CN103556064A - 亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法 - Google Patents

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CN103556064A
CN103556064A CN201310507159.8A CN201310507159A CN103556064A CN 103556064 A CN103556064 A CN 103556064A CN 201310507159 A CN201310507159 A CN 201310507159A CN 103556064 A CN103556064 A CN 103556064A
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丁家伟
丁刚
郭长庆
符寒光
张莹
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丁家伟
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Abstract

本发明为一种亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法,其化学成分按重量百分比为:0.20~0.5%C,12~26%Cr,0.5~1.2%Si,3.5~5.5%Mn,0.3~3.2%B,0.3-2.4%Cu,0.2-0.6%Ti,0.05-0.25%Ca,0.03-0.3%Ce,0.02-0.18%N,0.05~0.3%Nb,0.04~0.09%Al,0.1~0.5%SiMgRe,0.04-0.13%K,S<0.03%,P<0.04%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。废钢、铬铁熔化后加入铜板、硅铁、锰铁,炉前调整成分合格后,将熔体温度升至1560-1620℃,加入硅钙合金和铝脱氧,依序加入钛铁和硼铁熔化出炉;将小于12mm的颗粒状稀土镁合金和金属铈、Si3N4、VN、Nb和K所组成的复合变质孕育剂经烘烤后放在钢水包底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理,钢水浇注温度为1400~1450℃;铸件在700~780℃温度下保温4-6小时进行亚临界空淬,即可得到本发明合金钢。

Description

亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域,涉及一种铸造耐磨模具钢及其制备方法,特别是一种亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制造方法。
背景技术
现代科技的发展对材料的要求越来越高,磨损是矿山、冶金、机械、电力、煤炭、石油、建材、交通等工业部门普遍存在并成为引起设备损坏或材料失效和能源消耗的一个重要原因,也是机械零件三种主要的失效形式之一,研究和发展新一代耐磨材料,减少金属磨损,对国民经济具有重要的意义。目前广泛应用的金属耐磨材料主要有合金钢和铸铁基耐磨材料,前者韧性好,但存在硬度低和耐磨性差的不足。铁基耐磨材料可分为两大类,一类是组织中含有大量地、粗大地、高硬度地硬质相(≥5%vo1.);另一类是组织中没有或只含有少量地硬质相。由于硬质相的耐磨性高于基体,所以硬质相自然成为耐磨材料的耐磨骨架。传统的白口铸铁是这一类耐磨材料的典型代表。在白口铸铁中,组织中含有约10%vo1.的M3C型或M7C型碳化物。因为M3C型或M7C型碳化物具有高硬度,因而,白口铸铁具有高耐磨性。在铁基耐磨材料中,目前发现的可以作为耐磨骨架的硬质相主要有两大类,一类为碳化物;另一类为硼化物。目前,人们对以碳化物作为耐磨骨架的铁基耐磨材料研究的较多,而对于以具有更高硬度的硼化物作为耐磨骨架的铁基耐磨材料却研究的很少。由于白口铸铁具有高硬度和高耐磨性,因而目前在金属耐磨材料领域仍然大量使用该类材料,但该类材料存在脆性大,使用中易剥落甚至开裂的不足,因而无法满足现代工业发展对高性能耐磨材料的要求。因此,开发生产工艺简单、生产成本低廉、强度和韧性高、淬透性和淬硬性好的新一代钢铁耐磨材料,在磨料磨损工况下取代目前广泛使用的普通耐磨材料,无疑具有十分重要的意义。
