CN102690988A - 一种细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢及其制备方法，属于铸造和钢铁耐磨材料领域。细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢其化学成分及重量百分比为：C 0.40～0.70%，Si 2.2～2.5%，Mn 2.4～2.8%，B 0.01～0.05%，La 0.005～0.01%，P＜0.04%，S＜0.04%，其余为Fe以及不可避免的杂质，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度达到1200MPa以上，硬度为48～60HRC，无缺口冲击值达到30～50J。利用电炉生产，熔炼浇铸后经过热处理使用。钢不含铬钼等合金元素，通过微量硼和镧细化晶粒，获得高强度和良好的韧性硬度搭配，价格低廉，工艺简单、操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及铸造和钢铁耐磨材料领域，特别是一种细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢及其制备方法。
背景技术
贝氏体尤其是下贝氏体具有优异的性能，以其为基体组织的贝氏体钢具有良好的强韧性搭配和较高的硬度。与高锰钢相比，贝氏体钢硬度高耐磨性能优良，被认为是一种很有发展前途的耐磨钢。
要获得性能优良的贝氏体钢，钢中的贝氏体组织含量必须通过成分控制和热处理来获得。传统获得贝氏体组织的方法是通过盐浴等温淬火，如中国发明专利ZL99105704.X即是通过这一方式获得性能优良的贝氏体耐磨钢。这一工艺的优点是工艺稳定可靠，易于获得大量的贝氏体，然而等温盐浴所使用的盐浴介质对环境污染严重，且能耗极大。另一种方法是通过添加合金元素，使钢的珠光体转变与贝氏体转变分离，从而可以在连续冷却条件下，获得贝氏体组织。如中国发明专利ZL89109594.2、ZL97115715.4、ZL200510017523.8、ZL200510032524.X、ZL200910089298.7、ZL200910016600.6等公开贝氏体钢均是通过合金化方法获得的。这些贝氏体钢的共同特点是，大量添加Mn、Si、Cr、W、Mo、Ni、V、Re等多种合金元素，合金体系复杂，成本较高。中国发明专利ZL200710065833.6公开了一种仅通过添加Si、Mn结合控制冷却工艺获得贝氏体耐磨钢的方法。但是这种钢存在的主要问题是晶粒较为粗大，不利于性能的提高。
传统观点认为，硼在钢铁材料中容易引起硼脆。硼含量超过0.05%就会导致结构钢晶界析出脆性相，使得塑性韧性大大下降。然而，我们通过研究发现，微量的硼可以细化硅锰贝氏体钢的晶粒，大大提高其性能。如与微量镧配合使用，则效果更好。
发明内容
本发明公开一种细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢及其制备方法，该钢仅使用Si、Mn为合金元素，通过添加微量La和B，经过热处理后，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度可以达到1200MPa以上，硬度可达48～60HRC，无缺口冲击值可达30～50J。
本发明的技术方案是：细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢其化学成分及重量百分
比为：C 0.40～0.70%，Si 2.2～2.5%，Mn 2.4～2.8%，B 0.01～0.05%，La 0.005～0.01%，P ＜0.04%，S ＜0.04%，其余为Fe以及不可避免的杂质，其铸态晶粒尺寸＜100μm，其抗拉强度达到1200MPa以上，硬度为48~60HRC，无缺口冲击值达到30~50J。其制备工艺如下：
（1）将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、La铁合金、增碳剂等炉料按上述
合金成分及各元素的收得率进行配料；
（2）熔炼钢液前先将La铁合金和硼铁粉碎成直径为1mm～5mm的颗粒并
烘干，然后先将La铁合金置于浇包底部，硼铁颗粒先不放入浇包中；
（3）将废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、
生铁与增碳剂加入电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁，熔炼钢液，钢液熔清后，将温度升到1560℃～1580℃，然后插铝脱氧扒渣后，将电炉中的合金液倒入装有La铁合金颗粒的浇包中，再将硼铁颗粒放入浇包同时进行搅拌，待颗粒完全熔化后，扒渣静置；
（4）合金液在浇包内静置2～5min并加入除渣剂除渣，待温度降至1490℃～1500℃，浇入铸型，凝固冷却后即得到得到铸钢；
（5）将步骤（4）中得到的铸钢在温度为880℃～950℃的条件下奥氏体化后，喷水雾冷却到280~320℃，然后进入加热炉在280～320℃保温后，出炉空冷即得到细晶高强硅锰耐磨铸钢。
