硫化耐熱耐磨稀土合金鋼及其制備方法和應用的制作方法

專利名稱：：硫化耐熱耐磨稀土合金鋼及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種合金鋼，尤其涉及一種硫化耐熱耐磨稀土合金鋼，本發明還涉及該硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的制備方法以及該合金鋼在制作高溫耐磨作業部件中的用途，屬于冶金工業機械領域。
背景技術：
：合金鋼可以分為減摩和抗摩擦兩個機械性能，主要應用于制造高溫、耐摩擦工作下機械零部件，或應用于潤滑油受高溫環境容易炭化失效、不能潤滑的機器零件。例如冶金煉鋼、軋鋼、燒結、水泥設備、機床道軌等低速重載滑動體部位，這些零件要求較小的摩擦系數抗磨性能。耐磨合金鋼是一類用于磨損工況的特殊性能鋼，其主要特征是在磨損條件下具有較高的強度、硬度韌性和耐磨性。耐磨合金鋼以化學成分元素含量的多少分為三類第一類耐磨低合金鋼，合金元素總質量分數不超過5%;第二類耐磨中合金鋼，合金元素總質量分數為5%-10%;第三類，耐磨高合金鋼，合金元素總質量分數超過10%。申請號為00114501、0的中國發明專利申請公開了一種鉻鉤硫化物減摩鑄鋼，該鉻鎢硫化物減摩鑄鋼雖然具有一定的減磨、耐磨、耐高溫和抗沖擊性能，但主要存在以下幾方面的不足，有待改進-①該合金鋼的組織結構和耐磨性能有待提高；沒有稀土成分細化晶體，材質組織晶體粗糙，密度差，組織疏松；減摩和耐磨性能差，同時也造成材質韌性差，在使用過程中受壓力和沖擊性能容易脆性斷裂，。②該合金鋼在制備過程中鋼液的氣體不易固定，使鋼鑄件容易產生氣孔缺陷，鑄鋼件成品率低，資源浪費過大。③該合金鋼在制備過程中鋼液沒有稀土凈化鋼液，造成夾雜物多，容易產生鑄件裂紋，機械性能下降。
發明內容本發明首先所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種抗高溫、摩擦系數低、具有優異耐磨性能的合金鋼。本發明首先所要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的一種硫化耐熱耐磨稀土合金鋼，按重量百分比計，該硫化耐熱耐磨稀土合金鋼由以下各組分組成-碳(C)0.10-1.0%，硅(Si)0.20-0.40%，鴿(W)0.10-1.5%，錳(Mn)0.2-0.8%，鉬(Mo)0.3-1.7%，硫(S)0.5-2.5%,鉻(Cr)0.4-2.0%,釩(V)0.1-0.5%,稀土(Re)0.卜0.001%，余量為鐵；優選的，各組分的重量百分比為-碳(C)0.5%，硅(Si)0.3%，鴇(W)1.2%，錳(Mn)0.5%，鉬(Mo)0.8%，硫(S)1.5%，鉻(Cr)1.0%，釩(V)0.3%，稀土(Re)0.01%，余量為鐵。本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種上述硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的制備方法。本發明所要解決的另一個技術問題是通過以下技術方案來實現的一種制備上述硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的方法，包括(1)按照所述硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的組成成分和各成分的含量，計算并稱取各原料的用量；(2)熔煉將清潔廢鋼裝入中頻電爐升溫熔化；鋼液全部熔化后加入合金原料；徹底脫氧后出鋼；(3)澆鑄將鋼液進一步脫氧；鎮靜；澆鑄成型；快速冷卻；(4)熱處理脫模成型鑄件實施緩冷；緩冷后工件實施12小時以上高溫退火處理，即得合金鋼。