CN104745948A - 含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的熔炼和铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其化学成分及质量百分比为：C：0.45-0.75；Mn：2.0-3.0；Si2.0-3.0；Cr：1.5-2.5；Mo：0.4-0.6；V：0.15-0.25；Ti：0.08-0.18；Re：0.04-0.06；N:0.015-0.025。熔炼和铸造方法包括如下步骤：(1)、将废钢和铬铁、氮化铬铁混合加热熔化；(2)、升温至1560℃，加入钒铁；(3)待钒铁熔化后，依次加入锰铁、氮化锰铁、钼铁、钛铁，搅拌，使其充分熔化；(4)将硅铁、稀土合金破碎至8mm³的小块状，经200-300℃烘干1小时后，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；(5)经脱氧扒渣后，静置3分钟，浇入潮模砂铸造型腔，浇注温度为1500-1530℃。该复相钢具有良好的强度和韧性以及耐磨性，不需要经过热处理，减少对生态环境的污染，节约能源。

Description

含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的熔炼和铸造方法

技术领域

本发明涉及钢铁耐磨材料领域，特别是一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的熔炼和铸造方法。

背景技术

磨损是冶金、矿山、机械、电力、化工、建材、煤炭、石油、交通、军工、航空航天等许多工业部门普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，不仅造成设备零件失效，导致工件频繁地更换和维修、设备工作效率降低，而且消耗了大量的能源和材料。低合金马氏体耐磨铸钢是目前应用较广泛的一种耐磨材料，但其抗冲击疲劳性较差；中合金耐磨铸钢的品种较少，其中较为重要的是中锰钢系列；高锰钢是一种特殊的耐磨钢，具有高塑性、高韧性以及低裂纹扩展等特性，是一种很好的耐冲击磨损材料，然而该种钢在无冲击或冲击偏小的工况下，加工硬化程度不够，无法发挥其潜在的耐磨能力而表现得非常不耐磨，高锰钢的另一缺点是屈服强度低，在使用过程中极易产生塑性变形，使得拆卸维修困难，影响生产率的提高。无论是中锰钢或高锰钢，在无冲击或冲击偏小的工况下的耐磨性都不高。在无冲击或冲击偏小的工况下，使用的耐磨材料必须具有硬度和冲击韧性都较高的优异性能。复相组织耐磨钢具有高强度和韧性相的相互配合而获得良好的强度和韧性。其中的奥氏体贝氏体复相钢不仅有高硬度而且韧性高，近年来引起科技人员和生产厂家的极大关注。研究和开发已取得一些成果。但奥氏体贝氏体复相钢通常必须进行热处理，生产工艺复杂，消耗能源，污染环境并对企业的经济效益的提高带来不利影响。关于无需传统热处理工艺，只是通过合金化方法，获得铸态奥氏体贝氏体复相钢的研究较少。其原因是铸钢件的金相组织和机械性能受到较多因素影响，经过热处理容易得到符合要求的铸件。铸态钢件有产生偏析、组织不均匀的倾向，且常存在残余应力。氮化物也是钢铁中的重要组成相，其类型、分布、数量、尺寸、形状都对钢铁产生重要影响。氮固溶于铁，形成间隙式的固溶体。氮和碳不彼此化合，但可溶入渗碳体中从而提高其分解温度使之稳定化。氮能扩大γ相区并使奥氏体稳定。氮和铬、钨、钒、铝、钛亲和力极强，能形成非常稳定的氮化物。这些氮化物若以高度弥散状态分布在钢中，将极大增加钢的硬度和强度，特别是提高疲劳强度、耐磨性和抗蚀性。氮和碳一样，不受资源所限制，且作用效果明显。立足国内资源，运用合金化手段，研究、开发、推广和应用一种新型的含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢必将带来巨大的经济效益和社会效益。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其化学成分及质量百分比为：C：0.45-0.75；Mn：2.0-3.0；Si 2.0-3.0；Cr：1.5-2.5；Mo：0.4-0.6；V：0.15-0.25；Ti：0.08-0.18；Re：0.04-0.06；N:0.015-0.025，各成分的质量百分比之和为100％。

其中各合金所具有的主要功能为：

碳(C):碳含量越高，钢的强度和硬度值增加，塑性和韧性值降低；

锰(Mn):提高强度，硬度和耐磨性；

硅(Si):强化铁素体，提高抗拉强度和屈服强度，提高耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；

铬(Cr):降低钢的导热性，能提高耐磨性；

钼(Mo):强化铁素体，提高高温性能，改善脆性；

钒(V)：与碳、氧、氮都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物，钒是一种良好的脱氧剂，同时可细化钢的铸态组织和碳化物的分布情况，可提高钢的强度和韧性；

钛铁(Ti):能强化铁素体，脱氧和细化晶粒；

稀土(Re)：微量的稀土有利于改善铸态结晶组织，细化晶粒，净化晶界，去除钢中的有害杂质。

氮：固溶强化及时效沉淀强化，形成和稳定奥氏体组织，改善铸钢的组织结构，提高其强度。

所述含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的熔炼和铸造方法，包括如下步骤：

(1)、将废钢和铬铁、氮化铬铁混合加热熔化；

(2)、升温至1560℃，加入钒铁；

(3)待钒铁熔化后，依次加入锰铁、氮化锰铁、钼铁、钛铁，搅拌，使其充分熔化；

(4)将硅铁、稀土合金破碎至8mm³的小块状，经200-300℃烘干1小时后，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