所述废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂、La铁合金和硼铁的加入量是按照高韧耐磨钢中各元素的含量及收得率进行配料的。
所述增碳剂为常规工艺中使用的增碳剂。
所述奥氏体化保温时间按公式1.2×δ+40分钟进行控制，其中δ为工件厚度，单位为mm。
所述喷水雾冷却后在加热炉内加热时的保温时间，按照公式2×δ+30分钟进行控制，其中δ为工件厚度，单位为mm。
本发明细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢各元素收得率：碳的收得率按90%计
算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，La收得率按50%计算，硫和磷在本发明中属于有害元素，不限定收得率。
所述插铝所使用的铝为纯铝。
所述除渣剂为珍珠岩颗粒，加入量根据具体熔炼时的渣量调节。
本发明确定的合金成分的原理如下：
碳：碳决定钢的淬透性，适当的碳含量有利于提高钢淬透性，但过高的碳含量会导致热处理后获得韧性较低的马氏体。为保证获得贝氏体为主的组织，碳含量选择在0.40～0.70wt%。
锰和硅：锰能提高残余奥氏体的稳定性，硅则促进贝氏体相变。硅和锰一起添加，能使得钢的TTT曲线上贝氏体与珠光体转变分离，有利于获得贝氏体组织。但是，过高的硅将导致钢韧性下降，而过高的锰含量会使得钢种残余奥氏体增加，不利于提高硬度。根据大量实验结果，硅含量确定为2.2～2.5%、锰含量确定为2.4～2.8%。
硼：微量硼具有明显的细化钢的晶粒的效果，但是硼含量过高会导致钢出现硼脆。此外，微量硼也能促进贝氏体在转变。因此，硼含量确定为0.01～0.05%。
镧：稀土镧能脱氧、净化钢液，同时细化晶粒，改善组织，提高钢性能，但价格较高，过量添加对材料性能有不利影响，其含量控制在0.005～0.01%。
硫和磷：硫磷降低机械性，在铸造和热处理过程中促进裂纹的形成，因此硫磷含量严格控制，钢中硫磷含量控制必须从严，确定为P<0.04%，S<0.04%。
本发明的优点和积极效果：
钢铁材料中，贝氏体组织具有良好的硬度和韧性搭配，具有优良的耐磨性能。传统的获得贝氏体组织的等温热处理工艺，能耗大、污染严重；而单纯通过合金化空冷方式需要添加钼等贵重合金元素，成本高且获得贝氏体组织不均，性能不稳定。微量的硼能细化晶粒，镧可以净化组织，但是传统的添加工艺硼、镧吸收率不稳定。本发明仅通过廉价的硅、锰为主要合金元素，并添加微量的硼和稀土镧变质，以获得晶粒细小的高强钢，并提出了新的添加工艺保证微量硼和镧的吸收，以细化晶粒、净化组织。随后结合高温喷雾冷却+中温适当保温，能获得性能优良、成本低廉的细晶高强贝氏体耐磨钢。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明不限于以下所述范围。
实施例1：
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢，其化学成分为（重量百分比）为：C 0.4%，Si 2.3%，Mn 2.4%，La 0.005%，B 0.01%，P 0.02%，S 0.02%，余量为铁和杂质，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度达到1280MPa，硬度为51HRC，无缺口冲击值达到46J。产品为挖掘机斗齿，最大壁厚20mm，重量6kg，熔模精密铸造壳型。
熔炼时，采用100kg中频感应电炉。配料时根据原材料的中各元素的含量及收得率进行。使用的原材料的成分（重量百分比）如下：
硼铁：B 20%，Si 0.6%，P 0.03%，C 0.2%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁：C 3.8%，Si 2.4%，Mn 2.0%，0 P.06%，S 0.06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢：C 0.2%，Si 0.2%，Mn 0.5%，P 0.08%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁：Mn 65%，C 2.0%，P 0.06%，S 0.03%，Si 3.4%，余量为铁及不可避免杂质；
硅铁：Si 75%，余量为铁及不可避免杂质；
镧铁：La 60%，余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂：C 80%，余量为灰分。
元素收得率：碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，La收得率按50%计算。
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢的制备步骤：
（1）将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、La铁合金、增碳剂等炉料按上述
合金成分进行配料；配料时，根据原材料的中各元素的含量及收得率进行；
