CN103572172B

CN103572172B - 耐磨合金钢及其制备方法

Info

Publication number: CN103572172B
Application number: CN201310590851.1A
Authority: CN
Inventors: 陈章华; 张昌华; 李邦胜
Original assignee: LESHAN TAIGANG SUNKO'S MACHINERY MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: LESHAN TAIGANG SUNKO'S MACHINERY MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: CN103572172A

Abstract

本发明公开了一种耐磨合金钢及其制备方法，本发明通过中频炉冶炼废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金，经取样调整、浇注成型、热处理制得的合金钢的重量百分含量为0.33-0.55%的碳、0.60-1.20%的硅、1.50-3.20%的锰、＜0.04%的磷、＜0.04%的硫、5.60-8.30%的铬、0.20-0.30%的钼、0.05-0.80%的钒、余量为铁，其耐磨性大大提高，耐磨性是高铬铸铁、高锰钢的2～5倍；且脆性小、相对生产成本低。

Description

耐磨合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及到合金钢制造技术领域，尤其涉及一种耐磨性强、脆性小并适合于民用使用和推广的耐磨合金钢及其制备方法。

背景技术

合金钢是在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。

合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。

公开号为CN 102978533A，公开日为2013年03月20日的中国专利文献公开了一种高强度高韧性合金钢，其化学成分组成如下：碳：0.14-0.19wt%、硅：0.20-0.33wt%、硼：0.02-0.05wt%、锰：0.85%-1.30wt%、磷：≤0.02wt%、硫：0.015-0.02wt%、铬：0.08-0.1wt%、钒：0.6-0.2wt%、镍：0.30-0.50wt%、铜：0.2-0.3wt%、钼：0.02-0.08wt%、钛：≤0.2wt%、铌：≤0.06wt%，余量为铁。

该专利文献公开的高强度高韧性合金钢，其采用低碳多合金系配比，冶炼成本大，控制难度大，工艺要求高，成本高，属专用使用钢种，民用推广难。

公开号为CN 1335417，公开日为2002年02月13日的中国专利文献公开了一种高温耐磨合金钢，其特征在于：采用下述组分和重量百分含量的原料通过熔炼和其它工艺流程生产制得的：77.5-79%的废钢，18.3-207%的高碳铬铁，0.67-1.0%的钼铁，0.33-0.5%的钒铁，适量的硅、锰脱氧剂，0.05-0.1%的钛铁，0.02-0.05%的锆，0.6-1.2%的铝和0.12-0.5%的稀土元素，这样制得的合金钢含碳1.45-1.70%，含铬11.0-12.5%，含钼0.4-0.6%，含钒0.15-0.30%，含钛0.02-0.05%，含锆0.02-0.05%，含铝0.6-1.2%，含稀土元素0.05-0.15%。

该专利文献公开的高温耐磨合金钢，其采用增大碳和高合金元素的配比，虽然提高了一定的耐磨性能，但是，大大增加了合金成本，且制造出的合金钢性能接近铁，脆性较大，不适合国内民用使用和推广。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了耐磨合金钢及其制备方法，本发明制备的合金钢耐磨性强，其耐磨性是高铬铸铁、高锰钢的2～5倍；本发明通过中频炉冶炼废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金，经热处理后的合金钢耐磨性大大提高，且脆性较小、相对生产成本较低。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

耐磨合金钢，其特征在于：由以下重量组分组成：

碳 0.33-0.55%

硅 0.60-1.20%

锰 1.50-3.20%

磷＜0.04%

硫＜0.04%

铬 5.60-8.30%

钼 0.20-0.30%

钒 0.05-0.80%

铁余量。

所述钒的含量为0.30-0.50%。

耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，依次由以下工艺步骤组成：

A、确定工艺目标值，重量千分计配比如下：

碳4份，硅8份，锰20份，铬60份，钼2份，钒3份，余量为铁；

B、配料：选取废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金；

C、熔炼：先将B步骤中的配料放入炉底垫有热石灰的中频炉内，再向中频炉通低电流，中频炉内配料预热后全负荷送电，直至中频炉内配料熔化；

D、取样调整：将C步骤中熔化后的配料取样，根据药水或光谱仪分析测出碳、硅、锰、铬、钼、铁的重量千分计含量，并根据A步骤中的工艺目标值对比分析，加入废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金，调整硅、锰、铬、钼、铁元素含量配比接近工艺目标值，加入石墨调整碳的含量配比接近工艺目标值，在出中频炉前10分钟加钒，使钒的千分计含量达到工艺目标值；

