CN103131955A - 一种中碳多元素低合金耐磨钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中碳多元素低合金耐磨钢及其制备方法，该低合金耐磨钢的化学成分按质量百分比计为：C 0.39-0.44%，Cr 1.8-2.1%，Si 0.7-1.0%，Mn 0.8-1.1%，Mo 0.2-0.4%，V 0.3-0.5%，Nb 0.03-0.05%，Ti 0.02-0.04%，B 0.002-0.003%，Ce 0.02-0.04%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的低合金耐磨钢，含有Cr、Mn、Si、V合金元素，硬度高、耐磨性强；由于Mo/V的协同加入，提高了材料的淬透性；由于含有Nb、Ti、Ce合金元素，因此晶粒细密、力学性能优良。

Description

一种中碳多元素低合金耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低合金耐磨钢，具体的涉及一种中碳多元素低合金耐磨钢及其制备方法。

背景技术

耐磨材料是一类较为特殊的材料，它多用于存在磨损的场合，如矿山机械、工程机械、粉末设备中与土砂、矿石、岩石、水泥等物料相互作用的机械零件。耐磨材料的工作环境非常复杂，有些耐磨材料需要在重载、冲击、腐蚀、粉尘、蒸汽、渣滓等恶劣工况条件下工作，常常用于矿山、机械、水电、煤炭、港口、冶金等场合，这些环境会造成耐磨材料的巨大损耗和能源浪费，这部分材料以钢铁基耐磨材料为主，在全部的耐磨材料中占有极大的比重。

低合金耐磨钢是一种常见的耐磨材料，其总的合金含量≤5%，碳含量一般在0.30%-0.50%之间，常常添加锰、硅、铬、镍、钼、钨等多种元素进行搭配，具有优良的强韧性、耐磨性和耐蚀性，具有很广阔的用途，是钢铁耐磨材料的一个热点。因为它所含合金元素少，且成本低廉，同时可搭配多种热处理工艺和表面处理工艺，如：渗碳、渗氮、渗金属（钒、硼）等，组成丰富的加工手段提高其力学性能。

在热轧状态下，低合金耐磨钢具有足够的强度和塑性，且易切削加工，因此常常直接用来制作小的机械零件，通过正火、调质、淬火等热处理工艺之后，性能进一步提高，可用于厚度或直径大于250mm的大型零件；在铸造状态中，在截面不大、形状和热处理条件相似的情况下，其力学性能和锻钢接近，强度和塑性介于锻钢纵向、横向的变动范围之内，且铸态时无各向异性，被应用在各个行业中。通过适当的工艺，可以充分挖掘和发挥这类材料的潜力，降低生产成本，提高企业经济效益，因此受到材料科学工作者的极大关注。

国内的低合金耐磨钢研究，以Si–Mn系为基础，加入Cr、Mo以及其它B、V、RE等细化晶粒的微量元素是较常用的方法。随着技术的发展，低合金钢的合金系统由成分简单的单一锰系、铬系、铬锰系到成分复杂的铬-锰-硅-钼-其他微量元素的多元复合系列，仝健民教授对国内常用的低合金耐磨铸钢进行了大量研究，总结了多种常用的低合金钢材料牌号。

实践证明，多元素低合金耐磨钢比单一元素的合金钢更加耐磨，在使用过程中，多种元素协同作用，可以有效地抵御裂纹的扩展。比如，Mo和V同时加入能够大大提高材料的淬透性能，这比单独加入Mo的效果更好，尽管前者总的百分含量少于后者，也会得到较高的淬透性能，从而可以对较大截面的工件进行淬火热处理，充分挖掘材料潜力，使之满足工况环境要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种硬度高、淬透性好、耐磨性强、综合性能优良的一种多元素低合金耐磨钢。

本发明可通过以下技术措施来实现：一种多元素低合金耐磨钢，包括下述质量百分比的元素：C0.39-0.44%，Cr1.8-2.1%，Si0.7-1.0%，Mn0.8-1.1%，Mo0.2-0.4%，V0.3-0.5%，Nb0.03-0.05%，Ti0.02-0.04%，B0.002-0.003%，Ce0.02-0.04%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe和不可避免的杂质，以下就本发明中各个元素的作用做进一步的解释说明。

