CN1834279A

CN1834279A - 一种含硼多元低合金耐磨铸钢及其制备方法

Info

Publication number: CN1834279A
Application number: CN 200610042678
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 邢建东
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: CN100386462C

Abstract

本发明公开了一种含硼多元低合金耐磨铸钢，其化学成分是(重量％)：C，0.20％～0.45％；Mn，1.1％～1.8％；Si，0.8％～1.5％；Cr，0.3％～1.2％；B，0.05％～0.20％；Ti，0.08％～0.30％；N，0.03％～0.20％；Ca，0.05％～0.15％；K，0.04％～0.15％；其余为Fe和不可避免的微量杂质。制备采用废钢、硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极或生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将钢水升温至1620～1660℃，出炉前加入硅钙合金、硼铁、钛铁和含氮铬铁，而后出炉，将钇基稀土镁合金和含钾物质破碎至粒度小于15mm的小块，经130～180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，钢水浇注温度1480℃～1520℃。铸件经830℃～1050℃×(0.5～4)h奥氏体化后，快速冷却，随后在150℃～300℃保温(2～6)h后炉冷或空冷，即可得到含硼多元低合金耐磨铸钢。

Description

一种含硼多元低合金耐磨铸钢及其制备方法

技术领域

本发明属于耐磨金属材料技术领域，涉及一种耐磨铸钢及其制备方法，特别是一种不含钼、镍等贵重合金元素的含硼多元低合金耐磨铸钢及其制备方法。

背景技术

磨损是冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、航空和军工等许多工业部门普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，也是造成经济损失最多的问题之一，研究和发展新一代耐磨材料，减少金属磨损，对国民经济具有重要的意义。目前广泛应用的耐磨材料主要有合金钢和白口铸铁，前者韧性好，但存在强度和硬度低、耐磨性差的不足，后者具有高硬度和高耐磨性，但存在脆性大，使用中易剥落甚至开裂的不足。因此，开发生产工艺简单、生产成本低廉、强度和韧性高、淬透性和淬硬性好的新一代钢铁耐磨材料，在磨料磨损工况下取代目前广泛使用的普通耐磨材料，无疑具有十分重要的意义。为了提高材料的强韧性和耐磨性，通常都要加入钼、镍、铬、钨、钒等合金元素，随着合金资源的日益紧缺，钼、镍、铬、钨、钒等合金供应日趋紧张，价格飞速上涨，导致普通钢铁耐磨材料生产成本不断攀升。日本专利JP8144009-A报道了一种含锰、镍、铬、钼的高韧性用于制造破碎机锤头的耐磨铸钢，其化学组成(wt.％)如下：C，0.3-0.45，Si≤0.5，Mn≤1.2，Ni，1.5-2.5，Cr，0.7-2，Mo，0.4-1.0，余量Fe和不可避免的杂质，这种材料具有优异的韧性和耐磨性，但含有较多价格昂贵的镍和钼，使合金生产成本增加。前苏联专利SU1650756-A报道了一种含碳、硅、锰、铬、氮、稀土、钙的多元低合金耐磨钢，为了改善基体的性能，特别是改善耐磨性，还加入一定数量的钒、铌和钴，其化学组成(wt.％)如下：C，0.6-0.8，Si，0.1-0.4，Mn，0.7-1.7，Cr，1.3-1.6，N，0.01-0.03，RE，0.01-0.027，Ca，0.001-0.003，V，1.1-1.5，Nb，0.6-0.9、Co，0.3-0.7，余量Fe和不可避免的杂质，这种合金材料尽管具有较好的力学性能和耐磨性，但加入价格昂贵的钒、铌和钴，使合金生产成本急剧增加。前苏联专利SU1650759-A还报道了一种用铈和钡取代铌和钼的多元低合金耐磨铸钢，其化学组成(wt.％)如下：C，0.5-0.9，Si，0.5-1.0，Mn，1.5-2.5，Cr，2.5-3.5，Ti，0.05-0.15，V，0.1-0.5，B，0.002-0.008，Ca，0.01-0.03，Al，0.01-0.05，Ce，0.05-0.20，Ba，0.002-0.006，余量Fe和不可避免的杂质。这种合金具有较高的碳含量和较好的耐磨性，但存在强度低(710-750MPa)和冲击韧性低(125-138kJ/m²)的不足，在高冲击工况下无法安全可靠的使用。前苏联专利SU1565915-A还报道了一种硅锰铬含量较高的多元耐磨合金铸钢制造方法，其化学组成(wt.％)如下：C，0.5-0.7，Si，2.1-3.8，Mn，2.5-5.0，Cr，5.0-7.0，Mo，0.20-0.5，V，0.05-0.5，Ca，0.003-0.03，N，0.005-0.06，Ti，0.07-0.85，余量Fe和不可避免的杂质。其硬度达到HRC59以上，具有优异的耐磨性，这种合金材料硅、锰、铬等合金元素加入量多，制造成本高，而且焊接性能也较差。中国发明专利CN1033845A报道了一种高强韧性低碳微合金化铸钢，它以碳、锰、钛、铌、稀土等为合金元素，其化学组成(wt.％)如下：C，0.06-0.18；Mn，1.4-1.8；Nb，0.02～0.12；Ti，0.01～0.10；RE，0.002～0.06；Mo＜0.3；Al＜0.06；S＜0.035；P＜0.035，余量Fe和不可避免的杂质。其热处理采用正火-回火或均匀退火-正火-回火工艺。本发明铸钢具有高的韧性和塑性，但碳含量太低，存在强度和硬度低以及耐磨性差的不足，抗拉强度小于750MPa，屈服强度小于650MPa。中国发明专利CN1182142提供了一种耐磨铸钢，以碳、铬、钼为主要合金元素，辅加少量钒、钛及微量稀土和硼合金元素。其化学成分含量为(wt.％)：C，0.15-0.50；Si≤0.50；Mn≤1.0；Cr，1.0-2.0；Mo，0.2-0.5；V，0.02-0.10；Ti，0.02-0.10；B，0.005-0.10；S，0.05-0.50；P≤0.04。余量Fe和不可避免的杂质。这种合金铸钢经热处理后，其显微组织为马氏体加贝氏体及少量的残余奥氏体，具有良好的强韧性及耐磨性，使用寿命比高锰钢提高1倍以上，但含有价格昂贵的钼，将增加生产成本。

