CN100415923C - 高强度铸造空冷贝氏体耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度铸造空冷贝氏体耐磨钢，其化学成分是(重量%)：0.32～0.65C，0.8～3.0Si，1.2～3.0Mn，0.5～0.8Cr，0.3～0.8Cu，0.001～0.008B，0.18～0.35Al，0.05～0.15Y，0.05～0.20Ti，0～0.12Mg，0～0.12Ca，0～0.15Zn，且0.10＜Mg+Ca+Zn＜0.25，其余为Fe和不可避免的微量杂质。其制造工艺步骤是：将废钢、生铁、铬铁和铜板混合加热熔化，熔清后加入硅铁和锰铁预脱氧和合金化；炉前调整成分合格后将温度升至1600～1660℃，加入铝终脱氧和合金化，而后出炉；将含钇、硼、钛、镁、钙和锌等的复合变质剂破碎至粒度小于25mm的小块，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；变质处理后，将钢水在普通铸型中浇注成铸件。本发明的贝氏体耐磨钢可明显提高耐磨备件使用寿命，提高设备工作效率，降低生产成本，具有良好的经济效益。

Description

高强度铸造空冷贝氏体耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明为一种高强度铸造空冷贝氏体耐磨钢及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

磨料磨损是电力、交通、矿山、冶金、机械、化工、石油、军工和航空航天等行业磨损件消耗金属材料的主要形式之一。如何提高耐磨材料的耐磨性，延长其使用寿命，降低成本，是耐磨材料生产和使用部门急待解决的难题。由于空冷贝氏体钢生产工艺简单，综合力学性能优越，已成为一种新型的耐磨钢，广泛应用于电力、交通、矿山、冶金、机械等耐磨领域。日本专利JP11152520-A公开了一种含硅、锰和铬等合金元素的用于重载高速铁路的热轧贝氏体钢，其化学组成是：0.15～0.45wt％C，0.1～2.0wt％Si，0.20～3.0wt％Mn和0.2～3.0wt％Cr。热轧后加热到奥氏体区，然后以1～30℃/s的速度冷却至300～400℃并保温1～30s，然后空冷，可以获得性能优异的贝氏体钢。但这一工艺在普通铸造条件下获得的组织粗大，强度和韧性低，需要进行热轧变形加工，工艺复杂。美国专利US6884306公开了一种含碳、硅、锰、铬、镍、钼和钒的多元合金贝氏体钢，其主要化学组成(wt％)如下：0.6～1.1C，1.5～2.0Si，1.8～4.0Mn，1.2～1.4Cr，0～3Ni，0.2～0.5Mo，0.1～0.2V，余铁。该材料的热处理工艺如下，先在1150℃以上保温24小时以上，然后空冷至190～250℃，随后加热至900～1000℃，在190～260℃间等温转变1～3周。这种贝氏体钢具有高强度、高韧性和优良的塑性。但存在热处理周期长以及需要通过复杂的等温淬火来获得贝氏体组织等不足。日本专利JP7109545-A公开了一种不需要热处理的贝氏体铁素体钢，具体化学成分是：0.10～0.35％C；0.15～2.00％Si；0.40～2.00％Mn；0.03～0.10％S；0.005～0.05％Al；0.003～0.05％Ti；0.0020～0.0070％N；0.30～0.70％V，另外，在特定环境下，还可以加入适量Cr，Mo，Nb，Pb和Ca。经热加工锻造后，具有高的拉伸强度、疲劳强度和机械加工性能，但材料硬度较低，耐磨性较差。