碳（C）：是最重要的固溶强化元素，对钢的硬度、韧性、耐磨性具有至关重要的影响；含碳量越高，硬度越高，但冲击韧性越低，使用时候容易断裂，含碳量越低，则韧性高，硬度低，不利于在耐磨工况下使用，综合考虑，含碳量控制在0.39-0.44%，属于中碳钢范畴，既兼顾了耐磨性，也考虑了冲击韧性。

铬（Cr）：是耐磨材料的基本元素之一，可以固溶强化基体，提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性，铬可以使钢的珠光体转变和贝氏体转变分开，能与碳形成多种化合物(Fe,Cr)₃C，提高硬度和强度的同时不降低冲击韧度，具有较高的回火抵抗能力，含铬量控制在1.8-2.1%。

硅（Si）：是常见的合金元素之一，硅溶于铁素体之后，具有很强的固溶强化作用，同时显著提高钢的强度和硬度，提高钢的弹性极限、屈服极限和屈服比，增加钢的回火稳定性，随着硅含量的增加，碳化物的析出被抑制或延缓，易于形成贝氏体组织，含硅量控制在0.7-1.0%。

锰（Mn）：对钢的机械性能有着良好的影响，能提高钢的强度和硬度，同时不降低钢的塑性和韧性，能溶入铁素体，从而引起固溶强化，锰可以降低钢的临界转变温度，从而细化珠光体组织；锰还可以与钢液中的硫化合，形成MnS，从而消除S在钢中的有害影响，是很好的脱氧剂和脱硫剂，含锰量控制在0.8-1.1%。

钼（Mo）：能提高钢的强度，与铁素体和奥氏体固溶并形成碳化物，钼强烈推迟高温区的珠光体转变，使钢的等温曲线右移，增强钢的耐延迟断裂性能，钼能抑制P、Sn等杂质原子向晶界处的偏聚，因此可以减少回火脆性；能提高钢的淬透性，当和钒共同加入时，提高淬透性效果更加明显，钼的含量太低，效果不明显，含量太高，则成本较高，综合考虑，含钼量控制在0.2-0.4%。

钒（V）：能细化晶粒，提高钢的基体强度和冲击韧性，钒的碳化物VC、V₄C₃等都具有较高的硬度，可以显著提高材料的耐磨性能，同时，钒固溶于钢中能够明显提高淬透性，当和钼共同添加时候，效果尤其显著，钒还有一定的沉淀硬化作用，但是过高的钒则强化效果饱和，因此，含钒量控制在0.3-0.5%。

铌（Nb）：可以固溶于奥氏体中，提高淬透性，提高钢的屈服强度、抗拉强度和硬度，Nb（C,N）析出相具有细化晶粒的作用，但过量的铌会使冲击韧性下降，综合考虑，含铌量控制在0.03-0.05%。

钛（Ti）：可以细化晶粒，消除显微裂纹，钛和氮作用形成TiN，在加热过程中，纳米级的TiN粒子可以有效抑制奥氏体晶粒长大，钛含量过少，细化作用不明显，钛含量过高，会降低钢的冲击韧性，综合考虑，含钛量控制在0.02-0.04%。

硼（B）：在钢中的作用是增加悴透性，微量(0.001%)的硼就可以使钢的淬透性成倍的增加；加入量过多，则脆性增大，综合考虑，含硼量控制在0.002-0.003%。

铈（Ce）：能够改善钢的铸态组织、净化钢液，根据稀土夹杂物生成的热力学条件，铈与氧和硫的亲和力显著大于锰和铝等，因此，在高温的钢液中，铈容易与氧和硫发生共轭反应，生产球状的Ce₂O₂S,Ce₂O₃等铈硫氧化物，从而除去钢液中的氧和硫，因此，铈具有较强的脱氧脱硫能力；由于铈是表面活性元素，可以形成非自发形核中心，从而细化晶粒，提高钢的塑性和韧性，含铈量控制在0.02-0.04%。