发明内容

本发明目的是给出一种不含钼、镍等昂贵合金元素的含硼多元低合金耐磨铸钢，以廉价的硅、锰为主要合金元素，并加入适量的铬，在此基础上加入一定数量的硼、钛和氮，加入硼、钛和氮的主要目的是为了获得细小的TiB₂和Ti(C，N)，改善铸钢的强度和耐磨性，部分硼和氮溶入基体，可以明显提高钢的淬透性。另外加入微量钙、钾、钇和镁等元素，合金总加入量控制在5％以内，得到强度及硬度高、韧性与耐磨性好、生产工艺简单、生产成本低和焊接性能好的高强高韧无钼、镍低合金耐磨铸钢。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种含硼多元低合金耐磨铸钢，其化学组成成分是(重量％)：

C，0.20～0.45；Mn，1.1～1.8；Si，0.8～1.5；Cr，0.3～1.2；B，0.05～0.20；Ti，0.08～0.30；N，0.03～0.20；Ca，0.05～0.15；K，0.04～0.15；Y，0.08～0.25；Mg，0.03～0.12；其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的含硼多元低合金耐磨铸钢采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先用废钢、硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极或生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1620～1660℃，出炉前加入硅钙合金、硼铁、钛铁和含氮铬铁，而后出炉。将钇基稀土镁合金和含钾物质破碎至粒度小于15mm的小块，经130～180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理。变质处理后，将钢水浇注成铸件，钢水浇注温度1480～1520℃。铸件经830～1050℃×(0.5～4)h奥氏体化后，快速冷却，随后在150℃～300℃保温(2～6)h后炉冷或空冷，可以得到强度及硬度高、韧性与耐磨性好的含硼低合金耐磨铸钢。

本发明的含硼多元低合金耐磨铸钢与现有技术相比，主要特点如下：

①不含钼、镍等昂贵合金元素，以锰、硅为主要合金元素，加入不超过1.2％的铬，并加入适量的硼、钛和氮，获得了细小的TiB₂和Ti(C，N)颗粒，改善铸钢的强度和耐磨性。另外加入微量钙、钾、钇和镁等元素，合金总加入量控制在5％以内，钙、钾、钇和镁等元素净化和细化铸钢的组织，明显改善铸钢的力学性能。

