CN101260501A

CN101260501A - 高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法

Info

Publication number: CN101260501A
Application number: CNA2008101049927A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 雷永平; 邢建东
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: CN100532619C

Abstract

高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法属于钢铁材料技术领域。本发明铸钢的化学成分及其含量(wt％)为：C 0.15～0.30，B 1.5～2.5，Si 2.6～3.0，Cr 1.4～1.8，Mn 0.5～0.8，Ce 0.05～0.12，V 0.03～0.15，Ti 0.03～0.15，P＜0.05，S＜0.05，余量为Fe，0.10＜V+Ti＜0.25。本发明将铸件于880～920℃，保温1～3h后，在250～300℃的等温盐浴炉中等温淬火，保温2～4h，随后空冷至室温，得到高硼低碳耐磨铸钢。与现有技术相比，本发明的铸钢和工艺具有塑性和韧性好，耐磨性高和成本低等优点。

Description

高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法

技术领域

本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法。

背景技术

磨损是工程构件三种破坏方式(磨损、腐蚀、断裂)中最主要的方式，全世界每年因磨损造成的损失达数千亿美元，故研究磨损和不断开发性能更好的耐磨材料具有重大的经济意义。目前，耐磨材料归纳起来有3类：(1)奥氏体高锰钢，原始状态为奥氏体，在外界强烈冲击和高压应力下，发生奥氏体向马氏体的转变强化，表层具有很高的硬度，内部具有很好的韧性，有优良的耐磨性和可靠性。(2)低合金耐磨钢，通过合理的化学成分配比及热处理，可获得较佳的综合性能，合金元素常用Cr、Mo、Ni、Nb、Mn和Si等，通常采用马氏体转变、第二相强化等手段来提高耐磨性。(3)高铬铸铁，属于脆性材料，含Cr量高(通常大于15％)，靠M₇C₃型碳化物提高耐磨性。上述材料中，目前仍将高锰钢作为主要耐磨材料，但在中、小冲击负荷下，由于以切削磨损为主，故高锰钢难以发挥潜力。而低合金钢中由于没有耐磨硬质相或硬质相数量太少，耐磨性也不高。高铬白口铸铁尽管硬度高、耐磨性好，但存在脆性大和冲击负荷下使用安全性差以及生产成本高等不足。

为了提高铸造材料的耐磨性，中国发明专利CN1560311公开了一种耐磨铸钢及其制备方法。耐磨铸钢含有C 0.2～0.35％、Si 0.6～1.0％、Mn 0.8～1.2％、Ni 0.2～0.6％、Cr 0.6～1.2％、Mo 0.15～0.35％。其制法包括冶炼、铸造和热处理。冶炼：在钢液溶化1/5～2/5时放入铬、镍、钼，出炉前5～15分钟投入锰、硅，然后投入脱氧剂；热处理：铸造成型铸件正火910～930℃，保温2小时出炉空冷，淬火860～900℃保温1.5小时后出炉水淬，水温30℃以下，回火210～230℃，保温2～2.5小时，出炉空冷。该发明耐磨铸钢中由于无耐磨硬质相，硬度低，耐磨性较差。中国发明专利CN1600889也公开了一种微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其化学成分为wt％：C0.25～0.34、Si 0.3～0.7、Mn 1.15～1.65、Cr 0.5～1.0、B 0.0005～0.005、Ti 0.01～0.06、Ce 0.01～0.045、La 0.01～0.035、Al 0.01～0.1、S≤0.035、P≤0.035，其微合金化处理工艺为先在熔炼炉内于1600～1610℃加入TiFe，再在浇包内加入或在倾出钢水同时向浇包内投入RESiFe和BFe合金。该发明的优点是不使用Mo、Ni等贵重的合金元素，而是通过微合金化来达到强韧化和硬韧化目的，因而制造成本较低。但也存在硬度低，耐磨性差的不足。

中国发明专利CN1385549则公开了一种中碳多元低合金耐磨钢材质化学成份及含量，其中：C 0.38～0.45％，Si 0.90～1.30％，Mn1.2～2.0％，Cr1.0～1.7％，Mo0.3～0.5％，V0.1～0.2％，B0.001～0.003％，Re0.01～0.03％，S≤0.04％、P≤0.045％，其余为Fe。最终金相组织为：回火马氏体+贝氏体+碳化物+少量残余奥氏体。该钢不仅具有较高的硬度，而且具有较好的韧性，热处理工艺简单易于掌握，制造成本较低，可广泛应用于球磨机衬板、破碎机齿板、护板、锤头等耐磨件。碳含量的提高，导致硬度有所提高，耐磨性有所改善，但由于含有价格昂贵的钼元素，导致生产成本增加。俄罗斯专利RU2288294-C2也公开了一种铸造耐磨钢，其化学组成为0.80～0.95％C、0.20～0.40％Si、8.50～10.0％Mn、0.50～0.85％Ni、0.10～0.30％W、0.025～0.045％N、0.05～0.10％V和0.10～0.30％Mo。由于加入价格昂贵的镍、钼等元素，导致生产成本增加。

