专利名称：一种高铬白口铸铁球形顶头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种自动轧管机球形顶头及其制造方法，尤其涉及一种高铬白口铸铁球形顶头及其制造方法。
背景技术：
自动轧管机球形顶头是热轧无缝钢管生产过程中使用的主要工具之一。由于轧管过程中球形顶头的工作环境恶劣，轧管时，球形顶头的工作温度高达1000°c以上，与此同时还要承受巨大的冲击载荷作用和由骤冷骤热引起的循环热应力的作用，这种机械疲劳和热应力疲劳作用容易使球形顶头发生变形和开裂等形式的失效。球形顶头的失效和频繁更换，一方面造成材料的使用效率降低，钢管生产成本提高；另一方面，频繁更换球形顶头将严重影响整个钢管生产线的效率。因此，如何提高球形顶头的使用寿命、保证钢管生产质量一直以来都是无缝钢管行业致力解决的重要课题之一。高铬白口铸铁作为一种优良的抗磨材料，在冶金、矿山、建材、电力、水泥、筑路机械、耐火材料等领域得到了广泛的应用，并获得了较好的经济效益和社会效益，这主要归功于高铬白口铸铁中镶嵌着高硬度的M7C3型碳化物，这中组织特点也决定了高铬白口铸铁是一种制备自动轧管机球形顶头的优良材料。目前，人们从材料化学成分、变质处理、热处理工艺、铸造工艺等不同角度对高铬白口铸铁的强韧化方法进行了大量的研究，但多数都是基于提高耐磨件常温条件下使用寿命而展开的，对如何提高高铬白口铸铁在高温条件下使用寿命的研究相对较少。国内无缝钢管生产应用较多的球形顶头材质通常为中、高碳高铬镍白口铸铁， 其主要化学成分含量为c 2. 6% 3. 0%, Cr 26%"29 %，Si 1. 7% 2. 0%, Mn 0. 6% 0. 8%, Ni 3.69Γ4.0%，余量为铁。在使用前，球形顶头通常采用的热处理工艺为脱稳处理，即在 9500C 1050°C下保温4 8h，出炉空冷，然后再在200°C 400°C下保温4 8h，出炉空冷。但由于高铬白口铸铁毕竟属于脆性材料，韧性较差，上述工艺制备的球形顶头在实际使用过程中常常出现变形和开裂等缺陷而报废，硬度、韧性及耐磨性能不能达到良好的配合，导致球形顶头使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的是针对现有无缝钢管自动轧管机组球形顶头及其制造方法中出现的上述不足，而提供一种高铬白口铸铁球形顶头及其制造方法。本发明是这样来实现的，高铬白口铸铁球形顶头各组分重量百分比为 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%，余量为铁。通过采用适当的成分优化、变质处理及铸造工艺，改善高铬白口铸铁的基体组织及碳化物的大小及形态，结合一定的热处理工艺，进一步优化高铬白口铸铁的组织结构，确保所生产的高铬白口铸铁在提高韧性的同时，仍保持较高的硬度和耐磨性能。
本发明所述的高铬白口铸铁球形顶头的制造方法步骤为
(1)采用生铁、低碳铬铁、镍锰铁、废钢、硅铁等为原材料，按照提供的配料配方进行配
料；
(2)将配料好的原材料加热熔化成铁水，铁水熔炼温度为1480°C 1550°C，出炉温度为 1500 °C 左右；
(3)加入0.29ΓΟ. 7%钒铁和0. 69Γ1. 5% !^eSiRE进行变质处理，钒采用直接投入的方式加入，FeSiRE采用包底冲入的方式加入，出炉前采用少量铝片进行预脱氧，变质后的铁水经在湿砂型中浇注、成型，得到不同规格的球形顶头；
(4)本发明采用的热处理工艺为分级保温热处理，即将铸件加热到1100°C 1200°C保温0. 5h 2h，随炉冷至850°C 950°C保温3h 6h，出炉砂冷，随后加热到300°C 400°C保温 3h^6h出炉砂冷。与现有技术相比，本发明所述的高铬白口铸铁球形顶头具有以下优点
