CN100999803A

CN100999803A - 一种高硼耐磨铸钢及其制备方法

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Publication number: CN100999803A
Application number: CN 200610105251
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 邢建东; 高义民; 皇志富
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: CN100453681C

Abstract

本发明公开了一种高硼耐磨铸钢及其制备方法，其化学成分及其重量百分比为：C：0.10％～0.50％；B：0.8％～5.0％；Cu：0.3％～0.6％；Mn：0.8％～2.0％；Cr：1.0％～2.5％；Si＜1.5％；Ti：0.08％～0.20％；Ce：0.04％～0.12％；Mg：0.02％～0.18％；N：0.06％～0.18％；S＜0.05％；P＜0.05％；余量为Fe和不可避免的微量杂质。其制备方法采用电炉熔炼，钢水熔清后加入锰铁和硼铁，然后加入铝脱氧，而后出炉。用钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质对钢水进行复合变质处理，经高温奥氏体化后快速冷却，随后进行低温回火消除应力。其生产工艺简单，不需添加贵重合金元素，生产成本低。使用本发明可显著提高设备作业率，降低破、磨备件成本，减轻工人劳动强度，具有很好的经济和社会效益。

Description

一种高硼耐磨铸钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属耐磨材料制造领域，涉及一种铸钢，特别是一种高硼耐磨铸钢及其制备方法。

背景技术

由于机械产品磨损失效的危害性极大，各工业部门均将其易磨损件列为重点攻关课题，提高抵抗磨料磨损材料的质量是提高易磨损件寿命的关键。在抗磨料磨损材料方面，国内外广泛使用镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁。中国发明专利CN1039267报道了一种耐磨高铬铸铁的组成及其制备工艺，这种铸铁的具体化学成分(按重量百分比)为2.9～3.2％C，0.4～0.8％Si，0.4～1.0％Mn，1.2～2.0％Mo，18.0～20.0％Cr，4.0～5.0％V，0.8～1.2％Cu，0.05～0.5％RE，P＜0.08％，S＜0.05％，其余为铁。这种耐磨高铬铸铁特别适合于制作在冶金等领域中，工作环境非常苛刻的耐磨损的零部件。该铸铁与普通耐磨材料相比较，具有耐磨损，机械性能好，热处理工艺简单易于掌握和降低能耗等优点。但这种耐磨铸铁中含有较多的钒、钼等合金元素，生产成本很高。另外，镍硬白口铸铁的铸态组织为(Fe，Cr)₃C+马氏体+奥氏体，其中碳化物是呈连续网状分布的渗碳体，显微硬度为840～1100Hv，具有较好的抗磨性。由于镍的供应日趋紧张，价格不断上涨，导致镍硬白口铸铁生产成本急剧攀升。而高铬白口铸铁的铬含量较多，生产成本较高，高铬白口铸铁还存在高温热处理时易开裂的不足以及为了改善淬透性还常常加入价格昂贵的镍、钼等合金元素。近年来，利用硼化物的高硬度和良好的热稳定性，以硼化物为主要耐磨硬质相的耐磨材料的研究日益受到国内外材料研究者的重视，中国发明专利CN1086471报道了以硼为主要合金元素的耐磨堆焊焊条，最适用于受中等冲击以下的强磨粒磨损机械零件表面强化堆焊。采用焊芯为H08系列低碳钢，药皮中添加大剂量的碳化硼和少量的钨、钒、铌、稀土合金元素，其重量系数方50～100％，堆焊时可不除锈，不预热，交、直流焊机均可使用。堆焊层的硬度可达65～70HRC，耐磨性为淬火65Mn钢的17.38倍。适用于刮板输送机中部槽、水轮机叶片、高炉料钟、螺旋送料机叶片、钻杆、挤砖机绞龙、挖掘机斗齿、焦化厂推焦板上的堆焊。中国发明专利CN1277087还报道了一种高硬度耐磨堆焊焊条，专用于焊补修复耐磨损的机件、部件，它由焊芯和药皮层构成，其特征在于药皮层的成分及比例(按重量百分比)如下：铬25～45％，硼粉10～30％，镍0.5～8％，莹石10～20％，锰0.5～6％，稀土5～15％，硅0.5～7％，石英砂2～8％，钼0.5～10％，大理石6～15％，钒0.5～8％，金红石1～10％，钛白粉1～8％，焊条直径一般为3.2～5.0mm，其焊芯为H08A钢芯；焊条的堆焊硬度可达62～65HRC，具有较好的耐磨性。中国发明专利CN1065689还报道了在钢材表面采用渗硼工艺获得的含硼化物的表面也表现出优异的耐磨性。但是采用堆焊工艺获得的含硼化物耐磨层与基体材料结合强度较低，在冲击磨损工况下易碎裂甚至剥落，而采用表面渗硼工艺获得的硼化物耐磨层厚度薄，难以抵抗重载高应力磨料磨损。因此，采用铸造成形方法，开发一种以强度高、韧性好的板条马氏体为基体，在基体上镶嵌一定数量的高硬度硼化物的高硼耐磨铸钢，以满足高应力的磨料磨损工况，将具有极其重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种高硼耐磨铸钢及其制备方法，在普通碳钢中加入较多的硼元素，使其形成较多高硬度的硼化物，改善铸钢耐磨性。由于硼在α-Fe和γ-Fe中的固溶度极低，为了改善钢的淬透性，还加入了适量的铜和锰。为了改善高硼铸钢的抗回火稳定性，还加入适量的铬。此外，为了改善硼化物的形态和分布，改善高硼铸钢的强度和韧性，还加入少量的铈、镁、钛、氮等元素。本发明的高硼耐磨铸钢可以用普通熔炼设备熔炼钢水，钢水流动性好，结晶温度低，采用普通铸造方法易成形。结合采用普通淬火处理工艺，可以获得强度和硬度高、韧性和耐磨性好的高硼耐磨铸钢。

