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奥锰钢耐磨材料双变质工艺研究 张国庆 章成希.doc
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更新时间:2019-12-30 16:57:34
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奥锰钢耐磨材料双变质工艺研究 张国庆 章成希.doc介绍

奥锰钢耐磨材料双变质工艺研究
张国庆   章成希
作者单位  铜陵市大明玛钢有限责任公司
单位地址  安徽省铜陵市
邮    编  244061
联系人   章成希
E-mail  zcx_zhao@126.com
摘      要
    分级复合双变质处理新工艺的核心就是将冶金处理技术的内核:变质处理;孕育处理;微合金化技术三位一体,相辅相成,互为作用;在实现组织明显改善的同时,使材料的综合性能得到全面提升。
该类奥锰钢采用Re—Ca—Ti—Al复合变质剂,在炉内、炉外实行“二步法”处理并按变质合金的异质形核的生核能大小设计分级处理的顺序;采用V渣+Ti+Zn复合孕育剂,也按孕育合金的异质形核的生核能大小设计分级处理的顺序;V(以V渣形式)、Cr、Mo(大型板件配加Nb)等合金化元素作为微合金化元素在预脱氧后加入。
    在奥锰钢的冶金处理中,变质与孕育应该是两个看似相仿,其实各有侧重的对材料施行改性处理的方法。在过程中,它们发挥着相辅相成的作用。通过对奥锰钢的分级复合双变质
    1)减少碳化物析出量;
    2)控制碳化物析出形态;
    3)细化奥氏体、强化奥氏体、稳定奥氏体
    实现在实际工况,材料呈现较小变形情况下就能体现出良好的加工硬化特性。因此,变质与孕育是冶金处理技术中十分重要的内容。
    双变质处理的工艺的优点在于:
    将新型复合变质剂和新型复合孕育剂按双变质处理工艺加入钢液后,对改变铸态组织、提高热处理效果均产生明显的作用;
    通过采用氮气喷射处理剂装置不但使变质剂、孕育剂的变质效果得到增强,使变质效果稳定,减少添加剂的用量,而且通过氮元素的溶入形成高熔点的氮化物,这有利于进一步细化晶粒和提高组织硬度;所形成的气泡还可作为精炼载体,纯净钢液。
关键词:奥锰钢 复合变质  复合孕育 分级复合双变质  耐磨性
第一章    绪论
1.1  奥锰钢耐磨材料奥19世纪中叶出现的一种韧性极好的耐磨材料。由于它含有韧化相奥氏体,具有高的强韧性;在一定的冲击、挤压应力的工况条件下,具有独树一帜的表面加工硬化特点,因而耐磨性能良好。因其价格低廉,长期以来广泛应用于伴有冲击载荷的凿削磨损,应用于冶金、矿山、建筑、水泥化由于传统奥锰钢在特定的非强烈冲击、挤压应力条件下,其加工硬化的作用不能充分发挥,耐磨性能导致材料磨损率高,对使用单位的经济效益产生一定的影响。    
    安徽铜陵是各种矿产相对集中的地区,随着国家产业政策的调整和矿业行业技术的进步,对提高奥锰钢零件的材料性能,实现降低机械能耗,提高矿业生产率,生产出性能优越的奥锰钢材料迫切要求。铜陵市大明玛钢有限责任公司是以开发、生产耐磨材料为主的专业化厂,具有年产各类奥锰钢铸件10000吨的生产能力,针对奥锰钢材料的改性处理,公司与安徽工程科技学院就联合共同研发高韧性、高耐磨性先进奥锰钢材料的项目达成合作协议对传统奥锰钢的改性处理进行了主要在该类材料的成分设计,孕育剂的研制,变质剂的研制,微合金化处理的内容和方法上进行了较为深入的研究。研发出一种新型的奥锰钢孕育剂,一种新型的奥锰钢变质剂和创造出一种新型的分级复合双变质处理的工艺方法,从而在提高奥锰钢铸件的韧性基础上明显的提高了其磨后硬度和材料的同工况条件下的耐磨性能在各类使用该类铸件的单位返回的数据表明:先进奥锰钢的耐磨性能传统耐磨钢的耐磨性能相比,其能力得到了较大的提高,其提升率为50%~100%以上。