为了改善铸钢耐磨性能，中国发明专利CN100999803公开了一种高硼耐磨铸钢，其特征在于制得的该高硼耐磨铸钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10％～0.50％；B：0.8％～5.0％；Cu：0.3％～0.6％；Mn：0.8％～2.0％；Cr：1.0％～2.5％；Si＜1.5％；Ti：0.08％～0.20％；Ce：0.04％～0.12％；Mg：0.02％～0.18％；N：0.06％～0.18％；S＜0.05％；P＜0.05％；余量为Fe和不可避免的微量杂质。用钛铁、铈基稀土镁合金和含氮物质对钢水进行复合变质处理，经高温奥氏体化后快速冷却，随后进行低温回火消除应力。该铸钢中含有较多高硬度硼化物，耐磨性较好，但基体是马氏体，脆性较大。中国发明专利CN1804091则公开了一种铸造高硼耐磨合金的韧化方法，其特征在于铸造高硼耐磨合金的化学成分是：0.3～0.35wt％C，1～1.5wt％B，0.6～0.8wt％Si，0.8～1.0wt％Mn，S＜0.04wt％，P＜0.04wt％，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，其中Ti是由变质剂钛铁带入的；具体制备步骤为：先进行钢液熔炼，钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，加入变质剂钛铁合金进行变质处理，待化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，韧化热处理温度为1020～1050℃，保温时间为2～3小时，然后进行淬火或正火，最后回火；变质剂钛铁合金用量满足：其中钛的用量为铸造高硼耐磨合金的0.75～1.0wt％；钢液加硼采用硼铁合金，硼铁合金在钢液熔炼时加入或者在变质剂钛铁加入之后再加入。经过韧化处理后的砂型铸造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立状分布于基体中。10mm×10mm×55mm标准冲击试样的吸收功A_k达12.5J，冲击韧性增强。由于基体仍是马氏体，脆性仍较大。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种硬度高，耐磨性、塑性和韧性好，成本低，不含镍和钼元素的高硼低碳耐磨铸钢及其热处理方法。

本发明所提供的一种高硼低碳耐磨铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.15～0.30％，B：1.5～2.5％，Si：2.6～3.0％，Cr：1.4～1.8％，Mn：0.5～0.8％，Ce：0.05～0.12％，V：0.03～0.15％，Ti：0.03～0.15％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe，其中0.10％＜V+Ti＜0.25％。

本发明所提供的一种高硼低碳耐磨铸钢的热处理方法，包括以下步骤：

1)将废钢、硼铁、硅铁、铬铁、锰铁、石墨电极或生铁、铈基稀土、钛铁和钒铁按目标产物中化学成分重量百分比进行备料，C：0.15～0.30％，B：1.5～2.5％，Si：2.6～3.0％，Cr：1.4～1.8％，Mn：0.5～0.8％，Ce：0.05～0.12％，V：0.03～0.15％，Ti：0.03～0.15％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe，其中0.10％＜V+Ti＜0.25％；

2)将废钢、硼铁、硅铁、铬铁和锰铁，用废石墨电极或生铁调整其碳含量后放入电炉中，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1580～1600℃，加入占钢水质量0.15％～0.30％的铝脱氧，而后出炉；

3)将铈基稀土、钛铁和钒铁破碎至粒度小于12mm的小块，经180～200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤2)中的钢水复合变质处理；

4)变质处理后将钢水浇注成铸件；

5)铸件于880～920℃，奥氏体化1～3h后，直接在温度为250～300℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2～4h，随后空冷至室温，即得强韧性和耐磨性好的高硼低碳耐磨铸钢。

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，本发明铸钢的化学成分是这样确定的：

碳：碳是保证钢获得高强度、高硬度的有效强化元素之一，它可以显著提高钢的强度和硬度，防止淬火组织中出现铁素体。加入量过多，基体脆性增大、塑性下降，合适的碳含量宜控制在0.15～0.30％。

硼：硼是高硼铸钢中的主要合金元素，加入钢中易形成高硬度的铁硼化合物，明显改善铸钢耐磨性，部分硼溶于基体，可改善基体淬透性。硼加入量过多，导致脆性硼化物增多，使铸钢的强度和韧性明显下降，因此将硼加入量控制在1.5～2.5％。