本发明的目的可以通过以下技术措施予以实现：

一种高硼耐磨铸钢，其特征在于制得的该高硼耐磨铸钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10％～0.50％；B：0.8％～5.0％；Cu：0.3％～0.6％；Mn：0.8％～2.0％；Cr：1.0％～2.5％；Si＜1.5％；Ti：0.08％～0.20％；Ce：0.04％～0.12％；Mg：0.02％～0.18％；N：0.06％～0.18％；S＜0.05％；P＜0.05％；余量为Fe和不可避免的微量杂质。

上述高硼耐磨铸钢的制备采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、铬铁、铜板混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁和硼铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1580～1650℃，加入占钢水重量0.10％～0.35％的铝脱氧，而后出炉；

③将钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质破碎至粒度小于15mm的小块，经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④用普通铸造方法成形，钢水浇注温度1420～1480℃；

⑤铸件经900～1050℃高温奥氏体化后采用水冷或油冷等方式快速冷却，随后在150～300℃保温后炉冷或空冷至室温。

本发明带来的技术效果有以下几个方面：

①用本发明生产高硼耐磨铸钢，原料来源充足，不含贵重合金元素，生产成本低廉，工艺简便。

②用本发明生产高硼耐磨铸钢，金相组织中含有5％以上的高硬度共晶硼化物，基体组织是强韧性好的细小板条马氏体，本发明高硼铸钢不仅硬度高，而且强度和韧性好。

③用本发明生产高硼耐磨铸钢，通过采用铈、钛和氮进行复合变质处理，其组织明显细化，强韧性大幅度提高。经镁处理后，夹杂物数量减少，而且形态和分布也进一步改善，使高硼耐磨铸钢的性能进一步提高。

④本发明高硼耐磨铸钢，经热处理后，组织均匀，力学性能改善，其硬度大于60HRC，冲击韧性大于150kJ/m²，抗弯强度大于1200MPa，在冲击磨损工况下的耐磨性明显优于镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁。

具体实施方式

下面结合发明人给出的实施例对本发明作进一步详细描述。

按照本发明的技术方案，制得的该高硼耐磨铸钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10％～0.50％；B：0.8％～5.0％；Cu：0.3％～0.6％；Mn：0.8％～2.0％；Cr：1.0％～2.5％；Si＜1.5％；Ti：0.08％～0.20％；Ce：0.04％～0.12％；Mg：0.02％～0.18％；N：0.06％～0.18％；S＜0.05％；P＜0.05％；余量为Fe和不可避免的微量杂质。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而合金的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

