一种高硬度高强度的机械扩径机扩径锥体的制备方法

摘要

本发明公开了一种高硬度高强度的机械扩径机扩径锥体的制备方法，制备步骤如下：①冶炼、球化、孕育、浇注；②退火；③耐火泥+石棉堵孔、堵槽、封中心空洞，完成准备工作；④大端朝下装进底部为平面的工装上，放入井式加热炉内，烘干耐火泥，完成装炉工作；⑤控制升温速度和温度，加热；⑥控制升温速度、温度和时间，奥氏体化；⑦控制时间和温度，三级淬火；⑧控制时间和温度，回火。经过上述处理后的高硬度高强度的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体，不会发生淬火裂纹等缺陷，锥体材质在淬火深度、抗压强度、冲击韧性、硬度等各方面性能良好，能满足机械加工的需要，且机加工后不变形。适用于制备钢级为X60~X80、壁厚为10~18毫米的钢管。

说明书

技术领域

本发明涉及机械扩径机上用的扩径锥体的制备方法，特别涉及一种形状复杂的高硬度高强度的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体的制备方法。

背景技术

机械扩径机用的扩径模具-扩径锥体作为成型钢管的一种极为关键的模具，目前我国主要是从德国SMS MEER公司和荷兰FONTIJINE GROTNES公司购买，要求能稳定扩管3~4万支。

扩径过程中，为使钢管发生扩径变形，扩径锥体需要承受巨大的压力和摩擦力，为了保证扩径锥体的使用性能，目前采用铸造的NiCrMoCu减摩铸铁和渗碳38CrMoAlA合金钢制备。由于扩径锥体的的形状复杂，长度可达到1300毫米，最小厚度达到10毫米，最大厚度达到100毫米，存在8~12个平面，8~12个T形槽，16~24个直径为6~8毫米、长度为600~800毫米的深孔，16~24个直径为28~32毫米的螺纹孔。铸造的NiCrMoCu减摩铸铁铸造缺陷较多，淬火过程中易发生裂纹等缺陷；渗碳38CrMoAlA合金钢渗碳淬火过程中变形，易导致后续机械加工使工作表面渗碳层被加工掉，降低耐磨性能的缺陷。铸造NiCrMoCu减摩铸铁和渗碳38CrMoAlA合金钢扩径锥体制备过程中出现的裂纹和渗碳层被加工掉等缺陷严重影响钢管的生产效率，严重时会造成扩径模片和扩径锥体卡死，带来极大的损失。如何制备高硬度、高强度和高耐磨损性能的扩径锥体，成为机械扩径机的关键问题。目前，还没有关于类似的扩径锥体的热处理工艺的报道。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种硬度不降低、锥体无裂纹、高耐磨性、抗弯强度、抗压强度的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

（1）冶炼、球化、孕育、浇注：

①配料：Q10新生铁 50~55 %，回炉铁 10~15 %，废钢 25~30 %，65#锰铁0.50~0.60 %；55 %钼铁 0.50~0.60 %，99 %铜 0.60~0.75 %，球化剂 1.2~1.5 %，75#硅铁孕育剂 2.10~2.40%，长效稀土孕育剂0.1~0.2%；

②冶炼：生铁、回炉铁、废钢先投入炉内熔化，铁水温度达到1420~1450℃投入锰铁，锰铁投入2~3分钟后加入珍珠岩造渣2次，扒净渣，投入钼铁，加入珍珠岩造渣1次，扒净渣，控制铁水温度为1400~1420℃出铁水，铁水熔炼时间不超过2小时；

③球化+孕育：球化剂+2.10~2.40%75#硅铁孕育剂置于铁水包底部一侧，并用薄钢板覆盖防止铁水直接冲刷，出炉的铁水注入没有孕育剂的铁水包底部一侧，铜也置于铁水包底部以出炉铁水熔化，整个出水、处理时间控制在5分钟以内；

④浇注：采用底注式浇注系统，扩径锥体铸件直立，厚大断面放置在底部，冒口采用A型冒口；浇铸铁水时用0.1~0.2%长效稀土孕育剂随流孕育，时间控制在90秒以内浇注完毕，浇铸完毕后用助燃剂覆盖冒口以减缓铸件冷却速度；小型扩径锥体开箱时间不低于12小时，较大扩径锥体开箱时间不低于24小时；

（2）退火：扩径锥体铸件直立放入退火炉，升温至600~620℃，升温速度为20~40℃/分钟，保温1~2小时，再升温至900~920℃，升温速度为10~20℃/分钟，保温3~5小时，随炉冷却至100~150℃出炉；

（3）将加工后的扩径锥体大端朝下装进底部为平面的工装上，采用耐火泥+石棉堵孔、堵槽、封中心空洞，放入加热炉内，升温至100~200℃，升温速度为20~40℃/分钟，保温1~2小时使耐火泥脱水；