为提高金属耐磨材料的抗磨性能,满足应用要求,近年来,国内外开展了大量的研究,开发出了大量的新型高性能耐磨材料。中国发明专利CN1039267公开了一种耐磨高铬铸铁的组成及其制备工艺,该材料的化学成分(按重量百分比)为:2.9~3.2%C,0.4~0.8%Si,0.4~1.0%Mn,1.2~2.0%Mo,18.0~20.0%Cr,4.0~5.0%V,0.8~1.2%Cu,0.05~0.5%RE,P<0.08%,S<0.05%,其余为铁。该耐磨高铬铸铁与普通耐磨材料相比,具有耐磨损,机械性能好,热处理工艺简单,能耗低等优点,适合于制作工作环境苛刻的耐磨零部件。但该种耐磨铸铁中含有较多的钒、钼等合金元素,生产成本高,且还存在着高温热处理时易开裂,材料的脆性大,使用中易剥落甚至开裂等不足。为了提高高铬白口铸铁的韧性,中国发明专利CN1115339公开了铬系白口铸铁复合孕育剂,该孕育剂选用对铬系白口铸铁凝固起孕育作用的C、Cr、Fe三元素的同时,通过添加Si、Mg、RE合金元素,以改变第二相形态和分布,起到对金属熔体的变质作用,在工艺上采用了孕育与变质相结合的技术路线。采用该发明可以使铬系白口铸铁的冲击功达到4.5J,使冲击韧性提高60%,断裂韧性达到32MPa.m1/2,提高30%,抗拉强度达到668MPa。但该材料的脆性仍然较大,在重载、冲击磨损工况下使用,安全可靠性较低。
硼是我国富产元素,总贮量占世界第五位。大量研究表明,在钢中加入适量硼,通过调节合金中硼含量和碳含量可以实现对硼化物体积百分数及基体含碳量的控制,使材料具有优异的耐磨性和强韧性。在白口铸铁中加入微量硼还可以细化共晶碳化物,改善碳化物的形态和分布,提高白口铸铁力学性能。在工程应用中已经证实,硼加入结构钢中可以代替一部分或全部镍、铬、锰、钼等,在汽车工业中用硼钢代替40Cr钢,其使用寿命不低于铬钢。开发以硼为主要合金元素的金属耐磨材料,使其具有良好的淬硬性和淬透性,贵重合金元素加入量少,生产成本低廉,熔炼工艺简单,成形性好,无污染,同时采用金属熔体净化和变质处理工艺,改善含硼合金材料的组织形态,使其具有良好的强韧性和耐磨性,在耐磨材料领域将具有广泛的应用前景。为此中国发明专利CN1624180公开了一种高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法,该高硼铸造铁基耐磨合金的主要化学成分(重量%)为:0.15~0.70%C,0.3~1.9%B,0.4~0.8%Si,0.6~1.3%Mn,0.3~0.80%Cr,0.05~0.25%Ce,0.02~0.10%La,0.005~0.018%Ca,0.04~0.18%K,0.08~0.25%Al,P<0.04%,S<0.04%,其余为Fe。该合金经热处理后可以获得板条状马氏体加高硬度硼化物组成的复合组织,使材料具有较好的综合性能,但硼化物呈连续网状分布,使材料的脆性较大。为提高高硼合金韧性,国内外进行了大量的研究。中国发明专利CN1804091公开了铸造高硼耐磨合金的韧化方法,该方法是将化学成分为:0.30~0.35%C,1.0~1.5%B,0.6~0.8%Si,0.8~1.0%Mn,P<0.04%,S<0.04%,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。其韧化方法为:先将钢液熔炼并用铝脱氧后,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为铸造高硼耐磨合金的0.75~1.0%。经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在基体中。由于该工艺没有将硼化物变成颗粒状,仅仅是大块状分布,因此仍然存在材料的脆性大,韧性不太高,仅为12.5J,无法满足在重载、冲击磨损工况下的安全使用。
前苏联专利号SU1,447,926公开的一种“高强度和高冲击韧性高硼合金制造方法”,该高硼合金的化学成分为:0.2~0.50%C,2.1~3.5%B,0.15~0.6%Si,0.25~0.80%Mn,0.2~0.80%Sb,该合金组成中含有较多的锑,将显著增加高硼合金的生产成本,且含硼量较高,合金组织中硼化物数量增加,不利于高硼合金韧性的改善。
为提高高铬铸铁的耐磨性能,降低高铬铸铁的生产成本,日本专利JP3150334-A、JP93041691-B公开了一种含硼高铬铸铁,其主要化学成分为:2.7~3.5%C,0.2~1.0%Si,0.5~1.5%Mn,27~34%Cr,0.5~2.0%Mo,0.5~2.0%W,≤0.1%B,该高硼高铬铸铁经过950~1100℃正火和200~500℃回火后,硬度达到62HRC以上,冲击强度超过0.23。由于硼含量较少,为了提高淬透性,因此在合金中加入了0.5~2.0%Mo,且含铬量较高,增加了生产成本。
