CN101787496B

CN101787496B - 一种耐磨铸钢及其制备方法

Info

Publication number: CN101787496B
Application number: CN2010100338202A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 雷永平
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: CN101787496A

Abstract

本发明公开了一种耐磨铸钢，其化学成分(质量分数，％)是：0.70～1.10C，6.0～8.0Mn，0.3～0.8Si，2.5～3.0Cr，0.03～0.08V，0.008～0.015B，0.03～0.08Ce，0.02～0.10Ti，0.02～0.10Nb，0.10～0.25Sb，0.01～0.03Ca，0.01～0.03Ba，＜0.04S，＜0.06P，余量Fe，其中0.08＜Ti+Nb＜0.18，0.035＜Ca+Ba＜0.045。本发明还公开了一种耐磨铸钢的制备方法，材料利用电炉便可生产，具有强度高、韧性好、加工硬化能力强、优异的耐磨性和较低的生产成本，使用本发明材料具有很好的经济效益。

Description

一种耐磨铸钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨铸钢及其制备方法，特别涉及一种锰含量较高的耐磨铸钢及其制备方法，属于耐磨材料技术领域。

背景技术

材料的破坏有3种形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不像另外两种形式，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。中国工程院组织的调查显示，2006年我国消耗在磨损、摩擦和润滑方面的资金估计为9500亿元，约占国内生产总值GDP的4.5％。因此，研究新型耐磨材料，减轻材料磨损，将具有极其重要的意义。

在耐磨材料应用领域，主要有奥氏体高锰钢和高铬白口铸铁，前者只有在高冲击下才发生加工硬化，显示出优异耐磨性，后者含有25％以上的高硬度碳化物，具有硬度高和耐磨性好等特点，但脆性大，只适合于低应力磨损条件下使用。中锰钢经水韧处理后，也可转变成奥氏体，具有较好的强韧性，且因锰含量的下降，具有更好的加工硬化效果，是替代高锰钢的理想材质。中国发明专利CN101182617公开了一种采用中锰钢制作石料分级用的筛板及其制造方法，首先制作中锰钢筛板型砂成型模或消失模，将86.6～92.5％铁、5～10.9％锰、0.8～1.3％碳和0.4～1.2％硅熔化为温度为1350～1600℃的中锰钢钢水，然后注入到中锰钢筛板型砂成型模或消失模中，待自然冷却后，由型腔中取出铸件并打磨掉毛刺，再以每小时升温50℃～60℃的幅度连续升温到650℃～700℃后，保温1～2小时，然后再以每小时升温50℃～60℃的幅度升温至950～1200℃，保温1～2小时，出炉后的铸件立即用强吹风加喷水雾快速冷却，冷却后的铸件用滚压设备压平，即得石料分级用筛板。采用本发明制造的中锰钢，奥氏体基体中易析出碳化物，脆性较大。

中国发明专利CN101100724公开了一种环锤式碎煤机的锤头材料，主要是一种耐磨、耐冲击钢，所述耐磨、耐冲击钢的化学成分包括C、Si、Mn、Mo、Cr、V、P和S，各化学成分的重量百分比含量分别是：C：0.8～1.0、Si：0.2～0.4、Mn：8.0～10.0、Mo：0.2～0.5、Cr：3.0～4.0、V：0.05～0.1、P≤0.045、S≤0.045。本发明是采用中锰钢作为材质，并经热处理所得，其室温组织为奥氏体，该奥氏体组织具有较好的韧性；同时，又因其含有Cr、Mo、V、Re多种合金元素，具有好的耐磨性。中国发明专利CN86107760公开了一种铸造中锰钢，属于铁基合金。其成分为(按重量)0.6～0.8％C，＜0.5％Si，8～10％Mn，0.2～0.4％Mo，0.2～0.4％V，0.4～0.6％Cu，2～3％Cr，≤0.04％S，≤0.04％P，其余为Fe。优先选择的成分是(按重量)0.7％C，＜0.5％Si，9％Mn，0.3％Mo，0.3％V，0.4％Cu，3％Cr，其余为Fe。这种材料不仅具有较高的耐磨性，而且具有良好的焊接性，冶炼工艺和热处理工艺简单，适用于制造制砖搅拌机上的合泥搅刀。上述中锰钢中含有较多价格昂贵的钼、钒、铜元素，增加了材料的生产成本。

