CN101603157A - 铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铬－钨－稀土－硼系空冷中高碳贝氏体钢及其制备方法，属合金钢技术领域。贝氏体钢中的各成分为：C、Mn、Si、Cr、W、Mo、Ni、V、Re、B、Al、P和S小于0.035，其余为Fe。本发明的贝氏体钢用电炉正常熔炼将温度升高，加入铝，保温出钢，稀土和硼用冲包法加入后常规浇注成铸件。本发明通过设定合金化元素和微合金化元素的种类和含量配合，使各种碳化物数量增多，弥散分布均匀，组织细化，使制备的贝氏体钢具有高的强硬度、高韧性和高耐磨性；缩短了热处理时间，降低生产成本，保护环境，减轻工人劳动强度；昂贵元素用量少，产品成本低，便于推广。

Description

铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢及其制备方法，属合金钢技术领域。

背景技术

工业上需要的耐磨钢必须具备高硬度和一定的韧性储备，才能达到使用寿命长，收到节约能源、节省资源的效益。为了达到高硬度和高韧性的合理配合，国内外大量的研究都是从合理选配合金元素和实施相应的生产工艺两方面来进行。尤其是近20年来，取得了大量的出色成果，生产出综合力学性能优越的新型贝氏体耐磨钢。美国专利US6884306公开了一种以硅、锰、铬、镍为主体的高碳贝氏体耐磨钢，其主要化学元素组成(wt％)为：C0.6-1.1，Si1.5-2.0，Mn1.8-4.0，Cr1.2-1.4，Ni0-3.0，Mo0.2-0.5，V0.1-0.2，其余为Fe。这种耐磨钢的热处理是：先在炉中以1150℃保温24小时，再空冷至190-250℃，然后加热到900-1000℃，最后在190-260℃之间的温度下保温1-3周。该钢具有高强度、高韧性和优良的塑性，但热处理工艺复杂耗时间太长，劳动生产率很低。中国专利CN200510079346.6，公开了一种以硅、锰、铬、钨为主体的超细贝氏体耐磨钢，其主要化学元素组成(wt％)为：C0.7-1.1，Si1.0-3.0，Mn0.5-3.0，Cr0.5-3.0，W0.1-2.0，Al0.1-2.0，V0.05-0.3，s＜0.05，p＜0.05，其余为Fe。这种钢的生产工艺如下：电炉冶炼出钢温度1520-1550℃，浇注温度为1460-1480℃，锻后在350℃炉中保温1小时，再加热到650℃保温2小时，再加热到880℃保温1小时，再冷到650℃均温后等温退火以每100mm厚度截面保温5小时，炉冷到400℃，再空冷。这种钢的锻态和铸态再进行相同的热处理，即首先将其加热到800-950℃奥氏体化处理，再快速冷却到MS点以上10-100℃，保温5-500小时，最后再空冷。这种钢的工件获得了优异的综合力学性能，硬度达到HRC60-65，韧度可达40-80J/cm²。但是这种钢加工工艺太复杂，前后需要20几天，太耗时间，很难形成规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提出一种铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢及其制备方法，根据贝氏体相变原理和钢的强化理论，合理设计多元合金化元素、微合金化元素的协同作用及复合变质处理，使钢获得高淬透性，高细晶强化和高弥散强化，从而简化热处理工艺，缩短生产周期，制造高硬度、高韧性和高耐磨性的贝氏体钢。

本发明提出的铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢，各化学组份的质量百分比为：

C     0.38-1.2

Mn    1.8-3.0

Si    0.6-1.8

Cr    0.3-2.8

W     0.05-2.0

Mo    0-0.6

Ni    0-0.5

V     0-0.2

Re    0.04-0.16

B     0.001-0.006

Al    0.08-0.25

P和S小于0.035

其余为Fe。

本发明提出的上述铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢的制备方法，包括以下各步骤：

(1)用电炉按常规方法熔炼，原料采用废钢、铬铁、硅铁、钼铁、钨铁、钒铁、电解锰、99镍板、稀土、硼铁、脱氧铝丝；

(2)先将废钢加热熔化，炉料全熔后依次加入电极粉、电解锰、硅铁进行沉淀预脱氧，再加入铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、99镍板，分析化验C、Mn、Si含量，升温至1550℃，调C，加电解锰和硅铁，调Mn、Si的含量，增渣复盖；

(3)温度升至1670-1700℃后，加入钢水质量0.2-0.5％的铝丝，保温1-3分钟出钢；

(4)将经破碎250℃下烘干后的稀土和硼组成的复合变质剂包裹好，放入钢水包底部，用钢水冲包，稀土和硼的加入量占钢水质量百分数为：Re：0.04-0.16，B：0.001-0.006，包中钢水温度降到1620-1640℃时正常浇注；