碳：碳是耐磨铸钢中的主要元素，其主要作用是提高淬硬性和淬透性，含碳量过低，淬火组织中将出现硬度低、耐磨性差的珠光体组织，甚至出现铁素体组织，不利于改善高硼铸钢耐磨性。当碳含量过高时，淬火组织中会出现大量脆性的高碳马氏体，降低了高硼铸钢的强度和韧性，导致高硼铸钢使用过程中易剥落甚至发生断裂，综合考虑，将碳含量控制在0.10％～0.50％。

硼：硼是高硼铸钢中的主要合金元素，主要是为了获得高硬度的硼化物，部分硼溶入基体，有利于改善高硼铸钢的淬透性和淬硬性。硼加入量过少，硼化物数量少，铸钢耐磨性低，硼加入量过多，硼化物数量太多，使铸钢的强度和韧性大幅度降低，综合考虑，将硼含量控制在0.8％～5.0％。

铜：铜是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶于基体，可以明显提高基体淬透性，溶于基体中的铜还有改善高硼铸钢耐蚀性的作用。铜加入量过少，对改善高硼铸钢的淬透性作用不明显，加入量过多，部分铜还会在晶界沉淀析出，对改善高硼铸钢的淬透性不起作用，沉淀析出的铜由于其硬度太低，反而降低高硼铸钢的耐磨性，综合考虑，将铜含量控制在0.3％～0.6％。

锰：锰是扩大γ相区的元素，锰在高硼铸钢中除了部分进入硼化物外，主要溶于基体，明显改善高硼铸钢淬透性，加入量过多时，淬火组织中残留奥氏体明显增加，反而降低高硼铸钢耐磨性，综合考虑，将锰含量控制在0.8％～2.0％。

铬：铬在高硼铸钢中部分进入硼化物，提高硼化物的稳定性，部分进入基体，改善高硼铸钢的淬透性和回火稳定性，铬加入量太少，对高硼铸钢的作用不明显，加入量过多，会出现含铬碳化物，使基体碳含量降低，降低了基体的淬透性和淬硬性，综合考虑，将铬含量控制在1.0％～2.5％。

硅：硅是非碳化物和硼化物形成元素，在高硼铸钢中主要溶入基体，具有强化基体作用且使基体变脆，因此应尽量降低高硼铸钢中的硅含量，将其含量控制在1.5％以下。

铈：钢铁材料中加入微量铈稀土元素，有利于改善铸态结晶组织，细化晶粒、净化晶界、去除有害夹杂、提高铸钢的韧性。铈是表面活性元素，可以在共晶硼化物上选择吸附，共晶凝固时，它主要聚集于共晶硼化物优先生长的方向上，阻止钢液中Fe、B、Cr等原子正常长入共晶硼化物的晶体中，从而降低了共晶硼化物领先相在这个方向的生长速度，迫使共晶硼化物变小、变钝。此外，共晶奥氏体将伸入过冷相区中生长，对该生长方向上的硼化物形成包围外壳，也限制并降低了该方向上共晶硼化物的生长速度，这就进一步促使共晶硼化物变小、变钝。铈还有增加奥氏体形核的作用，促使奥氏体组织更加紧密、细小和均匀，由于共晶硼化物和奥氏体的细化，高硼铸钢的强度和韧性显著提高。但过量的铈促使铸钢中夹杂物增多，反而降低高硼铸钢的强度和韧性，因此将铈含量控制在0.04％～0.12％。

氮和钛：高硼铸钢中加入氮和钛的主要目的是利用氮和钛具有较强的形成高熔点TiN的能力，而TiN与γ相的错配度为3.9％。根据Turnbull和Vonnegut(Turnbull D and Vonnegut B.Nucleation Catalysis.Industrial and Engineering Chemistry.1952，44(6)：1292～1298.)提出的错配度理论，在合金凝固过程中，当两相错配度小于12％，高熔点的化合物相能作为非自发核心，促进形核，使铸态组织细化，而且，错配度越小，效果越明显。氮化钛与高温γ晶格具有很低的错配度，同时又具有很高的熔点，因此强烈的促进形核，可成为结晶核心，使铸态晶粒细化，改善高硼铸钢的强韧性。氮和钛加入量过少，形成的TiN质点过少，对高硼铸钢组织细化的改善不明显，加入量过多，TiN质点过多且易聚集长大，不利于细化高硼铸钢组织，改善其力学性能。综合考虑，将钛含量控制在0.08％～0.20％，氮含量控制在0.06％～0.18％。