中国发明专利CN1424159还公开了一种共晶体增强奥氏体中锰钢电磁场制备方法，取材料成分为：1.2％-1.55％C，6.8％-7.5％Mn，1.0％-1.8％Si，＜0.038％P，＜0.025％S，＜0.025％O，其余为Fe，在氩气保护下，将材料在感应线圈中加热熔化，当合金液过热100℃后，控制合金的温度与磁感应强度，使合金液在1500～1400℃之间于磁场中作用5～10分钟，断电随炉冷却。该发明利用电磁场的加热搅拌作用，影响合金元素在凝固过程中的偏析及相的生成，从而改变奥氏体中锰钢中团球共晶体数量、形态与分布，提高共晶体颗粒增强奥氏体中锰钢的综合性能。该发明材料中含有较多的硅，导致组织粗大，且易形成夹杂物，降低材料性能。另外，采用电磁场制备，存在效率低、能耗高等不足。此外，铸造中锰钢还存在铸造性能差和铸件落砂清理过程中易断裂等不足，因此国内外的推广应用缓慢。

为了改善中锰钢耐磨性，中国发明专利CN1089531还公开了耐磨表面复合材料及其制作工艺，该发明涉及在奥氏体中锰钢表面形成耐磨表面复合材料及其制作工艺。其特点是以高碳铬铁及稀土合金作为改善浸渗性及基体性能的添加剂，在奥氏体中锰钢表面复合铸造碳化钨颗粒，形成以铸造碳化钨颗粒为抗磨骨干相，以合金碳化物及含铬、钨、锰、稀土元素的马氏体为基体的耐磨性十分优异的表面复合层。其制作方法是将铸造碳化钨颗粒，高碳铬铁、稀土合金均匀混合后，然后浇注过热度为50-100℃的中锰钢于铸型中。但复合层易出现夹杂、气孔和裂纹等缺陷，使用稳定性较差。国外专利SU1444389-A报道了在含0.9-1.3％C，0.4-0.9％Si，8.0-12.0％Mn和1.0-2.3％Cr锰钢中，加入0.008-0.03％Ti，0.0005-0.005％Ca，0.21-0.50％Cu和0.001-0.003％B，可以明显提高锰钢性能。

发明内容

本发明的目的是在中锰铸钢中，加入少量的钛、钒、铌、钡、钙、硼、稀土等元素，细化和净化其凝固组织，改善其铸造性能和耐磨性性能。

本发明目的可通过以下途径实现：

本发明材料的化学组成成分(质量分数，％)是：0.70～1.10C，6.0～8.0Mn，0.3～0.8Si，2.5～3.0Cr，0.03～0.08V，0.008～0.015B，0.03～0.08Ce，0.02～0.10Ti，0.02～0.10Nb，0.10～0.25Sb，0.01～0.03Ca，0.01～0.03Ba，＜0.04S，＜0.06P，余量Fe，其中0.08＜Ti+Nb＜0.18，0.035＜Ca+Ba＜0.045。

本发明耐磨铸钢用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

(1)首先用废钢、锰铁、铬铁和硅铁配料，用石墨或生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1500～1580℃，加入硅钙钡合金，然后加入占钢水重量0.05％～0.10％的铝脱氧，出炉前加入铌铁、钛铁和钒铁，而后出炉。

(2)将铈基稀土、硼铁、金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经120～150℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，然后将钢水浇注成铸件。

(3)铸件加热至(1050～1100)℃×(2～6)h后，直接在温度低于50℃的水中进行水韧处理。

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：

碳和锰：在Mn13基础上，使锰含量适当降低，在保证获得高强韧性奥氏体的前提下，使钢的Ms点提高，从而有利于使用过程中形变诱发马氏体的产生，使钢抵抗磨料压入犁沟和切削的能力增强，从而可改善钢的耐磨性，合适的锰含量宜控制在6.0～8.0％。耐磨铸钢中适当提高含碳量，可提高其耐磨性，但含碳量太高时，水韧处理难以消除网状碳化物，在铸造和水韧处理过程中，工件容易开裂，冲击磨损条件下表面层因晶界开裂而剥落，故含碳量宜控制在0.70～1.10％。

