CN104313478A

CN104313478A - 一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法

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Publication number: CN104313478A
Application number: CN201410490684.8A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 胡伟; 雷永平; 杨晓军; 匡加才; 秦广胜; 谢炜; 秦志华
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-09-23
Also published as: CN104313478B

Abstract

一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法，属于耐磨铸钢技术领域。先用高锰钢废料、富硼渣、高碳铬铁、硅钙钡合金和金属铝配料，钢水经硅钙钡合金和金属铝脱氧除渣后，浇入铸型，铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件在水池中冷却1～2小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到强度和韧性高、耐磨性好的含富硼渣耐磨铸钢产品。

Description

一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种耐磨铸钢及其制备方法，特别涉及一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法，属于耐磨铸钢技术领域。

背景技术

耐磨铸钢在国民经济中具有重要的地位，为了提高耐磨铸钢的耐磨性能，通常需要加入大量合金元素。中国发明专利CN 103397269公开了一种高强度耐磨铸钢，其特征在于，所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：碳0.10-0.16、锰0.35-0.50、硅0.75-0.90、磷≤0.040、硫≤0.040、铬1.35-1.65、镍0.15-0.25、铜0.2-0.3、Ti0.08-0.10、Ta0.04-0.06、Hf0.01-0.02、Nb0.04-0.06、V0.2-0.4、Mo0.05-0.07、基质为铁。该发明超高强度铸钢的机械性能为：拉伸强度1080MPa，屈服强度873MPa，延伸率14％，断面收缩率27％，冲击吸收功56J，冲击韧性66J/cm²，硬度291HB。中国发明专利CN 103397268还公开了一种耐磨铸钢，其特征在于所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：碳0.30-0.36、锰0.5-0.70、硅0.30-0.40、磷≤0.040、硫≤0.040、铬4.3-4.5、镍0.1-0.2、铜0.8-0.95、Nb1.0-1.2、V0.05-0.07、Zr0.06-0.09、Li0.2-0.4、Ba0.06-0.08、Tm0.12-0.16，基质为铁。该发明铸钢采用正火、淬火、回火处理，提高了强度和硬度，具有较好的韧性和耐磨性好等特点，可以显著提高抗磨部件寿命。中国发明专利CN 103266276还公开了一种低合金高耐磨铸钢板的制备方法，包含以下组分：C：0.25-0.35wt.％；Si：0.9-1.6wt.％；Mn：0.3-1.8wt.％；Cr：0.7-1.0wt.％；Mo：0.15-0.3wt.％；Ti：0.05-0.35wt.％；Nb：0.01-0.05wt.％；V：0.05-0.25wt.％；RE：0.01-0.1wt.％；P、S≤0.03wt.％；其余为Fe；将各组分熔融后铸造成型，再将处理后的铸锭放入其中进行升温，当温度到达1050～1070℃时保温，保温完成后再将铸锭放入240～245℃盐浴炉中进行保温，最后出炉空冷。该发明制得的材料具有良好的强韧性配合。中国发明专利CN103205638还公开了一种耐磨铸钢斗齿及其制备方法，耐磨铸钢斗齿材料成分按重量百分比为：C：0.9～1.2％，Ti：0.2～0.25％，Al：0.08～0.12％，Mo：2～3％，W：3～5％，P：≤0.02％，S：≤0.02％，余量为Fe。该发明通过选择合理铸造、热处理工艺而制备成一种挖掘机斗齿，其优点在于在砂石工况不同负荷冲击下提高了耐磨性，其性能达到抗拉强度Rm≥1650MPa，硬度HRC54～56，夏比冲击A_kv≥17J。中国发明专利CN103060705还公开了一种低合金高耐磨铸钢，包含以下组分：C：0.25-0.35wt.％；Si：0.9-1.6wt.％；Mn：0.3-1.8wt.％；Cr：0.7-1.0wt.％；Mo：0.15-0.3wt.％；Ti：0.05-0.35wt.％；Nb：0.01-0.05wt.％；V：0.05-0.25wt.％；RE：0.01-0.1wt.％；P、S≤0.03wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明具有良好的强韧性配合。中国发明专利CN102912255还公开了一种耐磨铸钢及其制备方法。所述耐磨铸钢，以重量百分比计，其组成为：碳(C)：0.80％～1.10％；锰(Mn)：6.00％～8.00％；硅(Si)：1.00％～1.80％；铬(Cr)：2.50％～3.50％；钼(Mo)：0.60％～0.80％；铜(Cu)：0.30％～0.50％；镍(Ni)：1.00％～3.00％；钛(Ti)：0.15％～0.25％；钒(V)：0.20％～0.40％；稀土(RE)：0.030％～0.040％；镁(Mg)：0.020％～0.030％；余量为铁(Fe)和不可避免的杂质。该发明的耐磨铸钢抗冲击强度高、耐磨性好、耐腐蚀、可与普通碳素钢槽体进行焊接。但是上述耐磨铸钢普遍含有钼、镍、钒、钨和稀土等昂贵物质，造成了资源的巨大浪费。

