CN103343289B

CN103343289B - 一种高温抗磨铸钢及其制备方法

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Publication number: CN103343289B
Application number: CN201310272653.0A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 郑开宏; 马胜强; 高义民; 邢建东
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103343289A

Abstract

一种高温抗磨铸钢及其制备方法，属于高温耐磨材料技术领域。高温抗磨铸钢材料由质量分数为3～5%的中碳铬铁，8～10%的高碳铬铁，3.5～4.2%的铝，4.5～5.0%的钛铁和B4C，0.6～0.8%的稀土硅铁，1.0～1.2%的硅钙钡合金和75.5～78.5%的Q235废钢冶炼而成。而后经油冷淬火和高温回火，具有优良的强韧性和抗高温耐磨性，可用于制造高炉溜槽衬板，轧钢机导卫板，钢管穿孔机顶头和烧结矿筛板等高温抗磨部件。

Description

一种高温抗磨铸钢及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种抗磨铸钢及其制备方法，特别涉及一种高温抗磨铸钢及其制备方法，属于高温耐磨材料技术领域。

背景技术

磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小、零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能；功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性及安全性。零部件在高温磨损过程中，除了承受磨损外，高温还使金属基体发生氧化和软化，致使其抗磨性能进一步下降。

为了提高金属材料的高温抗磨性能，中国发明专利CN102912239A公开了一种高温耐磨钢及其生产方法，该高温耐磨钢主要由C、Si、Mn、Cr、Mo、Y、B、Ca、Fe元素所组成，该钢具有良好的强度、塑性和冲击韧性，具有良好的加工硬化性能和耐磨性能。这种钢的冶炼、铸造和热处理工艺简单，其化学成分中不含V和Ti，而且合金元素含量低，生产成本较低。该发明与现有技术相比较，具有强度和韧性指标高，内在质量稳定和生产成本低的优点，但存在高温抗磨性较差的不足。中国发明专利CN102234745A还公开了一种新型高温耐磨合金及其制备工艺，其特征在于由如下重量百分比的元素熔炼而成：C：2.3～3.1%；Cr：14～16%；W：1.8～2.2%；Mn：0.8～1.3%；S：0.01～0.1%；P：0.01～0.1%；Fe:余量。该发明所得合金产品经过测定：洛氏硬度为HRC62-66，冲击韧性为76.49KJ/mm²，在相同实验条件下，耐磨性是高锰钢的5倍。但是该材料中含有价格昂贵的钨元素，导致合金成本升高。中国发明专利CN1418975还公开了一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，该合金材料主要由Cr、Ni、C三种元素组成，其化学成分为，Cr(wt％)为47～73、Ni(wt％)为16～48、C(wt％)为4.0～12，其主要组织组成相是金属碳化物Cr₇C₃及被Cr、C元素过饱和的镍基固溶体。该超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料，可广泛应用于电力、能源、石油、化工、有色金属冶金、钢铁冶金、航空航天等工业装备中大量高温摩擦磨损机械运动副零部件的高温耐磨涂层的制备，或高温摩擦磨损机械运动副零部件的整体铸造成形。但是，该材料中含有较多价格昂贵的镍元素，生产成本高。中国发明专利CN1451773还公开了一种耐高温耐磨损高强度合金的制备方法，合金的成分为C0.05～0.08，Cr18.0～20.0，Mo4.5～5.5，Al1.2～1.5，Ti2.5～3.1，Fe8.0～10.0，Ce≤0.025，B≤0.005，Si≤0.4，Mn≤0.4，S≤0.01，P≤0.012，Ni余量，采用真空感应熔炼技术，加料顺序为：在坩埚中从下至上依次装入部分小块Ni+全部Cr、全部W、全部Mo、全部Fe+部分C+剩余小块Ni+长规格Ni，剩余C、全部Al、全部Ti在合金化期加入，全部CrB、全部Ce在合金化后期加入；精炼温度：1580±10℃；浇注温度：1450±10℃。用该发明方法制备出的合金在性能上可以达到甚至超过原仿制合金的技术指标。但是，该材料中含有较多价格昂贵的镍和钼元素，生产成本高。