铬：铬加入耐磨铸钢中，固溶于基体后能够提高基体强度，有利于改善铸钢耐磨性，加铬锰钢铸件因钢中含铬奥氏体稳定性降低，碳化物更容易析出，铸态组织中碳化物数量增多，从而使铸件脆性增加，铸造和热处理加热过程中易开裂，因此铬的合适加入量宜控制在2.5～3.0％。

铌、钛和钒：铌、钛和钒可与钢液中的碳形成高熔点NbC、TiC、VC，优先析出作为奥氏体结晶核心，能显著细化奥氏体晶粒，提高钢的强度和韧性。但加入量过多，NbC、TiC、VC数量多且尺寸粗大，反而损害钢的强度和韧性。因此，钒含量控制在0.03～0.08％，铌含量控制在0.02～0.10％，钛含量控制在0.02～0.10％，且0.08％＜Ti+Nb＜0.18％。

硼和锑：硼对Fe-C平衡图的作用是降低A4、提高A3、缩小γ区。硼在铁素体中形成置换式固溶体，在奥氏体中既可形成置换式，又可形成间隙式固溶体。硼溶于奥氏体中后使稳定性提高，硼在奥氏体中的溶解度约为0.02％。硼可以提高锰钢的耐磨性，这和硼的细化组织和强化晶界有关，但是硼含量较高时，由于硼的偏析，局部区域易析出硼化物，反而损害钢的强度和韧性，合适的硼含量宜控制在0.008～0.015％。在中锰钢中加入0.05～0.15％的锑，能细化中锰钢的晶粒，可提高其加工硬化能力，有利于改善铸钢的耐磨性。

钙和钡：钙和钡与氧有很大的亲合力，钙和钡的脱氧能力很强，钙和钡对钢水有很好的除气效果。钙和钡还对铸钢中夹杂物的变质具有显著的作用，加入适量钙和钡可将耐磨铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS、(Ca，Mn)S或BaS、(Ba，Mn)S夹杂，适量钙和钡还显著降低硫在晶界的偏聚，钙和钡对降低耐磨铸钢脆性和提高耐磨铸钢铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入过多的钙和钡将使耐磨铸钢中夹杂物增多，对耐磨铸钢韧性的提高不利，合适的钙含量为0.01～0.03％，合适的钡含量为0.01～0.03％，且0.035％＜Ca+Ba＜0.045％。

铈：中锰钢在铸造凝固过程中形成的碳化物以网状和短链状分布于奥氏体晶界和晶内，这种碳化物的分布形态严重恶化了钢的性能，尤其是冲击韧性，加入铈元素后，由于铈元素表面活性的作用，使其一方面富集于晶界，阻止碳化物沿晶界析出，晶界状态得到改善。另一方面，铈的晶界富集不仅能够阻止结晶时晶粒的长大，使晶粒细化，而且能够阻止热处理温度下奥氏体晶粒的粗化。同时铈能净化钢液，改善夹杂物形态与分布，强化晶界，增加晶粒间的结合力，从而使钢的性能得以改善，强度和韧性提高，合适的铈加入量为0.03～0.08％。

本发明效果：

①本发明铸钢的金相组织以奥氏体为基体，在奥氏体基体中分布有3～5％的颗粒状碳化物，本发明材料强度高、韧性好，其中屈服强度大于400Mpa，冲击韧性大于50J/cm²。

②本发明材料具有良好的加工硬化性能，在中、小型球磨机衬板和破碎机锤头上，用本发明材料取代含铬高锰钢(Mn13Cr2)，使用寿命提高1.5～2.0倍。

③本发明材料贵重合金加入量少，生产成本与Mn13Cr2钢相当。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

本发明材料采用500公斤电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

(1)首先用废钢、锰铁、铬铁和硅铁配料，用石墨增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1576℃，加入硅钙钡合金，然后加入占钢水重量0.10％的铝脱氧，出炉前加入铌铁、钛铁和钒铁，而后出炉。