为降低生产成本,提高高铬铸铁的性能,中国发明专利CN101260497A公开了含硼高铬耐磨铸铁及其制造方法,其特征在于含硼高铬耐磨铸铁的化学成分为(重量%):2.5~3.5%C,15~28%Cr,0.5~1.2%Si,0.5~1.2%Mn,0.15~0.3%B,0.008~0.03%Ca,0,03~0.08%Ba,0.02~0.05%Sr,0.03~0.08%Al,0.20~0.50%Ti,0.02~0.06%La,0.02~0.06%Ce,P<0.04%,S<0.04%,其余为Fe,且0.05%≤La+Ce≤0.10%,6.0≤Cr+C≤8.0。该硼高铬耐磨铸铁的制造方法为:将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化,铁水熔清后加入硅铁和锰铁调整成分合格后将温度升至1560~1600℃,加入硅钙合金预脱氧,预脱氧1~2分钟后,加入铝终脱氧,终脱氧1~2分钟后,加入钛铁,钛铁加入1~2分钟后,加入硼铁,硼铁加入1~2分钟后出炉;将钡硅合金、锶硅合金、铝、钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度为4~10mm的小块,经150~180℃烘干后,置于浇包底部,用包内冲入法对铁水进行变质处理,然后将变质处理后的铁水温度在1420~1480℃浇注成铸件;将所浇注的铸件在980~1050℃经4~6小时保温后进行正火处理,然后在250~500℃进行回火处理,回火保温时间8~10小时,制得含硼高铬耐磨铸铁。该发明与已有技术相比具有以下优点:①采用廉价硼取代昂贵的钼、镍等合金元素,改善高铬铸铁的淬透性,降低高铬铸铁生产成本30~50%。②采用镧铈混合稀土、钛、钙、锶、钡、铝等元素细化凝固组织,减轻元素偏析,改善碳化物形态和分布,提高含硼高铬耐磨铸铁的强度和韧性,其中抗拉强度超过580MPa,冲击韧性大于10J/cm2,硬度大于62HRC。③采用硅-钙合金脱氧,铝终脱氧,同时采用钛固定铁液中的氮,稳定并提高了硼元素的收的率,硼的收的率大于92%,比普通方法提高硼收的率10%以上,使含硼高铬铸铁性能稳定。④该含硼高铬铸铁具有优异的耐磨性,达到甚至超过了含钼、镍高铬白口铸铁水平。但该含硼高铬耐磨铸铁由于含硼量小(0.15~0.3%),合金中的硼化物含量少,使其耐磨性能仍然较低;由于含硼高铬耐磨铸铁中的碳含量高(2.5~3.5%C),使其韧性较低,在重载、大冲击磨损工况下使用其安全性能差;由于采用较多的合金进行变质处理,造成变质处理工艺复杂,成本增加。
中国发明专利CN 101660097B公开了高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法,其特征在于高硼高铬低碳耐磨合金钢的化学成分为(重量%):0.10~0.5%C,3~26%Cr,0.5~1.2%Si,0.5~1.5%Mn,0.3~2.8%B,0.3-2.6%Cu,0.2-0.6%Ti,0.02-0.15%Ca,0.03-0.25%Ce,0.02-0.18%N,0.05~0.3%Nb,0.04~0.09%Al,0.02~0.15%Mg,0.04-0.13%K,S<0.03%,P<0.04%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。该专利虽然经营硬度高、耐磨性和热稳定好的高含量的硼化物和高含量的具有高硬度的铬及铬的碳化物作为耐磨合金的硬质相,硼化物镶嵌在高韧性的马氏体基体上,获得具有高强韧性、高耐磨性,不含镍和钼元素的低成本高硼高铬低碳耐磨合金钢。但是该材料在高冲击应力工况下的强韧性仍然不足,从而限影响了该材料工业化应用。
含硼高铬铸铁尽管具有良好的耐磨性能,但是硼元素的加入造成碳化物数量和硼化物数量的增加,将引起高铬铸铁合金的韧性降低,如果要提高韧性则需加入钼、镍等昂贵合金元素,使生产成本增加。因此,含硼高铬铸铁虽然在国内外均进行了研究,但由于其强度和韧性未有得到解决,致使其一直未能得到广泛推广和应用。
众所周知,材料在巨大局部载荷作用下不损坏的关键是具有韧性好的基体。为此,近年来,国内外开展了奥氏体高铬铸铁的研究和开发,已取得了较好的应用效果。亚稳奥氏体基耐磨材料在使用中的一个显著特点就是具有加工硬化性能。此种材料工作时,奥氏体基体可承受局部冲击,且产生一定的加工硬化效果,在较大的冲击力或摩擦力作用下,处于亚稳状态下的奥氏体基耐磨材料表层发生塑性变形,诱发材料表面组织中的奥氏体向马氏体转变,产生强烈的加工硬化现象,使材料表层不断的层层硬化,硬度比使用前急剧提高。根据冲击摩擦能量大小的不同,表层硬度约提高HRC(5~15)个单位。同时由于硼化物颗粒增强耐磨材料心部仍保持奥氏体组织所有的强韧性,能抑制裂纹的扩展作用,降低了硼化物颗粒增强耐磨材料的破裂和剥落倾向,尤其是降低了硼化物、碳化物断裂和剥落的程度,极大地提高了合金的抗冲击磨损能力。可以说,碳化物和奥氏体双相组织在磨损过程中互相支撑,相得益彰。具有这样显微组织的材料能够承受恶劣的工作条件。在合适的工作条件下,其抗磨性可达到甚至超过热处理状态的马氏体白口铸铁。