(5)铸件在880-1220℃下保温2-5小时，空冷至250-350℃回火，保温2-7小时，空冷至室温。

本发明提出的铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢及其制备方法，与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过设定合金化元素和微合金化元素的种类和含量配合，可使各种碳化物数量增多，弥散分布均匀，组织细化，使制备的贝氏体钢具有高的强硬度、高韧性和高耐磨性。

2、本发明制备的贝氏体钢，淬透性很强，通过空冷即可达到高的强硬性和耐磨性，无须进行很复杂的淬火等热处理过程，不用花很长的热处理时间，有利于提高生产率，降低生产成本，实现规模化生产，保护环境，减轻工人劳动强度。

3、本发明以碳、锰、硅、铬等廉价元素为主，昂贵元素用量少，性能价格比高，便于推广。

具体实施方式

本发明提出的铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢，各化学组份的质量百分比为：C：0.38-1.2，Mn：1.8-3.0，Si：0.6-1.8，Cr：0.3-2.8，W：0.05-2.0，Mo：0-0.6，Ni：0-0.5，V：0-0.2，Re：0.04-0.16，B：0.001-0.006，Al：0.08-0.25，P和S：小于0.035，其余为Fe。

本发明提出的上述铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢的制备方法，包括以下各步骤：

(1)用电炉按常规方法熔炼，原料采用废钢、铬铁、硅铁、钼铁、钨铁、钒铁、电解锰、99镍板、稀土、硼铁、脱氧铝丝；

(2)先将废钢加热熔化，炉料全熔后依次加入电极粉、电解锰、硅铁进行沉淀预脱氧，再加入铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、99镍板，分析化验C、Mn、Si含量，升温至1550℃，调C，加电解锰和硅铁，调Mn、Si的含量，增渣复盖；

(3)温度升至1670-1700℃后，加入钢水质量0.2-0.5％的铝丝，保温1-3分钟出钢；

(4)将经破碎250℃下烘干后的稀土和硼组成的复合变质剂包裹好，放入钢水包底部，用钢水冲包，稀土和硼的加入量占钢水质量百分数为：Re：0.04-0.16，B：0.001-0.006，包中钢水温度降到1620-1640℃时正常浇注；

(5)铸件在880-1220℃下保温2-5小时，空冷至250-350℃回火，保温2-7小时，空冷至室温。

本发明的贝氏体钢用电炉正常熔炼，出钢前将温度升至1670-1700℃，加入钢水重量0.2-0.5％的铝，保温1-3分钟，出钢，稀土硼用冲包法加入后常规浇注成铸件。其中的稀土硼用冲包法加入，即将稀土和硼包裹后放入钢水包的底部，钢水冲入包内熔化搅均，达浇注温度后正常浇注。最后铸件经880-1220℃保温2-5小时，空冷，250-350℃回火，保温2-7小时，空冷。

本发明方法制备的贝氏体钢，其化学成分设定的理论依据如下：

C是钢中最重要的固溶强化元素之一，决定了钢的淬硬性，并显著提高钢的淬透性，碳在基体中形成均匀马氏体组织保证强度，与其它合金元素合金化形成碳化物，对提高贝氏体钢的抗拉强度贡献最大，是提高材料耐磨性的最谦价的元素，但碳含量高脆性增大，本发明含碳范围设定在0.38-1.2％。

Si是脱氧元素也是非碳化物形成体，是贝氏体钢中主要合金元素，可增加碳在奥氏体中的活度，形成无碳化物贝氏体，以固溶强化的方式提高钢的强度，尤其是提高钢的屈服强度、屈强比和硬度。硅可以使钢的TTT或CCT曲线右移，提高贝氏体淬透性、韧性和耐磨性，可消除淬火应力，提高回火温度和回火抗力。但硅含量过高会出现石墨化，本发明将其含量控制在0.6-1.8％。

Mn是脱氧元素又是钢的主要强化元素，能提高珠光体和奥氏体转变区的稳定性，延长奥氏体转变孕育期，降低Ms点，与铬、钨配合此作用更强烈，因而能大大提高本钢的淬透性。锰有很好的固溶强化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性。但实验证明含量过高易形成仿晶型组织，增加钢的回火脆性，本发明设定含锰量在1.8-3.0％。

Cr能提高钢的淬透性，能使珠光体和贝氏体转变区分离，能与碳、铁形成碳化物固溶入基体中，特别是在钨的协同作用下，能使铬在基体中固溶量增加，进一步促进铬发挥淬透性作用，提高钢的强度、硬度和耐磨性。本发明将铬控制在0.3-2.8％。