中国发明专利CN86103009公开了一种中高碳空冷锰硼贝氏体钢，是采用锰、硼作为主要合金元素，具体化学组成(重量％)如下：0.47～0.60C，0.1～1.5Si，2.1～3.5Mn，0.0005～0.005B，余为Fe。这种钢的冶炼工艺简单，热加工后空冷，可获得贝氏体-马氏体复相组织，可免除淬火工序。空冷后的硬度为HRC≥50或HRC≥56。可用来制作精密复杂的各种模具及磨球、大型齿条等，硬度高，使用寿命长。但这种材料铸造组织粗大，需要进行复杂的锻轧变形才可以获得满意的性能。中国发明专利CN1172171公开了一种准贝氏体钢，以Mn、阻碍碳化物析出元素为主加合金元素，以Mo、Cr、B、W、Re等之一种或多种为附加合金元素，具体化学组成(重量％)如下：0.04～1.3C，1.0～3.5Mn，阻碍碳化物析出元素0.8～2.8，0～0.6Mo，0～2.0Cr，0～0.005B，0～1.2W，0～0.3Re，0～2.8Al，0～2.8Si，其余为Fe。它是以准贝氏体为组织组成，组织中无碳化物相存在，从而改善了贝氏体钢的力学性能，其制造工艺简单，具有良好的成型性和焊接性，淬透性及抗拉强度均较高，冲击韧性大，疲劳寿命长，成本低，克服了现有贝氏体钢在空冷过程中不可避免出现典型上、下贝氏体组织，从而恶化贝氏体钢性能的缺陷。但这种贝氏体钢的铸造组织较粗大，直接空冷后获得的准贝氏体组织力学性能低。中国发明专利CN1189542公开了一种Mn-Si-B多元微合金化空冷贝氏体钢，通过在钢中加入并调整少量的Cr和微量的Ti，RE，N，V和Nb，其各组分元素的重量百分比为：0.35～0.60C，2.00～3.50Mn，0.20～2.00Si，0.0005～0.010B，0.015～0.05Ti，0.02～0.10RE，0.006～0.015N，其余为Fe。经复合变质处理，钢的晶粒细小，显微组织明显细化，大量碳化物弥散均匀分布。在大截面直径，钢的表层和心部可获得较均匀一致的贝氏体-马氏体为主的组织，含碳化物和少量残留奥氏体组织。具有高硬度、高强度、高耐磨性和高淬透性。适于用来制作耐磨钢球、衬板、颚板、摆锤、缸套和辊圈等耐磨件。经热锻或热轧(钢球)或直接浇注(衬板和板锤)不需要复杂的热处理。生产工艺简单，质量稳定，使用寿命长。但这种材料中含有一定数量的脆性碳化物，导致材料的塑性和韧性低，在高冲击工况下的使用安全性差。本发明选用廉价的硅和锰为主要合金元素，加入适量硼、铬和铜改善淬透性和耐蚀性，另外，为提高铸钢的力学性能，特别是铸钢的韧性和塑性，确保铸钢在使用过程中安全可靠，加入了少量钇、铝和钛，还加入镁、钙和锌等微量元素一种或多种，改善铸钢组织，明显提高了空冷贝氏体铸钢力学性能。

发明内容

本发明目的是提供一种用于生产耐磨材料的高强度铸造空冷贝氏体钢及其制备方法。本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明贝氏体钢的化学组成成分是(重量％)：0.32～0.65C，0.8～3.0Si，1.2～3.0Mn，0.5～0.8Cr，0.3～0.8Cu，0.001～0.008B，0.18～0.35Al，0.05～0.15Y，0.05～0.20Ti，0～0.12Mg，0～0.12Ca，0～0.15Zn，且0.10＜Mg+Ca+Zn＜0.25，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

本发明铸钢用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、铬铁和铜板混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁预脱氧和合金化；

②炉前调整成分合格后将温度升至1600～1660℃，加入占钢水重量0.25％～0.60％的铝终脱氧和合金化，而后出炉；

③将含钇、硼、钛、镁、钙和锌等的复合变质剂破碎至粒度小于25mm的小块，经210～260℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④变质处理后，将钢水在普通铸型中浇注成铸件，钢水浇注温度1450～1520℃。铸件经900～950℃×(1～5)h奥氏体化后，空冷，随后在180～220℃保温(2～6)h后炉冷或空冷，可以得到强度及硬度高、韧性和耐磨性好的贝氏体钢。

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：碳与贝氏体形态和贝氏体铸钢性能的关系十分密切。在其它合金元素含量固定的情况下，可以通过调整碳含量来得到不同类型的贝氏体组织。碳对贝氏体钢的抗拉强度贡献最大，每0.1％C就可提高约90MPa，当其超过共析成分后，与合金元素形成碳化物和固溶于铁素体中强化了基体，使钢的强度和硬度大幅度提高，但碳含量过高，则韧性降低且焊接性能和成型性恶劣，因此将碳含量控制在0.32％～0.65％。

