CN110629105A - 一种陶瓷调质钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷调质钢及其制备方法，所述陶瓷调质钢包括以下重量百分比的原料：废钢70‑80％、高岭土2‑3％、铝矾土3‑5％、石英砂3‑8％、云母1‑3％、膨润土1‑2％、蓝晶石1‑2％、重晶石1‑2％、方解石1‑2％、石墨1‑2％、莹石1‑2％、长石1‑2％、莫来石1‑2％、SiC0.5‑1.5％、沸石1‑2％、硅灰石1‑3％、尖晶石1‑2％、水晶石1‑2％、铝镁矿1‑2％以Fe、Si为主系的非金属陶瓷材料替代现有钢中的Fe、C主系材料制备得到陶瓷高强度结构钢，其具有良好的韧性及优良的焊接性能和冷成型性能，低的冷脆转变温度，良好的耐蚀性。
Description
技术领域
本发明属于金属陶瓷复合材料领域，具体涉及一种陶瓷调质钢及其制备方法。
背景技术
合金调质钢是指经过调质处理(淬火+高温回火)后使用的中碳合金结构钢，主要用于制造在多种载荷(如扭转、弯曲、冲击等)下工作，受力比较复杂，要求具有良好综合力学性能的重要零件，如汽车、拖拉机、机床等上的齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等。它是机械结构用钢的主体。合金调质钢的最终热处理为调质处理，以获得回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能；对于某些受冲击的表面耐磨零件，也可在调质后进行表面淬火并低温回火，或调质后氮化处理。而对于大截面的碳素调质钢零件，往往使用正火代替调质处理。
为满足对调质钢的各项性能要求，加入Cr、Ni、Mn、Si、B等合金元素，能提高淬透性和强化钢材，而加入少量的W、Mo、V、Ti等元素可形成稳定的合金碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒及防止回火脆性的作用。但是这些钢种需要很多微量元素，成本比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷调质钢及其制备方法，以Fe、Si为主系的非金属陶瓷材料替代现有钢中的Fe、C主系材料制备得到陶瓷调质钢，其具有良好的韧性及优良的焊接性能和冷成型性能，低的冷脆转变温度，良好的耐蚀性。
本发明采取的技术方案为：
一种陶瓷调制钢，包括以下重量百分比的原料：废钢70-80％、高岭土2-3％、铝矾土3-5％、石英砂3-8％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％、铝镁矿1-2％。
所述陶瓷调制钢包括以下化学成分及重量百分比：C0.32～0.41％，Si0.80～0.92％，Mn1.17～1.22％，P≤0.034％，S≤0.026％，Al0.17～0.32％，余量为铁及不可避免的杂质。
所述陶瓷调制钢金相组织为回火索氏体，其晶粒度等级为7-8级。
本发明还提供了所述的陶瓷调制钢的制备方法，所述制备方法包括以下工艺步骤：熔炼、浇铸成型、热处理、精加工。
进一步地，所述熔炼工艺具体包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680～1710℃下出炉。
所述浇铸成型工艺中，所述浇铸温度为1580-1640℃。
所述热处理工艺中，采用淬火+回火的热处理方式。
所述淬火的条件为：820～850℃保温0.5～1.0h；所述回火的条件为600～650℃保温3小时时，然后水冷或者油冷至室温。
熔炼工艺的步骤(1)中，难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼。
步骤(6)中，所述预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.03～0.08％。
步骤(6)中，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.02～0.04％的纯铝进行终脱氧。
本发明提供的技术方案中，陶瓷调质钢是采用中频电炉或电弧炉熔炼方式，多种组分的陶瓷材料与废旧金属材料进行熔炼，采用加热载体产生的热能，利用热交换、热反应、热延伸的三个必备要件，以高温化合物三个反应过程使原子结构得到有利改变相，产生新的键能使其晶体结构达到重新组合。在熔炼钢时陶瓷材料在低温下先开始溢出液态，该液态体具有热催化金属材料特性，使废旧金属材料与陶瓷材料达到同步熔化分解结晶，得到第一次初放结晶。初放结晶能有效的控制陶瓷材料与金属材料比重不同而产生悬浮。随着温度的升高，初放结晶再次分解，但仍不具有完整结晶，液态相非常稀薄，定性为第二阶段部分杂质分离期。随温度不断升高，钢水的运动加速，钢水也慢慢出现微结晶状态，定性为第三次结晶。当达到额定温度时，再结晶在很短时间内快速裂变分解，分解出的少量杂质悬浮于钢水的表面，清理杂质后钢水非常纯净，形成均匀相液态体，称为相变分解结晶终结期。液态体冷却后形成完整结构稳定结晶体，该结晶体具有独特的性能，把金属材料高刚度、高强度等优点和陶瓷材料的耐磨、耐蚀、耐温等优异性能有机的结合。产品在高温区保持较高的强度和硬度，不易产生疲劳裂纹，同时对常见的酸、碱、盐等化学物质具有抗腐蚀能力，同时还有较低的摩擦系数，较高的热传导系数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)硬度、屈服强度和抗拉强度高的同时具有较好韧性；