E、浇注成型：经D 步骤达到工艺目标值后的熔料在温度为1650—1750摄氏度时加入脱氧剂，然后出中频炉。

F、热处理：将E步骤浇注成型后的合金钢进行扩散球化，淬火，回火即得本产品。

所述E步骤中的脱氧剂是硅铝钡钙铁、硅钙包芯线、铝线、铝锰铁、钢芯铝、电石或碳化硅。

所述F步骤中的扩散球化是指将E步骤浇注成型后的合金钢加热至900—1000摄氏度，并保温2—3小时，然后将温度降到750—800摄氏度时，保温1—3小时，最后随中频炉冷却。

所述F步骤中的淬火是指将分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到860—950摄氏度时，随即将其浸入矿物油或水中冷却。

所述F步骤中的回火是指将淬火后的合金钢重新加热到400—680摄氏度，并保温1—2小时，最后随中频炉冷却。

本发明的有益效果主要表现在以下几个方面：

一、本发明中，其组分和配比特定的选择由“0.33-0.55%的碳、0.60-1.20%的硅、1.50-3.20%的锰、＜0.04%的磷、＜0.04%的硫、5.60-8.30%的铬、0.20-0.30%的钼、0.05-0.80%的钒、余量为铁”重量组分组成，是经过若干次实验所得的最佳组合方式，具体表现在：

1、在合金钢的制备领域中，碳溶于铁形成固溶体，硅能强化铁素体，提高钢的强度，降低韧性，脱氧、氢能力强，锰也能强化铁素体，锰溶于渗碳体中，获得合金渗碳体(FeMn)₃C，同时又能使珠光体变细，有效脱硫、磷有害元素，铬能生成碳化物Cr₇C₃、(CrFe)₂₃C₆，提高钢的硬度，起到强化弥散作用；钒能够细化晶粒，强化弥散；钼能够细化晶粒，防止回火脆性。

2、本发明中，合金钢中碳的含量特定地控制在0.33-0.55%，形成的化合物渗碳体强化相多，能够提高钢的基本强度；硅的含量特定地控制在0.60-1.20%、锰的含量特定地控制在1.50-3.20%，能够增加淬硬层深度，使合金钢的耐磨性大幅提高，且能够有效规避钢的回火脆性；铬的含量特定地控制在5.60-8.30%、钼的含量特定地控制在0.20-0.30%，能够消除回火脆性，在保证合金钢延展性的同时能形成稳定的、弥散分布的碳化物相，进一步提高合金钢的强度；特别是，钒的含量特定地控制在 0.05-0.80%，以碳化钒形式存在，不仅能够提高合金钢的耐磨性，且能提高合金钢的弹性和强度。

3、综上，本方案中由“0.33-0.55%的碳、0.60-1.20%的硅、1.50-3.20%的锰、＜0.04%的磷、＜0.04%的硫、5.60-8.30%的铬、0.20-0.30%的钼、0.05-0.80%的钒、余量为铁”重量组分组成的合金钢，其整体具有耐磨性强、脆性小的特点。

二、根据背景技术中的对比文件以及本领域普通技术人员认知和教科书中的描述，在合金钢制备过程中，钒的含量控制在0.01-0.20%时，形成的合金钢的耐磨性最好，这是本领域的公知常识。

但是，在本申请方案的研发阶段，发明人通过无数次的实验，得知：当钒的含量在0.01%～0.05%时，硬度值较高，耐磨性最差；当钒的含量在0.05%～0.30%时，硬度最高，耐磨性较好；当钒含量为0.30～0.50%时，硬度较高，耐磨性最好；当钒的含量在0.50～0.80%时，硬度较小，耐磨性较好。只有当钒的含量在0.30-0.50%时，能够使合金钢的耐磨性和脆性取得一个平衡，既具有较强耐磨性，又具有较小脆性。并参见下述对比实验表1和表2。

综上所述：钒的含量在0.30-0.50%时，形成的合金钢的耐磨性较好，且脆性也较小，综合起来其使用寿命最长，这样的实验结果迥异于本领域的公知常识，克服了本领域技术人员的技术偏见，并取得了意料不到的技术效果。