先进奥锰钢的设计思路就是针对克服上述两类衬板材料的缺点,研制开发一种不但韧性良好,而且具有较快的加工硬化转变速率和较高的磨后硬度的衬板,使衬板的使用寿命得到很大的提高,为此我们从材料的基本成分设计入手,通过研发新型孕育剂、新型变质剂和采用分级复合双变质处理的新工艺实现对材料组织的控制,细化晶粒,增强强韧化处理的效果,提高材料加工硬化的能力,提高在冲击和冲刷应力下材料发生加工硬化转变的速率,使用这类耐磨材料的铸件具有优良的综合力学性能和较高的耐磨性能。变质孕育剂组分设计奥锰钢的强韧化处理技术研究的思路主要有:采用V渣-Ti-Zn复合孕育剂、稀土Re-Ca-Ti-Al复合变质剂和采用B、Nb、N等微量合金元素进行微合金化处理,目的在增强形核;细化晶粒;有效控制了碳化物的数量、大小和形态,实现对组织性能的改进。
    在实际钢液液态结构中,由于钒、钛和碳具有很强的亲和力,从凝固初期始,就形成钒、钛碳化物构成的孕育质点,在凝固过程中,这些质点继而引起碳原子的偏聚、簇合,且在随后的结晶过程中造成晶界上碳化物数量减少而晶内的碳化物数量增多。另一方面,在一定含量V、Ti元素的影响下,界面前沿过冷度明显增大,这样就促使钢液中有利于形成异质晶核的硫化物、氧化物、氮化物和复合夹杂作为结晶基底,从而增强形核,细化晶粒。因此,钒、钛等元素的孕育作用一是细化了奥氏体枝晶;二是有效控制了碳化物的数量、大小和形态。
    通过加入变质剂及微合金元素可以增加奥氏体中实际固溶的碳含量,并使析出的碳化物等相呈粒状均匀分布,同时加入稀土Re、B、Ca等活性元素,可以有效地改变晶体生长的方式,在孕育剂的基础上进一步改善组织。采用孕育剂、变质剂、微合金化元素,对奥锰钢的冶金任务主要是:
    改变碳化物析出形态;
    通过细化奥氏体、强化奥氏体,实现在实际工况,材料呈现较小变形情况下就能体现出良好的加工硬化的特性。
    在奥锰钢的冶金处理中,孕育剂、变质剂、合金化共同作用细化奥锰钢晶粒,综合地改善铸件的性能。微合金化元素的选择在试验中,我们主要采用的合金元素有B-Cr-Nb,根据课题组前期工作和国内外相关的研究结果,确定元素的加入范围如下:
    B一般在高锰钢max.book118.com%,就可以改善组织,提高性能,通常以硼铁的形式加入;
    N一般加入量低于0.2%,通常以氮化锰铁或氮化铬铁的形式的加入;
    Nb0.2~1.0%优化成分组合设计成分优化设计是在正确的基本成分设计的基础上,将基本成分与新型孕育剂、新型变质剂及微合金化元素的选择作为一个生产优质奥锰钢的工艺参数体系因此,为了减少试验的复杂性在前述已求出的最佳变质剂、最佳孕育剂和最佳微合金化元素的选择和最佳基本成分C、Mn、Cr成分等因素上,考虑他们作为集体混合因素对生产优质高锰钢体系综合影响来最终确定孕育剂、变质剂及微合金化元素的加入量和基本成分C、Cr、Mn的加入量。以此作为奥锰钢强韧化处理作为研究指标。分级复合双变质熔炼Si-Ca进行预脱氧,再依以下顺序加入:
         锰铁 →(氮化锰铁) →稀土硅铁(占总量的1/3)
    出钢温度1500℃ ~ 1550℃。用 Al终脱氧后,出钢时随流冲入Si-Ca;将剩余2/3的1#包头稀土硅铁、钛铁放置于包内,待钢液冲入处理。
    max.book118.com 分级复合孕育工艺
    研制的新型孕育剂是在采用新型变质剂对钢液进行有效变质处理的基础上通过增加孕育处理来进一步巩固变质处理的效果,并发挥孕育处理的作用,采用新型孕育剂进行处理的主要特点表现为:
    研制的新型孕育剂既可以对钢液单独作为冶金添加剂对
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