硅：硅是贝氏体铸钢中的主要合金元素，而且是非碳化物形成元素，可增加碳在奥氏体中的活度，在贝氏体铁素体生长过程中，多余的碳会排向界面一侧的邻近奥氏体中，由于硅阻碍渗碳体析出，造成周围奥氏体富碳，使贝氏体铁素体片条间或片条内的富碳残留奥氏体稳定化，形成无碳化物贝氏体。硅也使钢的第一类回火脆性出现的温度范围升高，使钢可以在较高温度下回火，更多地消除淬火应力。另外，硅还可使钢的TTT或CCT曲线向右下方移动和提高钢的贝氏体淬透性和韧性。硅还能显著提高钢的抗磨性，这与硅减少摩擦发热时氧化作用和提高钢的冷变形硬化率有关。硅还能显著地提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比以及疲劳强度等。硅含量较低(＜0.8％)时，由于硅抑制碳化物析出的作用较弱，促进贝氏体转变的作用也不强烈，在空冷条件下，首先在奥氏体晶界析出贝氏体，而未转变的奥氏体在随后的冷却过程中转变为马氏体，其显微组织由贝氏体铁素体、马氏体和少量残余奥氏体组成，具有高的强度、硬度，而冲击韧性和断裂韧性较低；当硅含量提高到0.8％～3.0％时，硅抑制碳化物析出作用显著增强，使贝氏体成长时排出的碳富集到奥氏体中，提高了过冷奥氏体的稳定性，其显微组织由板条状的贝氏体铁素体和其间分布的富碳残余奥氏体组成，材料具很好的强韧性和耐磨性。当钢中的硅含量提高到3.0％以上时，空冷组织中出现了大量的块状铁素体和珠光体组织，导致材料的硬度、韧性和耐磨性下降。综合考虑，选择硅含量为0.8％～3.0％。

锰：锰元素是提高贝氏体钢淬透性的主要元素，此外，它还可以降低贝氏体相变温度，使钢中贝氏体组织更细小并增大贝氏体铁素体中碳的过饱和度，有利于改善贝氏体钢的强度和韧性。锰还能起脱氧和脱硫作用，净化贝氏体铸钢。但锰促使钢的铸态组织粗大和加热时晶粒长大，含量过高降低贝氏体钢的强韧性，另外它还增大铸造生产中热裂倾向，因此Mn含量控制在1.2％～3.0％。

铬：贝氏体铸钢中加入适量的铬，主要是为了提高钢的淬透性，细化钢的组织，其含量控制在0.5％～0.8％。

铜：铜是非碳化物形成元素，主要溶于基体，可以明显提高基体淬透性，溶于基体中的铜还有改善贝氏体铸钢耐蚀性的作用。铜加入量过少，对改善贝氏体铸钢的淬透性作用不明显，加入量过多，部分铜还会在晶界沉淀析出，对改善贝氏体铸钢的淬透性不起作用，沉淀析出的铜由于其硬度太低，反而降低贝氏体铸钢的耐磨性，综合考虑，将铜含量控制在0.3％～0.8％。

硼：硼元素是贝氏体钢能获得贝氏体组织，提高贝氏体淬透性的主要元素。贝氏体钢加硼处理后，由于硼是表面活性元素，吸附在硫化物、氧化物表面，阻止夹杂进一步长大，使夹杂变得细小、圆整，均匀分布于晶界，强化了晶界，减小了局部应力集中，抑制了裂纹萌生，降低了裂纹扩展速度，使材料韧性提高。但是，硼加入量过多，钢中易出现M₂₃(C，B)₆型化合物，特别是硼出现偏析，碳硼化合物沿晶界沉淀成网状析出，不仅使钢的淬透性降低，也将使钢产生硼脆，韧性下降。综合考虑，将其含量控制在0.001％～0.008％。

铝：钢中加入铝是为了阻止碳化物的析出，得到由于贝氏体铁素体和富碳残留奥氏体组成的贝氏体组织，改善钢的强韧性和耐磨性，加入量过多，钢中易产生含铝夹杂物，损害钢的强度和韧性，将其含量控制在0.18％～0.35％。

钇：稀土加入钢中具有脱硫、除气的作用，同时稀土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，稀土元素的这些特性能细化贝氏体铸钢晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。使用钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。综合考虑，将钇含量控制在0.05％～0.15％。