優選的，步驟(2)中當鋼液全部熔化后溫度達1560士1(TC時加入合金原料；步驟(3)中所述鎮靜的時間優選為1-2分鐘；所述澆鑄成型優選是當鋼液溫度達到1540士1(TC時進行澆鑄成型；步驟(4)中所述的退火處理優選為采用93(TC高溫退火處理。本發明中所用到的各種原料都可從市場購買得到。上述所得到的合金鋼可按工件尺寸要求進行初加工或精加工，可制備得到各種形狀、低重負荷下的滑動軸承、軸瓦、軸套、耐磨襯板、滑板、機床滑道等產品。本發明通過在高溫鋼液中加入比常規鋼種高出數十倍的硫及適量的鉻、鉬、鎢、釩、稀土等合金元素形成FeS、MoS2、WS2等金屬硫化物，澆鑄成型鑄件，制備得到硫化耐熱耐磨稀土合金鋼，該合金鋼具有一定自潤滑性的硫化物，可滿足重負荷偶合件的需要。本發明在鋼液中加入Re和V，使材質結晶體更好細化，實用性增強。部件在運轉過程中，剝落的硫化物呈微粒珠狀，這是減小摩擦系數，使自偶潤滑得以實現。在鋼液中加入Re和V都有細化晶粒的作用，諸多金屬碳化物共同促使鋼的硬度提高，而VC(碳化釩)的熔點高，通常以細小、彌散的固體質點存在于鋼中。硫化物FeS、MoS2、WS2等都是固體潤滑材料，具有較小的摩擦系數和良好的耐磨性能。本發明通過在鋼液中加入硫化鐵合金及Mo、W、Cr、V的鐵合金，形成FeS、MoS2、WS2、VS2，另外還形成Mo、W、Cr、V的碳化物，對其顯微組織進行觀察，其基體上均勻分布著一定形態和數量的金屬硫化物和金屬碳化物，用于高溫條件下的磨擦偶合件，具有很好的固體潤滑和耐磨實用性能。通過加入稀土元素，使鋼液凈化、結晶細化、晶格扭曲，大大提高各種備件的加工硬度，為此，所制備合金鋼的硬度明顯提高，抗磨特性尤為突出。用該合金鋼可生產各種形狀重負荷的滑動軸承、軸瓦、軸套、襯板、滑板等產品；也可替代銅瓦、銅套類產品，能延長工件壽命，經濟效益明顯。通常，合金鋼視S為極有害元素，在普通鋼、特殊鋼、工具鋼、模具鋼類需費大力氣和技術措施并耗費大量資金予于排除，方能使S達標。本發明合金鋼中S(硫)元素較常規鋼種高出十倍，是其明顯的特點。本發明合金鋼中配加適量的硫化鐵(FeS)，使鋼中硫大大增加，變為有益元素，使其在高溫環境下，偶件摩擦滑動時不粘結；所以可將其用于滑動軸承、軸瓦軸套、襯板滑板、齒輪等工業零部件。在鋼液中摻入一定范圍硫化鐵FeS、Re和耐磨鐵合金等材料，能使鋼質在高溫下運轉摩擦下變成不粘結鋼(自偶件之間微粒潤滑而不粘)，達到固體潤滑效果，可降低工件摩擦力，提高其使用壽命。本發明合金鋼內含有諸多硫化物，如MOS2、WS2、FeS等，它們具有密排六方和立方的結晶結構，此種結構形式能起到固體自偶潤滑、降低鋼的磨擦系數等作用。另外本發明合金鋼中的高碳量和加入的鉻、釩、鉬、鎢、等合金元素，在碳量足夠的前題下都較容易形成不同形態的碳化物，它們的硬度很高，大于200HB，因此本發明合金鋼具備了很好的抗磨性。本發明合金材料是冶煉鑄造件，因硬度較高(HB270-400)，所以必須經過退處理后加工(切削)，經過處理后的本發明合金鋼，其顯微組織方面能獲得含有一定比例的合金碳化物硬質相和鐵素體珠光體的基體，具備優異的耐熱抗磨性能。本發明合金鋼在熔煉和熱處理過程中，碳化釩(VC)比其它的碳化物鐵體更難溶于奧氏體和鐵素體鐵中。由于上述原因，鋼液在冷卻凝固過程中，以先結晶的固體VC(熔點281(TC)質點的形態存在于結晶邊界，阻礙晶粒長大，起到細化晶粒的作用。在鋼熱處理退火溫度下，碳化釩常以妨礙晶粒生長、細粒分散的析離狀態存在于鋼中，因此，使鋼的熱穩定性增加，降低鋼對過熱的敏感性，提高鋼的熱硬性能、耐磨損性能，使合金鋼具備了耐熱、耐磨的特性。