中国发明专利CN1335417还公开了一种高温耐磨合金钢及其生产方法，其特征在于，它是采用下述组分和重量百分含量的原料通过熔炼和其它工艺流程生产制得的：77.5-79%的废钢，18.3-20.7%的高碳铬铁，0.67-1.00%的钼铁，0.33-0.50%的钒铁，适量的硅、锰脱氧剂，0.05-0.10%的钛铁，0.02-0.05%的锆，0.6-1.2%的铝和0.12-0.50%的稀土元素，这样制得的合金钢含碳1.45-1.70%，含铬11.0-12.5%，含钼0.4-0.6%，含钒0.15-0.30%，含钛0.02-0.05%，含锆0.02-0.05%，含铝0.6-1.2%，含稀土元素0.05-0.15%。但是，这种材料存在抗磨硬质相数量少，导致高温耐磨性不足。中国发明专利CN1088271还公开了一种高温耐磨合金及其制造技术。其特征在于：是孤立的细块状与细条状的M₇C₃等高硬度合金碳化物均匀、弥散分布于过饱和固溶强化程度与热稳定性较高的奥氏体基体上，同时又能产生热作硬化的铁基合金。其化学成分为wt%：1.5-3.5C,0.15-1.50Si,0.30-2.00Mn,≦0.04P,≦0.03S,15-35Cr,3.0-10.0Ni,1.0-3.0Mo,1.0-5.0W,0.6-2.0Cu,0.10-0.40N,余量为Fe，在上述成分范围内，主要合金元素的含量，应按照下述公式相互匹配：Cr/C＝5-12。但是，该材料中含有较多价格昂贵的镍、钼、钨等元素，生产成本高。中国发明专利CN85100649还公开了一种铸造镍基高温合金，该合金具有在高温(≥1200℃)下保持高温耐磨性和抗氧化性的特点，适用于制造轧钢厂高温加热炉部件，尤其是超高温磨损部件。优先选用的合金成分(重量)是：铬30-35%、钨10-15%、硅0.5-0.8%、锰0.4-0.8%、稀土0.1-0.2%或钙0.05-0.08%、碳0.40-0.50%、铁5%以下、镍46-52%，其它为杂质。由于含有较多价格昂贵的镍、钨元素，且铬含量也很高，导致材料成本高，合金冶炼性能差。

但是，目前所公开的各种高温抗磨材料或存在贵重合金元素加入量过多，导致材料生产成本高，或存在材料高温耐磨性不足等问题。

发明内容

本发明针对现有高温抗磨材料存在的不足，提出在抗高温氧化性能好的铸钢基体中，引入硬度高、热稳定性好和高温耐磨性优异的原位合成TiC和TiB2颗粒增强抗高温氧化性能好的铸钢基体，从而获得性能优异的高温抗磨铸钢。

本发明的任务是这样来完成的，一种高温抗磨铸钢，所述的高温抗磨铸钢材料的化学成分质量分数为：3～5%的中碳铬铁，8～10%的高碳铬铁，3.5～4.2%的铝，4.5～5.0%的钛铁和B₄C，0.6～0.8%的稀土硅铁，1.0～1.2%的硅钙钡合金，75.5～78.5%的Q235废钢。其中钛铁与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比。

本发明的另一任务是这样来完成的，上述所述的一种高温抗磨铸钢的制备方法，它包括以下步骤：

（1）将中碳铬铁、高碳铬铁和Q235废钢混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1560～1580℃时，加入铝，然后依次加入硅钙钡合金、稀土硅铁，当钢水温度达到1600～1620℃时出炉，钢水出炉过程中，将颗粒尺寸6～8mm、经350～400℃烘烤的钛铁和B₄C颗粒，随流冲入浇包；