钛：在贝氏体铸钢中加入微量钛，可以明显细化铸钢晶粒，减少枝晶偏析，提高贝氏体铸钢的强度和韧性。主要原因是钛与铸钢中的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。加入量过多，含钛化合物数量增加且粗化，反而导致贝氏体铸钢的强度和韧性下降。综合考虑，将钛含量控制在0.05％～0.20％。

镁：镁与硫、氧有极大的亲合力，可发生剧烈的冶金反应，去除铸钢中的氧和硫，减少铸钢中的氧化物和硫化物夹杂。当脱氧、脱硫产物中的部分MgO和MgS来不及上浮至钢液表面而排除时，凝固后便成为铸钢夹杂。钢液凝固时，首先形成MgO，它可作为随后凝固的MgS、MnS和其它夹杂的核心。由于MgO在钢液中特别分散，因此镁可改变铸钢中夹杂物的类型、数量、大小、形态和分布。适量的镁可使铸钢中夹杂物变得细小、分散。原尺寸大、带棱角的Al₂O₃夹杂被尺寸小、呈球形的MgO和含MgO的复合夹杂所取代；原尺寸大、长条状的MnS夹杂被尺寸小、近球形的MgO、含MgO复合夹杂和MgS·MgO复合夹杂所取代，因而提高了夹杂物与基体抵抗裂纹形成与扩展的能力，改善钢铸铁的韧性。镁加入量过多不仅造成镁的浪费，而且由于反应过于剧烈，将使上浮到钢液表面的MgO、MgS等夹杂重新卷入钢液中，对贝氏体铸钢性能产生不利的影响。因此将镁含量控制在0～0.12％。

钙：钙是化学性质很活泼的元素，与氧和硫都有较强的亲和力。钙对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，铸钢中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，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，钙对降低铸钢脆性和提高贝氏体铸钢铸造时抗热裂性是十分有益的。但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，合适的钙含量为0～0.12％。

锌：锌具有强烈的脱氧脱硫作用，显著降低钢液中[S]、[O]含量，由于[S]、[O]的降低，Fe-C合金液的表面能和界面能上升，结晶过冷度增大，从而有利于铸造组织细化，改善贝氏体铸钢力学性能。由于锌的沸点低(911℃)，加入钢液后，迅速汽化，加入量过多使浮在钢液表面的夹杂物易卷入钢液内部，污染钢液，降低贝氏体铸钢性能，因此锌含量控制在0～0.15％。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素，为了保证贝氏体铸钢的强度、韧性和耐磨性，将磷含量控制在0.05％以下，硫含量控制在0.05％以下。

贝氏体铸钢的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是：当淬火加热温度较低时(小于900℃)和淬火保温时间较短(小于1h)时，因未完全奥氏体化，其淬火组织中尚存未溶铁素体和珠光体等非贝氏体组织，故其淬火硬度、冲击韧度和抗拉强度很低，耐磨性也很差。当淬火加热温度超过950℃或保温时间超过5h后，奥氏体晶粒尺寸以及贝氏体铁素体束的尺寸增大，贝氏体铸钢的强韧性和耐磨性也下降。本发明的贝氏体铸钢经900～950℃×(1～5)h奥氏体化后，空冷，随后在180～220℃保温(2～6)h后炉冷或空冷，可以得到强度及硬度高、韧性和耐磨性好的贝氏体组织。

本发明是采用硅、锰为主要合金元素的中高碳铸钢，在此基础上，加入适量硼、铬和铜改善淬透性和耐蚀性，在空冷条件下，获得了机械性能优异的贝氏体钢。另外，还加入少量少量钇、铝和钛，并加入镁、钙和锌等微量元素一种或多种，改善铸钢组织，有利于贝氏体钢力学性能尤其是韧性大幅度提高，最终将导致贝氏体钢使用性能的提高。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

①本发明贝氏体铸钢，硬度和强度高，韧性和耐磨性好，硬度大于55HRC，抗拉强度大于2200MPa，冲击韧性大于60J/cm²，断裂韧性大于80MPa.m^1/2，延伸率大于5％，断面收缩率大于8％。

