遍比較低，材料相對較脆，耐沖擊性比較差，因而其綜合耐磨性能仍然不是特別理想。
[0003]隨著某些工程機械、礦山機械、冶金機械等工況進一步惡劣以及裝備大型化，例如在制砂機設(shè)備、熱乳棍等裝備市場，對具有更高耐磨性的耐磨材料需求越來越迫切。在這種情況下，前人經(jīng)過大量實驗研宄，開發(fā)了高釩耐磨材料來制造耐磨關(guān)鍵零部件，以滿足在惡劣工況下提高工件實際使用壽命的服役要求。
[0004]國外己經(jīng)研宄開發(fā)了基于VC顆粒增強高釩復(fù)合耐磨材料的高釩高速鋼，由于VC顆粒具有高硬度(HV2600)、團球狀形貌、彌散分布等諸多特征，使基于VC顆粒增強復(fù)合耐磨材料的耐磨性能和沖擊韌性相比較于第三代耐磨材料一高鉻鑄鐵(碳化物硬度、長條形、不規(guī)則分布)有了大幅度提升；并且成功應(yīng)用于熱軋軋輥、冷軋軋輥、粉磨機錘頭、球磨機襯板等耐磨鑄件。
[0005]在我國也已經(jīng)起步研宄開發(fā)基于VC顆粒增強的復(fù)合耐磨材料，并且成功地開始應(yīng)用于熱軋輥耐磨件。雖然目前使用鑄造工藝開發(fā)基于VC的顆粒增強型復(fù)合耐磨材料的凝固特性、變質(zhì)機理和熱處理工藝特征等方面的研宄基本趨于成熟。但是，高釩耐磨材料仍然有一些技術(shù)領(lǐng)域有待于突破，以促使其耐磨性能更加穩(wěn)定可靠。
[0006]在高釩耐磨材料中VC顆粒形態(tài)有很多種，呈現(xiàn)團球狀、大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等幾種形態(tài)；其中邊界比較圓滑的團球狀初生相是最理想的形態(tài)，有利于性能提升。VC顆粒分布形式有晶間分布、菊花狀分布和均勾分布，其中均勾分布是最理想的分布狀況，對性能十分有利。
[0007]因此，通過進一步優(yōu)化VC顆粒形態(tài)和分布，對提高高釩耐磨材料的耐磨性能和其性能穩(wěn)定性是十分有利的。
[0008]目前我國對高釩耐磨材料的變質(zhì)處理方面研宄尚少，現(xiàn)有技術(shù)對高釩耐磨材料采用的變質(zhì)處理方法主要是使用稀土硅鎂或者(含B、含T1、含Zr)鉀鹽作為孕育變質(zhì)劑，使用量均在0.5?1.0 %之間；其中含Ti鉀鹽變質(zhì)效果相對較為理想。使用常用的稀土硅、鎂作為變質(zhì)劑，稀土一方面有凈化鐵液的作用，能與鐵液中的氧、氮等生成化合物，同時這些化合物還可以作為形核質(zhì)點起到細化碳化物的作用；另一方面稀土是一種表面活性元素，在凝固過程中可以富集在碳化物的表面，從而抑制碳化物沿晶界長大，使碳化物細化。使用鉀鹽作為孕育變質(zhì)劑，由于鉀容易富集在碳化物表面，抑制碳化物沿晶界的長大，使碳化物細化；而含Ti鉀鹽中的微量Ti能與鐵液中的碳形成TiC顆粒，能起到形核質(zhì)點的作用；從而鉀鹽能起到較好的孕育變質(zhì)作用。
[0009]因此，由于采用的變質(zhì)劑起到了外來晶核的作用，使得凝固組織的形核率大大增加，碳化物的形態(tài)產(chǎn)生了一定變化，VC逐步呈孤立分布的團塊狀，碳化物邊部的圓滑程度也有了一定提高，碳化物尺寸也明顯減少，特大顆粒的碳化物消失；分布均勻性也有所增強。
[0010]現(xiàn)有技術(shù)的缺點有以下三點:
(I)現(xiàn)有技術(shù)中常采用稀土作為變質(zhì)劑，利用稀土凈化鋼液時產(chǎn)生大量稀土氧化物、氮化物等作為VC碳化物的形核質(zhì)點；然而這些稀土氧化物、氮化物的晶格類型不同于VC的晶格類型。所以這些稀土氧化物、氮化物并不能作為碳化物VC的有效異質(zhì)形核核心，其效果十分有限。