硫（S）：是钢中的有害元素，是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中的杂质，硫只能溶于高温的钢液中，在固态铁中几乎不能溶解，以FeS夹杂物的形式存在于固态钢中的晶界处，容易引起热加工时的开裂，称为热脆，其含量应该严格控制在≤0.035%的水平。

磷（P）：有固溶强化作用，提高钢的强度和硬度，但是会急剧降低钢的冲击韧性，尤其是低温韧性，磷会在晶界处积聚，形成严重的偏析，造成回火脆性，因此，其含量应该严格控制在≤0.035%的水平。

所述低合金耐磨钢的制备过程如下：①将按照上述百分比配料的废钢、钼铁、增碳剂放入中频熔炼炉中进行熔炼，开始通电时，以50%功率加热，当电流较为稳定时，以95%功率加热；②随着熔炼过程的进行，当炉中的钢料约有一半熔化时，依次加入铬铁、锰铁和硅铁；③当大部分钢料熔化时，加入1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果对钢液成分进行适当调整；④出钢温度控制在1580-1600℃，向炉中加入0.1%的铝进行脱氧处理，脱氧的同时把钒铁、硼铁、铌铁加入到熔炼炉中，2-3min后准备出钢；⑤把钛、铈合金变质剂放在浇包的底部，钢水冲入浇包时候进行变质处理，细化晶粒；⑥在1480-1500℃进行浇注；⑦热处理工艺为：880-900℃加热，保温2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度220-260℃，回火时间2-4h。

合适的浇注温度可以控制钢水的流动性，提高充型能力，避免因温度过低产生表面皱皮、冷隔或铸件不完整等铸造缺陷，因此，浇注温度控制在1480-1500℃。

本发明的低合金耐磨钢，具有中碳钢的强度和韧性，由于含有Cr、Mn、Si、V合金元素，因此硬度高、耐磨性强；由于Mo/V的协同加入，构成了复合作用，大幅度提高了材料的淬透性，使得所述低合金耐磨钢的淬透性具有更大的临界直径，拓展了材料的适用范围；由于含有Nb、Ti、Ce合金元素，因此晶粒细密、组织均匀、韧性佳，综合力学性能表现优良。

本发明的低合金耐磨钢需要进行热处理才能发挥其耐磨性能，其热处理工艺为：880-900℃加热，保温2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度220-260℃，回火时间2-4h。材料的铸态组织是珠光体组织，热处理后的组织是马氏体组织。经热处理后，低合金耐磨钢的硬度值为52-56HRC，冲击韧性值可达35-75J／cm²，抗拉强度为1550-1750MPa。可广泛用于球磨机、抛丸机的衬板、混砂机的刮板、牙板、采煤机的截割齿等场合。

利用所述的成分进行了实际验证，生产的

1800mm×4500mm球磨机系列衬板，在万方铝厂的球磨机上进行试用，其耐磨性比原来提高了2.2倍；生产的300mm×300mm×10mm和220mm×220mm×10mm抛丸机衬板，经在林州重机试用，其更换时间由原来的3个月延长到7.5个月左右；生产的CMJ710采煤机截割齿，经过鹤岗龙煤矿业集团试用，使用寿命是原来的2倍，具有显著的经济效益。

附图说明

图1：低合金钢铸态下放大1000倍的显微组织。

图2：是淬火态放大400倍的显微组织。

图3：是高锰钢ZGMn13的摩擦磨损形貌。

图4：是低合金耐磨钢的摩擦磨损形貌。

具体实施方式

本发明涉及一种中碳多元素低合金耐磨钢，该中碳多元素低合金耐磨钢的化学成分按质量百分比计为：C0.39-0.44%，Cr1.8-2.1%，Si0.7-1.0%，Mn0.8-1.1%，Mo0.2-0.4%，V0.3-0.5%，Nb0.03-0.05%，Ti0.02-0.04%，B0.002-0.003%，Ce0.02-0.04%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe。

