CN100415920C

CN100415920C - 一种用于耐磨钢铁材料的中间合金及其用途

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Publication number: CN100415920C
Application number: CNB2006101045024A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 蒋志强; 施进发
Original assignee: Zhengzhou University of Aeronautics
Current assignee: Zhengzhou University of Aeronautics
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: CN1916215A

Abstract

本发明公开了一种用于耐磨钢铁材料的中间合金及其用途，制得该中间合金有效化学成分及其重量百分比为：Y：15.0%～20.0%，B：1.0%～4.0%，Ti：5.0%～12.0%，Ca：2.0%～6.0%，Mg：2.0%～6.0%，K：0～5.0%，Na：0～5.0%，C＜1.0%，Si＜10.0%，Mn＜6.0%，余量为Fe，其中2.0%≤K+Na≤5.0%。本发明的耐磨钢铁材料的中间合金，在真空感应电炉中熔炼，置于浇包底部，用包内冲入法对耐磨钢铁材料进行微合金化处理；钢水冲入浇包经过搅拌、静置和扒渣后直接浇注成铸件，用于改善抗磨硬质相形态和分布，以及改善材料热处理后的淬透性，提高耐磨钢铁材料的力学性能和耐磨性。

Description

一种用于耐磨钢铁材料的中间合金及其用途

技术领域

本发明属于金属耐磨耐蚀材料技术领域，涉及一种用于耐磨钢铁材料的中间合金，特别涉及一种用于耐磨钢铁材料的中间合金及其用途，该中间合金能够改变铸造耐磨钢铁材料的抗磨硬质相形态、分布以及细化和净化金属组织。

背景技术

目前，国内外使用的耐磨钢铁材料主要有奥氏体锰钢、低合金马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体-贝氏体双相钢、马氏体-贝氏体双相钢、普通白口铸铁、镍硬白口铸铁和高铬白口铸铁，另外，在一些特殊磨损场合，还使用耐磨高速钢。近来又开发了高硼耐磨钢、高碳高速钢、钨白口铸铁、锰白口铸铁、钒白口铸铁等新型耐磨钢铁材料。耐磨钢铁材料采用铸造方法生产制备具有效率高、成本低等优势，但采用铸造方法生产耐磨钢铁材料也存在铸件组织粗大、夹杂物多，特别是生产含有抗磨硬质相的耐磨钢铁材料时，硬质相粗大，分布不均匀，甚至出现连续分布，严重影响耐磨钢铁材料的力学性能，并限制其耐磨性的发挥。因此，细化及净化铸造耐磨钢铁材料的组织，并改善其抗磨硬质相的形态和分布，对于提高耐磨钢铁材料的力学性能和耐磨性，将具有积极的意义。

中国发明专利CN1019390公开了一种铸造用复合变质剂，特别是用于铸造铬系白口铁的一种复合变质处理剂，其组成成份为：60％～80％Cu，5％～30％Mg，5％～10％Ti和5％～10％Si。应用本发明对铬26系白口铁进行变质处理，通过改善铬26系白铁的组织和碳化物形态来提高它的性能。这种变质剂含有较多的铜，成本较高，而且仅对铬26系白口铁进行变质处理，效果比较明显。日本专利公报特开昭49-106425报道在含1.03％～3.76％C和15％～26％Cr的白口铁中加入硼、硅孕育，可使碳化物粒状化。但由于硼、硅不能细化晶粒，且硼固溶于基体，使基体脆性增大，单纯加硼、硅对白口铸铁机械性能提高不明显。中国发明专利CN1311347公开了一种团球状共晶体奥氏体-贝氏体钢基自生复合材料，其特征在于通过变质剂对钢液进行变质处理，在凝固时获得团球状共晶体增强相，再通过正火处理后获得奥氏体-贝氏体基体。具体方法是采用镁稀土硅铁合金、硅钙稀土合金、钛铁、电解铜、纯铝、硼铁等合金配制的变质剂，控制含碳0.8％-1.5％，锰3.5％-7.5％，硅0.5％-2.0％，铬0.0％-1.2％，硫0.01％-0.19％，磷0.02％-0.10％钢液的凝固过程，获得团球状共晶体增强相，通过正火处理获得具有奥氏体-贝氏体基体的新型复合材料。这种新型复合材料具有优异的强韧性和耐磨性，可用于制造在中低应力冲击磨粒磨损工况下使用的易磨件。但这种变质剂是由几种合金机械混合后配制而成，存在变质合金成分均匀性差的不足，影响材料变质处理效果。中国发明专利CN1807657公开了一种用于炼钢的钢水精炼变质剂，其化学成份为：30％-60％Si，5％-25％Ba，1％-15％RE，1％-15％Ca，11％-15％Al，1％-6％Ti，还含有下列元素中的一种或一种以上：0.1％-3％Sr，0.1％-3％Nb，0.1％-3％Mg，1％-15％Mn，余量为Fe。该发明是将碱土合金和稀土合金的原料，用碳还原法在矿热炉中冶炼制成复合合金。作为炼钢钢液的精炼变质剂，在炼钢中使用本发明产品可以脱氧、脱硫及其它有害物质，同时又能使钢中的非金属夹杂物形态球化，尺寸变小，分布均匀。但该变质剂中含有较多的硅，易使钢铁材料增硅，另外，该变质剂仅对钢水有较好的脱氧、脱硫作用，对细化凝固组织的作用不明显，对改善钢铁材料中抗磨硬质相的形态和分布的效果更不显著。中国发明专利CN1316528公开了一种钢铁用多元叠加效应变质剂，它是一种含有Re、Mg、Ca、Ti、Al、B等合金元素的强效复合变质剂，其特征在于，其化学成分的质量百分比(Wt％)为：Si38-45，Re7-10，Mg8-12，Ca4-6，Ti4-6，Al3-6，B0.10-0.20，余量为Fe。它主要用于钢的变质处理，细化钢的晶粒组织，改变夹杂物形态，去气净化，提高钢的强韧性和耐磨性。该变质剂中也含有较多的硅，易使钢铁材料增硅，另外，该变质剂仅起到净化钢液、细化晶粒组织的作用，对改善钢铁材料中抗磨硬质相的形态和分布的效果也不明显。