(1)本发明在成分优化设计上遵循节约合金元素、满足优异性能的原则，利用原有高铬白口铸铁的相关组织结构、性能指标，适当降低了 C、Cr、Ni、Mn等元素含量。由于C、Cr是碳化物形成元素，在C、Cr元素保持平衡的条件下，随着C含量的提高，碳化物数量越多，材料硬度和耐磨性能也随着增加，但过高的碳含量将降低材料的冲击韧性，增加脆性。较低的 C含量时，奥氏体枝晶间距较小，使网状共晶碳化物断续，裂纹尖端应力集中得到一定程度的释放，同时改变裂纹扩展的方向，抑制裂纹的失稳扩展，提高材料的断裂韧性。同时，当前工业生产原材料成本日益高涨，降低价格昂贵的合金元素将有利于降低高铬白口铸铁球形顶头的生产成本。(2)本发明所述高铬白口铸铁球形顶头在成分优化设计的基础上同时还添加了适量的变质剂钒及i^eSiRE，通过钒及!^eSiRE净化铁液，去除结晶组织中晶界富集的有害杂质，细化晶粒，改善铸件组织，提高综合性能。(3)本发明所述高铬白口铸铁球形顶头采用分级保温热处理工艺进行热处理。与常规的脱稳处理工艺相比，分级保温处理中在较高温度进行第一级保温，有利于减少铸件中微裂纹数量和降低成分偏析现象，提高材料的韧性；在较低温度下进行第二级保温，基体组织上析出大量不同层次的二次碳化物颗粒，一方面降低了基体组织中的碳含量，有利于马氏体的形成，提高材料的硬度，另一方面二次碳化物弥散分布于基体组织中起到第二相强化的作用，疲劳裂纹不易萌生和失稳扩展，耐磨性能得到改善。因此，经分级保温处理的高铬白口铸铁硬度、冲击韧性达到更加合理的匹配，耐磨性能提高，高温条件下表现出良好的使用性能。(4)试验结果表明，本发明所述高铬白口铸铁球形顶头在国内某知名大型无缝钢管厂的Φ90πιπι和Φ 140mm机组上进行轧管试验时，轧制低合金无缝钢管200根以上，远高于目前普遍采用的球形顶头(使用寿命为100根左右)。在合金管的试轧制过程中，本发明所述的高铬白口铸铁球形顶头使用寿命为目前普遍采用的球形顶头的1. 5倍以上。下面结合具体实施方式
对本发明所述高铬白口铸铁球形顶头及其制造方法做进一步详细说明。
图1为各实施例的金相图片，其中(a)为传统工艺铸态金相、(b)为传统工艺热处理态金相、(c)为实施例一铸态金相、(d)为实施例一热处理态金相、(e)为实施例二铸态金相、(f)为实施例二热处理态金相；
图2为传统工艺制造的球形顶头使用失效后的宏观形貌图； 图3为采用本发明制造的球形顶头使用失效后的宏观形貌图。
具体实施例方式实施例一
高铬白口铸铁球形顶头各组分重量百分比为c 1. 9%，Cr 18. 5 %，Si 0. 7%，Mn 0. 6%， Ni 2. 1%，FeSiRE 0. 8%，V 0. 6%，余量为铁，其制造工艺为
(1)将生铁、低碳铬铁、废钢等炉料混合放入放入750kg中频感应电炉熔化，待铁水熔清后加入镍锰铁和硅铁，每炉炉料设计重量为600kg ；
(2)炉前调整成分合格后将温度升至1520°C 1550°C，加入少量铝片进行脱氧，脱氧 Γ2分钟后，加入3. 6Kg经预热、粒度为5 25mm钒铁块进行变质处理，钒铁加入广2分钟后出炉；
(3)将4.8Kg粒度为广4mm的稀土硅铁合金经预烘干后置于浇包底部，用包底冲入法对铁水进行变质处理；
(4)将铁水浇注成大小为Φ90mm球形顶头，铁水浇注温度为1480°C左右；
(5)将浇注成型的球形顶头放于高温箱式电阻炉中进行分级保温处理。分级保温处理工艺为将铸件加热到1200°C保温lh，随炉冷至850°C保温6h，出炉砂冷，随后加热到 400°C保温汕出炉砂冷。采用上述工艺制造的高铬白口铸铁球形顶头，基本力学性能如表1所示。实施例二
高铬白口铸铁球形顶头各组分重量百分比为c 1.84%，Cr 19.2 %，Si 0.8%，Mn 0.7%， Ni 1. 8%, FeSiRE 1.3 %，V 0.3%，余量为铁。其制造工艺为