本發明合金鋼合金鋼中加入Re(稀土元素)，可起到凈化鋼液，細化晶粒的作用，其原因如下稀土元素在鋼液結晶的過程中，有使晶格奇變的特性，使晶格歪扭，這樣，使加工成部件的備件在使用過程中，加工硬化速度(備件受力而變硬的特性)變快，受力越大，硬化程度越高，備件表程硬化程度高，具備了抗磨的特性。稀土元素具有表面活性的性質和起到化合物的結晶核心作用，使鋼的鑄態組織細化，從而取得細化晶粒的效果。稀土加入鋼中，降低了相界面的張力，使晶粒核形成(功)降低，結晶形成速度激劇增加。在冷凝結晶過程中，稀土元素在基體和其它相中分配系數很小(小于0.02%)。使其表面活性大大增加。由于選擇吸附的結果，它們大多富集在長大晶體與鋼液的界面上，建立起一層吸附薄膜、阻礙并降低了晶體長大的傾向。從而細化了鋼的晶粒度。稀土元素的化學性質活潑，可以與鋼液中的[S]、[O]等形成穩定的化合物。鋼液中加入稀土后，會形成高熔點的稀土硫化物(例如ReS、Re2S3)、稀土氧化物(Re02)，這些化合物的熔點一般都高于200(TC，以細小、微粒狀、彌散狀分布于晶格內。稀土加入一方面減少了鋼中有害夾雜物的數量，凈化鋼液，而最主要的是改變了夾雜物形狀(園粒狀)、大小(細化)、分布(由偏于晶界及枝間變成彌散于晶內)，大大減少了非金屬夾雜物對鋼的危害作用。另外，稀土(Re)能和鋼液中的[H][N]形成較為穩定的化合物，如ReH3和ReN等。這樣就固定了鋼液中的氣體，減少鋼鑄件容易產生氣孔缺陷，提高鑄鋼件成品率。稀土和氧的親合力強，Re(稀土)加入鋼液，能促進鋼液的進一步脫氧，降低鋼中氧含量，減少有害夾雜物的數量和危害，改善合金鋼的冶金質量。稀土加入到鋼液中，不但細化晶粒，而且促進結晶錯位密度提高，加快了鋼的加工硬化速度，使鋼的耐磨性能隨之提高。鋼中的加入稀土對合金鋼的耐磨性起到了主導作用。高度彌散的稀土氧化物和稀土硫化物質點(有阻止碳化物長大之特性)和高熔點的諸多金屬碳化物，使晶粒細化，晶格奇曲變形，提高鑄件的加工硬度(過程受力而變硬的特性)，使所制備的合金鋼具有耐高溫，耐磨損，耐腐蝕等優異性能。本發明硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的各項性能優異，經檢測，其硬度為HB220—360(熱處理后)；沖擊值(ak)為2—5J/cm2;線膨脹系數為a二8.96X10—6，摩擦系數f=0.01—0.05(有潤滑)，0.10-0.12(無潤滑);許用速度《6m/S;許用比壓30-45Mpa;許用值》25-30Mpa.m/S;環境溫度《80(TC。本發明硫化耐熱耐磨稀土合金鋼具有優異的耐高溫、耐磨損、固體自潤滑等性能，用它可生產各種形狀低重負荷下的滑動軸承、軸瓦、軸套、耐磨襯板、滑板、機床滑道等產品，適用于制作常溫和高溫耐磨作業部件；也可代替銅合金類產品，如銅瓦、銅套等產品，相比銅合金類產品，具有耐壓力、抗磨損、缺少潤滑油工況使用優勢，能延長工件壽命，經濟效果明顯。具體實施方式下面結合具體實施例來進一步描述本發明，本發明的優點和特點將會隨著描述而更為清楚。但這些實施例僅是范例性的，并不對本發明的范圍構成任何限制。本領域技術人員應該理解的是，在不偏離本發明的精神和范圍下可以對本發明技術方案的細節和形式進行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發明的保護范圍內。實施例11、本實施例所制備的合金鋼的各組成成分和含量按表1進行控制。表l(單位:重量百分比)C:0.5%Si:0.3%W:1.2%Mn:0.5%Mo:0.8%S:1.5%Cr:1.0%V:0.3%Re:0.01%余量為鐵2、所用原材料見表2。