发明内容

本发明的目的是针对上述变质剂在耐磨钢铁材料的应用中存在的问题，提供一种适用于耐磨钢铁材料的中间合金及用途。本发明的中间合金是将含Y、B、Ti、Ca、Mg、K或(和)Na，其余是Fe，在真空炉内熔炼，浇注成直径小于50mm的小块，再破碎至8mm～12mm的颗粒。然后经过150～180℃预热处理后，置于浇包底部，用包内冲入法利用钢铁熔体自身的热量将其熔化，对耐磨钢铁材料实现微合金化处理，达到细化和净化其凝固组织，改善抗磨硬质相形态和分布，以及改善材料热处理后的淬透性的目的，从而提高耐磨钢铁材料的力学性能和耐磨性。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

一种用于耐磨钢铁材料的中间合金，其特征在于制得该中间合金有效化学成分及其重量百分比为：Y：15.0％～20.0％，B：1.0％～4.0％，Ti：5.0％～12.0％，Ca：2.0％～6.0％，Mg：2.0％～6.0％，K：0～5.0％，Na：0～5.0％，C＜1.0％，Si＜10.0％，Mn＜6.0％，余量为Fe，其中2.0％≤K+Na≤5.0％。

上述中间合金能够用于改善抗磨硬质相形态和分布，以及改善材料热处理后的淬透性，提高耐磨钢铁材料的力学性能和耐磨性的应用。

中间合金的具体制备步骤是：

采用真空感应电炉熔炼，在炉内加入钇基稀土、硼铁、钛铁、金属钙、金属镁、含钾或(和)含钠物质，熔化后直接浇注成直径小于50mm的小块，水冷至室温后，再破碎至8mm～12mm的颗粒。中间合金颗粒经过150～180℃预热处理后，置于浇包底部，其加入量为钢铁材料重量的0.8％～1.2％，用包内冲入法对耐磨钢铁材料进行微合金化处理，达到细化和净化其凝固组织，改善抗磨硬质相形态和分布，以及改善材料热处理后的淬透性的目的，从而提高耐磨钢铁材料的力学性能和耐磨性。钢水冲入浇包经过搅拌、静置和扒渣后直接浇注成铸件即可。

本发明的中间合金与现有技术相比，其主要特点如下：

(1)原料来源丰富、制备工艺简单、价格低廉。

(2)将本发明的中间合金加入耐磨钢铁材料中操作简单，各种元素在钢铁材料中分布均匀，对钢铁材料显微组织细化、净化和抗磨硬质相形态和分布的改善具有良好的效果。

(3)采用本发明处理耐磨钢铁材料，可以明显提高其硬度和韧性，改善耐磨性。

具体实施方式

下面结合本发明的机理和给出的实施例对本发明作进一步详述。

本发明的用于耐磨钢铁材料的中间合金，制得该中间合金有效化学成分及其重量百分比为：Y：15.0％～20.0％，B：1.0％～4.0％，Ti：5.0％～12.0％，Ca：2.0％～6.0％，Mg：2.0％～6.0％，K：0～5.0％，Na：0～5.0％，C＜1.0％，Si＜10.0％，Mn＜6.0％，余量为Fe，其中2.0％≤K+Na≤5.0％。