镁：镁与硫、氧有极大的亲合力，可发生剧烈的冶金反应，去除铸钢中的硫和氧，减少铸钢中的氧化物和硫化物夹杂。钢液凝固时，首先形成MgO，它可作为随后凝固的MgS、MnS和其它夹杂的核心。由于MgO在钢液中特别分散，因此镁可改变铸钢中夹杂物的类型、数量、大小、形态和分布。适量的镁可使铸钢中夹杂物变得细小、分散。原尺寸大、带棱角的Al₂O₃夹杂被尺寸小、呈球形的MgO和含MgO的复合夹杂所取代；原尺寸大、长条状的MnS夹杂被尺寸小、近球形的MgO、含MgO复合夹杂和MgS.MgO复合夹杂所取代，因而提高了夹杂物与基体抵抗裂纹形成与扩展的能力，改善了铸钢的韧性。镁加入量不足将不能使铸钢发生充分的脱氧、脱硫反应，不利于夹杂物的去除。加入量过多不仅造成镁的浪费，而且由于反应过于剧烈，将使上浮到钢液表面的MgO、MgS等夹杂重新卷入钢液中，对高硼铸钢性能产生不利的影响。因此将镁含量控制在0.02％～0.18％。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素，为了保证高硼铸钢的强度、韧性和耐磨性，将硫含量控制在0.05％以下，磷含量控制在0.05％以下。

本发明高硼耐磨铸钢可以采用普通电炉熔炼，原料选用普通废钢、生铁、铬铁、铜板、锰铁、硼铁、钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质。钢水熔炼过程中，先将废钢、生铁、铬铁、铜板混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁和硼铁。当炉前调整成分合格后将温度升至1580～1650℃，加入占钢水重量0.10％～0.35％的铝脱氧，而后出炉。预先将钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质破碎至粒度小于15mm的小块，并经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理。

高硼铸钢熔液具有很好的流动性和铸造成形性能，可以采用普通砂型铸造、消失模铸造、失蜡精密铸造、金属型铸造和树脂砂铸造等方法成形。钢水浇注温度1420～1480℃。铸件不易粘砂，浇冒口清理方便。

铸态高硼铸钢基体组织由马氏体、奥氏体、珠光体和铁素体组成，组织均匀性差，力学性能低，耐磨性也差，需要进行热处理，主要是为了获得组织均匀分布的马氏体组织，以改善高硼铸钢的耐磨性。高硼铸钢经900～1050℃高温奥氏体化后，采用水冷或油冷等方式快速冷却，可以获得板条马氏体加硼化物的复合组织，随后在150～300℃保温后炉冷或空冷至室温，达到消除淬火应力的目的，获得了强度和硬度高、韧性和耐磨性好的高硼铸钢。

以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，以下实施例仅用于说明本发明，本发明不限于这些实施例。

实施例1：

①将普通废钢、生铁、铬铁和铜板在500公斤中频感应电炉内混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁和硼铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1630℃，加入占钢水重量0.23％的铝脱氧，而后出炉；

③将钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质破碎至粒度小于15mm的小块，经245℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④铸件用普通粘土砂型铸造成形，钢水浇注温度1450℃；

⑤铸件经1020℃高温奥氏体化后采用油冷方式快速冷却，随后在260℃保温4小时后炉冷至室温。

高硼铸钢的化学成分见表1。在铸件上切取φ15mm×20mm的试样测试硬度，切取10mm×10mm×55mm无缺口试样，测试冲击韧性，切取φ30mm×340mm试样，测试抗弯强度，硬度取7点的平均值，冲击韧性和抗弯强度取3个试样的平均值，高硼铸钢的力学性能见表2。

表1高硼铸钢的化学成分(重量％)

元素	C	B	Cu	Mn	Cr	Si	Ti	Ce	Mg	N	S	P	Fe
元素	C	B	Cu	Mn	Cr	Si	Ti	Ce	Mg	N	S	P	Fe	成分	0.44	4.37	0.44	1.18	1.25	0.87	0.16	0.06	0.05	0.14	0.031	0.040	余量

