【doc】抗磨耐热球墨铸铁的试验研究及热轧无缝钢管顶头的研制

【doc】抗磨耐热球墨铸铁的试验研究及热轧无缝钢管顶头的研制 抗磨耐热球墨铸铁的试验研究及热轧无缝 钢管顶头的研制 《热加工工艺》2002年第5期材料49 抗磨耐热球墨铸铁的试验研究及热轧 无缝钢管顶头的研制 孙玉福 (郑州大学材料工程学院,河南郑州450002) 摘要:针对热轧无缝钢管均整机顶头的工况条件和失效形式,合理设计了顶头材质 ——抗磨耐热球墨铸铁的化学 成分,并通过试验研究了该材质的抗氧化性能,热疲劳性能和抗磨耐热性能.结果 表明:抗磨耐热球墨铸铁在800?×150h 的氧化增重不到45钢的1/2;该材质顶头的抗磨耐热性能优良,顶头寿命达到45 钢的4倍以上. 关键词:抗磨耐热球墨铸铁;热轧无缝钢管顶头 中图分类号:TG143.9;TG333.8文献标识码:A文章编号:1001—3814(2002)05— 0049—03 InvestigatiOnonWear—resistantandHeat—resistantDuctileIronand DevelopmentofHeadUsedinHotRollingofSeamlessPipe SU,Yu—tu (MaterialEngineeringInstitute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China) Abstract:Basedontherunningconditionsandfailuremannersoftheequalizingmachinehead usedinhotrollingof seamlesspipe,thecompositionofwear— resistantandheat-resistantductileironwasreasonablydesigned.Theoxidation- resistantpropertyandtheheatfatiguepropertyaswellasthewear— resistantandheat-resisatantpropertyofthematerial werestudiedbytheesperiments.Theexperimentresultsshowedthattheoxidationspeedofth eductileironat800?× 150hwaslessthan1/2ofthatofthe45steel,andthematerialpossessedtheexcellentwear— resistantandheat—resistant propertiesandtheservicelifeoftheheadwouldreachover4timesofthatofthe45steelhead. Keywords:wear— resistantandheat-resistantductileiron;headusedinhotrollingofseamlesspipe 均整机顶头是热轧无缝钢管生产线均整工序的主 要变形工具,也是主要易损件.轧管过程中,经前段工序 ?的高温下进入均整机,顶头尾部 穿制的毛管在约1000 在顶杆的推动下进入毛管,同时毛管外壁在轧辊的作用 下对毛管进行均整轧制.每根管子均整轧制时间约15 S,顶头表面温度上升至500700?,然后顶头被喷淋 冷却水冷却到200?以下,准备进入下一根管子的均整 轧制.顶头不仅承受强烈的摩擦和挤压作用,而且还周 而复始的承受着激热激冷作用,工况条件极其恶劣.现 多数厂家使用45钢顶头,也有少数厂家使用HT2O0顶 头,寿命较短,其主要失效形式是表面龟裂,粘钢,变形 和磨损,不能满足生产要求.因此研究开发新的顶头材 料,提高其使用寿命是十分必要的. 1抗磨耐热球墨铸铁的成分设计 (1)碳这里碳的确定一则考虑足够的球状石墨可 作为顶头工作时的固体润滑剂,减小顶头磨损,提高顶 头寿命;二则从改善铸造性能,减少铸造缺陷,获得健 全铸件等方面考虑.因此将碳当量控制在共晶点成分附 近,同时依据合理的硅量范围,将碳量确定为3.4,3. 8%. (2)硅和锰硅是强烈促进石墨化的元素,增加硅 量,可减少和消除铸态组织中的碳化物,但硅量过高,则 减少组织中珠光体的数量.另外,硅还可提高球铁的抗 氧化性能.锰是弱碳化物形成元素,在共析转变过程中, 促进珠光体转变,稳定和细化珠光体.试验中发现,为了 控制铸态下自由渗碳体的数量和保证基体为珠光体,硅 和锰的合理匹配是很重要的.合理的硅量和锰量分别为 2.6,3.2,1.5,2.59,6. (3)铬和钼铬和硅一样可在工件表面形成致密的 氧化膜,提高球铁的抗氧化性能.同时铬还可以促进珠 光体转变,稳定并细化珠光体.但由于铬易形成铁铬碳 化物,试验表明,在上述碳,硅,锰的成分范围内,若铬大 于1.0,则铸态组织中将出现较多的自由渗碳体.