（2）熔炼合金液前将La铁合金和硼铁粉碎成直径为1mm～5mm的颗粒并
烘干，然后先将La铁合金置于浇包底部，硼铁颗粒先不放入浇包中；
（3）废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、
工业纯铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁；
（4）钢液熔清后，将温度升到1560℃，然后插铝脱氧扒渣后，将电炉中的合金液倒入装有La铁合金颗粒的浇包中，再将硼铁颗粒放入浇包同时进行搅拌，待反应完全后，扒渣静置；
（5）合金液在浇包内静置5min并加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1490℃，浇入铸型，凝固冷却后即得到未经热处理的细晶高强硅锰耐磨铸钢斗齿。
（6）完全凝固冷却后，获得的20mm厚的斗齿在热处理炉中950℃奥氏体化，奥氏体保温时间64分钟，然后出炉喷水雾冷却到300℃。然后将喷水雾冷却后的工件送入300℃保温70分钟，然后出炉空冷。工件和单铸试块性能测试结果表明，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1280MPa，硬度和无缺口冲击值分别为51HRC和46J。
实施例2
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢，其化学成分为（重量百分比）为：C 0.7%，Si 2.5%，Mn 2.8%，La 0.01%，B 0.04%，P 0.02%，S 0.02%，余量为铁，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1220MPa，硬度和无缺口冲击值分别为55HRC和36J。产品为3m球磨机衬板，最大壁厚40mm，重量32kg，水玻璃砂造型。
熔炼时，采用100kg中频感应电炉。配料时根据原材料的中各元素的含量及收得率进行。使用的原材料的成分（重量百分比）如下：
硼铁：B 19%，Si 0.7%，P 0.03%，C 0.2%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁：C 3.6%，Si 2.2%，Mn 2.0%，0 P.06%，S 0.06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢：C 0.15%，Si 0.2%，Mn 0.5%，P 0.08%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁：Mn 66%，C 2.0%，P 0.06%，S 0.03%，Si 3.4%，余量为铁及不可避免杂质；
硅铁：Si 72%，余量为铁及不可避免杂质；
镧铁：La 60%，余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂：C 80%，余量为灰分。
元素收得率：碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，La收得率按50%计算。
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢的制备步骤：
（1）将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、La铁合金、增碳剂等炉料按上述
合金成分进行配料；配料时，根据原材料的中各元素的含量及收得率进行；
（2）熔炼合金液前将La铁合金和硼铁粉碎成直径为1mm～5mm的颗粒并
烘干，然后先将La铁合金置于浇包底部，硼铁颗粒先不放入浇包中；
（3）废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、
工业纯铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁；
（4）钢液熔清后，将温度升到1570℃，然后插铝脱氧扒渣后，将电炉中的合金液倒入装有La铁合金颗粒的浇包中，再将硼铁颗粒放入浇包同时进行搅拌，待反应完全后，扒渣静置；
（5）合金液在浇包内静置3min并加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1495℃，浇入铸型，凝固冷却后即得到未经热处理的细晶高强硅锰耐磨铸钢的球磨机衬板。
（6）完全凝固冷却后，获得的40mm厚的球磨机衬板在热处理炉中900℃奥氏体化，奥氏体保温时间88分钟，然后出炉喷水雾冷却到280℃。然后将喷雾冷却后的工件送入280℃保温110分钟，然后出炉空冷。工件和单铸试块性能测试结果表明，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1220MPa，硬度和无缺口冲击值分别为55HRC和36J。
实施例3