本发明的用于耐磨钢铁材料的中间合金的主要元素的作用如下：

钇元素作为中间合金加入钢铁材料中，具有脱硫、除气的作用，同时钇元素与液态金属反应生成的细小粒子，具有加速凝固的形核作用，钇元素的这些特性能细化钢铁材料晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。另外，加入钇元素可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。

硼元素作为中间合金加入钢铁材料中，主要可以起提高钢铁材料热处理后的淬透性作用。

钛元素作为中间合金加入钢铁材料中，主要是钛与铸钢中的N、C形成高熔点化合物Ti(C，N)，这种化合物有助于钢铁材料的晶粒细化，使枝晶间和枝晶内的碳和合金元素分布均匀。高熔点化合物Ti(C，N)还可以作为抗磨硬质相的形核核心，使抗磨硬质相细化且分布均匀化。

钙元素作为中间合金加入钢铁材料中，主要是与氧和硫都有较强的亲和力。钙对钢铁材料中夹杂物的变质具有显著作用，钢铁材料中加入适量钙可将长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，钙所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，易于上浮排除。钙还显著降低S在晶界的偏聚，钙对降低钢铁材料脆性和提高钢铁材料铸造时抗热裂性是十分有益的。

镁是强成分过冷元素，镁元素作为中间合金加入钢铁材料中，引起凝固界面前强烈的成分过冷，当其成分过冷度大于金属液体内部的形核过冷度时，金属液体内部就会形核、生长。另外，镁元素在界面前沿的富集会引起晶体分枝形成缩颈，而后在金属熔液中熔断、脱落，生长产生自我增殖，使整个液体内部的晶核数量大大增加，阻止了边缘柱状晶的生长，共晶团、初生相以及抗磨硬质相都大大细化，对改善钢铁材料的强韧性和耐磨性十分有利。

钾、钠元素作为中间合金加入钢铁材料中，钾、钠可以明显降低钢铁材料的初晶结晶温度和共晶结晶温度，有助于钢水在液相线和共晶区过冷，而合金的结晶过冷度增大，会使形核率大大增加，因此，钾、钠使初晶组织细化，初晶组织的细化导致共晶反应时残留钢液相互被隔开的趋势增强，进而导致共晶组织的细化，有助于共晶化合物的细小，使网状共晶化合物出现许多薄弱的连接部位。在共晶化合物的薄弱部位，高温热处理时易断开甚至孤立化，导致钢铁材料韧性的明显提高。

下面是发明人给出的实施例：

实施例1：

在250公斤中频真空感应电炉中，加入钇基稀土、硼铁、钛铁、金属钙、金属镁、含钾物质，熔炼中间合金，熔化后直接浇注成直径小于50mm的小块，水冷至室温后，再破碎至8mm～12mm的颗粒。中间合金颗粒化学成分见表1。中间合金颗粒经过170℃预热处理后，置于浇包底部，采用包内冲入法对含1.8％C，5.5％W，5.2％Mo，2.0％V和4.2％Cr的高碳高速钢进行微合金化处理，浇包内中间合金的加入量为钢水量的1.0％。钢水冲入浇包后，经过搅拌、静置和扒渣后直接浇注成轧钢机导卫板。经清砂、打磨后进行正火和回火处理，检测导卫板组织性能，发现夹杂物明显减少，组织显著细化，碳化物都变成了颗粒状。与未经中间合金处理的普通高速钢导卫板相比，硬度变化不明显，都维持在62～63HRC，抗拉强度由844MPa提高至983MPa，增幅达16.5％。冲击韧性由12.2J/cm²，提高至15.8J/cm²，增幅达29.5％。应用本发明加工制造的高碳高速钢导卫板，与普通高碳高速钢导卫板相比，轧钢时的过钢量提高了21.6％，且克服了普通导卫板易断裂和粘钢的不足，改善了轧材表面质量，提高了轧钢机作业率，减轻了工人劳动强度，降低了轧材生产成本，具有显著的经济和社会效益。

表1中间合金化学成分(重量％)

元素	Y	B	Ti	Ca	Mg	K
元素	Y	B	Ti	Ca	Mg	K	成分	16.33	2.47	7.73	3.51	4.82	4.66
元素	Na	C	Si	Mn	Fe		成分	16.33	2.47	7.73	3.51	4.82	4.66
元素	Na	C	Si	Mn	Fe		成分	-	0.27	7.06	2.38	余量