[0011](2)現(xiàn)有技術(shù)中也有使用含Ti鉀鹽作為變質(zhì)劑，取得了一定的效果，但是含Ti鉀鹽加入的總量不超過I %，其中Ti元素的含量就更少了 ；導(dǎo)致在鐵液中生成的有效TiC顆粒數(shù)量是有限的。
[0012](3)現(xiàn)有技術(shù)利用了稀土和鉀等表面活性元素，能在VC碳化物的表面產(chǎn)生吸附和富集，在一定程度上抑制碳化物沿晶界的長大，達到使碳化物細化的效果。但是，其富集效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]針對上述問題，本發(fā)明提供一種性能可靠性更高的高I凡耐磨合金材料，該材料的組分按以下質(zhì)量百分比組成:C:2.7-3.5%、V:7.5-8.5%、S1:0.5-1.5%、Mn:0.8-1.5%、Cr:
2.0-3.5%、Mo:1.0-2.5%、Ti:1.0-2.0%、S:彡 0.04%、P..( 0.04%，余量為鐵。
[0014]本材料利用V取代高鉻鑄鐵中Cr元素，在鐵基體中生成高硬度VC碳化物顆粒；在鐵中加入1.0-2.0 %的Ti元素使其在鐵中生成(V，Ti) C共晶碳化物；因工件一般都有一定厚度，加入一定量的絡(luò)Cr元素和鉬Mo元素作為提高淬透性的元素；因Ti元素易與硫元素結(jié)合生成有害化合物Ti2S,因此對硫和磷元素的控制要求較嚴，均要求< 0.04 %。
[0015]本發(fā)明還提供一種高釩耐磨合金材料的生產(chǎn)工藝，該工藝可使高釩耐磨材料中VC顆粒形態(tài)更加團球化，分布更加均勻，克服現(xiàn)有高釩耐磨材料中VC存在大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等幾種不太理想的形態(tài)以及VC顆粒分布存在菊花狀分布等碳化物形態(tài)和分布的不足，并通過減少不理想形態(tài)的顆粒數(shù)量，提高高釩耐磨材料的性能可靠性，從而進一步提尚其綜合性能。
[0016]為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明的具體方案如下:一種高釩耐磨合金材料的生產(chǎn)工藝，其按以下步驟進行:
I)將廢鋼、生鐵、增碳劑、釩鐵、鈦鐵、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵清理干凈，按上述質(zhì)量百分比要求進行配料，并分類放置；
2 )將廢鋼、生鐵、增碳劑、鉻鐵、錳鐵與鉬鐵放入爐中加熱熔煉，在熔煉后期加入釩鐵，待熔清后進行等溫處理，再加入鋁絲或鋁粒進行預(yù)脫氧，然后加入脫硫劑脫硫，并扒渣；
3)升高爐溫后向爐中加入鈦鐵，接著加入鋁絲或鋁粒終脫氧處理后出爐；
4 )向出爐后的鐵液中加入復(fù)合孕育變質(zhì)劑，采用包底沖入法對鐵液進行孕育和變質(zhì)處理；
5)將孕育和變質(zhì)處理的鐵液進行澆注；
6)澆注完成后進行冷卻、清理處理，再打磨噴砂，并進行熱處理。
[0017]作為優(yōu)選，熔煉采用中頻感應(yīng)電爐，電爐的爐襯采用堿性材料或中性爐襯材料為佳，通過電爐的攪拌作用，有利于使比鐵元素比重輕的釩鈦等合金元素在鐵液中均勻分布；且不易腐蝕爐襯材料。
[0018]作為優(yōu)選，熔煉溫度為1550?1600°C，等溫處理溫度為1600°C，等溫處理時間為5-8min，這樣有利于預(yù)防元素?zé)龘p、保證充分熔化且夾雜物充分上浮。
[0019]作為優(yōu)選，步驟(3)中，爐溫升至1620_1660°C之間。
[0020]作為優(yōu)選，預(yù)脫氧和終脫氧采用的鋁絲或鋁粒的質(zhì)量分數(shù)均占鐵液質(zhì)量的
0.1%-0.15%，這有利于充分脫氧脫氮，有利于生成鋁的氧化物和氮化物上浮而排除，使鐵液更加純凈。
[0021]作為優(yōu)選，所述孕育變質(zhì)劑的組分占鐵液質(zhì)量百分比為:0.10 % Ti,0.25 % RE、