另外，本发明还提供了一种制备上述中碳多元素低合金耐磨钢的方法，该方法包括如下步骤：

(1)将按照上述百分比配料的废钢、钼铁、增碳剂放入中频熔炼炉中进行熔炼，开始通电时，以50%功率加热，当电流较为稳定时，以95%功率加热；

(2)随着熔炼过程的进行，当炉中的钢料约有一半熔化时，依次加入铬铁、锰铁和硅铁；

(3)当大部分钢料熔化时，加入1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果对钢液成分进行适当调整；

(4)出钢温度控制在1580-1600℃，向炉中加入0.1%的铝进行脱氧处理，脱氧的同时把钒铁、硼铁、铌铁加入到熔炼炉中，2-3min后准备出钢；

(5)把钛、铈合金变质剂放在浇包的底部，钢水冲入浇包时候进行变质处理，细化晶粒；

(6)在1480-1500℃进行浇注；

(7)热处理工艺为：880-900℃加热，保温2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度220-260℃，回火时间2-4h。

结合以下3个实施例对本发明的多元素低合金耐磨钢做进一步的详细描述。

实施例1

按照质量百分比取C0.39%，Cr1.8%，Si0.7%，Mn0.8%，Mo0.2%，V0.3%，Nb0.03%，Ti0.02%，B0.002%，Ce0.02%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe。将称量好的废钢、钼铁、增碳剂放入中频感应熔炼炉；随着熔炼过程的进行，依次加入铬铁、锰铁、硅铁；当大部分钢料熔化时，加入1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果适当调整钢液成分；出钢温度控制在1580℃，向炉中加入0.1%的铝进行脱氧，同时把钒铁、硼铁、铌铁加入到熔炼炉中，2min后准备出钢；把钛、铈合金变质剂放在浇包的底部进行变质处理；浇注温度1480℃。热处理工艺为880℃加热，保温2h，出炉后油冷淬火，回火温度220℃，回火时间2h，材料的铸态组织是珠光体组织，热处理后的组织是马氏体组织，其硬度值为52HRC，冲击韧性值可达75J／cm²，抗拉强度为1600MPa。

结合4幅附图对本实施例的多元素低合金耐磨钢做进一步的详细描述。

利用OLYMPUS GX51金相显微镜，观察低合金耐磨钢的铸态和淬火态显微组织，使用4%的硝酸酒精作为腐蚀剂。图1是低合金钢铸态下放大1000倍的显微组织，从显微组织中可以看出，低合金钢的组织为珠光体与铁素体组织，其中黑色片状为珠光体，白色针状及块状为铁素体。图2是淬火态放大400倍的显微组织，回火马氏体的特征非常明显。

利用MMW-1型屏显式摩擦磨损万能试验机测定低合金耐磨钢的摩擦磨损性能，对比材料是ZGMn13，在180N的正压力、转速300r/min、测试时间1200s的磨损条件下，用Sartorius电子天平称量两种材料的磨损失重，表1是称量结果。从表1中可以看出，低合金耐磨钢的磨损失重是0.003g，高锰钢的磨损失重是0.008g，低合金耐磨钢在同等条件下的磨损失重只有高锰钢的37.5%，相对耐磨性是高锰钢的2.67倍。

利用JSM-5610LV型扫描电镜对上述工况条件下两种材料摩擦磨损后的表面形貌进行扫描。图3是ZGMn13的摩擦磨损形貌，图4是低合金耐磨钢的摩擦磨损形貌。从图3中可以看出，高锰钢的表面磨损形貌是很深的犁沟，而图4低合金耐磨钢的表面划痕较浅，说明在同样磨损条件下，多元素低合金耐磨钢的耐磨性能更优良。

