CN105886881B - 一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法，属于船用装备技术领域。采用电炉熔炼，在含铬高锰钢废料中，加入适量低碳铬铁、钨渣铁合金、固体Si3N4、钛铁、硅钙钡锶铁合金和低碳废钢，获得铬锰耐磨合金钢。为了细化晶粒和提高淬透性，还加入微量氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素，经冶炼、铸造和热处理后的铬锰耐磨合金钢吸砂管，不仅生产成本低廉，且性能稳定，使用效果良好。

Description

一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种合金钢吸砂管及其制备方法，特别涉及一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法，属于船用装备技术领域。
背景技术
采砂船，顾名思义即沙石采掘工具，多为流动作业之用。一般对采砂而言,砂质用途不同，采挖形式也不同。细砂多用吸砂式采砂船，粗砂则多用链斗式或吊挂式采砂船。其中链斗式采砂船工作时的位置相对比较固定，移动范围小，而且移动速度也慢。吸砂式采砂船工作时分定位和自航吸砂式，前者较为稳定，后者活动范围大，上下移动快，左右摆动大。吊挂式与吸砂式基本相同，但活动采砂时稍比吸砂式慢一点，且范围稍小一点。其中吸砂式采砂船中的吸砂管是主要的作业设备，要求承受河底采掘的砂石的冲击和磨损双重作用，要具有高硬度和适宜的强度和韧性。目前吸砂管主要采用高锰钢制造，存在初始硬度低，加工硬化能力不强和耐磨性差等不足，开发耐磨合金钢吸砂管是采砂船关键作业设备的重要发展趋势。
为了提高合金钢的耐磨性和强韧性，中国发明专利CN 105385949公开了一种含硼耐磨合金钢及其制造方法，质量百分比：0.20～0.5％C，2～6％Cr，0.4～1.0％Si，3.0～5.0％Mn，0.3～2.5％B，0.2～1.2％Cu，0.2～0.6％Ti，0.05～0.25％Ca，0.03～0.3％ReSiMg，0.02～0.18％N，0.05～0.3％Nb，0.03～0.08％Al，0.04-0.13％K，S＜0.03％，P＜0.04％，余量为Fe；采用中频炉熔化至1560～1620℃，将由60～100目的钒铁、钛铁、氧化钾、硅钙钡合金、含氮铬铁和BC、BN、B2O3、Si3N4、Al和ReSiMg一起按照质量百分比配比后采用厚度0.12～0.25mm低碳钢滚轧成直径8～15mm的金属包芯线作为供硼剂加入到冶炼好的钢水中加硼和变质孕育处理，钢水浇注温度为1400～1450℃；铸件经920～1150℃保温2～4小时，空冷到室温。这种材料尽管硬度高，耐磨性好，但含有0.3～2.5％B，易形成脆性硼化物，降低合金钢强度和韧性，不适于制造吸砂管。中国发明专利CN105369066还公开了一种高耐磨性钛合金钢管，所述高耐磨性钛合金钢管是由主要成分和次要成分组成的，所述主要成分包括按质量百分比组成的下列成分：Ti：40.0％-42.0％，Cr：36.5％-38.5％，Al：9.5％-11.5％，W：5.5％-7.0％，所述次要成分的含量为4％-5％，其包括C、Si、Co、Mo、V中的两种以上。通过上述方式，该发明能够提高钛合金的硬度、耐磨性及耐腐蚀性，使其具有良好的冲击性能，不易磨损脱落。尽管耐磨性好，但含有高达5.5-7.0％的贵金属W，成本太高。