由于亚稳奥氏体塑性变形能力较好,它与碳化物界面的结合强度也较高,同时在冲击作用下,由于能产生加工硬化而使材料表面硬度提高,从而起到支撑和保护碳化物的作用。而马氏体基体由于变形能力小,抵抗裂纹扩展能力差,当物体在马氏体表面发生磨损时,材料表面局部区域受很大应力,极易使裂纹扩展,对硬脆的硼化物和碳化物破坏作用很大。在冲击和凿削作用下极容易产生疲劳剥落和脆性剥落致使失重量增大,这时需要提高材料的显微韧性,增加局部应力集中的缓和能力才可以提高耐磨性。因此,在冲击磨损条件下,马氏体基体材料的耐磨性不如奥氏体基体的好。
但是,铸造合金所形成的奥氏体基体的亚稳状态,与碳钢的残余奥氏体不同,它要具有一定的相对稳定性,而在摩擦磨损时表层又易于形变诱发马氏体相变。同时,这种合金还有较高的冲击韧性。
更为重要的是,当耐磨材料的奥氏体组织处于亚稳状态时,在摩擦磨损过程中,表层奥氏体基体产生大量位错和层错。不同滑移系中的位错相互交截、缠结、制约着彼此运动,从而形成位错丛聚,构成亚晶界位错墙。而位错丛聚区及层错区也正是α马氏体和ε马氏体的形核地,在摩擦应力作用下,表层亚稳奥氏体在磨损过程中诱发(α+ε)马氏体相变,从而磨损表面以形成α马氏体为主,次表层以形成ε马氏体为主,使表层硬度得以大幅度提高,远远大于普通奥氏体加工硬化所达到的硬度。并且形成一个从表层向心部的负的硬度梯度,增强了合金的抗冲击磨损能力。另外,由于合金中的奥氏体基体处于亚稳状态,当表面诱发相变马氏体硬化层磨掉之后,下面的奥氏体在摩擦应力作用下继续诱发相变马氏体产生。从能量角度来看,表层亚稳奥氏体在磨损过程中诱发马氏体相变,必然要吸收和消耗部分能量。这样,就造成磨损破裂的畸变能中有一部分消耗于这种组织转变,从而使材料磨损减少,即材料耐磨性提高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足,提供一种以硬度高、耐磨性好,并具有高强韧性、高硼化物含量的具有高硬度的铬及铬的碳化物作为耐磨合金的硬质相,硼化物镶嵌在高韧性的马氏体基体上,获得具有高强韧性、高耐磨性,不含镍和钼元素的低成本亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制造方法。
为实现上述目的,本发明可以通过以下基本化学成分的设计和技术方案来实现:
本发明所提供的一种亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢化学成分及其质量百分比为;0.20~0.5%C,12~26%Cr,0.5~1.2%Si,3.5~5.5%Mn,0.3~3.2%B,0.3-2.4%Cu,0.2-0.6%Ti,0.05-0.25%Ca,0.03-0.3%Ce,0.02-0.18%N,0.05~0.3%Nb,0.04~0.09%Al,0.1~0.5%SiMgRe,0.04-0.13%K,S<0.03%,P<0.04%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。
为提高材料的抗磨损性能,还可以在上述基本化学成分配比中添加有至少一种或两种以上的可形成碳化物、氮化物、硼化物和碳-硼化物的添加元素钼、镍、钒、钨,它们各自的质量百分比含量为:0.5~3.0%Mo,0.50~3.5%W,0.5~5.5%V,和为使所添加的Mo、W、V合金元素形成碳化物而将含碳量提高到C<0.50~1.1%,合金中保持低的含碳量,可以使本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢具有良好的抗断裂韧性、耐热疲劳性和抗热冲击性能。
本发明所提供的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制造方法,其制造工艺步骤是:
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1620℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、Si3N4、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内变质孕育处理过的钢水在砂型或金属型内浇注成铸件,或在离心机上采用离心复合铸造法浇注成外层为亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢,内层为铸铁、合金铸铁、球墨铸铁或低合金钢的双金属复合材料,熔体浇注温度1400~1450℃;