表2(單位重量百分比)名稱CSiMnPSMoCrWVReMg安陽生鐵4.101.450.70.050O扁清潔廢鋼0.200.250.4O細0.02075%Fe-Si0.10750.5高碳Fe-Mn72.0700.040.0355%Fel-Mo0.251.50.040.0255名稱CSiMnPSMoCrWVReMg高碳Re-Cv9.53.00.060.0665Fe—V0.752.50.550Fe—W75硫化鐵32稀土鎂783、熔煉裝料順序裝料順序按表3A-J順序下料①成渣劑，配以硅酸鹽如玻璃瓶制品3-5kg;②金屬爐料，其中易熔劑(生鐵)、難熔料(合金料)；③爐料熔煉結束有4.7%的燒損；爐料314.8kg;配比％:100;最終獲得300kg;表3(單位重量百分比)材料Kg配比％材料Kg配比％A生鐵82.7F高碳錳鐵2.50.811B鉤鐵51.7G硅鐵1.50.5C鉬鐵4.51.5H釩鐵2.60.9D高碳鉻鐵4.71.6I硫化鐵15E廢鋼27085J稀土鎂10.34、熔煉采用300kg非真空中頻感應電爐，裝料始裝入，成(渣)劑、生鐵、鎢鐵、鉬鐵、鉻鐵，而后給電升溫，待爐料熔清后溫度鋼液達1540°C土1(TC加入髙碳錳、硅鐵、使鋼液預脫氧并取樣化驗鋼中諸多元素成分，并進行成分微調整；加入全部硫化鐵，提高溫度進行精煉；待鋼液測溫達156(TC，用鋁終脫氧，出鋼前加入用盒封裝好的稀土鎂料(壓入鋼液中)，待渣良好后，即可出鋼。鋼液在鋼包中鎮靜l-2分鐘，1540'C澆鑄。實施例2本實施例所制備的合金鋼的各組成成分和含量(重量百分比)按表4進行控制。表4(單位重^匱百分比)C:1.0%Si:0.4%W:1.5%Mn:0.8%Mo:1.7%S:2.5%Cr:2.0%V:0.5%Re:0.1余量為生鐵①生產工藝流程基本同實施例1，本實施例特點是采用高配碳、廢鋼料采用45#鋼，用高碳鉻鐵、高碳錳鐵增加鋼中[C]。并采用生鐵增碳措施。②因鋼中碳量高，鋼水流動性好，實控鋼液出鋼溫度和澆鑄溫度，較實施例1均可降低10°C。具體用料①按A-J順序(表5)下料；②金屬爐料，其中易熔劑(為生鐵)、難熔料(為合金料)；表5材料Kg材料KgA生鐵12F高碳錳鐵3.65B鴇鐵6.7G硅鐵2C鉬鐵9H釩鐵3.5D高碳鉻鐵10I硫化鐵26.3E廢鋼237J稀土鎂4.7實施例3本實施例所制備的合金鋼的各組成成分和含量按表6進行控制。表6C:0.1%Si:0.2%W:0.19%Mn:0.2%Mo:0.3%S:0.5%Cr:0.4%V:0.10%Re:0.01%余量為生鐵①生產工藝流程基本同實施例1。本實施例特點是含碳低，這樣就必須采用低碳配料選O——1#鋼碳廢鋼，低Fe—Mn微碳絡鐵無需增碳。②本實施例鋼中含碳極低，鋼液中的平衡氧較高，熔煉過程要注意加強脫氧環節。在鋼液流動性相應變差的情況下，出鋼溫度和澆鑄溫度比實施例1要上提l(TC。具體用料①按A-J順序(表7)下料；②金屬爐料，其中易熔劑(為生鐵)、難熔料(為合金料)；表7<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>試驗例11、試驗地點首鋼遷鋼公司煉鋼分廠；2、試驗樣品用實施例1所制備的合金鋼制備成的軸套軸瓦；3、試驗方法及結果該廠連鑄機二冷室輥道軸套屬高溫設備，24小時運轉，工況條件惡劣，原使用銅套磨損快，壽命短，維修頻繁，嚴重影響生產;改用試驗樣品后，使用3個月未發現過快磨損，可顯著提高生產效率，可在原基礎上提高3倍左右；步進冷床原用銅瓦，因設備負荷較大，出現磨損快，床體擺動產生傾斜擦邊，嚴重影響生產，改用試驗樣品后，磨損快，床體擺動產生傾斜擦邊等現象得到明顯改進。試驗例21、試驗地點柳州鋼鐵股份有限公司中板廠2、試驗樣品用實施例2所制備的合金鋼制備成的軸承；3、試驗方法及結果該廠加熱爐爐前輥道運轉環境惡劣，溫度高，濕度大，使用壽命短，由于維護不方便，常發生軸承破裂和滾珠卡死的現象，軸承的損耗大，容易產生設備故障，制約了該廠的生產。