（2）钢水经扒渣、静置后，当钢水温度降至1480～1500℃，将钢水浇入铸型，铸件浇注6～10h后开箱，切割浇冒口，清理残根、飞边和毛刺；

（3）将清理好的铸件重新加热至950～980℃，保温2～4h后油冷淬火，随后将铸件继续加热至500～550℃，保温8～12h后，炉冷至温度低于120℃后空冷，最后得到高温抗磨铸钢产品。

本发明高温抗磨铸钢中，加入3～5%的中碳铬铁和8～10%的高碳铬铁，主要是确保钢中具有一定数量的铬含量，而铬加入钢中，除了提高钢的抗高温氧化性能外，铬还与碳化合形成高硬度的Cr₇C₃型碳化物，有利于提高钢的耐磨性。本发明还加入3.5～4.2%的铝，主要是利用铝是非碳化物形成元素，进入基体，大幅度提高基体抗高温氧化性能。

本发明高温抗磨铸钢中加入硅钙钡合金，主要起脱氧和改善夹杂物形态与分布的作用，从而提高铸钢强度和韧性，虽然钡在钢液中的溶解度较低，但钡的加入使钙在钢液中的溶解度提高，因而提高了钙的利用率，使钙的脱氧作用和使夹杂物变性的作用得到发挥，促使钢液中的氧含量较快达到平衡；另一方面，钡参与脱氧反应，其生成物BaO与其它产物碰撞并结合的几率极大，能够迅速从钢液中上浮、排除，从而使钢中夹杂物数量减少，相应地降低了钢液的氧含量，合适的硅钙钡合金加入量为1.0～1.2%。加入0.6～0.8%稀土硅铁，可起脱氧、脱硫，净化金属液体，细化凝固组织，促进碳化物形态呈断网和孤立分布的作用，从而可提高铸钢的力学性能，此外，稀土还有提高氧化膜与金属基体结合强度的作用，对改善铸钢的抗氧化性能有益。

TiB₂和TiC具有硬度高、高温稳定性好等特点，加入铸钢中，可以改善铸钢耐磨性，本发明通过B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC反应，实现TiB₂和TiC颗粒的原位合成。TiB₂和TiC颗粒加入量过多，将增大钢的脆性，本发明通过加入4.5～5.0%的钛铁和B₄C，其中钛铁与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比，可实现改善铸钢耐磨性的目标。

本发明铸态组织中因铝的加入，会出现低硬度的铁素体和珠光体组织，导致铸钢硬度低、耐磨性差，通过950～980℃加热，保温2～4h后油冷淬火，可获得马氏体基体，有利于改善铸钢耐磨性，然后回火处理可以稳定组织、消除应力、防止铸件变形和开裂。

本发明中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～63.0%的Cr，1.5～2.0%的C，1.0～2.5%的Si，余量为Fe。

本发明高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe。

本发明硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe。

本发明钛铁的化学成分质量分数为：38.0～42.0%的Ti，4.0～7.0%的Al，1.0～2.5%的Si，余量为Fe。

本发明Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe。

本发明稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%的稀土，38.0～42.0%的Si，余量为Fe。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明材料硬度高，室温硬度大于60HRC，强韧性好，其中抗拉强度大于750MPa，冲击韧性大于25J/cm²；

2)本发明不含镍、钼、钨、钒等价格昂贵的合金元素，具有较低的生产成本；

3)本发明具有良好的耐热性，特别是TiB₂和TiC颗粒的生成，使本发明材料具有良好的抗高温磨损性能，在相同的高温磨损条件下，本发明材料在600℃下的高温耐磨性，比Cr26Mo3高铬铸铁材料提高30%以上，而生产成本降低25%以上。