中国发明专利CN105331896还公开了一种高硼高铬耐磨合金钢及其制造方法，质量百分比：0.20～0.4％C，20～26％Cr，0.4～1.0％Mo，0.7～1.10％Si，3.6～5.4％Mn，0.5～2.0％B，0.3～1.8％Cu，0.2～0.8％Ti，0.10～0.30％V，0.10～0.25％Ca，0.05～0.3％Ce，0.02～0.18％N，0.04～0.13％K，S≤0.03％，P≤0.04％，余量为Fe；采用中频炉熔化至1560～1620℃，将由60～100目的钒铁、钛铁、氧化钾、硅钙钡合金、含氮铬铁和BC、BN、B2O3、Si3N4和变质元素稀土Ce一起按照质量百分比配比后采用厚度0.12～0.25mm低碳钢滚轧成直径8～15mm的金属包芯线作为供硼剂加入到冶炼好的钢水中加硼和变质孕育处理，钢水浇注温度为1400～1450℃；铸件经920～1150℃保温2～4小时，然后空冷到室温。这种材料尽管硬度高，耐磨性好，但含有0.5～2.0％B，易形成脆性硼化物，降低合金钢强度和韧性，不适于制造吸砂管，还存在铬含量太高，成本过高的不足。中国发明专利CN105316572还公开了一种矿山机械用耐磨钢板，所述耐磨合金钢以(重量)百分比计由下列组份组成：C：0.8-1.0％，Si：0.7-0.9％，Mn：1.8-2.0％，P≤0.02％，S≤0.005％，La：0.07-0.09％，V：0.3-0.5％，Ti：0.3-0.5％，N：0.03-0.04％，Al：0.03-0.08％，B：0.005-0.008％，其余为铁Fe和不可避免的杂质，所述耐磨钢板中含有碳化钛、碳化钒、钒三氮、硼化钛和氮化铝等化合物，这些化合物在钢基体中弥散分布。这种材料中含有较多价格昂贵的钒元素，生产成本高，且没有太高淬透性和回火稳定性铬元素，材料耐磨性不足，不宜用于制造吸砂管。中国发明专利CN105256251还公开了一种高耐磨合金钢，该合金钢的重量百分比是，0.45-0.52％的碳，0.24-0.25％的硅，0.3-0.35％的锰，0.3-0.5％的铬，0.6-1.0％的镍，0.42％的铜，0.02％的锆，0.01％的钴，0.03％的钼，0.06％的钴，0.08％的矾，0.6％的钨，0.0001％的钛，0.003％的硼余量为铁。通过正火过程获取大量的珠光基体，并通过选择盐浴等温淬火，使合金钢的奥氏体转变成下贝氏体组织，使得合金硬度、耐磨性能及表面耐热性能均得到很大的提高。这种材料中含有较多价格昂贵的镍元素，生产成本高，且铬、锰含量过低，用于制造吸砂管耐磨性仍显不足。中国发明专利CN105177465还公开了一种高强度耐磨合金钢，其特征在于：由以下重量组分组成：碳0.15-0.27％、硅0.25-0.46％、硼0.12-0.18％、镍0.05-0.14％、钛0.16-0.22％、铝0.04-0.09％、锑0.5-1.2％、铬0.6-1.8％、锆0.4-1.3％、锌0.05-0.8％、复合稀土元素0.04-0.1％、磷≤0.03％、硫≤0.03％、余量为铁。该材料中含有较多价格昂贵的锆、锑元素，生产成本高。中国发明专利CN 105154787还公开了一种高钒耐磨合金辊齿，所述高钒耐磨合金辊齿由高钒耐磨合金钢制成，所述高钒耐磨合金钢的组分按重量百分比计算(以下％均表示重量百分比)为：碳为1.5～2.0％，铬为4.0～6.0％，锰为0.12～0.2％，钒为13.0～15.0％，钛为0.8～2.2％，钼为1.3～2.5％，镍为2.3～3.1％，硅为0.2～0.4％，稀土为0.56～1.73％，磷和硫的总量不超过0.035％，余量为铁及其不可避免的杂质。该材料中含有较多价格昂贵的钒、钼和镍元素，生产成本高。中国发明专利CN104962825还公开了一种超高锰多元素稀土耐磨合金钢衬板的制备方法，按质量百分比计，衬板包括以下成分：C：0.9～1.4％，Mn：16.0～19.0％，Si：﹤1.0％，Cr：1.5～3.0％，Mo：0.3～1.0％，V：0.2～0.5％，Ti：0.1～0.4％，Cu：﹤0.3％，S：﹤0.035％，P：﹤0.05％，RE：0.2％，其余为钢；衬板的制备方法包括以下步骤：加入熔炼炉熔化铸造衬板，将衬板放至热处理炉中进行正火调质处理；风冷处理；将风冷处理后的衬板低温回火处理；进行机械性能测试、打磨、抛光。该材料锰含量过高，且含有较多价格昂贵的钒和钼元素，生产成本高，不宜用于制造吸砂管。