CN105838987B - 一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，组成及其质量分数为：C:0.35‑0.45%、Si:1.20‑1.60%、Mn:1.00‑1.40%、Cr:0.70‑0.90%、Mo:0.15‑0.25%、Cu:0.40‑0.60%、Re:0.05‑0.10%、P：0‑0.025%、S：0‑0.025%，制备方法包括：熔炼：用酸性感应炉熔炼合金，金属炉料包括炼钢用生铁、废钢、钼铁和铜，熔炼成钢水，然后在浇包内放入硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，将熔炼好的钢水浇入浇包中，浇注；冷却，开箱落砂，进行空冷；热处理：将铸件进行奥氏体化；淬火；盐浴炉中进行碳配分；放入保温炉中进行贝氏体等温转变，最后取出空冷。本发明的上述成分组成并经熔炼和热处理工艺制备获得的低合金耐磨钢，其内部晶粒结构细致，表面硬度高，耐磨性好，且成本低廉，可广泛应用于斗齿制造中。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢技术领域，特别是一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法。
背景技术
挖掘机广泛应用于矿山机械、土建工程，水利工程以及市政工程中，而斗齿是挖掘机上的关键易损部件，近年来，随着矿山机械及水利工程的迅速发展，挖掘机的使用量也与日俱增，使得斗齿的消耗量迅速增大。一个大型水利工程或一个中等规模的矿山，一般同时使用十台以上的挖掘机，每年消耗的斗齿高达百万吨，价值在百万元人民币以上。斗齿的主要功能是分离物料和保护铲车前壁，其工况条件十分恶劣。在接触物料时，物料的快速运动使得斗齿受到强大的冲击作用，斗齿尖部受到物料强大的冲击滑动而磨损,通常出现各种犁沟、变形等，表面很容易由于磨损而脱落，所以斗齿的寿命往往很短，消耗量巨大。与此同时，因设备损坏停机、停产而造成的间接经济损失更是巨大的和无法统计的，由此可见，在保证挖掘机斗齿硬度的前提下提高其冲击韧性，对提高斗齿的寿命、降低成本和提高产品质量具有重要的经济意义。
发明内容
本发明提供了一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，要求其韧性好，硬度较高，综合性能优异，使用寿命长，且合金元素配比较低，具有较高的性价比。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，包括熔炼工艺和热处理工艺，其中，所述熔炼工艺包括以下步骤：
S11.准备好炼钢用生铁、废钢、铬铁、钼铁、铜、硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，控制钢的组成及其质量分数为：C:0.35-0.45%、Si:1.20-1.60%、Mn:1.00-1.40%、Cr:0.70-0.90%、Mo:0.15-0.25%、Cu:0.40-0.60%、Re:0.05-0.10%、P：0-0.025%、S：0-0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质；
S12.用酸性感应炉熔炼合金，金属炉料包括炼钢用生铁、废钢、钼铁和铜，将金属炉料熔炼成钢水，熔炼温度为1550-1590℃；
S13.在浇包内放入硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，然后将熔炼好的钢水浇入浇包中，浇注温度为1480-1500℃。
S14.待铸件冷却到900-1000℃时，开箱落砂，进行空冷。
更进一步的，所述热处理工艺包括以下步骤：
S21.将铸件升温至860-880℃进行奥氏体化；
S22.放入235-290℃的盐浴炉中淬火；
S23.从盐浴炉中取出立即转入320-400℃的盐浴炉中进行碳配分；
S24.放入290-350℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间30-90min，最后取出空冷至室温。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进和选择。
优选的，所述步骤S21中，进行奥氏体化时升温速率<10℃/min。
优选的，所述步骤S22中，在盐浴炉中淬火，保温时间为1-5min。
优选的，所述步骤S23中，在盐浴炉中进行碳配分，保温时间为1-10min。
在本发明熔炼过程中所采用的化学成分，碳元素是影响铸钢强度、硬度、韧性及淬透性、耐磨性的至关重要的元素，其经热处理后形成的马氏体硬度高，淬透性号，耐磨性佳，获得的渗碳体Fe3C是钢的主要强化相之一；钼元素具有较强的碳化物形成能力，使较低含碳量的合金钢也具有较高的硬度，且钼能够阻止奥氏体化的晶粒粗大，造成C曲线的右移，减小了过冷度，极大的提高了淬透性；铜元素，除了可提高钢的淬透性外，还可以改善钢的耐腐蚀性。
本发明通过浇包进一步调整钢的化学成分，锰元素和铁元素能形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，且其又是碳化物形成元素，由于锰在钢中降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，另外，锰还是好的脱氧剂和脱硫剂；铬元素是耐磨材料的基本元素之一，其作用是提高钢的淬透性，显著增加钢抗腐蚀的能力，增加钢的抗回火稳定性能；且铬和铁形成的连续固溶体，能与碳形成多种化合物，可能形成 (Fe，Cr) 3 C、(Fe，Cr) 7 C 3 、(Fe，Cr) 23 C 6 等多种碳化物，铬在奥氏体中溶解度很大，能强化奥氏体但不降低韧性，铬在回火时阻止或延缓碳化物的析出与聚集，使其保持分散，有利于提高强度和硬度，且性能稳定；硅元素在钢中以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，可以抑制和延缓碳化物的析出，有助于贝氏体组织的转变；稀土元素加入钢中具有脱氧脱硫和除气作用，还有加速凝固的形核作用，帮助细化晶粒，减轻合金元素偏析，提高机械性能和耐磨性；通过浇包对钢水进行进一步的微合金化处理，有效提高了铸钢的耐磨性。