（4）随炉升温，升温至600℃~620℃，升温速度为20~40℃/分钟，保温1~2小时；

（5）奥氏体化：从600℃~620℃升温至860℃~880℃，10~20℃/分钟，保温4~6小时；

（6）淬火：扩径锥体出炉，在空气中冷却1~3分钟，淬入水中30~60秒，淬入油中15~40分钟，出油后擦干净；

（7）回火：淬火后，球墨铸铁扩径锥体马上放入井式回火炉中回火6~8小时，回火温度360~400℃，回火2次。

所述步骤（2）中升温至600~620℃的升温速度为20~40℃/分钟；升温至900~920℃的升温速度为10~20℃/分钟。

所述步骤（3）中升温至100~200℃的升温速度为20~40℃/分钟。

所述步骤（4）中升温至600℃~620℃的升温速度为20~40℃/分钟。

所述步骤（5）中升温至860℃~880℃的升温速度为10~20℃/分钟。

所述步骤（6）中在空气中冷却1~3分钟，淬入水中30~60秒，淬入油中15~40分钟。

本发明的有益效果是：奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体，淬火后基体组织为上贝氏体与奥氏体，淬火深度可达到14~16毫米，保证了机加工后锥体的硬度不降低，锥体无裂纹缺陷，奥氏体-贝氏体球墨铸铁抗压强度大于等于1800MPa，冲击韧性大于等于8 J/cm²，硬度为44~48HRC。采用上述工艺制备的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体，满足机械加工的需要，力学性能优异，且机加工后不变形。适用于制备钢级为X60~X80、壁厚为10~18毫米的钢管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

下面的实施例只是用于详细说明本发明，并不以任何方式限制发明的保护范围。

实施例1：

本实施例锥体为大型的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体。

（1）冶炼、球化、孕育、浇注：

①配料：Q10新生铁 55 %，回炉铁 10 %，废钢 30 %，65#锰铁0.60 %；55 %钼铁 0.60 %，99 %铜 0.70 %，球化剂 1.5 %，75#硅铁孕育剂 2.40%，长效稀土孕育剂0.2%。

②冶炼：生铁、回炉铁、废钢先投入炉内熔化，铁水温度达到1450℃投入锰铁，锰铁投入3分钟后加入珍珠岩造渣2次，扒净渣，投入钼铁，加入珍珠岩造渣1次，扒净渣，控制铁水温度为1400℃出铁水，铁水熔炼时间不超过2小时。

③球化+孕育：球化剂+2.40%75#硅铁孕育剂置于铁水包底部一侧，并用薄钢板覆盖防止铁水直接冲刷，出炉的铁水注入没有孕育剂的铁水包底部一侧，铜也置于铁水包底部以出炉铁水熔化，整个出水、处理时间控制在5分钟以内。

④ 浇注：采用底注式浇注系统，扩径锥体铸件直立，厚大断面放置在底部，冒口采用A型冒口；浇铸铁水时0.2%长效稀土孕育剂随流孕育，时间控制在90秒以内浇注完毕，浇铸完毕后用助燃剂覆盖冒口以减缓铸件冷却速度；扩径锥体开箱时间为30小时。

（2）退火：扩径锥体铸件直立放入退火炉，升温至600℃，保温2小时，升温速度为20℃/分钟，再升温至900℃，保温5小时，升温速度为10℃/分钟，随炉冷却至100℃出炉。

（3）将加工后的扩径锥体大端朝下装进底部为平面的工装上，采用耐火泥+石棉堵孔、堵槽、封中心空洞，放入加热炉内，升温至200℃，保温2小时使耐火泥脱水，升温速度为20℃/分钟。

（4）随炉升温，升温速度20℃/min，升温至600℃，保温2小时。

（5）奥氏体化：从600℃升温至860℃，升温速度为10℃/min，保温6小时。

（6）淬火：扩径锥体出炉，在空气中冷却3分钟，淬入水中60秒，淬入油中40分钟，出油后擦干净。

（7）回火：淬火后，球墨铸铁扩径锥体马上放入井式回火炉中回火8小时，回火温度400℃，回火2次。

经过上述热处理的扩径锥体无裂纹缺陷，奥氏体-贝氏体球墨铸铁抗压强度为1812MPa，冲击韧性大于等于8.5 J/cm²，硬度为44HRC。

实施例2：

本实施例锥体为中型的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体。

（1）冶炼、球化、孕育、浇注：

①配料：Q10新生铁 50 %，回炉铁 15 %，废钢 29.4 %，65#锰铁0.50 %；55 %钼铁 0.50 %，99 %铜 0.75 %，球化剂 1.45 %，75#硅铁孕育剂 2.30%，长效稀土孕育剂0.1%。