(4)铸件清理后,在700~780℃温度下保温4-6小时进行亚临界空淬,将基质分解成铁素体和碳化物的混合体,使其基体形成亚稳奥氏体组织,并使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,或经机械加工后,将铸件或加工件在920~1150℃保温2-4小时进行热处理,使其硬化以形成亚稳奥氏体,然后进行空冷到室温,以便在合金基质中形成马氏体显微组织,经过该热处理工艺处理后的材料的硬度可以达到HRC50~65。如果需要,可以将热处理后的材料在150~200℃进行回火处理,回火保温时间2-4小时,随炉空冷至室温,以进一步调整硬度。
有益效果
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
1、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢,通过在基体中添加奥氏体化合金元素锰,使其形成含硼亚稳奥氏体基体,形成铸态奥氏体组织,通过采用微量元素变质处理使铁-硼合金中硼化物团球化,使Fe-Cr-B合金组织中原先呈连续地、网状分布的硼化物M2B转变为孤立的团球状均匀地分布在基体上,从而大幅度的提高材料的冲击韧性。在冲击磨损条件下,奥氏体组织因摩擦形变产生大量位错、层错而诱发马氏体相变,使硬度急剧升高而抗磨。而且,次表层的奥氏体易于变形,从而减缓了疲劳裂纹的产生和发展,尤其是降低了硼化物、碳化物断裂和剥落的程度。使硼化物、碳化物和奥氏体双相组织在磨损过程中互相支撑,相得益彰,从而使其达到高硬度材料的水平并保持有足够高的强韧性和高抗冲击耐磨性、抗冲刷腐蚀性能的综合性能指标,从而实现其在高冲击磨损工况下等高可靠性磨损领域的工业化应用。
2、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢由于采用廉价的硼取代昂贵的镍、钼等合金,生产成本低,可比高铬铸铁降低生产成本30~50%。
3、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢由于基体中含碳量极低,因而具有较高的耐冷热疲劳性、抗断裂韧性和抗热冲击性能,可以满足热作工况对模具材料的要求。
4、本发明的高亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢由于含有大量的高硬度硼化物,除了改善淬透性外,可以大幅度的提高耐磨性能,可比高铬白口铸铁提高30~50%。
5、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢由于含有大量的铬,具有良好的抗氧化性能、耐腐蚀性能。
6、为改善和提高本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢的性能,可以在本发明的基体钢成分中加入适量的钼、镍、钒合金元素,从而进一步的提高了合金材料的可淬性和硬度,改进高温下的抗软化性、耐磨性能。
7、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢可以采用普通电炉熔炼,原料选用普通废钢、铬铁、铜板、锰铁、硅铁、硼铁直接生产,采用钛铁、铌铁、铈基稀土镁合金和含氮物质及碱金属钾进行包内冲入法复合变质孕育处理。经变质处理后的合金中的硼化物呈孤立的团球状均匀地分布在强韧性好的马氏体基体上,使冲击韧性得到明显的改善,冲击韧性ak达到10~12J/cm2,较之变质处理前提高约30%,生产工艺简便。
8、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢具有很好的流动性和铸造成性能,可以采用普通砂型铸造、消失模铸造、失蜡精密铸造、金属型铸造和树脂砂型铸造、离心复合铸造等方法成型,铸件不易沾砂,浇冒口易于清理,可以直接铸造成各种形状的产品。
9、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢可以在700~780℃下进行淬火,使其基体形成亚稳奥氏体组织,使合金硬度降低到30~35HRC以下,以便于进行机械加工;可以在920~1150℃范围内的温度下进行热处理,使其硬化以形成亚稳奥氏体,然后采用空冷硬化,以便在合金基体中形成马氏体组织,还可以将热处理后的材料在150~200℃进行回火处理,使合金硬化后的硬度达到HRC50~65,硬度变化范围大,可以满足不同工况的使用要求,热处理工艺简单,成本低廉。