中国发明专利CN104561835还公开了一种高强度耐磨合金钢及其制备方法，由以下重量百分数的原料组成，铁：68％～73％、碳：2％～3.5％、硫：3％～3.2％、铜：0.8％～1.2％、钨：5％～12％、镍：1.8％～2.3％、铬：1.8％～3％、锰：0.7％～1.5％、硅：0.7％～1.5％、磷：2.9％～3.4％、铝：1.7～2.3％、氧化钒：0.9～1.2％，按照上诉重量百分比，将铁高温熔化，向高温铁水中加入钨，待钨融化之后，加入铁、铬、镍，然后在加入锰、硅、硫、磷以及氧化钒，待上述所加入的物质完全融化后，将高温金属液进行除铜、脱氧后出炉，并保持温度在1500-1700℃；该发明电冶钢结硬质合金材料成本低、成品率高，且韧性和耐磨性高于粉冶工艺产品的1.5～2倍。但含有较多增加脆性的硫、磷元素，不宜于制造吸砂管。中国发明专利CN 104313511还公开了一种耐磨性能高的合金及制备方法，该合金钢的重量百分比是，0.45-0.52％的碳，0.01-0.03％的石墨，0.24-0.25％的硅，0.3-0.35％的锰，0.3-0.5％的铬，0.6-1.0％的镍，0.01-0.03％的钼，0.04-0.06％的钴，0.001-0.003％的碲，0.001-0.003％的氮，0.001-0.003％的钕，0.003-0.005％的锆，0.03-0.08％的钒，0.2-0.6％的钨，0.0001-0.0005％的钛，0.003-0.005％的硼，余量为铁。通过正火过程获取大量的珠光基体，并通过选择盐浴等温淬火，使合金钢的奥氏体转变成下贝氏体组织，使得合金硬度、耐磨性能得到很大的提高。但这种材料需要复杂的盐浴等温淬火，污染环境，不宜用于制造吸砂管。
发明内容
为了解决现有吸砂管存在的硬度低和耐磨性差的不足，本发明在高锰钢废料中，适当加入低碳铬铁、钨渣铁合金、硅钙钡锶铁合金和低碳废钢，获得铬锰耐磨合金钢。为了细化晶粒和提高淬透性，还加入微量氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素，从而实现材料综合性能的大幅度提高。
本发明目的可以通过以下工艺技术措施来实现：
一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①采用质量分数29～33％的含铬高锰钢废料、53～57％的Q235废钢、8.0～9.2％的低碳铬铁、3.5～4.0％的钨渣铁合金、0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金、0.30～0.40％的固体Si3N4、0.50～0.65％的钛铁和0.10～0.15％的金属铝配料；
②先将质量分数53～57％的Q235废钢、8.0～9.2％的低碳铬铁、3.5～4.0％的钨渣铁合金和0.30～0.40％的固体Si3N4在中频感应电炉内加热熔化，Q235废钢、低碳铬铁、钨渣铁合金和固体Si3N4全部熔化后加入质量分数29～33％的含铬高锰钢废料，当炉内钢水温度达到1605～1625℃时，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金，保温5～8分钟后，加入质量分数0.10～0.15％的金属铝，继续保温2～3分钟后，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.50～0.65％的钛铁，并将钢水温度升至1630～1648℃时出炉到钢包；
③当钢水全部进入钢包后，往钢包内加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，合金线的化学组成及其质量分数为2.0～2.5％Mg、3.5～4.5％N、6.0～8.0％Ti、6.0～8.0％Zr、5.5～6.8％Ca、2.8～3.6％Ba、6.0～7.5％Y、10.0～11.5％Al、余量为Fe及其不可避免的杂质元素，合金线直径φ5.5～7.0mm，合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.2～1.5％；