对比试验：表1为普通合金钢；表2为本发明合金钢。

名称

碳

硅

锰

磷

硫

铬

钼

钒

含量

0.30

0.40/0.80

0.80/1.30

＜0.04

4.0/5.6

0.20/0.30

0.05/1.0

表1

此种合金钢中，σb＞1800，HRC≈50，所述含量为重量百分比，σb是抗拉强度，HRC是洛氏硬度

名称

碳

硅

锰

磷

硫

铬

钼

钒

含量

0.33/0.55

0.60/1.2

1.5/3.2

＜0.04

5.6/8.3

0.20/0.30

0.05/0.80

。

表2

此种合金钢中，σb＞800，HRC≈55—62，所述含量为重量百分比，σb是抗拉强度，HRC是洛氏硬度。

三、在合金钢的制备方法中，将C步骤中熔化后的配料取样，根据药水或光谱仪分析测出碳、硅、锰、铬、钼、铁的重量千分计含量，并根据A步骤中的工艺目标值对比分析，加入废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金，调整硅、锰、铬、钼、铁元素含量配比接近工艺目标值，加入石墨调整碳的含量配比接近工艺目标值，在出中频炉前10分钟加钒，使钒的千分计含量达到工艺目标值能够获得强化相和生成合金碳化物，大大提高耐磨性；经D 步骤达到工艺目标值后的熔料在温度为1650—1750摄氏度时加入脱氧剂，然后出中频炉，能够保证钒的碳化生成，浇注时流动性好；将E步骤浇注成型后的合金钢进行扩散球化，淬火，回火，使最终制得的合金钢耐磨性最强，且脆性最小。

四、在合金钢的制备方法中，E步骤中的脱氧剂是硅铝钡钙铁、硅钙包芯线、铝线、铝锰铁、钢芯铝、电石或碳化硅，任意选取这样的脱氧剂能够与铁水中溶解的氧反应，主要生成非金属化合物，形成沉淀上浮至渣层中，加以除去即可得纯净的铁水，以保证合金钢的基本强度。

五、在合金钢的制备方法中，F步骤中的扩散球化是指将E步骤浇注成型后的合金钢加热至900—1000摄氏度，并保温2—3小时，然后将温度降到750—800摄氏度时，保温1—3小时，最后随中频炉冷却，采用这样特定的温度加热既能保证片状珠光体消失，又能保留一部分未完全溶于奥氏体的碳化物，作为球化核心，最终形成较粗大的颗粒状碳化物的正常球化组织，使化学成分均匀，从而提高合金钢的疲劳寿命。

六、在合金钢的制备方法中，F步骤中的淬火是指将分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到860—950摄氏度时，随即将其浸入矿物油或水中冷却，经淬火后的合金钢能够使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织；回火是指将淬火后的合金钢重新加热到400—680摄氏度，并保温1—2小时，最后随中频炉冷却，经回火后的合金钢，能够消除淬火应力，并使残余奥氏体转变为贝氏体而提高硬度，经淬火后的合金钢配合回火，能够大幅提高合金钢的耐磨性、强度、硬度、疲劳强度以及韧性。

七、通过本方法制备的合金钢，其组分和组分配比为“0.33-0.55%的碳、0.60-1.20%的硅、1.50-3.20%的锰、＜0.04%的磷、＜0.04%的硫、5.60-8.30%的铬、0.20-0.30%的钼、0.05-0.80%的钒、余量为铁”，其整体具有耐磨性强、弹性和强度高，耐磨性是高铬铸铁、高锰钢的2～5倍，且脆性小的特点。

具体实施方式

实施例1

作为本发明的一较佳实施方式，其由以下重量组分组成：

碳 0.33%

硅 0.60%

锰 1.50%

磷 0.01%

硫 0.01%

铬 5.60%

钼 0.20%

钒 0.05%

铁余量。

实施例2

作为本发明的又一较佳实施方式，其由以下重量组分组成：

碳 0.44%

硅 0.90%

锰 2.50%

磷 0.02%

硫 0.02%

铬 7.00%

钼 0.25%

钒 0.30%

铁余量。

实施例3

作为本发明的最佳实施方式，其由以下重量组分组成：

碳 0.55%

硅 1.20%

锰 3.20%

磷 0.03%

硫 0.03%

铬 8.30%

钼 0.30%

钒 0.50%

铁余量。

实施例4

作为本发明的再一较佳实施方式，其由以下重量组分组成：

碳 0.55%

硅 1.20%

锰 3.20%

磷 0.03%

硫 0.03%

铬 8.30%

钼 0.30%

钒 0.80%

铁余量。

上述实施例1-4中，均可采用合金钢的常规制备工艺来实现。

实施例5

耐磨合金钢的制备方法，依次由以下工艺步骤组成：

A、确定工艺目标值，重量千分计配比如下：

碳4份，硅8份，锰20份，铬60份，钼2份，钒3份，余量为铁；

B、配料：选取废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金；

E、浇注成型：经D 步骤达到工艺目标值后的熔料在温度为1650摄氏度时加入脱氧剂，然后出中频炉；

所述F步骤中的扩散球化是指将E步骤浇注成型后的合金钢加热至900摄氏度，并保温3小时，然后将温度降到750摄氏度时，保温3小时，最后随中频炉冷却。

所述F步骤中的淬火是指将分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到860摄氏度时，随即将其浸入矿物油或水中冷却。