②冶炼：生铁、回炉铁、废钢先投入炉内熔化，铁水温度达到1430℃投入锰铁，锰铁投入2.5分钟后加入珍珠岩造渣2次，扒净渣，投入钼铁，加入珍珠岩造渣1次，扒净渣，控制铁水温度为1410℃出铁水，铁水熔炼时间不超过2小时。

③球化+孕育：球化剂+2.30%75#硅铁孕育剂置于铁水包底部一侧，并用薄钢板覆盖防止铁水直接冲刷，出炉的铁水注入没有孕育剂的铁水包底部一侧，铜也置于铁水包底部以出炉铁水熔化，整个出水、处理时间控制在5分钟以内。

④浇注：采用底注式浇注系统，扩径锥体铸件直立，厚大断面放置在底部，冒口采用A型冒口；浇铸铁水时0.10%长效稀土孕育剂随流孕育，时间控制在90秒以内浇注完毕，浇铸完毕后用助燃剂覆盖冒口以减缓铸件冷却速度；扩径锥体开箱时间为22小时。

（2）退火：扩径锥体铸件直立放入退火炉，升温至610℃，保温1.5小时，升温速度为30℃/分钟，再升温至910℃，保温4小时，升温速度为15℃/分钟，随炉冷却至120℃出炉。

（3）将加工后的扩径锥体大端朝下装进底部为平面的工装上，采用耐火泥+石棉堵孔、堵槽、封中心空洞，放入加热炉内，升温至180℃，保温1.5小时使耐火泥脱水，升温速度为30℃/分钟。

（4）随炉升温，升温速度30℃/min，升温至610℃，保温1.5小时。

（5）奥氏体化：从610℃升温至880℃，升温速度为15℃/min，保温5小时。

（6）淬火：扩径锥体出炉，在空气中冷却2分钟，淬入水中45秒，淬入油中25分钟，出油后擦干净。

（7）回火：淬火后，球墨铸铁扩径锥体马上放入井式回火炉中回火7小时，回火温度380℃，回火2次。

经过上述热处理的扩径锥体无裂纹缺陷，奥氏体-贝氏体球墨铸铁抗压强度大于等于1890MPa，冲击韧性大于等于9.2 J/cm²，硬度为47HRC。

实施例3：

本实施例锥体为小型的奥氏体-贝氏体球墨铸铁扩径锥体。

（1）冶炼、球化、孕育、浇注：

①配料：Q10新生铁 54.9 %，回炉铁 14.95 %，废钢 25 %，65#锰铁0.55 %；55 %钼铁 0.55 %，99 %铜 0.60 %，球化剂 1.20 %，75#硅铁孕育剂 2.10%，长效稀土孕育剂0.15%。

②冶炼：生铁、回炉铁、废钢先投入炉内熔化，铁水温度达到1420℃投入锰铁，锰铁投入2分钟后加入珍珠岩造渣2次，扒净渣，投入钼铁，加入珍珠岩造渣1次，扒净渣，控制铁水温度为1420℃出铁水，铁水熔炼时间不超过2小时。

③球化+孕育：球化剂+2.10%75#硅铁孕育剂置于铁水包底部一侧，并用薄钢板覆盖防止铁水直接冲刷，出炉的铁水注入没有孕育剂的铁水包底部一侧，铜也置于铁水包底部以出炉铁水熔化，整个出水、处理时间控制在5分钟以内。

④浇注：采用底注式浇注系统，扩径锥体铸件直立，厚大断面放置在底部，冒口采用A型冒口；浇铸铁水时0.15%长效稀土孕育剂随流孕育，时间控制在90秒以内浇注完毕，浇铸完毕后用助燃剂覆盖冒口以减缓铸件冷却速度；扩径锥体开箱时间为22小时。

（2）退火：扩径锥体铸件直立放入退火炉，升温至620℃，保温1小时，升温速度为40℃/分钟，再升温至920℃，保温3小时，升温速度为20℃/分钟，随炉冷却至150℃出炉。

（3）将加工后的扩径锥体大端朝下装进底部为平面的工装上，采用耐火泥+石棉堵孔、堵槽、封中心空洞，放入加热炉内，升温至100℃，保温1小时使耐火泥脱水，升温速度为40℃/分钟。

（4）随炉升温，升温速度40℃/min，升温至620℃，保温1小时。

（5）奥氏体化：从620℃升温至870℃，升温速度为20℃/min，保温4小时。

（6）淬火：扩径锥体出炉，在空气中冷却1分钟，淬入水中30秒，淬入油中15分钟，出油后擦干净。

（7）回火：淬火后，球墨铸铁扩径锥体马上放入井式回火炉中回火6小时，回火温度360℃，回火2次。

经过上述热处理的扩径锥体无裂纹缺陷，奥氏体-贝氏体球墨铸铁抗压强度大于等于1898MPa，冲击韧性大于等于9.7 J/cm²，硬度为48HRC。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于上述所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。