表2高硼铸钢的力学性能

硬度(HRC)	冲击韧性(kJ/m²)	抗弯强度(MPa)
硬度(HRC)	冲击韧性(kJ/m²)	抗弯强度(MPa)	62.7	169	1273

实施例2：

①将普通废钢、生铁、铬铁、铜板在1500公斤中频感应电炉内混合加热熔化，钢水熔清后加入锰铁和硼铁；

②炉前调整成分合格后将温度升至1595℃，加入占钢水重量0.14％的铝脱氧，而后出炉；

③将钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质破碎至粒度小于15mm的小块，经230℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④铸件用普通树脂砂型铸造成形，钢水浇注温度1428℃；

⑤铸件经915℃高温奥氏体化后采用水冷方式快速冷却，随后在180℃保温6小时后空冷至室温。

高硼铸钢的化学成分见表3。在铸件上切取φ15mm×20mm的试样测试硬度，切取10mm×10mm×55mm无缺口试样，测试冲击韧性，切取φ30mm×340mm试样，测试抗弯强度，硬度取7点的平均值，冲击韧性和抗弯强度取3个试样的平均值，高硼铸钢的力学性能见表4。

表3高硼铸钢的化学成分(重量％)

元素	C	B	Cu	Mn	Cr	Si	Ti	Ce	Mg	N	S	P	Fe
元素	C	B	Cu	Mn	Cr	Si	Ti	Ce	Mg	N	S	P	Fe	成分	0.14	1.87	0.57	1.73	2.05	1.26	0.11	0.08	0.13	0.10	0.027	0.038	余量

表4高硼铸钢的力学性能

硬度(HRC)	冲击韧性(kJ/m²)	抗弯强度(MPa)
硬度(HRC)	冲击韧性(kJ/m²)	抗弯强度(MPa)	60.3	192	1316

用上述实施例制备的高硼耐磨铸钢制造破碎机锤头、球磨机磨球和球磨机衬板等易磨损备件进行了装机使用，使用结果如下：高硼耐磨铸钢磨球在水泥球磨机上使用，吨水泥球耗为23克，高硼耐磨铸钢磨球在铁矿粉球磨机上使用，吨矿粉球耗为874克。高硼耐磨铸钢衬板在电厂用于研磨煤粉，平均每个月的磨损量为0.72mm。高硼耐磨铸钢锤头用于破碎白云石时，锤头单耗仅为4.7克/吨。

本发明高硼耐磨铸钢与现有技术相比具有如下优点：

本发明高硼耐磨铸钢强度高，韧性好，耐磨性优良，使用过程中不断裂，安全性好。本发明高硼耐磨铸钢在锤式破碎机上使用，其耐磨性能明显优于高锰钢和合金钢锤头，与镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁锤头相当，但克服了镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁易剥落和断裂的不足。本发明高硼耐磨铸钢在球磨机衬板上使用，其耐磨性能明显优于高锰钢和合金钢衬板，与镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁衬板相当，且克服了镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁易剥落和断裂的不足。本发明高硼耐磨铸钢在球磨机磨球上使用，其耐磨性能明显优于锻造合金钢磨球，与镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁磨球相当，且克服了镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁易破碎的不足。本发明高硼耐磨铸钢生产工艺简单，不需添加贵重合金元素，生产成本低。使用本发明高硼耐磨铸钢可以显著提高设备作业率，降低破、磨备件成本，减轻工人劳动强度，具有很好的经济和社会效益。

Claims

1.一种高硼耐磨铸钢，其特征在于制得的该高硼耐磨铸钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10％～0.50％；B：0.8％～5.0％；Cu：0.3％～0.6％；Mn：0.8％～2.0％；Cr：1.0％～2.5％；Si＜1.5％；Ti：0.08％～0.20％；Ce：0.04％～0.12％；Mg：0.02％～0.18％；N：0.06％～0.18％；S＜0.05％；P＜0.05％；余量为Fe和不可避免的微量杂质。

2、权利要求1所说的高硼耐磨铸钢及其制备方法，采用电炉熔炼，其特征在于，其工艺步骤是：

②炉前调整成分合格后将温度升至1580℃～1650℃，加入占钢水重量0.10％～0.35％的铝脱氧，而后出炉；

④铸件用普通铸造方法成形，钢水浇注温度1420℃～1480℃；

⑤铸件经900℃～1050℃高温奥氏体化后采用水冷或油冷等方式快速冷却，随后在150℃～300℃保温后炉冷或空冷至室温即可。