2)陶瓷调质钢随温度上升硬度增加，当硬度达到一定值时温度继续上升硬度下降得少，保持高硬性；
3)高温蠕变性能好，急冷急热温度不均状态下不会产生疲劳裂纹，有较好抗热疲劳强度；
4)陶瓷调质钢具有较高耐磨性，抗腐蚀能力；
5)陶瓷调质钢较低的热膨胀系数，同时具有较低的比重；
6)本发明的技术方案可可有效提高零件的强度、硬度及耐磨性等性能；使其使用寿命为其他的2-3倍；可取代Mo、Ni、Ti、Cu、V、W、Re等贵金属；价格低廉，节约成本。
附图说明
图1为实施例1中的陶瓷调质钢的400×金相组织图；
图2为各实施例中的陶瓷调质钢及普通调质钢在不同温度下的热膨胀系数曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种陶瓷调制钢，包括以下重量百分比的原料：废钢(不受材料限制)71.5％、高岭土3％、铝矾土5％、石英砂5％、云母(系列)1％、膨润土1％、蓝晶石1％、重晶石1％、方解石1％、石墨1％、莹石1％、长石1％、莫来石1％、SiC1％、沸石1％、硅灰石1％、尖晶石1％、水晶石1.5％、铝镁矿1％。
所述陶瓷调制钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.05％；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680-1710℃下出炉进行浇铸，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.03％的纯铝进行终脱氧；
(7)温度在1580-1640℃的范围内进行浇铸成型；
(8)并对浇铸成型后的陶瓷调质钢进行淬火+回火的热处理，所述淬火的条件为：820℃保温1.0h；所述回火的条件为600℃保温3小时，然后水冷或者油冷至室温；
(9)最后将热处理后的陶瓷调质钢精加工成目标产品，其金相组织图如图1所示。
本实施例制备得到的陶瓷调质钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.36％，Si0.80％，Mn1.22％，P0.034％，S0.023％，Al0.17％，余量为铁及不可避免的杂质。
实施例2
一种陶瓷调制钢，包括以下重量百分比的原料：废钢(不受材料限制)70％、高岭土3％、铝矾土3％、石英砂4％、云母(系列)2％、膨润土2％、蓝晶石1％、重晶石1％、方解石1％、石墨1％、莹石2％、长石1％、莫来石2％、SiC1％、沸石1％、硅灰石1％、尖晶石1％、水晶石1％、铝镁矿2％。
所述陶瓷调制钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.05％；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680-1710℃下出炉进行浇铸，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.03％的纯铝进行终脱氧；
(7)温度在1580-1640℃的范围内进行浇铸成型；
(8)并对浇铸成型后的陶瓷调质钢进行淬火+回火的热处理，所述淬火的条件为：835℃保温0.7h；所述回火的条件为630℃保温3小时，然后水冷或者油冷至室温；
(9)最后将热处理后的陶瓷调质钢精加工成目标产品，其金相组织图如图1所示。
本实施例制备得到的陶瓷调质钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.32％，Si0.86％，Mn1.18％，P0.026％，S0.018％，Al0.19％，余量为铁及不可避免的杂质。
实施例3
一种陶瓷调制钢，包括以下重量百分比的原料：废钢(不受材料限制)72％、高岭土2％、铝矾土3％、石英砂5％、云母(系列)1％、蓝晶石1％、重晶石1％、方解石1％、莹石1％、长石1％、莫来石1％、SiC1％、沸石1％、硅灰石3％、尖晶石1％、膨润土1％、石墨1％、水晶石1％、铝镁矿2％。
所述陶瓷调制钢的制备方法包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂，以避免钢液直接与空气接触；难熔化和不易氧化或烧损的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部，坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧实，以利于透磁和导电；在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸；需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.05％；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680-1710℃下出炉进行浇铸，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.03％的纯铝进行终脱氧；
(7)温度在1580-1640℃的范围内进行浇铸成型；
(8)并对浇铸成型后的陶瓷调质钢进行淬火+回火的热处理，所述淬火的条件为：850℃保温0.5h；所述回火的条件为650℃保温3小时，然后水冷或者油冷至室温；