10、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢具有良好的可焊接性、可气割性能。
11、本发明的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢适用范围广,可以广泛应用汽车、摩托车、农机和机械制造等工业生产中的压力铸造、挤压铸造、重力铸造、锻造成型等所需的热作模具;应用于冶金轧辊、玻璃成型模具、泥浆泵泵壳和叶轮、焊管挤压辊、铜精锻模具、热镦模具和铜压铸模具、铝压铸模具、耐火砖成型模具、破碎机锤头、磨辊、球磨机衬板等领域。抗高温性能好,高温工况下使用不软化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。
实施例1
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1600℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、Si3N4、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内变质孕育处理过的钢水在砂型内浇注成铸件,熔体浇注温度1400~1430℃;
(4)铸件清理后,在700~750℃温度下保温4小时进行亚临界退火,使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,或铸件经过机械加工后,将铸件或加工件在980℃保温4小时进行热处理,使其硬化以形成奥氏体,然后进行空冷到室温,可获得强韧性和耐磨性较好的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢。化学成分见表1,铸钢的力学性能见表2。
表1亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢化学成分(重量百分比)
表2亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢力学性能
硬度,HRC 抗拉强度,MPa 冲击韧性,J/cm2 断裂韧性/MPa·m1/2
50.9 674.8 13.9 35.7
实施例2
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1600℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、Si3N4、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内变质孕育处理过的钢水在金属型内浇注成铸件,熔体浇注温度1420~1450℃;
(4)铸件清理后,在700~750℃温度下保温5小时进行亚临界退火,使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,或铸件经过机械加工后,将铸件或加工件在1000℃保温4小时进行热处理,使其硬化以形成奥氏体,然后进行空冷到室温,可获得强韧性和耐磨性较好的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢。化学成分见表3,铸钢的力学性能见表4。
表3亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢化学成分(重量百分比)
元素 C B Ti Cr Cu Si Mn Nb
含量 0.25 1.89 0.35 18.0 0.95 0.90 3.8 0.15
元素 SiMgRe Ce K N Ca Al Fe
含量 0.4 0.14 0.08 0.12 0.07 0.1 余量
表2高硼高铬低碳耐磨合金钢力学性能
硬度,HRC 抗拉强度,MPa 冲击韧性,J/cm2 断裂韧性/MPa·m1/2
55.7 681.3 12.5 32.6
实施例3
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1600℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、Si3N4、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内变质孕育处理过的钢水在离心机上采用离心复合铸造法浇注成外层为高硼高铬低碳耐磨合金钢,内层为铸铁、合金铸铁、球墨铸铁或低合金钢的冶金轧辊或其它双金属复合材料,熔体浇注温度1400~450℃;