(1)将生铁、低碳铬铁、废钢等炉料混合放入放入750kg中频感应电炉熔化，待铁水熔清后加入镍锰铁和硅铁，每炉炉料设计重量为600kg ；
(2)炉前调整成分合格后将温度升至1520°C 1550°C，加入少量铝片进行脱氧，脱氧 Γ2分钟后，加入1. SKg经预热、粒度为5 25mm钒铁块进行变质处理，钒铁加入广2分钟后出炉；
(3)将7.8Kg粒度为广4mm的稀土硅铁合金经预烘干后置于浇包底部，用包底冲入法对铁水进行变质处理；
(4)将铁水浇注成大小为Φ140mm球形顶头，铁水浇注温度为1480°C左右；
(5)将浇注成型的球形顶头放于高温箱式电阻炉中进行分级保温处理。分级保温处理工艺为将铸件加热到1100°C保温池，随炉冷至900°C保温4h，出炉砂冷，随后加热到 400°C保温4h出炉砂冷。采用上述工艺制造的高铬白口铸铁球形顶头，基本力学性能如表1所示。各实施例的金相图片如图1所示。由图1可知，与传统工艺相比，采用本发明制造的高铬白口铸铁球形顶头，其组织中共晶碳化物更细小，网状连续性和方向性降低，基体组织晶粒变细，经
5热处理后基体组织中析出大量的二次碳化物。结合表1及图1可知，采用本发明制造的高铬白口铸铁球形顶头，其性能较传统工艺制造的球形顶头明显得到提高，使用寿命是同类国内外产品的2倍以上。对比图2和图3可知，采用本发明制备的高铬白口铸铁球形顶头， 使用过程中不易发生明显的变形和开裂失效，使用效果良好。
表1高铬白口铸铁球形顶头的基本力学性
权利要求
1.一种高铬白口铸铁球形顶头，其特征是各组分重量百分比为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%,余量为铁。
2.—种权利要求1所述高铬白口铸铁球形顶头的制造方法，其特征是制造方法步骤为(1)采用生铁、低碳铬铁、镍锰铁、废钢、硅铁等为原材料，按照提供的配料配方进行配料；(2)将配料好的原材料加热熔化成铁水，铁水熔炼温度为1480°C 1550°C，出炉温度为1500°C左右；(3)加入0.29ΓΟ. 7%钒铁和0. 69Γ1. 5% FeSiRE进行变质处理，钒采用直接投入的方式加入，FeSiRE采用包底冲入的方式加入，出炉前采用少量铝片进行预脱氧，变质后的铁水经在湿砂型中浇注、成型，得到不同规格的球形顶头；(4)本发明采用的热处理工艺为分级保温热处理，即将铸件加热到1100°C 1200°C 保温0. 5h 2h，随炉冷至850°C 950°C保温3h 6h，出炉砂冷，随后加热到300°C 400°C保温 3h^6h出炉砂冷。
全文摘要
本发明公开了一种高铬白口铸铁球形顶头及其制造方法，高铬白口铸铁球形顶头各组分重量百分数为C1.8%~2.2%，Cr16%~22%，Si0.5%~1.0%，Mn0.3%~0.6%，Ni1.6%~2.2%，FeSiRE0.6%~1.5%，V0.2%~0.7%，余量为铁。其制造方法为浇注前，向高铬白口铸铁铁水中加入少量铝片进行预脱氧，然后加入特种变质剂对铁水进行变质处理；然后在铁水包中加入覆盖剂于铁水表面，镇静，浇注；脱模、打磨表面后采用分级保温处理的方式进行热处理。本发明使高铬白口铸铁中M7C3型碳化物由连续、网状、粗大板条状向孤立、断续、细心条状转变，基体组织连续性提高，同时析出大量的二次碳化物，在改善铸铁韧性的同时使其仍具有较高硬度，广泛应用于无缝钢管轧制生产过程。
文档编号C22C37/10GK102352460SQ20111032966
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者何文, 梁炳亮, 艾云龙, 陈卫华 申请人:南昌航空大学