0.15 % Mg、0.15 % Zn。
[0022]作為優(yōu)選，將上述組分的復(fù)合孕育變質(zhì)劑破碎至l_5mm的小顆粒，經(jīng)200°C烘干后，預(yù)置于澆包底部，再進行孕育和變質(zhì)處理；這樣可以預(yù)防將水分子帶入鐵液中，因水分子高溫分解弓I起鐵液增氧增氫，破壞了鐵液的純凈度。
[0023]作為優(yōu)選，將澆包中的鐵液孕育和變質(zhì)處理后靜置2_3min，待夾雜物充分上浮排除后，再進行澆注，澆注溫度為1510-1540 °C。
[0024]作為優(yōu)選，熱處理時，先在熱處理爐中嵌入木炭或者在工件表面涂覆抗氧化涂料，然后采用1050°C淬火處理，再采用450°C回火處理。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(O本發(fā)明加大了 Ti元素加入量，使鐵液中能夠生成足夠多的形核質(zhì)點TiC，使其顆粒數(shù)量大大增加，同時TiC質(zhì)點由于其與VC晶格類型相同而晶格常數(shù)近似而能成為有效質(zhì)點。
[0026](2)變質(zhì)劑中配置了 Zn元素，而Zn元素與VC的潤濕性較好，更易于富集在VC晶界周邊，阻止其晶界長大，從而更有效細化碳化物顆粒。
[0027](3)高釩耐磨材料中必須控制好C、V兩元素含量，使高釩耐磨材料為過共晶合金才能實現(xiàn)VC形態(tài)呈團球化以及均勻分布；致使加入V合金相對較多，成本較高。然而，在本發(fā)明中由于加入了較多的Ti元素，可以使V元素加入量減少約I %左右。因此，本發(fā)明降低了高釩耐磨材料的合金生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0028]圖1的(a) (b)為現(xiàn)有技術(shù)中常見高碳鉻鐵中碳化物形態(tài)和分布圖。
[0029]圖2的(a) (b)為本發(fā)明中變質(zhì)處理之前碳化物VC形態(tài)和分布圖。
[0030]圖3的(a) (b)為本發(fā)明中變質(zhì)處理之后碳化物VC形態(tài)和分布圖。
【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明高釩耐磨合金材料含有(質(zhì)量百分比)C:2.7-3.5%、V:7.5-8.5%、Si:0.5-1.5%、Mn:0.8-1.5%、Cr:2.0-3.5%、Mo:1.0-2.5%、Ti:1.0-2.0%、S: ^ 0.04%、P:(0.04%，余量為鐵；其中，硅元素來源于廢鋼、合金等原料中。
[0032]C:碳對復(fù)合耐磨材料的組織與性能來說至關(guān)重要，它既可以固溶于基體中起固溶強化作用，又是形成碳化物增強相的基本元素，還能促進馬氏體轉(zhuǎn)變，提高復(fù)合耐磨材料的淬硬性。碳含量太多會增加材料脆性，太少則減少碳化物增強相的數(shù)量致使其耐磨性降低。因此，本材料中控制C含量在2.7-3.5%。
[0033]V:釩是強碳化物形成元素，易在鐵液中與C元素反應(yīng)形成大量呈現(xiàn)團球狀等形態(tài)、彌散分布的VC增強相，相對于高鉻鑄鐵中的碳化物，其形態(tài)和分布均有了很大改善，顯著提高了復(fù)合耐磨材料的沖擊韌性與耐磨性；然而由于加入了一定量的Ti元素，在基體中可生成TiC，其與VC晶格類型相同，均為面心立方晶格，兩者容易復(fù)合形成(V，Ti)C共晶碳化物，故Ti元素可取代部分V元素，所以把V含量控制在7.5-8.5%之間。
[0034]Cr:鉻也可與C反應(yīng)形成Cr6C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于