(9)最后将热处理后的陶瓷调质钢精加工成目标产品，其金相组织图如图1所示。
本实施例制备得到的陶瓷调质钢包括以下重量百分比的化学成分：C0.41％，Si0.592％，Mn1.17％，P0.031％，S0.026％，Al0.23％，余量为铁及不可避免的杂质。
上述各实施例制备得到的陶瓷调质钢的性能如表1所示，摩擦实验报告如表2所示：
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 拉伸强度/MPa | 986 | 972 | 965 |
| 屈服强度/MPa | 814 | 778 | 772 |
| 断后伸长率A/％ | 11.5 | 13.2 | 14.1 |
| 断后收缩率Z/％ | 26 | 28 | 32 |
| 冲击吸收能量KU2/J | 63.7 | 67.0 | 68.0 |
| 布氏硬度HBW | 267.0 | 253.6 | 250.6 |
| 金相组织 | 回火索氏体 | 回火索氏体 | 回火索氏体 |
将实施例1制备得到的陶瓷调质钢进行摩擦实验，结果如表2所示，从表中可以看出本发明提供的陶瓷调质钢的耐磨性较好。
表2
实施例1制备得到的陶瓷调制钢经1000℃反复加热后的性能如表3所示，从表中可以看出本发明提供的陶瓷调质钢具有良好的抗热疲劳性能。
表3
上述各实施例制备得到的陶瓷调质钢及普通的45调质钢在不同温度下的热膨胀系数曲线如图2所示，从图中可以看出本发明中的陶瓷调质钢相对于普通调质钢热膨胀系数较小。
上述参照实施例对一种陶瓷调质钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种陶瓷调制钢，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：废钢70-80％、高岭土2-3％、铝矾土3-5％、石英砂3-8％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％、铝镁矿1-2％。
2.根据权利要求1所述的陶瓷调制钢，其特征在于，所述陶瓷调制钢包括以下化学成分及重量百分比：C0.32～0.41％，Si0.80～0.92％，Mn1.17～1.22％，P≤0.034％，S≤0.026％，Al0.17～0.32％，余量为铁及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷调制钢，其特征在于，所述陶瓷调制钢金相组织为回火索氏体，其晶粒度等级为7-8级。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的陶瓷调制钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下工艺步骤：熔炼、浇铸成型、热处理、精加工。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺具体包括以下步骤：
(1)将除废钢以外的配方量的各原料加入到中频电炉或电弧炉中，随着原料的不断熔化，陆续加入废钢；并在熔炼的过程中添加覆盖剂或造渣剂；
(2)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样分析其化学成分，然后立即造新渣；
(3)从浇冒口加合格的同一牌号的回炉料；
(4)根据步骤(2)中的检验结果，补加合金元素；
(5)对钢水进行精炼3～5分钟；
(6)当钢水温度达到1600℃时加入Fe-Mn合金，并在此之前对钢水进行预脱氧；出钢前2分钟加入Fe-Si合金使钢水成分达到规定范围，待其熔化后扒去表面熔渣，在1680～1710℃下出炉。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸成型工艺中，所述浇铸温度为1580-1640℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理工艺中，采用淬火+回火的热处理方式。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述淬火的条件为：820～850℃保温0.5～1.0h；所述回火的条件为600～650℃保温3小时，然后水冷或者油冷至室温。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述预脱氧的用Al量为为钢水重量的0.03～0.08％。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，在出炉的过程中，在浇包中放入占钢水重量0.02～0.04％的纯铝进行终脱氧。
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| CN109023020A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-12-18 | 广东力好科技股份有限公司 | 一种新能源汽车电机外壳及其铸造工艺 |
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2019
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