②基体组织以马氏体为主，马氏体板条间含有大量细微的奥氏体薄膜，使材料保持高强度和高硬度的前提下，还具有优良的韧性。

③采用与45钢相同的方法熔炼和铸造，热处理工艺简单。

④主要力学性能如下：

抗拉强度σ_b≥1600MPa，硬度≥HRC52，冲击韧性α_k≥1500kJ/m²，断裂韧性K_1c≥100MPa.m^1/2。

⑤具有优良的焊接性能。

⑥相同条件下，耐磨性比高锰钢提高3～5倍，比含镍和钼的合金钢提高30％～80％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

本发明的含硼多元低合金耐磨铸钢，其化学组成成分是(重量％)：C，0.20％～0.45％；Mn，1.1％～1.8％；Si，0.8％～1.5％；Cr，0.3％～1.2％；B，0.05％～0.20％；Ti，0.08％～0.30％；N，0.03％～0.20％；Ca，0.05％～0.15％；K，0.04％～0.15％；其余为Fe和不可避免的杂质。

主要合金元素硅、锰、铬满足以下关系：

3.0％＜Si+Mn+Cr＜4.5％；

主要合金元素硅、锰、铬和辅助合金元素硼、钛、氮、钙、钾、钇和镁满足以下关系：

3.5％＜Si+Mn+Cr+B+Ti+N+Ca+K+Y+Mg＜5.0％。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定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：碳可以明显提高钢的淬硬性，提高钢的强度和硬度，改善钢的耐磨性，碳含量过高，钢中会出现脆性大的高碳马氏体，使钢的韧性和塑性下降，同时，碳含量增加还会恶化钢的焊接性能，综合考虑，将含碳量控制在0.20％～0.45％。

锰：锰在耐磨铸钢中是基本的合金元素，可固溶于铁中，降低γ-α转变温度而推迟相变时间，提高钢的淬透性。锰含量过多使钢在高温奥氏体化时晶粒易于长大粗化，此外，锰还增加钢的回火脆性，因此，本发明中将锰含量控制在1.1％～1.8％。

硅：炼钢过程中使用的脱氧剂带入的硅的残存含量具有强化基体的合金化作用，使屈服强度提高。硅降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物沿晶析出，降低钢的韧性，因此，本发明中将硅含量控制在0.8％～1.5％。

铬：铬有固溶强化、提高钢的淬透性、增加钢的抗回火稳定性等作用。铬在奥氏体中溶解度很大，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。铬含量过高，晶界上易出现碳化物，降低钢的韧性，因此，本发明中将铬含量控制在0.3％～1.2％。

硼：硼作为微量元素加入钢中，能显著提高钢的淬透性，另外，硼与钛复合加入钢中，可形成细小的TiB₂，改善铸钢的强度和耐磨性，加入量过多，使钢的脆性增大，综合考虑将其含量控制在0.05％～0.20％。

钛：在钢中加入微量钛，可以明显细化铸钢晶粒，减少枝晶偏析，提高钢的强度和韧性。主要原因是钛与铸钢中的B、N、C形成高熔点化合物Ti(C，N)和TiB₂，这些化合物有助于铸钢的晶粒细化，使枝晶间和枝晶内的碳和合金元素分布均匀，另外还可以提高钢的强度和硬度，改善铸钢耐磨性。加入量过多，含钛的化合物数量增加且粗化，反而导致钢的强度和韧性下降。综合考虑，将钛含量控制在0.08％～0.30％。

氮：在钢中加入微量氮，除了形成高熔点化合物Ti(C，N)，提高钢的强度和硬度外，部分氮固溶于基体，明显改善钢的淬透性和淬硬性，提高钢的耐磨性，加入量过多，铸件组织中易出现气孔，反而降低铸钢性能，本发明将氮含量控制在0.03％～0.20％。

