一种金属结构件组分均匀化的方法及其制备方法
阅读说明：本技术 一种金属结构件组分均匀化的方法及其制备方法 (Method for homogenizing components of metal structural part and preparation method thereof ) 是由 张增坤 刘鹏 梁红艳 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及金属材料技术领域,具体而言,涉及一种金属结构件组分均匀化的方法及其制备方法。所述组分均匀化的方法包括以下步骤：将原料熔化后进行脱氧处理和脱硫处理,得到熔液；将熔液进行浇铸,得到铸件；将铸件进行均匀化处理,得到金属结构件；在浇铸的过程中,成型模具的模数比为0.05～3.5,其中,所述模数比为成型模具的体积与表面积的比值；均匀化处理包括锻压处理和/或调质处理。通过控制成型模具的模数比,产生足够大的过冷度,能够保证各个组分在较短的时间内同时结晶,提高金属结构件组分的均匀性。通过脱氧处理、脱硫处理和均匀化处理,可进一步提高金属结构件的均匀性。(The invention relates to the technical field of metal materials, in particular to a method for homogenizing components of a metal structural part and a preparation method thereof. The method for homogenizing the components comprises the following steps: melting the raw materials, and then carrying out deoxidation treatment and desulfurization treatment to obtain a molten liquid; casting the molten liquid to obtain a casting; homogenizing the casting to obtain a metal structural part; in the casting process, the modulus ratio of a forming die is 0.05-3.5, wherein the modulus ratio is the ratio of the volume of the forming die to the surface area; the homogenizing treatment comprises forging treatment and/or thermal refining treatment. By controlling the modulus ratio of the forming die, the super-cooling degree is sufficiently large, the simultaneous crystallization of all components in a short time can be ensured, and the component uniformity of the metal structural part is improved. The uniformity of the metal structural member can be further improved through deoxidation treatment, desulfurization treatment and homogenization treatment.)
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体而言，涉及一种金属结构件组分均匀化的方法及其制备方法。
背景技术
金属材料因具有优良的工艺性能、使用性能以及其它材料无与伦比的再生性能，被广泛应用。在固体金属材料中，由于不同元素之间的熔点和密度不同，并且在固相和液相溶解度的差异，固体金属成型过程中各部位冷却温度的差异会导致各部位元素组分的偏析，进而影响固体金属结构件组分的均匀性。金属材料的组分是决定固体金属材料性能的重要因素，组分的均匀化有利于固体金属材料性能的稳定和整体提升。在现有技术中，往往通过热处理手段得到均匀的组织结构，从而得到使用性能优良的固体金属材料。
目前，固体金属材料成型的主要方向是：采用保温铸造或连铸结晶器成型技术，选择合适的浇铸温度，在保护渣的作用下进行固体金属材料成型。该技术的主要目的是，最大程度地减少固体金属的内在缺陷，在保证成型质量的情况下，提高成品率；同时，最大限度的限制柱状晶或树枝晶的生长，降低固体金属材料的内应力，增加固体金属材料的长期稳定性。但是，现有技术中的保温成型措施，会直接导致材料不同元素顺序结晶而产生组分的偏析，从而造成化学组分分布不均匀。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种金属结构件组分均匀化的方法，所述的方法通过控制成型模具的模数比，产生足够大的过冷度，能够保证各个组分在较短的时间内同时结晶，从而提高了金属结构件组分的均匀性。并且，通过采用脱氧处理、脱硫处理和均匀化处理等手段，进一步提高了金属结构件的均匀性，形成的金属相更细致。解决了现有技术中不同元素顺序结晶偏析而导致的组分分布不均的问题。