4）本发明材料具有优良的强韧性和抗高温耐磨性，可用于制造高炉溜槽衬板，轧钢机导卫板，钢管穿孔机顶头和烧结矿筛板等高温抗磨部件。

具体实施方式

下面结合是实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

采用500公斤中频感应电炉熔炼高温抗磨铸钢，高温抗磨铸钢材料由质量分数为3%的中碳铬铁（中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～63.0%的Cr，1.5～2.0%的C，1.0～2.5%的Si，余量为Fe），10%的高碳铬铁（高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe），3.5%的铝，5.0%的钛铁（钛铁的化学成分质量分数为：38.37%的Ti，4.55%的Al，1.38%的Si，余量为Fe）和B₄C，其中钛铁与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比，0.6%的稀土硅铁（稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%的稀土，38.0～42.0%的Si，余量为Fe），1.2%的硅钙钡合金（硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe）和76.7%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe）冶炼而成。其工艺步骤如下：

（1）将质量分数3%的中碳铬铁，10%的高碳铬铁和76.7%的Q235废钢混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1563℃时，加入3.5%的铝，然后依次加入1.2%的硅钙钡合金、0.6%的稀土硅铁，当钢水温度达到1606℃时出炉，钢水出炉过程中，将颗粒尺寸6～8mm，经400℃烘烤2h且质量分数为5.0%的钛铁和B₄C颗粒，随流冲入浇包。

（2）钢水经扒渣、静置后，当钢水温度降至1481℃，将钢水浇入铸型，铸件浇注6h后开箱，切割浇冒口，清理残根、飞边和毛刺。

（3）将清理好的铸件重新加热至980℃，保温2h后油冷淬火，随后将铸件继续加热至550℃，保温8h后，炉冷至温度低于120℃后空冷，最后得到高温抗磨铸钢产品。其力学性能见表1。

实施例2：

采用1000公斤中频感应电炉熔炼高温抗磨铸钢，高温抗磨铸钢材料由质量分数为5%的中碳铬铁（中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～63.0%的Cr，1.5～2.0%的C，1.0～2.5%的Si，余量为Fe），8%的高碳铬铁（高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe），4.2%的铝，4.5%的钛铁（钛铁的化学成分质量分数为：41.75%的Ti，6.51%的Al，2.35%的Si，余量为Fe）和B₄C，其中钛铁与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比，0.8%的稀土硅铁（稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%的稀土，38.0～42.0%的Si，余量为Fe），1.0%的硅钙钡合金（硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe）和76.5%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe）冶炼而成。其工艺步骤如下：

（1）将质量分数5%的中碳铬铁，8%的高碳铬铁和76.5%的Q235废钢混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1569℃时，加入4.2%的铝，然后依次加入1.0%的硅钙钡合金、0.8%的稀土硅铁，当钢水温度达到1612℃时出炉，钢水出炉过程中，将颗粒尺寸6～8mm，经380℃烘烤3h且质量分数为4.5%的钛铁和B₄C颗粒，随流冲入浇包。

（2）钢水经扒渣、静置后，当钢水温度降至1494℃，将钢水浇入铸型，铸件浇注10h后开箱，切割浇冒口，清理残根、飞边和毛刺。

（3）将清理好的铸件重新加热至960℃，保温3h后油冷淬火，随后将铸件继续加热至530℃，保温10h后，炉冷至温度低于120℃后空冷，最后得到高温抗磨铸钢产品。其力学性能见表1。

实施例3：

采用500公斤中频感应电炉熔炼高温抗磨铸钢，高温抗磨铸钢材料由质量分数为4%的中碳铬铁（中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～63.0%的Cr，1.5～2.0%的C，1.0～2.5%的Si，余量为Fe），9%的高碳铬铁（高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0%的Cr，7.0～8.5%的C，2.0～3.5%的Si，余量为Fe），3.7%的铝，4.6%的钛铁（钛铁的化学成分质量分数为：39.09%的Ti，5.30%的Al，1.96%的Si，余量为Fe）和B₄C，其中钛铁与B₄C按反应B₄C+3Ti=2TiB₂+TiC配比，0.7%的稀土硅铁（稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0%的稀土，38.0～42.0%的Si，余量为Fe），1.1%的硅钙钡合金（硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45%的Si、10～12%的Ca、10～12%的Ba、≤0.8%的C、≤0.04%的P、≤0.06%的S，余量为Fe）和76.9%的Q235废钢（Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22%的C，0.30～0.65%的Mn，≤0.30%的Si，≤0.050%的S，≤0.045%的P，余量为Fe）冶炼而成。其工艺步骤如下：