硅：硅也是高硼低碳耐磨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。硅含量较低(＜2.6％)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，在等温转变过程中，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2.6～3.0％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，其显微组织为典型的奥-贝组织，即由板条状的贝氏体铁素体和其间分布的富碳的残余奥氏体组成，材料具很好的强韧性。当钢中的硅含量提高到3.0％以上时，组织中出现了大量的未转变奥氏体组织，导致材料的硬度下降。综合考虑，选择硅含量为2.6～3.0％。

铬：高硼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，另外加入适量铬，有利于降低硼化物脆性，防止使用中硼化物的脆裂。其合适的加入量宜控制在1.4～1.8％。

锰：高硼铸钢中加入适量的锰，主要是为了提高钢的淬透性，加入量过多，将会粗化钢的组织，增大高硼铸钢的热裂倾向，综合考虑，将其含量控制在0.5～0.8％。

铈：在高硼铸钢中，加入铈元素可以作为结晶核心来细化晶粒，从而提高钢的韧性，合适的铈加入量是0.05～0.12％。

钒和钛：在高硼铸钢中加入适量钒和钛，可以用于细化凝固组织，另外还可以细化硼化物，促进硼化物网络的断网和孤立分布，有利于改善高硼铸钢的强度和韧性，合适的钒加入量是0.03～0.15％，合适的钛加入量是0.03～0.15Ti，且0.10％＜V+Ti＜0.25％。

高硼铸钢的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是：

随着奥氏体化温度的提高，碳及合金元素在奥氏体中的分布均匀性提高，降低了等温分解形成贝氏体和富碳奥氏体的速度，从而相对增加了奥氏体的稳定性。因此，在等温转变温度和时间不变的情况下，随着奥氏体化温度的提高，奥氏体稳定性增加，等温转变后残余奥氏体的数量增加，使材料硬度下降，冲击韧性提高。但如果奥氏体化温度过高，奥氏体晶粒长大使等温转变后形成的贝氏体组织粗大，导致力学性能降低。

另外，当等温淬火温度较低时，相变驱动力较大，贝氏体将在过冷奥氏体中的贫碳区沿惯习面大量生核，但是由于温度低，致使碳不能在奥氏体中作长程扩散，因此在较低的等温淬火温度下，贝氏体转变较充分，组织较细小。当等温温度升高到300℃时，下贝氏体变粗，残余奥氏体含量增加，这时钢的硬度稍有下降，冲击韧性提高。铸件经880～920℃×(1～3)h奥氏体化后，直接在温度为250～300℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间1～3h，随后空冷可获得强韧性和耐磨性好的高硼低碳耐磨铸钢。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明高硼低碳耐磨铸钢以我国富有的硼为主要合金元素，另外加入廉价的硅、锰、铬等元素，不含镍、钼等贵重合金元素，原材料来源丰富，生产成本低廉；

(2)本发明高硼低碳耐磨铸钢中，加入较多的硼，可形成高硬度的铁硼化合物，可明显提高铸钢硬度并改善铸钢耐磨性；

(3)本发明采用等温淬火，可以获得无碳化物贝氏体，基体具有良好的塑性和韧性；

(4)本发明采用炉外加微量稀土、钛铁和钒铁复合变质处理细化凝固组织，随后采用等温淬火，获得硬度大于58HRC，抗拉强度σ_b≥850Mpa，冲击韧性α_k≥18J/cm²，断裂韧性K_IC≥35MPa.m^1/2的高硼低碳耐磨铸钢；

(5)本发明高硼低碳耐磨铸钢应用于磨损领域，耐磨性比高锰钢提高2～3倍，比低合金钢提高1倍以上，与高铬白口铸铁相当，且克服了高铬白口铸铁脆性大，使用中易破碎和断裂的不足，且生产成本比高铬白口铸铁降低35％以上。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。

具体实施方式

实施例1

用500公斤中频感应电炉熔炼高硼低碳耐磨铸钢，其制造工艺步骤是：

1)用废钢、硼铁、硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极调整碳含量，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1592℃，加入占钢水质量0.24％的铝脱氧，而后出炉；

2)将铈基稀土、钛铁和钒铁破碎至粒度小于12mm的小块，经180～200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理；

3)变质处理后将钢水浇注成铸件；

4)铸件经900℃×2h奥氏体化后，直接在温度为280℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间3h，随后空冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硼低碳耐磨铸钢。铸钢化学成分见表1，铸钢力学性能见表2。