富硼渣是硼铁矿选铁弃硼后的残渣，长期作为废料用于铺路，造成了资源的巨大浪费，中国发明专利CN101274852公开了一种利用富硼渣制备MgAlON基复合材料的方法，其特征在于：第一步采用MgO含量为30～40％的富硼渣为主要原料，先将块状富硼渣制成富硼渣粉，然后将富硼渣粉细磨、筛分；将筛分后的富硼渣粉与含铝化合物和炭黑混合，制备成混合坯料；然后将混合坯料压制成圆坯，经过烧结制备成MgAlON复合粉体；第二步将制备好的MgAlON复合粉体与添加剂混合，压制成圆坯，经过烧结制备成MgAlON基复合材料。该发明的特点在于利用冶金废渣为原料制备MgAlON基复合材料，降低材料的生产成本。中国发明专利CN101186506还公开了利用富硼渣制备氮化硼/赛隆陶瓷复合材料的方法分两步制取：第一步合成BN/(Ca，Mg)α′－Sialon粉末：(1)破碎；(2)球磨；(3)过筛；(4)磁选；(5)配料：按质量百分比为：富硼渣7.94～45.79，硅灰12.19～58.78，铝矾土3.82～19.78，碳黑21.70～35.41；(6)湿混：以无水乙醇为介质进行混合；(7)干燥：在60℃下烘干；(8)干混；(9)模压成型；(10)高温烧成：在一个大气压、温度1450～1500℃、恒温6～10小时，氮气保护下烧成；(11)烧去残碳；第二步是将第一步烧成的粉末与添加剂CaCO₃混合，经模压成型后，在炉中埋粉条件下，温度1600～1700℃下烧结获取BN/(Ca，Mg)α′－Sialon陶瓷复合材料，其各种性能优良。该发明工艺简单，制造成本低，为富硼渣综合利用开辟了新途径，减少环境污染。中国发明专利CN101549876公开了一种利用富硼渣生产硼酸联产氢氧化镁和硫酸钙的方法。该方法是将水和盐酸，或反应循环后得到的母液和洗水，加入酸解罐升温至95℃，加入富硼渣粉进行酸解，经过滤将滤液进行冷却结晶，分离、干燥得到硼酸产品。向滤液内加入石灰乳调节pH为6.0～7.5，过滤除去铁铝沉淀，滤液继续与一定浓度的石灰乳反应，生成氯化钙溶液和氢氧化镁沉淀，经固液分离，滤饼经洗涤、干燥得到氢氧化镁产品，向滤液中加入硫酸溶液，与氯化钙反应生成硫酸钙，过滤，滤饼经洗涤、干燥得到硫酸钙产品，滤液返回酸解罐循环利用。该发明以富硼渣为主要原料，生产硼酸的同时，回收了渣中的镁、钙资源，实现了资源综合利用，减少了对环境的污染。

发明内容

本发明目的是在耐磨铸钢制备过程中，加入富硼渣，并改进钢水冶炼工艺，从而实现耐磨铸钢耐磨性能的提高。

本发明目的可以通过以下技术措施来实现。

本发明含富硼渣耐磨铸钢的制备工艺，其特征在于，步骤是：

①先用高锰钢废料、富硼渣、高碳铬铁、硅钙钡合金和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为83～86％，富硼渣加入质量分数为10～13％，高碳铬铁加入质量分数为2.5～3.0％，硅钙钡合金加入质量分数为1.2～1.5％，金属铝加入质量分数为0.25～0.40％。