表1

实施例2

按照质量百分比取C0.42%，Cr1.9%，Si0.9%，Mn1%，Mo0.3%，V0.4%，Nb0.04%，Ti0.03%，B0.003%，Ce0.03%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe。将称量好的废钢、钼铁、增碳剂放入中频感应熔炼炉；随着熔炼过程的进行，依次加入铬铁、锰铁、硅铁；当大部分钢料熔化时，加入1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果适当调整钢液成分；出钢温度1590℃，向炉中加入0.1%的铝进行脱氧，同时把钒铁、硼铁、铌铁加入到熔炼炉中，2.5min后准备出钢；把钛、铈合金变质剂放在浇包的底部进行变质处理；浇注温度1490℃。热处理工艺为890℃加热，保温2.5h，出炉后油冷淬火，回火温度240℃，回火时间3h，材料的铸态组织是珠光体组织，热处理后的组织是马氏体组织，其硬度值为54HRC，冲击韧性值可达60J／cm²，抗拉强度为1710MPa。

实施例3

按照质量百分比取C0.44%，Cr2.1%，Si1%，Mn1.1%，Mo0.4%，V0.5%，Nb0.05%，Ti0.04%，B0.003%，Ce0.04%，P≤0.035%，S≤0.035%，余量为Fe。将称量好的废钢、钼铁、增碳剂放入中频感应熔炼炉；随着熔炼过程的进行，依次加入铬铁、锰铁、硅铁；当大部分钢料熔化时，加入1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果适当调整钢液成分；出钢温度1600℃，向炉中加入0.1%的铝进行脱氧，同时把钒铁、硼铁、铌铁加入到熔炼炉中，3min后准备出钢；把钛、铈合金变质剂放在浇包的底部进行变质处理；浇注温度1500℃。热处理工艺为900℃加热，保温3h，出炉后油冷淬火，回火温度260℃，回火时间4h，材料的铸态组织是珠光体组织，热处理后的组织是马氏体组织，其硬度值为56HRC，冲击韧性值可达45J／cm²，抗拉强度为1740MPa。

Claims (5)

1.一种中碳多元素低合金耐磨钢，其成分质量百分比如下：

碳0.39-0.44%，铬1.8-2.1%，硅0.7-1.0%，锰0.8-1.1%，钼0.2-0.4%，钒0.3-0.5%，铌0.03-0.05%，钛0.02-0.04%，硼0.002-0.003%，铈0.02-0.04%，磷≤0.035%，硫≤0.035%，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的中碳多元素低合金耐磨钢，其中碳0.39%，铬1.8%，硅0.7%，锰0.8%，钼0.2%，钒0.3%，铌0.03%，钛0.02%，硼0.002%，铈0.02%，磷≤0.035%，硫≤0.035%，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的中碳多元素低合金耐磨钢，其中碳0.42%，铬1.9%，硅0.9%，锰1%，钼0.3%，钒0.4%，铌0.04%，钛0.03%，硼0.003%，铈0.03%，磷≤0.035%，硫≤0.035%，余量为铁。

4.根据权利要求1所述的中碳多元素低合金耐磨钢，其中碳0.44%，铬2.1%，硅1%，锰1.1%，钼0.4%，钒0.5%，铌0.05%，钛0.04%，硼0.003%，铈0.04%，磷≤0.035%，硫≤0.035%，余量为铁。

5.一种制备权利要求1至4中任一所述的中碳多元素低合金耐磨钢的方法，该方法包括：

(1)将按照上述百分比配料的废钢、钼铁、增碳剂放入中频熔炼炉中进行熔炼，开始通电时，以50%功率加热，当电流较为稳定时，以95%功率加热；

(2)随着熔炼过程的进行，当炉中的钢料约有一半熔化时，依次加入铬铁、锰铁和硅铁；

(3)当大部分钢料熔化时，加入1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果对钢液成分进行适当调整；

(4)出钢温度控制在1580-1600℃，向炉中加入0.1%的铝进行脱氧处理，脱氧的同时把钒铁、硼铁、铌铁加入到熔炼炉中，2-3min后准备出钢；

(5)把钛、铈合金变质剂放在浇包的底部，钢水冲入浇包时候进行变质处理，细化晶粒；

(6)在1480-1500℃进行浇注；

(7)热处理工艺为：880-900℃加热，保温2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度220-260℃，回火时间2-4h。

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