(2)将铈基稀土、硼铁、金属锑破碎至粒度为6～10mm的小块，经120℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，然后将钢水浇注成铸件。

(3)铸件加热至1100℃×2h后，直接在温度低于50℃的水中进行水韧处理。其材料的化学成分见表1，力学性能见表2。

实施例2：

本发明材料采用1000公斤电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

(1)首先用废钢、锰铁、铬铁和硅铁配料，用生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1502℃，加入硅钙钡合金，然后加入占钢水重量0.05％的铝脱氧，出炉前加入铌铁、钛铁和钒铁，而后出炉。

(2)将铈基稀土、硼铁、金属锑破碎至粒度为7～11mm的小块，经150℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，然后将钢水浇注成铸件。

(3)铸件加热至1050℃×6h后，直接在温度低于50℃的水中进行水韧处理。其材料的化学成分见表1，力学性能见表2。

实施例3：

本发明材料采用1000公斤电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

(1)首先用废钢、锰铁、铬铁和硅铁配料，用石墨增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1557℃，加入硅钙钡合金，然后加入占钢水重量0.08％的铝脱氧，出炉前加入铌铁、钛铁和钒铁，而后出炉。

(2)将铈基稀土、硼铁、金属锑破碎至粒度为6～10mm的小块，经140℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，然后将钢水浇注成铸件。

(3)铸件加热至1080℃×4h后，直接在温度低于50℃的水中进行水韧处理。其材料的化学成分见表1，力学性能见表2。

表1材料的化学成分

元素	C	Mn	Cr	Si	V	B	Ce	Sb
									实施例1	0.72	6.02	2.91	0.35	0.08	0.009	0.08	0.12
实施例2	0.97	7.94	2.50	0.66	0.04	0.011	0.04	0.25
									实施例3	1.10	7.69	2.76	0.74	0.07	0.014	0.05	0.18
元素	Nb	Ti	Ca	Ba	P	S	Fe

实施例1	0.03	0.10	0.01	0.03	0.052	0.014	余量
								实施例2	0.09	0.02	0.03	0.01	0.049	0.017	余量
实施例3	0.05	0.07	0.02	0.02	0.053	0.010	余量

表2材料力学性能

力学性能	屈服强度/MPa	冲击韧性/J.cm^-2	硬度/HB
				实施例1	420	57.6	228
实施例2	435	54.0	241
				实施例3	455	52.5	247

本发明材料熔炼工艺简便，铸造成形性能好，已用本发明材料浇注了

球磨机衬板，用于磨铁矿，还用本发明材料浇注了锤式破碎机锤头，锤头单重9.7公斤，用于破碎铁矿石，本发明材料使用安全，使用中无断裂现象出现，本发明材料加工硬化能力强，加工硬度后表面硬度达到HB600以上，硬化层深度超过10mm，本发明材料的耐磨性好，使用寿命比含铬高锰钢(Mn13Cr2钢)提高1.5～2.0倍，而生产成本相当。使用本发明材料，可提高设备运转率，减轻工人劳动强度，具有显著的经济和社会效益。

Claims

1.一种耐磨铸钢，其特征在于，耐磨铸钢的化学成分及其质量百分数是：0.70～1.10C，6.0～8.0Mn，0.3～0.8Si，2.5～3.0Cr，0.03～0.08V，0.008～0.015B，0.03～0.08Ce，0.02～0.10Ti，0.02～0.10Nb，0.10～0.25Sb，0.01～0.03Ca，0.01～0.03Ba，＜0.04S，＜0.06P，余量Fe，其中0.08＜Ti+Nb＜0.18，0.035＜Ca+Ba＜0.045。

2.如权利要求1所述的铸钢的制造方法，其特征在于用电炉生产，其工艺步骤是：

(1)首先用废钢、锰铁、铬铁和硅铁配料，用石墨或生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至1500～1580℃，加入硅钙钡合金，然后加入占钢水重量0.05％～0.10％的铝脱氧，出炉前加入铌铁、钛铁和钒铁，而后出炉；

(2)将铈基稀土、硼铁、金属锑破碎至粒度小于12mm的小块，经120～150℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理，然后将钢水浇注成铸件；