所述F步骤中的回火是指将淬火后的合金钢重新加热到400摄氏度，并保温2小时，最后随中频炉冷却。

本实施例为最基本的实施方式，通过中频炉冶炼废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金，经热处理后的合金钢耐磨性大大提高，其耐磨性是高铬铸铁、高锰钢的2倍；且脆性较小、相对生产成本较低。

实施例6

耐磨合金钢的制备方法，依次由以下工艺步骤组成：

A、确定工艺目标值，重量千分计配比如下：

碳4份，硅8份，锰20份，铬60份，钼2份，钒3份，余量为铁；

B、配料：选取废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金；

E、浇注成型：经D 步骤达到工艺目标值后的熔料在温度为1700摄氏度时加入脱氧剂，然后出中频炉；

所述F步骤中的扩散球化是指将E步骤浇注成型后的合金钢加热至950摄氏度，并保温2.5小时，然后将温度降到780摄氏度时，保温2小时，最后随中频炉冷却。

所述F步骤中的淬火是指分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到900摄氏度时，随即将其浸入矿物油或水中冷却。

所述F步骤中的回火是指将淬火后的合金钢重新加热到580摄氏度，并保温1.5小时，最后随中频炉冷却。

本实施例为一较佳实施方式，制备的合金钢耐磨性较大提高，其耐磨性是高铬铸铁、高锰钢的3倍；且脆性较小。

实施例7

耐磨合金钢的制备方法，依次由以下工艺步骤组成：

A、确定工艺目标值，重量千分计配比如下：

碳4份，硅8份，锰20份，铬60份，钼2份，钒3份，余量为铁；

B、配料：选取废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金；

E、浇注成型：经D 步骤达到工艺目标值后的熔料在温度为1750摄氏度时加入脱氧剂，然后出中频炉；

所述F步骤中的扩散球化是指将E步骤浇注成型后的合金钢加热至1000摄氏度，并保温2小时，然后将温度降到800摄氏度时，保温1小时，最后随中频炉冷却。

所述F步骤中的淬火是指分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到950摄氏度时，随即将其浸入矿物油或水中冷却。

所述F步骤中的回火是指将淬火后的合金钢重新加热到680摄氏度，并保温1小时，最后随中频炉冷却。

本实施例为最佳实施方式，制备的合金钢耐磨性最高，其耐磨性是高铬铸铁、高锰钢的5倍，且脆性最小。

本发明不限于上述实施例，根据上述实施例的描述，本领域的普通技术人员还可对本发明作出一些显而易见的改变，如在合金钢中单独加入钛（重量百分比含量0.05/1.00）或加入钛的重量百分比含量为0.20与钒配合，但这些改变均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，依次由以下工艺步骤组成：

A、确定工艺目标值，重量千分计配比如下：

碳4份，硅8份，锰20份，铬60份，钼2份，钒3份，余量为铁；

B、配料：选取废铁、废钢和含有硅、锰、铬、钼的合金；

E、浇注成型：经D 步骤达到工艺目标值后的熔料在温度为1650—1750摄氏度时加入脱氧剂，然后出中频炉；

F、热处理：将E步骤浇注成型后的合金钢进行扩散球化，淬火，回火即得本产品；

所述扩散球化是指将E步骤浇注成型后的合金钢加热至900—1000摄氏度，并保温2—3小时，然后将温度降到750—800摄氏度时，保温1—3小时，最后随中频炉冷却；所述淬火是指将分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到860—950摄氏度时，随即将其浸入矿物油或水中冷却；所述回火是指将淬火后的合金钢重新加热到400—680摄氏度，并保温1—2小时，最后随中频炉冷却。

2.根据权利要求1所述耐磨合金钢的制备方法，其特征在于：所述E步骤中的脱氧剂是硅铝钡钙铁、硅钙包芯线、铝线、铝锰铁、钢芯铝、电石或碳化硅。