自2004年底大修時，該廠開始試用試驗樣品，經過一年的試用，發現試驗樣品平均使用的周期為4個月，比原用的軸承，其使用周期平均要長2-3個月。試驗例31、試驗地點南鋼集團無錫金鑫軋鋼有限公司；2、試驗樣品用實施例3所制備的合金鋼制備成的軸承；3、試驗方法及結果將試驗樣品在加熱爐裝鋼輥道代替普通軸承進行試用，并推廣到750前后輥道和升降臺，試驗結果如下(1)、原裝鋼輥道軸承使用壽命僅為l個月左右，改用試驗樣品后，已使用23個月未見損壞，尚可繼續使用；(2)、該試驗樣品抗氧化鐵皮，耐高溫，性能優良；(3)、可在惡劣環境下替代普通軸承使用，可明顯減少檢修次數，降低生產成本，同時可降低勞動強度。試驗例41、試驗地點寶鋼集團上海梅山鋼鐵有限公司(廠位置在南京雨花臺區)2、試驗樣品用實施例3所制備的合金鋼制備成的軸套；3、試驗方法及結果在鋼包耳軸代替銅套進行試用，試驗結果如下該部位原用銅合金軸套，經常因壓力過大，銅套使用一個月斷裂；改為制備的合金鋼制備成的軸套，使用6個月沒有斷裂，耐壓耐磨方面優于銅套。權利要求1、一種硫化耐熱耐磨稀土合金鋼，其特征在于，按重量百分比計，所述合金鋼由以下各組分組成碳0.1-1.0％，硅0.2-0.40％，鎢0.1-1.5％，錳0.2-0.8％，鉬0.3-1.7％，硫0.5-2.5％，鉻0.4-2.0％，釩0.1-0.5％，稀土0.1-0.001％，余量為鐵。2、按照權利要求l所述的硫化耐熱耐磨稀土合金鋼，其特征在于，各組分的重量百分比為碳0.5%，硅0.3%，鴇1.2%，錳0.5%，鉬0.8%，硫1.5%，鉻1.0%，釩O.3%，稀土0.01%，余量為鐵。3、一種制備權利要求1或2所述硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的方法，包括(1)按照所述硫化耐熱耐磨稀土合金鋼的組成成分和各成分的含量配比，計算并稱取各原料的用量；(2)熔煉將清潔廢鋼裝入中頻電爐升溫熔化；鋼液全部熔化后加入合金原料，徹底脫氧后出鋼；(3)澆鑄將步驟(2)所得到的鋼液進一步脫氧；鎮靜；澆鑄成型；快速冷卻；(4)熱處理脫模成型鑄件實施緩冷；緩冷后工件實施12小時以上高溫退火處理，即得。4、按照權利要求3的方法，其特征在于步驟(2)中當鋼液全部熔化后溫度達1560士1(TC時再加入合金原料。5、按照權利要求3的方法，其特征在于步驟(3)中所述鎮靜的時間為1-2分鐘。6、按照權利要求3的方法，其特征在于所述澆鑄成型是當鋼液溫度達到1540土1(TC時進行澆鑄成型。7、按照權利要求3的方法，其特征在于步驟(4)中所述的退火處理為采用93(TC的高溫進行退火處理。8、由權利要求1或2所述的硫化耐熱耐磨稀土合金鋼所制備得到的耐磨作業部件。9、按照權利要求8所述的耐磨作業部件，其特征在于所述的耐磨作業部件包括滑動軸承、軸瓦、軸套、耐磨襯板、滑板或機床滑道。全文摘要本發明公開了一種硫化耐熱耐磨稀土合金鋼及其制備方法和應用，屬于冶金工業領域。本發明合金鋼由以下重量百分比的各組分組成碳0.1-1.0％，硅0.2-0.4％，鎢0.1-1.5％，錳0.2-0.8％，鉬0.3-1.7％，硫0.5-2.5％，鉻0.4-2.0％，釩0.1-0.5％，稀土0.1-0.001％，余量為鐵。本發明硫化耐熱耐磨稀土合金鋼具有優異的耐高溫、耐磨損、固體自潤滑等性能，適用于制作高溫耐磨作業部件，可制備成各種形狀低重負荷下的滑動軸承、軸瓦、軸套、耐磨襯板、滑板、機床滑道等產品，能代替銅合金類產品，具有耐壓力、抗磨損等優勢，能顯著延長工件的使用壽命。文檔編號C21D1/26GK101591753SQ200810100130公開日2009年12月2日申請日期2008年5月26日優先權日2008年5月26日發明者侯貞霞,侯貴慧,慶劉,宋斌豐,郭愛紅申請人:侯貴慧