W是提高钢的淬透性的重要元素，能剧烈推迟珠光体和贝氏体转变，而后者延迟转变要小一点，因此钨在钢中呈贝氏体淬透性。在铬的协同作用下钨的这种淬透性作用获得进一步发挥。铬能增大钨在基体中的固容量，提高马氏体的显微硬度。钨又是与碳亲合力很强的元素，易形成钨的碳化物，既提高了碳化物的显微硬度又增加了弥散质点的数量，显著提高了材料的硬度和耐磨性。钨在钒的协同下是抑制晶粒长大的非常有效的元素，使晶粒细化。工具钢、高碳钢必须要有细晶结构，以减少淬火时发生扭曲和脆裂，在强度提高的同时，获得最大的韧性。由于钨的碳化物的形成会降低钢中碳的含量，而削弱钨的优势的发挥，本发明采用中碳钢，尤其是高碳钢加钨合金化，大大提高了钢的淬透性、强度和韧性。本发明的高碳贝氏体耐磨钢比高速钢更坚硬、更耐磨，切削速度介于高速钢与碳化钨之间。本发明对钨的含量控制在0.05-2.0％。

V可使过冷奥氏体转变曲线右移，是与铬、钨配合提高钢的淬透性最有效的元素之一，能获得更细的珠光体，提高索氏体化程度，同时由于钒的微合金化抑制渗碳体析出，有利于晶界铁素体和***珠光体的形成，钒是强的碳化物形成元素，以细小颗粒状碳化物弥散分布在铁素体和珠光体中，在相同硬度下珠光体比回火马氏体和贝氏体更耐磨。这几个作用加起来使本发明钢的强度、韧性和耐磨性获得大大提高。本发明采用钒与钨配合提高抗回火力，使本发明的高碳钢的红硬性和抗蠕变性能得到很大提高，用于铲齿、掘进机滚齿提高了耐磨性和使用寿命。钒的含量若＞0.28％会使钢淬透性大幅度下降，本发明将钒控制在0-0.2％。

Ni单独加入碳钢中，可明显提高过冷奥氏体的稳定性，使整个C曲线右移，当镍和铬、锰、钼同时加入钢中，提高淬透性作用最为显著，增强钢的强度而不降低其塑性，尤其是提高钢的低温冲击韧性。本发明控制镍在0-0.5％。

Mo能提高钢的淬透性，显著抑制贝氏体和铁素体的转变，使珠光体和贝氏体转变曲线发生分离，能细化晶粒，固溶强化基体，与铬协同作用易得到马氏体，提高钢的综合机械性能，降低回火脆性。本发明控制钼在0-0.6％。

Re-B是本发明重点加入的用以大幅度提高本发明钢的强韧性和淬透性的复合变质剂。(1)本发明碳含量范围设定在中碳钢和高碳钢，以获得高硬度的耐磨钢，由于碳含量愈高片状(脆性)马氏体比例愈高，钢的冷脆性突出。稀土硼复合变质剂加入后，不但片状马氏体比例减少，板条(韧性)马氏体比例增加，而且使片状马氏体细化，板条马氏体长宽尺寸都变小，并促使马氏体亚结构位错化，获得细小位错马氏体，使钢在高硬度性能下韧性成倍增长。(2)硼是提高钢的淬透性最有效的微量元素，能使贝氏体柔温转变的开始曲线向右移，使钢在更宽的冷速范围内得到贝氏体组织，微量的固溶硼即可强烈提高钢的淬透性，但随着钢中碳含量增加，硼的这种淬透性下降很快，稀土的加入有保护硼的作用，提高硼的回收率，仍然保持了钢的高淬透性。(3)稀土和硼协同作用使钢的组织更为细化。稀土能细化钢的铸态组织，改善碳化物分布，能使碳、铬、钼等合金元素充分扩散，使钢的成分均匀化，有利于提高钢的冲击韧性。单一硼做变质剂，略有促进晶粒粗化的倾向，但稀土在晶界上富集和弥散质点的钉轧作用的强烈效应克服了这种倾向。硼的加入又比单一稀土变质剂形成的夹杂物数量少，而且粒度更细，更圆整，分布更均匀，使钢的韧性大幅度提高。(4)稀土硼变质处理能促进残余奥氏体(韧性相组织)薄膜在马氏体板条间形成，并使回火碳化物的析出量明显增加，而且细小的碳化物弥散分布在板条马氏体内，这对高碳钢提高韧性尤为有利。稀土和硼的含量控制在Re：0.04-0.16％，B：0.001-0.006％。

Al固溶于铁素体中，能提高钢的淬透性，以难熔化合物三氧化二铝和氮化铝存在，则能有效细化晶粒，改善钢的强韧性和耐磨性。铝是脱氧元素也是AlN形成体，本发明利用铝深度脱氧作用，以提高稀土硼复合变质效果。如果钢液中氧、氮含量偏高，稀土和硼与之结合，则钢中就会没有微量固溶硼存在，变质作用将消失。本发明限定残余Al含量为0.08-0.25％。