磷元素和硫元素是钢铁中的有害杂质，硫在钢中能与铁化合，容易导致钢在高温下沿晶界开裂，磷在低温时会显著降低钢的塑性和韧性，因此要控制严格控制钢中P元素和S元素含量。
本发明的热处理工艺中，在盐浴炉中淬火之后，又增加了碳配分处理，能改善渗碳层的组织和性能，使马氏体中过饱和的碳能扩散到奥氏体中，对奥氏体富碳，得到稳定的马氏体和残留奥氏体组织，提高了奥氏体的机械稳定性和抗冲击性，从而保证钢材料保持有较好的表面硬度。
本发明通过保温炉进行贝氏体等温转变，对保温温度和时间进行有效的控制，从而实现奥氏体向贝氏体的等温转变，更有利于贝氏体组织的形成。在这个过程中形成的贝氏体组织均匀细小，表面硬度高、耐磨性好，内部的结构又能确保有良好的韧性，在受到冲击时能吸收更多的冲击能量，提高了抗冲击性。
本发明的上述成分组成并经熔炼和热处理工艺制备获得的低合金耐磨钢，是高硬度高韧性的钢材料，其内部晶粒结构细致，表面硬度高，耐磨性好，具备良好的韧性，在受到冲击时能吸收更多的能量，抗冲击性能耗，能有效延长其使用寿命，且成本低廉，可广泛应用于斗齿制造中。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
S1.冶炼：
S11. 准备好炼钢用生铁、废钢、铬铁、钼铁、铜、硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素（Re，全部稀土元素中的一种或多种），其中，废钢和铁合金（硅铁、铬铁、钼铁）预先打碎，粒度为10-20mm，控制低合金耐磨钢的组成及其质量分数为：C:0.38%、Si:1.25%、Mn:1.10%、Cr:0.77%、Mo:0.18%、Cu:0.50%、Re:0.08%、P:0-0.02%、S:0-0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质；
S12.采用1t酸性感应电炉熔炼合金，金属炉料包括生铁、废钢、钼铁、铜，将金属炉料熔炼成钢水，钢水加热至1550-1590℃，扒出炉渣；
S13. 在浇包内放入硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，然后将孕育好的钢水浇入小浇包，浇注温度为1480-1500℃；
S14.待铸件冷却到900-1000℃时，开箱落砂，进行空冷。
S2.热处理：
S21.将铸件升温至860-880℃进行奥氏体化，升温速率<5℃/min；
S22.放入温度为235-290℃的盐浴炉中淬火，并保温1-5min；
S23. 从盐浴炉中取出立即转入320-400℃的盐浴炉中进行碳配分，并保温1-10min；
S24.放入290-350℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间30-90min，最后取出空冷至室温，得到所述的斗齿用高强韧性低合金耐磨钢。
将得到的挖掘机斗齿经取样处理后，用扫描电镜分析，表面组织为15%-25%的马氏体加下贝氏体加合金碳化物，贝氏体组织细小，里层组织为下贝氏体，心部组织为上贝氏体加下贝氏体。这种组织分布表面强度高、硬度好、耐磨，心部组织韧性好，残留奥氏体含量为8.1%。经测试其性能，测试结果为：表面硬度45-49HRC；冲击韧性达25-30J/cm2。
实施例2
S1.冶炼：
S11. 准备好炼钢用生铁、废钢、铬铁、钼铁、铜、硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素（Re，全部稀土元素中的一种或多种），其中，废钢和铁合金（硅铁、铬铁、钼铁）预先打碎，粒度为10-20mm，控制低合金耐磨钢的组成及其质量分数为：C:0.45%、Si:1.20%、Mn:1.30%、Cr:0.70%、Mo:0.25%、Cu:0.40%、Re:0.09%、P:0-0.02%、S:0-0.01%，其余为Fe和不可避免的杂质；
S12.采用1t酸性感应电炉熔炼合金，金属炉料包括生铁、废钢、钼铁、铜，将金属炉料熔炼成钢水，钢水加热至1550-1590℃，扒出炉渣；
S13. 在浇包内放入硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，然后将孕育好的钢水浇入小浇包，浇注温度为1480-1500℃；
S14.待铸件冷却到900-1000℃时，开箱落砂，进行空冷。
S2.热处理：
S21.将铸件升温至860-880℃进行奥氏体化，升温速率<5℃/min；
S22.放入温度为235-290℃的盐浴炉中淬火，并保温1-5min；
S23. 从盐浴炉中取出立即转入320-400℃的盐浴炉中进行碳配分，并保温1-10min；
S24.放入290-350℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间30-90min，最后取出空冷至室温，得到所述的斗齿用高强韧性低合金耐磨钢。
将得到的挖掘机斗齿经取样处理后，用扫描电镜和XRD分析，表面组织为15%-25%的马氏体加下贝氏体加合金碳化物，贝氏体组织细小，里层组织为下贝氏体，心部组织为上贝氏体加下贝氏体。这种组织分布表面强度高、硬度好、耐磨，心部组织韧性好，残留奥氏体含量为8.1%。经测试其性能，测试结果为：表面硬度50-55HRC；冲击韧性达30-35J/cm2。
Claims (4)