②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为83～86％的高锰钢废料、质量分数为10～13％的富硼渣和质量分数为2.5～3.0％的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到1450～1480℃时，加入质量分数为1.2～1.5％的硅钙钡合金和质量分数为0.25～0.40％的金属铝，保温3～5分钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1390～1420℃时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1：(15～18)，水温低于35℃；铸件在水池中冷却1～2小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含富硼渣耐磨铸钢产品。

如上所述高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1.0～1.4C,11～14Mn,0.3～0.8Si,≤0.09P、≤0.04S,余量为Fe。

如上所述富硼渣的化学组成质量分数％为：17～20B₂O₃,43～50MgO,22～28SiO₂,1～2Al₂O₃,5～7CaO,TFe<1。

如上所述高碳铬铁的化学组成质量分数％为：60～65Cr,6.8～7.5C,≤3.0Si,≤0.05S,≤0.06P,Fe余量。

如上所述硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：40～45Si,10～12Ca,10～12Ba,≤0.8C,≤0.04P,≤0.06S,余量为Fe。

本发明以高锰钢废料和富硼渣为主要原料，另外加入少量高碳铬铁，实现高锰钢的强化和耐磨性的提高。由于以高锰钢废料和富硼渣为主要原料，钢水冶炼过程中易出现夹杂，污染钢水，因此本发明还加入质量分数1.2～1.5％的硅钙钡合金和0.25～0.40％的金属铝，起去渣和净化钢水作用，部分铝固溶于钢基体中，可以起固溶强化作用，防止耐磨铸钢制备和使用中产生变形。

此外，本发明材料采用感应电炉冶炼，工艺简便，生产效率高。其冶炼过程是先将质量分数为83～86％的高锰钢废料、质量分数为10～13％的富硼渣和质量分数为2.5～3.0％的高碳铬铁混合加热熔化，可确保主要合金元素分布均匀。在此基础上，当钢水温度达到1450～1480℃时，加入质量分数为1.2～1.5％的硅钙钡合金和质量分数为0.25～0.40％的金属铝，保温3～5分钟后，将钢水出炉，可以起脱氧、脱渣和净化钢水作用。当钢水温度降至1390～1420℃时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，并使铸件与水池中水的体积比为1：15～18，水温低于35℃。这样可确保铸件得到全奥氏体组织，具有良好的强韧性，在冲击磨损工况下，奥氏体产生明显的加工硬化，因而可获得优异的耐磨性。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明材料以高锰钢废料和富硼渣为主要原料，不含钼、镍、钒、稀土等昂贵合金元素，实现了废料的资源再利用，具有明显的节材优势。

2)本发明材料铸造过程中直接水冷，得到奥氏体基体，省去了复杂的热处理工艺，具有明显的节能效果。

3)本发明材料生产成本比普通含铬高锰钢(Mn13Cr2)降低15％以上，耐磨性提高30％以上。

具体实施方式

以下结合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1000公斤中频感应电炉熔炼含富硼渣耐磨铸钢，具体制备工艺步骤是：

①先用高锰钢废料(高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1.0～1.4C,11～14Mn,0.3～0.8Si,≤0.09P、≤0.04S,余量为Fe)、富硼渣(富硼渣的化学组成质量分数％为：17～20B₂O₃,43～50MgO,22～28SiO₂,1～2Al₂O₃,5～7CaO,TFe<1)、高碳铬铁(高碳铬铁的化学组成质量分数％为：60.08Cr,6.93C,2.18Si,0.031S,0.046P,Fe余量)、硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：40.88Si,10.25Ca,11.92Ba,0.37C,0.028P,0.047S,余量为Fe)和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为83.4％，富硼渣加入质量分数为12％，高碳铬铁加入质量分数为3.0％，硅钙钡合金加入质量分数为1.2％，金属铝加入质量分数为0.40％。

②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为83.4％的高锰钢废料、质量分数为12％的富硼渣和质量分数为3.0％的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到1452℃时，加入质量分数为1.2％的硅钙钡合金和质量分数为0.40％的金属铝，保温5分钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1393℃时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1：15，水温低于35℃。铸件在水池中冷却2小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含富硼渣耐磨铸钢产品，其力学性能见表1。