元素	C	B	Si	Cr	Mn	Ce
元素	C	B	Si	Cr	Mn	Ce	含量	0.27	2.14	2.78	1.60	0.73	0.08
元素	V	Ti	V+Ti	S	P	Fe	含量	0.27	2.14	2.78	1.60	0.73	0.08
元素	V	Ti	V+Ti	S	P	Fe	含量	0.09	0.08	0.17	0.027	0.039	余量

表1铸钢化学成分及其含量(质量％)

硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	断裂韧性/MPa.m^1/2
硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	断裂韧性/MPa.m^1/2	58.9	880.6	19.6	37.2

表2铸铜力学性能

实施例2

1)用废钢、硼铁、硅铁、铬铁、锰铁配料，用生铁调整碳含量，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1598℃，加入占钢水质量0.30％的铝脱氧，而后出炉；

2)将铈基稀土、钛铁和钒铁破碎至粒度小于12mm的小块，经180-200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理；

3)变质处理后将钢水浇注成铸件；

4)铸件经920℃×1h奥氏体化后，直接在温度为250℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间4h，随后空冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硼低碳耐磨铸钢。铸钢化学成分见表3，铸钢力学性能见表4。

元素	C	B	Si	Cr	Mn	Ce
元素	C	B	Si	Cr	Mn	Ce	含量	0.17	2.48	2.61	1.44	0.78	0.11
元素	V	Ti	V+Ti	S	P	Fe	含量	0.17	2.48	2.61	1.44	0.78	0.11
元素	V	Ti	V+Ti	S	P	Fe	含量	0.04	0.15	0.19	0.028	0.040	余量

表3铸钢化学成分及其含量(质量％)

硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	断裂韧性/MPa.m^1/2
硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	断裂韧性/MPa.m^1/2	58.5	871.8	18.1	35.7

表4铸钢力学性能

实施例3

用750公斤中频感应电炉熔炼高硼低碳耐磨铸钢，其制造工艺步骤是：

1)用废钢、硼铁、硅铁、铬铁、锰铁配料，用生铁调整碳含量，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1581℃，加入占钢水质量0.15％的铝脱氧，而后出炉；

3)变质处理后将钢水浇注成铸件；

4)铸件经880℃×3h奥氏体化后，直接在温度为300℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后空冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硼低碳耐磨铸钢。铸钢化学成分见表5，铸钢力学性能见表6。

元素	C	B	S i	Cr	Mn	Ce
元素	C	B	S i	Cr	Mn	Ce	含量	0.29	1.57	2.97	1.76	0.53	0.06
元素	V	Ti	V+Ti	S	P	Fe	含量	0.29	1.57	2.97	1.76	0.53	0.06
元素	V	Ti	V+Ti	S	P	Fe	含量	0.14	0.03	0.17	0.030	0.039	余量

表5铸钢化学成分及其含量(质量％)

硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	断裂韧性/MPa.m^1/2
硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	断裂韧性/MPa.m^1/2	58.1	857.4	18.4	36.6

表6铸钢力学性能

取本发明制备的高硼低碳耐磨铸钢锤头和筛板，分别在锤式破碎机和烧结矿筛分机上，进行装机运行试验，前者用于破碎烧结矿，后者用于筛分烧结矿。结果显示，用本发明高硼低碳耐磨铸钢制造的耐磨铸件，使用安全，使用中无断裂、破碎现象出现，使用寿命比普通耐磨铸件明显延长，其中在锤式破碎机上，本发明高硼低碳耐磨铸钢锤头比高锰钢提高2-3倍，比低合金钢提高1倍以上，在烧结矿筛分机上，本发明高硼低碳耐磨铸钢筛板的使用寿命与高铬白口铸铁相当，还克服了高铬白口铸铁脆性大，使用中易破碎和断裂的不足，且生产成本比高铬白口铸铁降低35％以上。本发明材料的推广应用，具有显著的经济和社会效益。

Claims

1、一种高硼低碳耐磨铸钢，其特征在于，所述的铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.15～0.30％，B：1.5～2.5％，Si：2.6～3.0％，Cr：1.4～1.8％，Mn：0.5～0.8％，Ce：0.05～0.12％，V：0.03～0.15％，Ti：0.03～0.15％，P＜0.05％，S＜0.05％，余量为Fe，其中0.10％＜V+Ti＜0.25％。

2、权利要求1所述的一种高硼低碳耐磨铸钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

4)变质处理后将钢水浇注成铸件；

5)铸件于880～920℃，奥氏体化1～3h后，直接在温度为250～300℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2～4h，随后空冷至室温，即得高硼低碳耐磨铸钢。