本发明为使中高碳贝氏体钢获得高的强韧性配合和高的耐磨性，选用了与上述合金化及微合金化相适应的制造工艺。出钢温度为1670-1700℃，在此温度下加入过量的铝：0.2-0.5％，并保温1-3分钟，以获得高淬透性和深度脱氧双重效果，也为稀土硼复合变质剂的加入创造了最佳条件。淬火温度为880-1220℃，保温2-5小时，使复合变质处理的效果得到进一步发挥，碳化物充分溶解，弥散均匀，钢的冲击韧性得到很大提高。回火温度为250-350℃保温2-7小时，能析出更多的二次碳化物，从而使钢的耐磨性更高。最终钢的金相组织为马氏体+下贝氏体+少量残余奥氏体+均匀弥散分布的碳化物，硬度HRC52-66，冲击韧性达35-85J/cm²。本发明方法制备的钢获得了优异的强韧性配合，具有抗低应力及高应力大冲击磨损性能，既可抗切削磨损，又可抗剥落失效，且焊接性能优良。

以下介绍本发明的实施例：

用中频电炉熔炼，原料采用废钢、铬铁、硅铁、钼铁、钨铁、钒铁、电解锰、99镍板、稀土、硼铁、脱氧铝丝。先将废钢放入炉内加热熔化，炉料全熔后依次加入电极粉(C)、电解锰、硅铁进行沉淀预脱氧，再加入铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、99镍板，分析化验C、Mn、Si含量，升温至1550℃，调C，加电解锰、硅铁调Mn、Si，增渣复盖。温度升至1670-1700℃后，加入钢水重量0.2-0.5％的铝丝，保温1-3分钟出钢。将经破碎250℃烘干后的稀土硼复合变质剂包裹好放入钢水包底部，用钢水冲包，稀土和硼的加入量为钢水质量百分数：Re0.04-0.16，B0.001-0.006。包中钢水温度降到1620-1640℃时正常浇注。铸件经880-1220℃保温2-5小时，空冷至250-350℃回火，保温2-7小时，空冷至室温。金相组织为马氏体+下贝氏体+少量残余奥氏体+均匀弥散分布的碳化物。硬度达HRC52-66，韧度达35-85J/cm²。本发明钢适宜制造不同工况条件下的高耐磨铸钢件以及各种精密模具。

各实施例的具体工艺见下表：

实施例序	C	Mn	Si	Cr	W	Mo	Ni	V	Re	B	AI	HRC	akJ/cm2
														1	0.38	1.8	0.6	1.0	0.1	0	0.05	0.1	0.08	0.005	0.10	52	85
2	0.48	2.2	1.2	1.8	0.05	0	0	0	0.04	0.003	0.12	55	39
														3	0.59	2.2	1.4	1.4	0.3	0.3	0.35	0	0.10	0.004	0.08	59	51
4	0.75	2.3	1.8	2.8	1.6	0.5	0.4	0.2	0.13	0.006	0.16	61	45
														5	0.95	3.0	1.3	2.5	1.2	0.45	0.2	0.08	0.14	0.002	0.25	64	39
6	1.2	2.5	1.2	0.3	2.0	0.6	0.5	0.05	0.16	0.001	0.21	66	35

Claims (2)

1、一种铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢，其特征在于该贝氏体钢中各化学组份的质量百分比为：

C     0.38-1.2

Mn    1.8-3.0

Si    0.6-1.8

Cr    0.3-2.8

W     0.05-2.0

Mo    0-0.6

Ni    0-0.5

V     0-0.2

Re    0.04-0.16

B     0.001-0.006

Al    0.08-0.25

P和S  小于0.035

其余为Fe。

2、一种如权利要求1所述的铬-钨-稀土-硼系空冷中高碳贝氏体钢的制备方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)用电炉按常规方法熔炼，原料采用废钢、铬铁、硅铁、钼铁、钨铁、钒铁、电解锰、99镍板、稀土、硼铁、脱氧铝丝；

(2)先将废钢加热熔化，炉料全熔后依次加入电极粉、电解锰、硅铁进行沉淀预脱氧，再加入铬铁、钨铁、钼铁、钒铁、99镍板，分析化验C、Mn、Si含量，升温至1550℃，调C，加电解锰和硅铁，调Mn、Si的含量，增渣复盖；

(3)温度升至1670-1700℃后，加入钢水质量0.2-0.5％的铝丝，保温1-3分钟出钢；

(4)将经破碎250℃下烘干后的稀土和硼组成的复合变质剂包裹好，放入钢水包底部，用钢水冲包，稀土和硼的加入量占钢水质量百分数为：Re：0.04-0.16，B：0.001-0.006，包中钢水温度降到1620-1640℃时正常浇注；

(5)铸件在880-1220℃下保温2-5小时，空冷至250-350℃回火，保温2-7小时，空冷至室温。