(4)铸件清理后,在700~750℃温度下保温6小时进行亚临界退火,将基质分解成铁素体和碳化物的混合体,使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,或铸件经过机械加工后,将铸件或加工件在1050℃保温4小时进行热处理,使其硬化以形成奥氏体,然后进行空冷到室温,可获得强韧性和耐磨性较好的外层为亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢双金属复合材料。化学成分见表5,铸钢的力学性能见表6。
表5亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢化学成分(重量百分比)
元素 C B Ti Cr Cu Si Mn
含量 0.29 1.98 0.35 17.5 0.48 1.0 4.2
元素 Nb SiMgRe Ce K N Ca Fe
含量 0.1 0.3 0.17 0.1 0.1 0.06 余量
表6亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢力学性能
硬度,HRC 抗拉强度,MPa 冲击韧性,J/cm2 断裂韧性/MPa·m1/2
51.5 685.6 11.7 29.4
实施例4
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁、钼铁、镍铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1620℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、VN、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内进行变质孕育处理过的钢水在离心机上采用离心复合铸造法浇注成外层为高硼高铬低碳耐磨合金钢,内层为铸铁、合金铸铁、球墨铸铁或低合金钢的双金属复合材料,熔体浇注温度1400~1450℃;
(4)铸件清理后,在700~750℃温度下保温6小时进行亚临界退火,将基质分解成铁素体和碳化物的混合体,使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,进行机械加工,将铸件或加工后的工件在1050℃保温2-4小时进行热处理,然后进行空冷到室温,再将热处理后的工件在150~180℃进行回火处理,回火保温时间4小时,随炉空冷至室温,可获得强韧性和耐磨性较好的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢。化学成分见表7,铸钢的力学性能见表8。
表7亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢化学成分(重量百分比)
元素 C B Ti Cr Cu Si Mn Nb SiMgRe
含量 0.50 1.92 0.38 17.0 0.75 0.60 4.5 0.13 0.4
元素 Ce K N Ca Mo Ni V Fe
含量 0.14 0.08 0.07 0.02 0.50 1.1 0.3 余量
表8亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢力学性能
硬度,HRC 抗拉强度,MPa 冲击韧性,J/cm2 断裂韧性/MPa·m1/2
60.2 687.9 11.2 27.2
实施例5
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁、钼铁、镍铁、钨铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1620℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、VN、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好后,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内进行变质孕育处理过的钢水砂型内浇注成铸件,或在离心机上采用离心复合铸造法浇注成外层为高硼高铬低碳耐磨合金钢,内层为铸铁、合金铸铁、球墨铸铁或低合金钢的双金属复合材料,浇注温度1400~1450℃;
(4)铸件清理后,在700~750℃温度下保温6小时进行亚临界退火,将基质分解成铁素体和碳化物的混合体,使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,进行机械加工,将铸件或加工后的工件在1050℃保温2-4小时进行热处理,然后进行空冷到室温,再将热处理后的工件在150~180℃进行回火处理,回火保温时间4小时,随炉空冷至室温,可获得强韧性和耐磨性较好的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢。化学成分见表9,铸钢的力学性能见表10。