1.一种斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，包括熔炼工艺和热处理工艺，其特征在于：所述熔炼工艺包括以下步骤：
S11.准备好炼钢用生铁、废钢、铬铁、钼铁、铜、硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，控制钢的组成及其质量分数为：C:0.35-0.45%、Si:1.20-1.60%、Mn:1.00-1.40%、Cr:0.70-0.90%、Mo:0.15-0.25%、Cu:0.40-0.60%、RE:0.05-0.10%、P：0-0.025%、S：0-0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质；
S12.用酸性感应炉熔炼合金，金属炉料包括炼钢用生铁、废钢、钼铁和铜，将金属炉料熔炼成钢水，熔炼温度为1550-1590℃；
S13.在浇包内放入硅铁、锰铁、铬铁和稀土元素，然后将熔炼好的钢水浇入浇包中，浇注温度为1480-1500℃;
S14.待铸件冷却到900-1000℃时，开箱落砂，进行空冷；
所述热处理工艺包括以下步骤：
S21.将铸件升温至860-880℃进行奥氏体化；进行奥氏体化时升温速率<10℃/min；
S22.放入235-290℃的盐浴炉中淬火；
S23.从盐浴炉中取出立即转入320-400℃的盐浴炉中进行碳配分；
S24.放入290-350℃保温炉中进行贝氏体等温转变，转变时间30-90min，最后取出空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，其特征在于：
所述步骤S22中，在盐浴炉中淬火，保温时间为1-5min。
3.根据权利要求1所述的斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，其特征在于：
所述步骤S23中，在盐浴炉中进行碳配分，保温时间为1-10min。
4.根据权利要求1所述的斗齿用高强韧性低合金耐磨钢的制备方法，其特征在于：
所述步骤S12中，熔炼完成后扒出炉渣。
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Application publication date: 20160810 Assignee: Guilin Nunzhiyuan Air Conditioning Engineering Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2022450000327 Denomination of invention: A Preparation Method of High Strength and Toughness Low Alloy Wear Resistant Steel for Bucket Teeth Granted publication date: 20171020 License type: Common License Record date: 20221215 |
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Application publication date: 20160810 Assignee: Guilin Jialong Machinery Manufacturing Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2022450000354 Denomination of invention: A Preparation Method of High Strength and Toughness Low Alloy Wear Resistant Steel for Bucket Teeth Granted publication date: 20171020 License type: Common License Record date: 20221219 |
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Application publication date: 20160810 Assignee: Guilin Nunzhiyuan Air Conditioning Engineering Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2022450000482 Denomination of invention: A Preparation Method of High Strength and Toughness Low Alloy Wear Resistant Steel for Bucket Teeth Granted publication date: 20171020 License type: Common License Record date: 20221229 Application publication date: 20160810 Assignee: Guangxi Jiulong Electronic Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2022450000492 Denomination of invention: A Preparation Method of High Strength and Toughness Low Alloy Wear Resistant Steel for Bucket Teeth Granted publication date: 20171020 License type: Common License Record date: 20221229 |