本发明的第二目的在于提供一种金属结构件的制备方法，该制备方法能够提高金属结构件的均匀性，使形成的金属相更细致。采用该制备方法制备得到的金属结构件具有均匀的化学成分和组织结构，具有一致的整体性能，稳定性好，硬度和强度高，使用寿命更长。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种金属结构件组分均匀化的方法，所述方法包括以下步骤：
将原料熔化后进行脱氧处理和脱硫处理，得到熔液；将所述熔液进行浇铸，得到铸件；将所述铸件进行均匀化处理，得到金属结构件。
在所述浇铸的过程中，成型模具的模数比为0.05～3.5，其中，所述模数比为所述成型模具的体积与表面积的比值。
所述均匀化处理包括锻压处理和/或调质处理。
本发明所提供的组分均匀化的方法，通过控制成型模具的模数比，产生足够大的过冷度，可以使各个组分在较短的时间内同时结晶，从而提高了金属结构件组分的均匀性。并且，本发明通过采用脱氧处理、脱硫处理和均匀化处理等手段，进一步提高了金属结构件的均匀性。解决了现有技术中不同元素顺序结晶偏析而导致的组分分布不均的问题。
如图1所示，当成型模具的形状为圆柱体时，模数比M的计算方法包括：
其中，V为成型模具的体积，S为成型模具的表面积，r为成型模具底面或顶面的半径，h为成型模具的高。
如图2所示，当成型模具的形状为长方体时，模数比M的计算方法包括：
其中，V为成型模具的体积，S为成型模具的表面积，a和b分别为成型模具底面或顶面上相邻两条边的边长，h为成型模具的高。
如图3所示，当成型模具的形状为圆台时，模数比M的计算方法包括：
其中，V为成型模具的体积，S为成型模具的表面积，r1和r2分别为成型模具底面和顶面的半径，h为成型模具的高，l为成型模具的母线的长，
优选地，所述模数比为0.1～3.3，包括但不限于0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.6、2.8、3.0、3.1、3.2中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
当模数比M越小时，单位面积热扩散速率越快，降温也越快，过冷度越大，化学组分越容易均匀。
采用足够小模数比的模具进行铸造，并控制浇铸时间尽量短，可以有效提高组分的均匀性。
在本发明一些具体的实施例中，采用增加飞边降低模数比，和/或，采用负压浇铸增加浇铸速度。这样能够进一步提高组分的均匀性。
优选地，所述脱氧处理的方法包括沉淀脱氧法、扩散脱氧法和真空脱氧法中的一种，更优选为真空脱氧法。
所述脱氧处理和所述脱硫处理能够避免氧化物和硫化物夹杂物的形成，同时确保金属或合金的稳定回收率。
优选地，在所述熔化的过程中，将所述熔液中的各组分混合均匀。
在本发明一些具体的实施例中，可通过搅拌的方式使各组分混合均匀。
使熔液均匀有利于进一步提高材料的均匀性。
优选地，在所述浇铸的过程中，控制浇铸的时间为不大于70s，还可以选择3s、4s、6s、7s、8s、9s、10s、12s、13s、15s、16s、18s、20s、22s、25s、27s、30s、35s、38s、40s、43s、47s、50s或55s；更优选为不大于30s。
通过控制浇铸的时间，快速浇铸能使熔液快速完成结晶，避免浇铸偏析问题，从而提高组分的均匀性。
优选地，在所述将原料熔化之前，还包括筛选原料，并对原料的表面进行清理的步骤。
所述筛选原料是对原材料的成分进行检验、选取，在选取时要选择硫化物含量低的原材料。所述清理的目的是去除原材料表面的氧化皮以及污物。
优选地，所述熔化在感应熔炼炉中进行。
感应炉熔炼是指在感应炉中利用感应电热效应完成金属的冶炼过程。感应熔炼在电磁感应过程中，会产生涡电流，使金属熔化。通过利用感应熔炼炉涡流搅拌的特性，有利于熔液化学组分的均匀性。
优选地，所述感应熔炼炉包括工频感应炉。
优选地，所述锻压处理的方法具体包括：从不同的方向对所述铸件进行锻压。
当铸件的压延性能好时，可采用锻造的手段，从不同方向对铸件进行反复锻压，从而提高组分的均匀性。
优选地，所述调质处理的温度为400～650℃，优选为500～550℃，还可以选择415℃、430℃、445℃、465℃、480℃、495℃、505℃、510℃、515℃、519℃、523℃、528℃、535℃、540℃、543℃、549℃、570℃、590℃、615℃或630℃。
优选地，所述调质处理的保温时间为不小于10h，更优选为不小于20h，还可以选择13h、15h、18h、19h、22h、24h、26h、29h、32h、39h、45h、55h、65h或80h。
当铸件的硬度高时，可采用调质处理的手段，通过控制温度和时间，进一步提高组分的均匀性。
优选地，所述金属结构件包括纯金属结构件和/或合金结构件。
优选地，所述纯金属结构件包括铁基结构件、铜基结构件和铝基结构件中的至少一种。
优选地，所述合金结构件包括低合金钢、镍合金和铝合金中的至少一种。
优选地，所述金属结构件的形状包括柱体、长方体和圆台中的一种或几种的组合。
优选地，所述柱体包括圆柱和棱柱中的一种或几种的组合。
本发明还提供了金属结构件的制备方法，包括如上所述的金属结构件组分均匀化的方法。
该制备方法能够提高金属结构件的均匀性和一致性。
采用该制备方法制备得到的金属结构件，化学成分和组织结构更加均匀、一致，稳定性更好，硬度和强度更高，使用寿命更长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的金属结构件组分均匀化的方法，通过调整成型模具和/或铸件的模数比，产生足够大的过冷度，可以保证各个组分在较短的时间内同时结晶，形成的金属相更细致，有效提高了金属结构件组分的均匀性。
(2)本发明所提供的金属结构件组分均匀化的方法，通过采用特定的熔炼设备，控制浇铸时间，并进行脱氧处理、脱硫处理和均匀化处理等手段，可以提高金属结构件组分的均匀性、一致性。