表9亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢化学成分(重量百分比)
元素 C B Ti Cr Cu Si Mn Nb SiMgRe Ce
含量 0.86 2.45 0.38 4.3 0.75 1.20 3.9 0.13 0.09 0.14
元素 K N Ca Mo Ni V W Al Fe
含量 0.08 0.07 0.02 2.0 1.1 1.2 2.5 0.09 余量
表10亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢力学性能
硬度,HSD 抗弯强度,MPa 冲击韧性,J/cm2 断裂韧性/MPa·m1/2
84.6 1241.6 10.9 26.4
取本发明亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢制作的冶金轧辊用于轧制钢筋、角钢,其使用寿命比贝氏体球墨铸铁轧辊提高使用寿命一倍以上;采用本发明亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢制作的玻璃瓶模具比采用普通镍-硼合金制作的模具提高使用寿命提高4-6倍;采用本发明亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢制作的铸铝和铸镁模具和汽车的刹车片等耐磨、耐热工件,其使用寿命都较目前使用的材质高0.5-1倍。本发明的材料推广应用具有显著的经济和社会效益。

Claims (3)

1.一种亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法,其特征在于所属的合金钢的化学成分及其重量百分比为:0.20~0.5%C,12~26%Cr,0.5~1.2%Si,3.5~5.5%Mn,0.3~3.2%B,0.3-2.4%Cu,0.2-0.6%Ti,0.05-0.25%Ca,0.03-0.3%Ce,0.02-0.18%N,0.05~0.3%Nb,0.04~0.09%Al,0.1~0.5%SiMgRe,0.04-0.13%K,S<0.03%,P<0.04%,余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法,其特征在于,包括以下工艺步骤:
(1)将废钢、铬铁在电炉中熔化,钢水熔清后加入铜板、硅铁、锰铁,控制碳含量达到要求,炉前调整成分合格后,将熔体温度升高至1560~1620℃,加入硅钙合金进行预脱氧,加入铝终脱氧,然后依序加入钛铁和硼铁熔化;
(2)当钛铁和硼铁全部熔化后,将小于12mm以下的颗粒状稀土镁合金和金属铈、Si3N4、Nb和K所组成的复合变质孕育剂用薄铁皮包好,经160~200℃的温度烘烤后放在钢水包的底部,用包内冲入法对冶炼好的钢水进行变质孕育处理;
(3)将经过包内变质孕育处理过的钢水在砂型或金属型内浇注成铸件,或在离心机上采用离心复合铸造法浇注成外层为亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢,内层为铸铁、合金铸铁、球墨铸铁或低合金钢的双金属复合材料,熔体浇注温度1400~1450℃;
(4)铸件清理后,在700~780℃温度下保温4-6小时进行亚临界空淬,将基质分解成铁素体和碳化物的混合体,使其基体形成亚稳奥氏体组织,并使其硬度降低到30~35HRC,以便于进行机械加工;
(5)铸件清理后,或经机械加工后,将铸件或加工件在920~1150℃保温2-4小时进行热处理,使其硬化以形成亚稳奥氏体,然后进行空冷到室温,以便在合金基质中形成马氏体显微组织,经过该热处理工艺处理后的材料的硬度可以达到HRC50~65。如果需要,可以将热处理后的材料在150~200℃进行回火处理,回火保温时间2-4小时,随炉空冷至室温,以进一步调整硬度。
3.根据权利要求1所述的亚稳奥氏体高硼高铬低碳耐磨合金钢及其制备方法,其特征在于在权利要求1中的合金钢的基本化学成分中还可以添加有至少一种或两种以上的可形成碳化物、氮化物、硼化物和碳-硼化物的添加元素钼、镍、钒、钨,它们各自的重量百分比含量为:0.3~3.0%Mo,0.50~3.5%W,0.5~5.5%V。
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