(5)经脱氧扒渣后，静置3分钟，浇入潮模砂铸造型腔，浇注温度为1500-1530℃。

熔炼设备采用中频感应炉。铸造工艺设上冒口、冷铁、补贴，以实现顺序凝固。此外，采用适当的炉前、炉中的取样分析以得到各化学成分的正确含量百分比。

本发明的含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其抗拉强度：1300-1500MPa；相对耐磨性β：1.5-2.25；延伸率：δs8-13％；V型缺口冲击韧性Akv:25.3-33.8J/cm²；硬度：51.2-60.8HRC。

本发明的优点在于：

制备得的含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，具有良好的强度和韧性以及出色的耐磨性，其耐磨性为高锰钢的1.5-2.25倍，运用合金化手段，不需要经过热处理，减少对生态环境的污染，节约能源，降低成本。

该含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢特别适宜在无冲击或冲击偏小的工况中作为耐磨材料，适合规模化生产。

具体实施方式：

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但不限制本发明保护范围。

实施例1

一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其化学成分及其质量百分比为：C 0.75﹪、Si 2.5﹪、Mn 2.5﹪、Cr 2.5﹪、Mo 0.5﹪、Ti 0.12﹪、V 0.2﹪、Re 0.05﹪、N 0.018﹪。

所述含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的熔炼和铸造方法，包括如下步骤：熔炼设备采用中频感应炉，

1.将废钢和铬铁、氮化铬铁混合加热熔化；

2.升温至1560℃，加入钒铁；

3.待钒铁熔化后，依次加入锰铁、氮化锰铁、钼铁、钛铁，搅拌，使其充分熔化；

4.将硅铁、稀土合金破碎至8mm³的小块状，经200-300℃烘干1小时后，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

5.经脱氧扒渣后，静置3分钟，浇入潮模砂铸造型腔，浇注温度为1500-1530℃。

铸造工艺设上冒口、冷铁、补贴，以实现顺序凝固。此外，采用适当的炉前、炉中的取样分析以得到各化学成分的正确含量百分比。

经检验，该含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的耐磨性β＝2.25。

实施例2

一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其化学成分及其质量百分比为：C 0.6﹪、Si 2.5﹪、Mn 2.0﹪、Cr 2.5﹪、Mo 0.5﹪、Ti 0.12﹪、V 0.2﹪、Re 0.05﹪、N 0.021﹪。

所述含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的制备方法和控制技术条件同实施例1。

经检验，该含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的洛氏硬度值为60.8HRC。

实施例3

一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其化学成分及其质量百分比为：C 0.45﹪、Si 2.0﹪、Mn 2.5﹪、Cr 1.5﹪、Mo 0.5﹪、Ti 0.12﹪、V 0.2﹪、Re 0.05﹪、N 0.016﹪。

所述含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的制备方法和控制技术条件同实施例1。

经检验，该含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的冲击韧性值Akv＝33.8J/cm²。

本发明的含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢产品，其抗拉强度：1300-1500MPa；相对耐磨性β：1.5-2.25；延伸率：δs8-13％；V型缺口冲击韧性Akv:25.3-33.8J/cm²；硬度：51.2-60.8HRC。其中的相对耐磨性β是在自制的磨损试验装置安装铸态奥氏体贝氏体复相钢试件及标准试件(高锰钢)，以150r/min转速运转9小时，使试件在小冲击应力(Ak≈0.04J)下磨损，用天平(精度10^-4g)称出磨损前后的重量，用公式β＝标准试件失重/试件失重求出。

通过以上试验结果说明，本发明所述含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢强度韧性高：并且生产工艺简单、成本低、无污染。并特别适合在无冲击或冲击偏小的工况中作为耐磨材料应用。

Claims (2)

1.一种含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢，其特征在于，该复相钢的化学成分及质量百分比为：C：0.45-0.75；Mn：2.0-3.0；Si 2.0-3.0；Cr：1.5-2.5；Mo：0.4-0.6；V：0.15-0.25；Ti：0.08-0.18；Re：0.04-0.06；N:0.015-0.025，各成分的质量百分比之和为100％。

2.根据权利要求1所述含氮铸态奥氏体贝氏体复相钢的熔炼和铸造方法，萁特征在于，包括如下步骤：

(1)、将废钢和铬铁、氮化铬铁混合加热熔化；

(2)、升温至1560℃，加入钒铁；

(3)待钒铁熔化后，依次加入锰铁、氮化锰铁、钼铁、钛铁，搅拌，使其充分熔化；

(4)将硅铁、稀土合金破碎至8mm³的小块状，经200-300℃烘干1小时后，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；

(5)经脱氧扒渣后，静置3分钟，浇入潮模砂铸造型腔，浇注温度为1500-1530℃，熔炼设备采用中频感应炉，铸造工艺设上冒口、冷铁、补贴。