钙：钙与氧有很大的亲合力，钙的脱氧能力很强，钙对钢水有很好的除气效果。钙还对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，加入适量钙可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，适量钙还显著降低硫在晶界的偏聚，钙对降低铸钢脆性和提高铸钢铸造时抗热裂性是十分有益的。加入过多的钙将使铸钢中夹杂物增多，对铸钢韧性的提高不利，本发明将钙含量控制在0.05％～0.15％。

钾：钾加入钢中可降低钢的初晶结晶温度，有助于钢水在液相线过冷，而合金的结晶过冷度增大，会使形核率增加，使铸钢组织细化，有利于提高钢的韧性，但加入量过多，将使钢中夹杂物增多，反而降低钢的韧性，本发明将钾含量控制在0.04％～0.15％。

钇：钇加入钢中具有脱硫、除气的作用，根据夹杂物生成的热力学条件，钇元素与氧和硫的亲和力显著大于锰和铝等，钇元素容易与氧、硫发生化学反应，生成小球状的Y₂O₂S、Y₂O₃等稀土夹杂物，显著地改善了低合金铸钢沿晶界产生的脆性断裂。过量的钇加入会导致夹杂物呈破碎链状分布，反而有损钢的塑性和韧性。另外，钇具有较大的原子半径，在铁中溶解度很小。由于具有很大的电负性，因此化学性质很活泼，能在钢中形成一系列极为稳定的化合物，成为非自发结晶核心，从而起到细化晶粒的作用。另外，钇是表面活性元素，可以增大结晶核心产生速度，阻止晶粒生长。晶粒的细化，有利于铸钢塑、韧性的提高。钇在低合金马氏体铸钢中还有减少孪晶马氏体量，增加板条马氏体比例的作用，提高钢的强度并改善钢的韧性，本发明将钇含量控制在0.08％～0.25％。

镁：镁具有良好的脱氧、脱硫、净化钢液并改善夹杂物形态的作用，钢中加入适量镁为形成细小均匀分布的复合型类球状夹杂物创造了热力学和动力学条件，可以明显改善钢的韧性，本发明将镁含量控制在0.03％～0.12％。

淬火加热温度是影响含硼多元低合金耐磨铸钢组织和性能的重要因素，淬火加热温度过低，奥氏体化不完全，淬火组织中出现低硬度的珠光体组织，降低含硼多元低合金耐磨铸钢的力学性能和耐磨性。淬火加热温度过高，淬火组织粗化，反而降低含硼多元低合金耐磨铸钢的强度和韧性，在830～1050℃高温奥氏体化并保温(0.5～4)h后快速冷却，可以获得细小的板条马氏体组织，随后在150～300℃保温(2～6)h后，可以得回火板条马氏体组织，具有高强度、高韧性和优异的耐磨性。

实施例1：

本实施例的含硼多元低合金耐磨铸钢采用500kg中频感应电炉熔炼。首先用废钢、硅铁、铬铁、锰铁配料，用生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1630℃，出炉前加入硅钙合金、硼铁、钛铁和含氮铬铁，而后出炉。将钇基稀土镁合金和含钾物质破碎至粒度小于15mm的小块，经160℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理。变质处理后，将钢水浇注成铸件，钢水浇注温度1490℃。铸件经960℃×1h奥氏体化后，快速冷却，随后在280℃保温2.5h后炉冷。铸钢成分见表1，其力学性能见表2。

表1含硼多元低合金耐磨铸钢成分(wt％)

C

Mn

Si

Cr

B

Ti

N

Ca

K

Y

Mg

Fe

0.23

1.73

0.99

0.84

0.12

0.19

0.04

0.07

0.13

0.11

0.07

余量

表2含硼多元低合金耐磨铸钢力学性能

硬度(HRC)	抗拉强度(MPa)	冲击韧性(kJ/m²)	断裂韧性(MPa.m^1/2)
硬度(HRC)	抗拉强度(MPa)	冲击韧性(kJ/m²)	断裂韧性(MPa.m^1/2)	52.7	1628	1649	108.3

实施例2：

本实施例的含硼多元低合金耐磨铸钢用1500kg电弧炉熔炼。首先用废钢、硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1655℃，出炉前加入硅钙合金、硼铁、钛铁和含氮铬铁，而后出炉。将钇基稀土镁合金和含钾物质破碎至粒度小于15mm的小块，经150℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理。变质处理后，将钢水浇注成铸件，钢水浇注温度1508℃。铸件经880℃×3.5h奥氏体化后，快速冷却，随后在160℃保温5h后空冷。铸钢成分见表3，其力学性能见表4。