②本发明贝氏体铸钢以廉价的硅、锰为主要合金元素，不含价格昂贵的镍、钼元素，生产成本低。

③本发明贝氏体铸钢采用空冷淬火获得，避免了等温淬火效率低且污染环境的不足，同时还避免了油冷和水冷淬火时工件易变形和开裂的不足。

④本发明贝氏体铸钢采用微合金化元素细化并净化组织，在铸态下空冷淬火后直接获得，避免了通过锻造或轧制获得高强度耐磨贝氏体钢，具有节能和工艺简便等特点。

具体实施例：

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

本发明铸钢材料用1500kg中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、铬铁和铜板混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁预脱氧和合金化；

②炉前调整成分合格后将温度升至1650℃，加入占钢水重量0.50％的铝终脱氧和合金化，而后出炉；

③将含钇、硼、钛、镁和锌等的复合变质剂破碎至粒度为18～22mm的小块，经240℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④变质处理后，将钢水在水玻璃砂铸型中浇注成铸件，钢水浇注温度1500℃。铸件经940℃×2h奥氏体化后，空冷，随后在200℃保温4h后空冷，可以得到强度及硬度高、韧性和耐磨性好的贝氏体钢。贝氏体铸钢的成分见表1，机械性能见表2。

表1贝氏体铸钢的成分(wt％)

实施例2：

本发明铸钢材料用300kg中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、铬铁和铜板混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁预脱氧和合金化；

②炉前调整成分合格后将温度升至1620℃，加入占钢水重量0.30％的铝终脱氧和微合金化，而后出炉；

③将含钇、硼、钛、镁、钙和锌等的复合变质剂破碎至粒度18～20mm的小块，经220℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④变质处理后，将钢水在树脂砂铸型中浇注成铸件，钢水浇注温度1460℃。铸件经910℃×4.5h奥氏体化后，空冷，随后在185℃保温5.5h后炉冷，可以得到强度及硬度高、韧性和耐磨性好的贝氏体钢。贝氏体铸钢的成分见表3，机械性能见表4。

表3贝氏体铸钢的成分(wt％)

表4贝氏体铸钢的机械性能

用本发明铸造空冷贝氏体钢制造的挖掘机斗齿、破碎机鄂板、球磨机衬板和破碎机锤头，已在实际生产中获得了很好的效果。铸造空冷贝氏体钢斗齿用于挖掘石英石时，具有强度高，韧性和耐磨性好的特点，使用中无断齿现象出现，其使用寿命比含镍钼的高合金马氏体钢提高60％～80％。铸造空冷贝氏体钢用于制造600mm×900mm破碎机鄂板，破碎铁矿石，其使用寿命比高锰钢延长130％～160％，且无断裂和剥落现象出现，使用中还出现加工硬化现象，使用后鄂板表面硬度提高5％～8％。铸造空冷贝氏体钢用于制造球磨机衬板研磨火电厂煤粉，使用寿命比镍硬铸铁和高铬白口铸铁提高20％～30％，生产成本降低30％～60％。铸造空冷贝氏体钢用于制造破碎机锤头破碎石灰石，使用寿命比高锰钢提高4～6倍，比高镍铬马氏体合金钢提高2～3倍，具有很好的经济效益。

Claims (2)

1. 一种高强度铸造空冷贝氏体耐磨钢，其特征在于铸钢的化学成分是(重量％)：0.32～0.65C，0.8～3.0Si，1.2～3.0Mn，0.5～0.8Cr，0.3～0.8Cu，0.001～0.008B，0.18～0.35Al，0.05～0.15Y，0.05～0.20Ti，0～0.12Mg，0～0.12Ca，0～0.15Zn，且0.10＜Mg+Ca+Zn＜0.25，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

2. 一种如权利要求1所述的贝氏体耐磨钢制备方法，其特征在于用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将普通废钢、生铁、铬铁和铜板混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁预脱氧和合金化；

②炉前调整成分合格后将温度升至1600～1660℃，加入占钢水重量0.25％～0.60％的铝终脱氧和合金化，而后出炉；

③将含钇、硼、钛、镁、钙和锌的复合变质剂破碎至粒度小于25mm的小块，经210～260℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

④钢水变质处理后，将钢水在普通铸型中浇注成铸件，钢水浇注温度1450～1520℃，铸件经900～950℃、1～5h奥氏体化后，空冷，随后在180～220℃保温2～6h后炉冷或空冷。