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢，其化学成分为（重量百分比）为：C 0.5%，Si 2.2%，Mn 2.5%，La 0.008%，B 0.03%，P 0.03%，S 0.03%，余量为铁，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1235MPa，硬度和无缺口冲击值分别为60HRC和50J。
熔炼时，采用100kg中频感应电炉。配料时根据原材料的中各元素的含量及收得率进行。使用的原材料的成分（重量百分比）如下：
硼铁：B 21%，Si 0.5%，P 0.02%，C 0.2%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁：C 3.7%，Si 2.4%，Mn 2.0%，0 P.06%，S 0.06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢：C 0.15%，Si 0.2%，Mn 0.5%，P 0.08%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁：Mn 66%，C 2.0%，P 0.06%，S 0.03%，Si 3.4%，余量为铁及不可避免杂质；
硅铁：Si 74%，余量为铁及不可避免杂质；
镧铁：La 63%，余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂：C 79%，余量为灰分。
元素收得率：碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，La收得率按50%计算。。
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢的制备步骤：
（1）将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、La铁合金、增碳剂等炉料按上述
合金成分进行配料；配料时，根据原材料的中各元素的含量及收得率进行；
（2）熔炼合金液前将La铁合金和硼铁粉碎成直径为1mm～5mm的颗粒并
烘干，然后先将La铁合金置于浇包底部，硼铁颗粒先不放入浇包中；
（3）废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、
工业纯铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁；
（4）钢液熔清后，将温度升到1580℃，然后插铝脱氧扒渣后，将电炉中的合金液倒入装有La铁合金颗粒的浇包中，再将硼铁颗粒放入浇包同时进行搅拌，待反应完全后，扒渣静置；
（5）合金液在浇包内静置2min并加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1490℃，浇入铸型，凝固冷却后即得到未经热处理的细晶高强硅锰耐磨铸钢的球磨机衬板。
（6）完全凝固冷却后，获得的30mm厚的球磨机衬板在热处理炉中880℃奥氏体化，奥氏体保温时间76分钟，然后出炉喷水雾冷却到320℃。然后将喷水雾冷却后的工件送入320℃保温90分钟，然后出炉空冷。工件和单铸试块性能测试结果表明，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1235MPa，硬度和无缺口冲击值分别为60HRC和50J。
实施例4
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢，其化学成分为（重量百分比）为：C 0.6%，Si 2.4%，Mn 2.6%，La 0.01%，B 0.04%，P 0.02%，S 0.02%，余量为铁，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1200MPa，硬度和无缺口冲击值分别为48HRC和30J。
熔炼时，采用100kg中频感应电炉。配料时根据原材料的中各元素的含量及收得率进行。使用的原材料的成分（重量百分比）如下：
硼铁：B 20%，Si 0.6%，P 0.03%，C 0.2%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
生铁：C 3.8%，Si 2.4%，Mn 2.0%，0 P.06%，S 0.06%，余量为铁及不可避免杂质；
废钢：C 0.2%，Si 0.2%，Mn 0.5%，P 0.08%，S 0.03%，余量为铁及不可避免杂质；
锰铁：Mn 65%，C 2.0%，P 0.06%，S 0.03%，Si 3.4%，余量为铁及不可避免杂质；
硅铁：Si 75%，余量为铁及不可避免杂质；
镧铁：La 60%，余量为铁及不可避免杂质；
增碳剂：C 80%，余量为灰分。
元素收得率：碳的收得率按90%计算，硼的收得率按70%计算，Si收得率按95%计算，Mn收得率按90%计算，La收得率按50%计算。
本实施例的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢的制备步骤：