表3含硼多元低合金耐磨铸钢成分(wt％)

C	Mn	Si	Cr	B	Ti	N	Ca	K	Y	Mg	Fe
C	Mn	Si	Cr	B	Ti	N	Ca	K	Y	Mg	Fe	0.41	1.14	1.47	0.59	0.08	0.23	0.12	0.12	0.06	0.23	0.11	余量

表4含硼多元低合金耐磨铸钢力学性能

硬度(HRC)	抗拉强度(MPa)	冲击韧性(kJ/m²)	断裂韧性(MPa.m^1/2)
硬度(HRC)	抗拉强度(MPa)	冲击韧性(kJ/m²)	断裂韧性(MPa.m^1/2)	53.2	1673	1535	102.8

取上述实施例的含硼多元低合金耐磨铸钢制造的破碎机锤头，在锤式破碎机上破碎花岗岩石，使用寿命比高锰钢锤头提高3.8倍，与高铬铸铁锤头相当，且克服了高铬铸铁锤头易剥落和断裂的不足，价格比高铬铸铁锤头低。使用含硼多元低合金耐磨铸钢制造的锤头，可以节约维修时间，减少停机次数，提高设备作业率，降低石料破碎成本。

取上述实施例的含硼多元低合金耐磨铸钢制造的球磨机衬板，磨机规格有φ1.5m、φ2.1m和φ4.5m三类。结果发现，含硼多元低合金耐磨铸钢衬板使用安全、可靠，使用中未出现剥落和断裂，其使用寿命与高铬铸铁衬板和镍硬铸铁衬板相当，生产成本比高铬铸铁衬板和镍硬铸铁衬板低40％以上，使用寿命比高锰钢衬板提高3～5倍，价格与高锰钢相当。使用本发明制造衬板具有很好的经济效益。

Claims

1、一种含硼多元低合金耐磨铸钢，其特征在于，制得的含硼多元低合金耐磨铸钢主要含有下列重量百分比的化学成分：C，0.20％～0.45％；Mn，1.1％～1.8％；Si，0.8％～1.5％；Cr，0.3％～1.2％；B，0.05％～0.20％；Ti，0.08％～0.30％；N，0.03％～0.20％；Ca，0.05％～0.15％；K，0.04％～0.15％；Y，0.08％～0.25％；Mg，0.03％～0.12％；其余为Fe和不可避免的微量杂质。

2.如权利要求1所说的含硼多元低合金耐磨铸钢，其特征在于，该含硼多元低合金耐磨铸钢的主要合金元素硅、锰、铬满足以下关系：3.0％＜Si+Mn+Cr＜4.5％。

3.如权利要求1所说的含硼多元低合金耐磨铸钢，其特征在于，该含硼多元低合金耐磨铸钢的主要合金元素硅、锰、铬和辅助合金元素硼、钛、氮、钙、钾、钇和镁满足以下关系：3.5％＜Si+Mn+Cr+B+Ti+N+Ca+K+Y+Mg＜5.0％。

4.权利要求1所述的含硼多元低合金耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，该方法采用电炉熔炼，首先用废钢、硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极或生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将钢水温度升至1620℃～1660℃，出炉前加入硅钙合金、硼铁、钛铁和含氮铬铁，而后出炉，将钇基稀土镁合金和含钾物质破碎至粒度小于15mm的小块，经130～180℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，处理后将钢水浇注成铸件，钢水浇注温度1480℃～1520℃；铸件成型后，在(830℃～1050℃)×(0.5～4)h奥氏体化后并快速冷却，随后在150℃～300℃保温2h～6h后炉冷或空冷即可得到含硼多元低合金耐磨铸钢。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，含硼多元低合金耐磨铸钢的主要合金元素硅、锰、铬满足以下关系：3.0％＜Si+Mn+Cr＜4.5％；主要合金元素硅、锰、铬和辅助合金元素硼、钛、氮、钙、钾、钇和镁满足以下关系：3.5％＜Si+Mn+Cr+B+Ti+N+Ca+K+Y+Mg＜5.0％。