实施例2：

在150公斤中频真空感应电炉中，加入钇基稀土、硼铁、钛铁、金属钙、金属镁、含钠物质，熔炼中间合金，熔化后直接浇注成直径小于50mm的小块，水冷至室温后，再破碎至8～12mm的颗粒。中间合金颗粒化学成分见表2。中间合金颗粒经过155℃预热处理后，置于浇包底部，采用包内冲入法对含0.35％C，1.77％B，0.87％Cr，0.58％Si和0.91％Mn的高硼铸钢进行微合金化处理，浇包内中间合金的加入量为钢水量的1.1％。钢水冲入浇包后，经过搅拌、静置和扒渣后直接浇注成轧钢机滚动导轮。经清砂、打磨和退火后，进行粗加工，经过油冷淬火和回火处理，进行精加工，然后检测滚动导轮组织和性能，发现夹杂物明显减少，组织显著细化，硼化物都变成了断网状和孤立分布，且硼化物分布均匀。与未经中间合金处理的普通高硼铸钢滚动导轮相比，硬度变化不明显，都维持在58～60HRC，抗拉强度由716MPa提高至824MPa，增幅达15.1％。冲击韧性由14.5J/cm²，提高至19.1J/cm²，增幅达31.7％。应用本发明加工制造的高硼铸钢滚动导轮，与普通高硼铸钢滚动导轮相比，在高速线材轧机上轧钢时的过钢量提高了23.8％，且克服了高硼铸钢滚动导轮易粘钢和剥落的不足，改善了轧材表面质量，提高了轧钢机作业率，减轻了工人劳动强度，降低了轧材生产成本，具有显著的经济和社会效益。

表2中间合金化学成分(重量％)

元素	Y	B	Ti	Ca	Mg	K
元素	Y	B	Ti	Ca	Mg	K	成分	18.83	1.74	10.51	5.80	2.39	-
元素	Na	C	Si	Mn	Fe		成分	18.83	1.74	10.51	5.80	2.39	-
元素	Na	C	Si	Mn	Fe		成分	4.26	0.32	8.18	2.25	余量

实施例3：

在500公斤中频真空感应电炉中，加入钇基稀土、硼铁、钛铁、金属钙、金属镁、含钾物质、含钠物质，熔炼中间合金，熔化后直接浇注成直径小于50mm的小块，水冷至室温后，再破碎至8～12mm的颗粒。中间合金颗粒化学成分见表3。中间合金颗粒经过165℃预热处理后，置于浇包底部，采用包内冲入法对含0.43％C，3.21％Cr，1.54％Mn和0.75％Si的低合金铸钢进行微合金化处理，浇包内中间合金的加入量为钢水量的0.85％。钢水冲入浇包后，经过搅拌、静置和扒渣后直接浇注成球磨机衬板。经清砂、打磨后进行油冷淬火和回火处理，检测衬板组织和性能，发现夹杂物明显减少，组织显著细化。与未经中间合金处理的普通低合金铸钢衬板相比，硬度变化不明显，都维持在52～55HRC，抗拉强度由1347MPa提高至1623MPa，增幅达20.5％。冲击韧性由106J/cm²，提高至145J/cm²，增幅达36.8％。应用本发明加工制造的低合金铸钢衬板，与普通低合金铸钢衬板相比，在Φ2.8m球磨机上研磨铁矿石，磨矿量增加33.7％，且克服了普通低合金铸钢衬板易断裂和剥落的不足，提高了球磨机作业率，减轻了工人劳动强度，降低了矿粉研磨成本，具有显著的经济和社会效益。

表1中间合金化学成分(重量％)

元素	Y	B	Ti	Ca	Mg	K
元素	Y	B	Ti	Ca	Mg	K	成分	15.47	3.68	5.27	4.83	4.26	2.33
元素	Na	C	Si	Mn	Fe		成分	15.47	3.68	5.27	4.83	4.26	2.33
元素	Na	C	Si	Mn	Fe		成分	1.04	0.26	7.75	2.49	余量

Claims

1. 一种用于耐磨钢铁材料的中间合金，其特征在于制得该中间合金有效化学成分及其重量百分比为：Y：15.0％～20.0％，B：1.0％～4.0％，Ti：5.0％～12.0％，Ca：2.0％～6.0％，Mg：2.0％～6.0％，K：0～5.0％，Na：0～5.0％，C＜1.0％，Si＜10.0％，Mn＜6.0％，余量为Fe，其中2.0％≤K+Na≤5.0％。

2. 权利要求1所述的耐磨钢铁材料的中间合金作为变质剂的应用，其特征在于，将所述的中间合金颗粒经过预热处理后，置于浇包底部，用包内冲入法对耐磨钢铁材料进行微合金化处理；钢水冲入浇包经过搅拌、静置和扒渣后直接浇注成铸件即可，其中所述的中间合金通过以下方法制备：采用真空感应电炉熔炼，在炉内加入钇基稀土、硼铁、钛铁、金属钙、金属镁、含钾或/和含钠物质，熔化后直接浇注成直径小于50mm的小块，水冷至室温后，再破碎至8mm～12mm的颗粒。

3. 如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的中间合金颗粒预热处理温度为150～180℃。

4. 如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的中间合金颗粒的加入量为钢铁材料重量的0.8％～1.2％。