钼对 球铁的强化作用较大,钼在小于0.6时,稳定碳化物的 作用比较温和,主要作用在于细化珠光体,并能细化石 墨球.且钼还能提高高温强度和高温下(500,600?)组 织的稳定性,阻碍珠光体分解[1].在本试验中,将铬和钼 分别确定为0.3,0.6,0.3,0.5. 综上所述,所研究的抗磨耐热球铁的化学成分(质 量分数,),为:3.4,3.8C,2.6,3.2Si,1.5,2.5 收稿日期:2002一O1—05 作者简介:孙玉福(1958一).男,河南浚县人.副教授,硕士.长期从事铸造 合金及新型抗磨耐热材料的教学和科研. 5OMATERIALHotWorkingTechnology2002No.5 Mn,0.3,0.6Cr,0.3,0.5Mo,S?0.03,P?0.08, 0.O3,O.05RE,0.O4,O.06Mg. 2试样及顶头的制备 (1)铁水的熔炼及球化孕育处理用中频感应电炉 熔炼,主要原材料为生铁,废钢和各种铁合金.球化处理 采用冲入法,球化剂为FeSiMg8RE7,加入量1.8.孕 育处理采用包内一次孕育和浇注时二次随流孕育,孕育 剂为FeSi75,加入总量为0.8,1.0. (2)试样的制备从Y型试块上截取抗拉强度试 样和抗氧化性试验试样(15×30mm)及硬度试样(20 mm×20mm×20mm).热疲劳试样(如图1所示)由 ~65×50(mm)的铸棒加工而成.同时制备45钢和 HT2O0的抗氧化性试样和热疲劳试样. 图1热疲劳试样 (3)顶头制备顶头毛坯结构基本是一实心圆柱 (95×200mm),属厚断面球铁,容易产生缩松,缩孔, 球化衰退及石墨球粗大变异等缺陷.因此,铸型采用刚 度较高的水玻璃砂型,并合理设置补缩冒口,以保证顶 头的铸造质量. 3试验过程及试验结果 (1)金相组织从顶头本体取样观察金相组织,如 图2所示,为球状石墨+细片状珠光体+少量铁素体和 碳化物. '暑二. 口, ? (a)未浸蚀100×(b)3硝酸酒精浸蚀500× 图2抗磨耐热球铁的铸态组织 (2)常规力学性能依据有关标准测得该抗磨耐热 球墨铸铁的力学性能如下:O"b一7O0,750MPa,:1% , 2,硬度25,3OHRC. (3)抗氧化性试验将抗氧化试样用酒精清洗后分 别放置于小磁坩埚内,经200?保温2h干燥后,分别称 量试样重量.然后于放置有氧化铁屑的箱式电阻炉中在 800C保温150h,冷却后再称量,其试验结果见表1. (4)热疲劳试验用箱式电阻炉将热疲劳试样分别 表1抗氧化性试验结果 试样材质氧化前质量厂g氧化后质量厂g氧化增重厂g 抗磨耐热球铁39.48340.1240.641 45钢40.96542.3521.387 HT20039.23440.2170.983 加热到600?和800C均 热5min,然后取出淬入 水中,反复进行这一操 作,直至试样出现裂纹. 其试验结果见表2. 表2热疲劳试验结果 温度产生裂纹的热循环次数 }c抗磨耐热球铁45钢HT20C 600>8O>8O>31 80063>8O5 (5)顶头工业应用试验将顶头实体在安钢无缝管 生产线上进行综合实际应用试验,考核在实际工况条件 下的特性和寿命,其结果见表3. 表3顶头工业应用试验结果 顶头直径/mm磨损量使用寿命顶头失效形式及 顶头材料原始失效后 (轧管长度)/m表面状况 抗磨耐82. O679.601.232600均匀磨损,表面光滑 热球铁有微裂纹 磨损,粘钢,压延变形45钢82. 1079.681.2l600表面有凹凸不平 4试验结果的讨论与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 (1)材料的抗氧化性能由抗氧化性试验结果可看 出,抗磨耐热球铁的抗氧化性能最好,HT2O0次之,45 钢最差.这主要是由于抗磨耐热球铁中含有较高的硅 (2.6%,3.2%)和一定量的铬(0.3,0.6),硅和 铬与氧的亲和力大于铁,因此在高温下可形成氧化膜 SiO2和Cr2O3,且Sio2的Vsi0/vSi=1.88>1(SiO是二 氧化硅的体积,si是si0生成时所消耗的纯硅的体 积),Cr2O3的cr^0/c一2.07>1(cr^0是三氧化二铬 的体积,c,是生成cr^0时所消耗的纯铬的体积).因 此,硅和铬的氧化膜是连续致密的,可覆盖在材料的表 面阻碍氧进一步扩散进入和内部的元素发生氧化反应, 提高了材料的抗氧化性能L2].而45钢含硅量很低(O. 3%,0.4),故抗氧化性较差.对于HT200,除了其含 硅量低和不含铬外,更重要的是它的石墨形状是片状. 石墨为碳质材料,在高温氧化性气氛中会燃烧,由于片 状石墨存在于共晶团中,且每个共晶团是相互连接,各 共晶团中的片状石墨在共晶团表面纵横交错相连.氧化 性气氛可沿石墨片浸入材料内部而使氧化向材料内部 推进.