实施例2：

采用750公斤中频感应电炉熔炼含富硼渣耐磨铸钢，具体制备工艺步骤是：

①先用高锰钢废料(高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1.0～1.4C,11～14Mn,0.3～0.8Si,≤0.09P、≤0.04S,余量为Fe)、富硼渣(富硼渣的化学组成质量分数％为：17～20B₂O₃,43～50MgO,22～28SiO₂,1～2Al₂O₃,5～7CaO,TFe<1)、高碳铬铁(高碳铬铁的化学组成质量分数％为：64.87Cr,7.35C,2.74Si,0.039S,0.055P,Fe余量)、硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：44.70Si,11.84Ca,10.05Ba,0.49C,0.033P,0.041S,余量为Fe)和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为85.75％，富硼渣加入质量分数为10％，高碳铬铁加入质量分数为2.5％，硅钙钡合金加入质量分数为1.5％，金属铝加入质量分数为0.25％。

②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为85.75％的高锰钢废料、质量分数为10％的富硼渣和质量分数为2.5％的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到1477℃时，加入质量分数为1.5％的硅钙钡合金和质量分数为0.25％的金属铝，保温3分钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1418℃时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1：18，水温低于35℃。铸件在水池中冷却1小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含富硼渣耐磨铸钢产品，其力学性能见表1。

实施例3：

①先用高锰钢废料(高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1.0～1.4C,11～14Mn,0.3～0.8Si,≤0.09P、≤0.04S,余量为Fe)、富硼渣(富硼渣的化学组成质量分数％为：17～20B₂O₃,43～50MgO,22～28SiO₂,1～2Al₂O₃,5～7CaO,TFe<1)、高碳铬铁(高碳铬铁的化学组成质量分数％为：63.04Cr,7.16C,2.05Si,0.036S,0.051P,Fe余量)、硅钙钡合金(硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：43.17Si,11.24Ca,10.89Ba,0.62C,0.036P,0.045S,余量为Fe)和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为84.5％，富硼渣加入质量分数为11％，高碳铬铁加入质量分数为2.8％，硅钙钡合金加入质量分数为1.4％，金属铝加入质量分数为0.30％。

②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为84.5％的高锰钢废料、质量分数为11％的富硼渣和质量分数为2.8％的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到1467℃时，加入质量分数为1.4％的硅钙钡合金和质量分数为0.30％的金属铝，保温4分钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1404℃时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1：16，水温低于35℃。铸件在水池中冷却1.5小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含富硼渣耐磨铸钢产品，其力学性能见表1。

表1含富硼渣耐磨铸钢力学性能

本发明含富硼渣耐磨铸钢强度高，韧性好，显微组织是全奥氏体基体，具有良好的加工硬化效果，用做球磨机衬板、破碎机锤头和破碎机颚板等产品，使用安全、可靠，无断裂现象出现，其生产成本比普通含铬高锰钢(Mn13Cr2)降低15％以上，耐磨性比普通含铬高锰钢(Mn13Cr2)提高30％以上。推广应用本发明材料，具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.一种含富硼渣耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先用高锰钢废料、富硼渣、高碳铬铁、硅钙钡合金和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为83～86％，富硼渣加入质量分数为10～13％，高碳铬铁加入质量分数为2.5～3.0％，硅钙钡合金加入质量分数为1.2～1.5％，金属铝加入质量分数为0.25～0.40％；

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1.0～1.4C,11～14Mn,0.3～0.8Si,≤0.09P、≤0.04S,余量为Fe。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述富硼渣的化学组成质量分数％为：17～20B₂O₃,43～50MgO,22～28SiO₂,1～2Al₂O₃,5～7CaO,TFe<1。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述高碳铬铁的化学组成质量分数％为：60～65Cr,6.8～7.5C,≤3.0Si,≤0.05S,≤0.06P,Fe余量。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：40～45Si,10～12Ca,10～12Ba,≤0.8C,≤0.04P,≤0.06S,余量为Fe。

6.按照权利要求1‐5所述的任一方法所得的含富硼渣耐磨铸钢。