（1）将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、La铁合金、增碳剂等炉料按上述
合金成分进行配料；配料时，根据原材料的中各元素的含量及收得率进行；
（2）熔炼合金液前将La铁合金和硼铁粉碎成直径为1mm～5mm的颗粒并
烘干，然后先将La铁合金置于浇包底部，硼铁颗粒先不放入浇包中；
（3）废钢、生铁、硅铁、锰铁、增碳剂等炉料烘干后，先将称量好的废钢、
工业纯铁与增碳剂加入感应电炉中进行熔化，熔清后插铝脱氧，然后依次加入锰铁、硅铁；
（4）钢液熔清后，将温度升到1568℃，然后插铝脱氧扒渣后，将电炉中的合金液倒入装有La铁合金颗粒的浇包中，再将硼铁颗粒放入浇包同时进行搅拌，待反应完全后，扒渣静置；
（5）合金液在浇包内静置4min并加入除渣剂珍珠岩颗粒除渣，待温度降至1500℃，浇入铸型，凝固冷却后即得到未经热处理的细晶高强硅锰耐磨铸钢的球磨机衬板。
（6）完全凝固冷却后，获得的20mm厚的球磨机衬板在热处理炉中920℃奥氏体化，奥氏体保温时间64分钟，然后出炉喷水雾冷却到280℃。然后将喷雾冷却后的工件送入280℃保温88分钟，然后出炉空冷。工件和单铸试块性能测试结果表明，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度1200MPa，硬度和无缺口冲击值分别为48HRC和30J。
Claims (6)
1.一种细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢，其特征在于：细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢其化学成分及重量百分比为：C 0.40～0.70%，Si 2.2～2.5%，Mn 2.4～2.8%，B 0.01～0.05%，La 0.005～0.01%，P ＜0.04%，S ＜0.04%，其余为Fe以及不可避免的杂质，其铸态晶粒尺寸＜100μm，抗拉强度达到1200MPa以上，硬度为48～60HRC，无缺口冲击值达到30～50J。
2.一种如权利要求1所述的细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢的制备方法，其特征在于具体制备步骤包括如下：
（1）将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、La铁合金、增碳剂按权利要求1
所述的合金成分及各元素的收得率进行配料；
（2）先将步骤（1）中的La铁合金和硼铁粉碎成直径为1mm～5mm的颗粒并烘干，然后先将La铁合金置于浇包底部，硼铁颗粒先不放入浇包中；
（3）按照常规工艺熔炼步骤（1）中除去硼铁和La铁合金配料的钢液，钢液熔清后，将温度升到1560℃～1580℃，然后插铝脱氧扒渣后，将电炉中的合金液倒入装有La铁合金颗粒的浇包中，再将硼铁颗粒放入浇包的同时进行搅拌，待颗粒完全熔化后，扒渣静置；
（4）合金液在浇包内静置2～5min并加入除渣剂除渣，待温度降至1490℃～1500℃，浇入铸型，凝固冷却得到铸钢；
（5）将步骤（4）中得到的铸钢在温度为880℃～950℃的条件下奥氏体化后，喷水雾冷却到280~320℃，然后进入加热炉在280～320℃保温后，出炉空冷即得到细晶高强硅锰耐磨铸钢。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述增碳剂为含碳量80wt%的石墨增碳剂颗粒。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述除渣剂为珍珠岩颗粒，加入量根据具体熔炼时的渣量调节。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述奥氏体化保温时间按公式1.2×δ+40分钟进行控制，其中δ为工件厚度，单位为mm。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述喷水雾冷却后在加热炉内加热时的保温时间，按照公式2×δ+30分钟进行控制，其中δ为工件厚度，单位为mm。
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| CN108085596A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-29 | 马鞍山市华达冶金机械有限公司 | 一种铸钢配方、铸钢制备方法及铸造方法 |
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2012
- 2012-06-05 CN CN201210181431.3A patent/CN102690988B/zh active Active
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| 匡加才等: "《高强度低合金空冷贝氏体铸钢》", 《吉林大学学报（工学版）》 * |
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