（1）将质量分数4%的中碳铬铁，9%的高碳铬铁和76.9%的Q235废钢混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1578℃时，加入3.7%的铝，然后依次加入1.1%的硅钙钡合金、0.7%的稀土硅铁，当钢水温度达到1620℃时出炉，钢水出炉过程中，将颗粒尺寸6～8mm，经350℃烘烤3h且质量分数为4.6%的钛铁和B₄C颗粒，随流冲入浇包。

（2）钢水经扒渣、静置后，当钢水温度降至1497℃，将钢水浇入铸型，铸件浇注10h后开箱，切割浇冒口，清理残根、飞边和毛刺。

（3）将清理好的铸件重新加热至950℃，保温4h后油冷淬火，随后将铸件继续加热至500℃，保温12h后，炉冷至温度低于120℃后空冷，最后得到高温抗磨铸钢产品。其力学性能见表1。

本发明材料硬度高，强韧性好，还具有良好的耐热性，特别是TiB₂和TiC颗粒的生成，使本发明材料具有良好的抗高温磨损性能，在相同的高温磨损条件下，本发明材料在600℃下的高温耐磨性，比Cr26Mo3高铬铸铁材料提高30%以上，而生产成本降低25%以上。本发明材料可用于制造高炉溜槽衬板，轧钢机导卫板，钢管穿孔机顶头和烧结矿筛板等高温抗磨部件。推广应用本发明材料，具有显著的经济和社会效益。

表1高温抗磨铸钢力学性能

Claims

1.一种高温抗磨铸钢，其特征在于，所述的高温抗磨铸钢材料的化学成分质量分数为：3～5％的中碳铬铁，8～10％的高碳铬铁，3.5～4.2％的铝，4.5～5.0％的钛铁和B₄C，0.6～0.8％的稀土硅铁，1.0～1.2％的硅钙钡合金，75.5～78.5％的Q235废钢，其中钛铁与B₄C按反应B₄C+3Ti＝2TiB₂+TiC配比；

中碳铬铁的化学成分质量分数为：60.0～63.0％的Cr，1.5～2.0％的C，1.0～2.5％的Si，余量为Fe；

高碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0％的Cr，7.0～8.5％的C，2.0～3.5％的Si，余量为Fe；

硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45％的Si、10～12％的Ca、10～12％的Ba、≤0.8％的C、≤0.04％的P、≤0.06％的S，余量为Fe；

钛铁的化学成分质量分数为：38.0～42.0％的Ti，4.0～7.0％的Al，1.0～2.5％的Si，余量为Fe；

Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22％的C，0.30～0.65％的Mn，≤0.30％的Si，≤0.050％的S，≤0.045％的P，余量为Fe；

稀土硅铁的化学成分质量分数为：27.0～30.0％的稀土，38.0～42.0％的Si，余量为Fe。

2.制备权利要求1的一种高温抗磨铸钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将中碳铬铁、高碳铬铁和Q235废钢混合加热熔化，钢水熔清后，当钢水温度达到1560～1580℃时，加入铝，然后依次加入硅钙钡合金、稀土硅铁，当钢水温度达到1600～1620℃时出炉，钢水出炉过程中，将颗粒尺寸6～8mm、经350～400℃烘烤的钛铁和B₄C颗粒，随流冲入浇包；

(2)钢水经扒渣、静置后，当钢水温度降至1480～1500℃，将钢水浇入铸型，铸件浇注6～10h后开箱，切割浇冒口，清理残根、飞边和毛刺；

(3)将清理好的铸件重新加热至950～980℃，保温2～4h后油冷淬火，随后将铸件继续加热至500～550℃，保温8～12h后，炉冷至温度低于120℃后空冷，最后得到高温抗磨铸钢产品。