抗磨耐热球铁的石墨呈球状,是相互孤立的,氧化 性气氛不易沿石墨浸入,因此,抗氧化性能大大提高. (2)材料的热疲劳性能由试验结果可以看出,45 钢热疲劳性能最好,HT2O0最差.45钢的热疲功性能好 是因为其组织全部为基体,无石墨相.基体组织连续,塑 性和耐激冷激热性能好.而抗磨耐热球铁和HT2O0的 组织中存在石墨相,破坏了基体组织的连续性,特别是 HT200,其石墨呈片状,应力集中严重,在激冷激热过程 I . . , 9t一 ?-I?o-o ? ,-| 《热加工工艺》2002年第5期材料51 中,裂纹容易沿片状石墨端部扩展,最终发展成宏观裂 纹.抗磨耐热球铁虽然加入了合金元素,提高了其高温 下组织稳定性和高温强度,但由于石墨的存在,耐热冲 击疲劳性能仍不如45钢. (3)材料的抗磨耐热性能从顶头工业应用的试验 结果可以看出,抗磨耐热球铁的耐磨性好,高温强度高, 失效后磨损均匀,表面光滑,仅存在微裂纹,寿命达45 钢的4倍以上.而45钢磨损快,粘钢,甚至产生压延变 形,表面凹凸不平,明显表现出高温强度低,耐磨性差, 使用寿命短等问题,不能满足顶头工况条件要求.抗磨 耐热球铁只所以比45钢有较高的耐磨性和较长的使用 寿命,其主要原因是:?在抗磨耐热球铁的组织中存在 大量孤立分布的球状石墨,而石墨是很好的高温固体润 滑剂,大大减小磨擦力,改善顶头和钢管毛坯的接触状 况,防止材料表面局部过热而发生粘钢现象,从而使顶 头耐磨性提高并不发生粘钢;?在抗磨耐热球铁的组织 中还存在少量碳化物,在摩擦磨损过程中,由于碳化物 硬度高,可起到支撑作用,保护基体,减少磨损,从而提 高其耐磨性;?由于抗磨耐热球铁中含较多的提高珠光 体稳定性的元素(如锰,铬,钼),在顶头工作过程中,其 组织稳定性强,不会发生相变,提高了其高温强度和高 温下的耐磨性.而45钢合金元素含量较少,珠光体稳定 性低,且其组织中存在一定量的铁素体,硬度和高温强 度较低,故其顶头耐磨性差,寿命较短. 5结论 (1)通过分析无缝钢管均整机顶头的工况条件和失 效形式,合理设计了适应该工况条件的抗磨耐热球铁的 化学成分. (2)该抗磨耐热球铁抗氧化性能好,在800C×15O h氧化增重不足45钢的1/2;耐热冲击疲劳性能好,大 大优于HT2OO,虽低于45钢,但顶头工业应用试验表 明,完全可满足其耐热冲击疲劳要求;抗磨耐热性好,在 磨损量与45钢基本相同的情况下,其钢管产量比45钢 大幅度提高. (3)用该抗磨耐热球铁试制的顶头经工业应用试验 表明:该顶头抗氧化性能,高温强度,高温耐磨性和耐热 冲击疲劳性能等综合性能较好,完全能满足顶头工况条 件,使用中顶头磨损均匀,表面光滑,不粘钢,不变形,不 开裂,寿命是45钢的4倍以上. 参考文献: [1]中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册(铸铁),球墨铸铁成分 的选定[M].北京:机械工业出版社,l994. [2]陆文华.铸铁及其熔炼[M].北京:机械工业出版社,l981. (上接第48页) 2.3.3基体材料与增强相弹性模量差别产生的位错增 殖强化 弹性模量是材料所承受的应力与应变的比值.在 — Al.Ti/ZL101原位复合材料中,增强相Al.Ti与基体dAl具有共格对应面且晶格错配度很小因而有十分良好 的相界面结合.但AlTi的弹性模量为166GPa而基体 a—Al的弹性模量仅为71GPa.复合材料在受拉伸而变 形过程中,当外力一定时,由于弹性模量的差别使基体 材料的变形大于增强相的变形.但基体和增强相又必须 协同变形,这样就使增强相与基体界面上基体一侧受压 而增强相一侧受拉.在受拉及受压情况下协同变形的结 果就使得增强相周围产生了大量位错.位错的增殖使复 合材料的强度大幅度提高. 3结论 (1)常温力学性能测试表明,经热处理后,复合材料 的最大拉伸强度较基体提高了32.8%,硬度提高了14. 3.同时伸长率也比基本材料提高了14.6,这是原 位复合材料与外加增强体复合材料的最大区别. (2)透射分析表明,AlTi相均匀弥散地分布于a— Al中且与a—Al存在如下位向关系: [oo6]A】i//[oB2]A】,(I22)A】.//(I10)Al 在上述晶向上,Al.Ti相与a—Al相的晶格常数基本相 等,点阵常数错配度为4.9,两相处于共格状态.因 此,a—Al相将沿着与Al.Ti相共格的方向形核并结晶. Al.Ti相作为a—Al相的异质晶核,显着细化了复合材料 的晶粒. (3)增强机制研究表明,复合材料的主要强化机制 为细化晶粒强化,弥散强化和基体材料与增强相弹性模 量差别产生的位错增殖强化. 参考文献: [1]王军,严彪.金属基复合材料的发展和未来EJ].上海有色金属, l999,20:l88. 王震鸣,杜善义.复合材料及其结构力学,设计,应用和评价[M].北 京:北京大学出版社,l998. 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