(3)本发明所提供的金属结构件的制备方法，可以提高金属结构件化学成分和组织结构的均匀性，使金属结构件具有均匀的硬度和强度，具有更一致的整体性能，稳定性好，使用寿命长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的成型模具的结构示意图；
图2为本发明提供的成型模具的另一结构示意图；
图3为本发明提供的成型模具的又一结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的模数比为3.28cm的模具的结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的模数比为3.28cm的模具的俯视图；
图6为本发明实施例1提供的轧辊切割示意图；
图7为本发明实施例1提供的轧辊截面激发示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
图1为本发明提供的成型模具的结构示意图；图2为本发明提供的成型模具的另一结构示意图；图3为本发明提供的成型模具的又一结构示意图。
实施例1
采用频率为50Hz的5t工频感应炉冶炼5t铁水浇铸冷硬铸铁轧辊，其化学成分如下表：
表1镍铬钼冷硬I型铸铁轧辊化学成分设计(w/％)
元素
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
规格要求
2.90～3.60
0.25～0.80
0.20～1.00
≤0.40
≤0.080
0.20～0.60
0.50～1.00
0.20～0.60
成分设计
3.40
0.60
0.70
0.25
≤0.020
0.45
0.80
0.25
(a)、原材料计算：
生铁3868Kg；
废钢926Kg；
硅铁26.24Kg；
低碳锰铁38.56Kg；
磷铁42.19Kg；
低碳铬铁39.50Kg；
镍板40.23Kg；
钼铁21.66Kg。
(b)、原材料清理：用喷砂机清理生铁及废钢表面的铁锈，将硅铁、低碳锰铁、磷铁、低碳铬铁及钼铁依次放进滚筒进行碰撞，除去表面的尘土泥沙及锈渍。
(c)、熔炼：将原材料加入工频炉中，进行冶炼，在1412℃条件下熔炼30min，随后每十分钟倒炉到装有镁粉的钢包中进行脱硫，共进行三次。调整成分至要求成分范围内，将炉中温度提高到1450℃出炉浇铸。在熔炼的过程中，使各组分混合均匀。
(d)、将冶炼好的铁水浇铸进模数比为3.28cm的模具中，浇铸速度控制在250kg/s，浇铸时间控制在20s。其中，所述模具的结构示意图和俯视图分别如图4和图5所示。
在该模具中，轧辊的辊颈用于支撑作用，辊身用于轧制工作段。辊颈的硬度不能太高，主要要求要有良好韧性；辊身要求有良好一致的耐磨性能，铸造时辊颈模具要采用保温材料，辊身采用激冷材料提高硬度。轧辊工作效果好坏主要在于辊身。为提高辊身表面硬度和整体组分的一致性，本发明采用加飞边(加工时直接加工掉)的办法，降低辊身模数比。
(e)、将冷却飞边加工掉，得到符合尺寸要求的轧辊成品四根。
(f)、模数比计算：
辊身体积(含飞边)：
V＝πr1 2h+dlh×6＝3.14×202×50+0.2×20×50×6＝64000(cm3)；
辊身表面积(含飞边)：
S＝2πrh+2(πr1 2-πr2 2)+6×(2lh+2ld+hd)
＝2×3.14×20×50+2×3.14×(202-152)+6×(2×20×(50+0.2)+50×0.2)
＝19487(cm2)；
模数比：
(g)、均质化处理(即调质处理)：
将轧辊毛坯打掉飞边后，置于合适空间大小的电阻加热炉中，在550℃的条件下加热20小时，关掉电源，随炉冷却至200℃，打开炉门空冷至室温。最大程度满足轧辊均质化需求。
(h)、最终分析结果及均质性检验：
将其中的一根轧辊将辊颈切除掉，每隔62.5mm的位置切割一次(如图6所示)，形成九个分析断面，在每个端面上按照图7进行径向和周向的位置上，采用火花放电原子发射光谱激发分析，从而计算出径向、周向和轴向的不均匀度。
径向上，当自外(过冷度最大)而内每隔3mm激发一点，激发光斑直径为6mm，当激发到第8点以后，各元素显著偏离，说明均质激冷层厚度就到第8点(63mm)，这较常规工艺最大38mm的均值层增加了25mm，一根轧辊的使用寿命增加了60％以上。
径向检验数据统计以1～8点为准，最终检验数据如下表2所示。
表2镍铬钼冷硬I型铸铁轧辊化学成分最终检验结果(w/％)
检验项目
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
成分结果
3.41
0.59
0.72
0.245
0.018
0.45
0.81
0.25
径向不均匀度
0.012
0.002
0.002
0.001
0.0002
0.001
0.002
0.001
周向不均匀度
0.009
0.002
0.001
0.001
0.0002
0.001
0.001
0.001
轴向不均匀度
0.013
0.003
0.002
0.002
0.0002
0.001
0.002
0.001
允许偏差
0.07
0.02
0.02
0.02
0.003
0.02
0.02
0.02
从上表2可知，各元素组分不均匀度均小于允许偏差的三分之一，轧辊的均质性良好。
需要说明的是：工频炉虽然频率较低，但经过三次倒炉后，铁水成分也得到充分混匀，另外，增加飞边板后，极大的降低了轧辊模数比，过冷度大大提高，从而使均质层大大增厚，增加了使用寿命。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
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