④合金线全部熔化后，对钢包内的钢水进行搅拌和扒渣，当钢水温度降至1495～1520℃时，将钢水浇入铸型得到吸砂管铸件，当吸砂管铸件温度低于200℃时，从铸型中取出吸砂管铸件，对吸砂管铸件进行冒口切割，并进行清砂和打磨处理，然后将其重新加热至910～930℃，保温4～6小时后出炉，喷雾冷却吸砂管内壁，并使吸砂管内壁冷却速度控制在6～9℃/分钟，当吸砂管内壁温度降至320～380℃时，将吸砂管重新入炉加热至460～480℃，保温10～12小时后，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷，即可获得多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管。
如上所述含铬高锰钢废料的化学成分质量分数为：1.05～1.35％C,0.3～0.9％Si,11～14％Mn,1.5～2.5％Cr,≤0.06％P,≤0.04％S，余量为Fe。
如上所述硅钙钡锶铁合金的化学成分质量分数为：45～55％Si、8～14％Ca、15～20％Ba、4～6％Sr、≤0.4％C、≤0.03％S、≤0.03％P、Fe余量。
如上所述钨渣铁合金的化学成分质量分数为：4.5～8.5％W，11～15％Mn，0.5～0.8％Nb，0.05～0.15％Ta，0.08～0.15％Ti，4.5～6.0％C，<0.08％S，<0.10％P，余量为Fe及其不可避免的杂质元素。
如上所述Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22％C，0.30～0.65％Mn，≤0.30％Si，≤0.050％S，≤0.045％P，余量为Fe。
如上所述钛铁的化学成分质量分数为：38.0～42.0％Ti，4.0～7.0％Al，1.0～2.5％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素。
如上所述低碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0％Cr，≤0.35％C，1.0～2.0％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素。
本发明采用质量分数29～33％的含铬高锰钢废料、53～57％的Q235废钢、8.0～9.2％的低碳铬铁、3.5～4.0％的钨渣铁合金、0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金、0.30～0.40％的固体Si3N4、0.50～0.65％的钛铁和0.10～0.15％的金属铝配料。其中加入质量分数29～33％的含铬高锰钢废料主要是利用其中的锰和铬元素对合金钢进行强化，提高合金钢耐磨性。继续加入8.0～9.2％的低碳铬铁，是为了增加合金钢的耐磨性、耐蚀性和抗回火软化能力。特别是加入3.5～4.0％的钨渣铁合金，而钨渣铁合金中含有W、Mn、Nb、Ta、Ti等重要合金元素，其中W、Mn、Nb、Ta、Ti与C亲和力较大，常与C结合形成相应碳化物，它们熔点均很高，W2C为2750℃，WC为2600℃，NbC为3608℃，Cr2C3为2800℃，TaC为4150℃。在铁液结晶过程中，这些高熔点的碳化物通常起外来结晶核心作用，常能细化一次结晶组织。而吸砂管是在湿磨损条件下工作，其主要失效形式是磨料磨损。因此，钨渣铁合金可以用来生产吸砂管耐磨部件，提高吸砂管耐磨部件的寿命。与Cr-Mo-Ni合金钢吸砂管相比，具有生产工艺简便、成本低、材料来源广泛等优点。加入0.30～0.40％的固体Si3N4和0.50～0.65％的钛铁，主要起两方面作用，一方面Si3N4中的N和钛铁中的Ti化合，生成高熔点的TiN颗粒，可以做外来晶核，从而细化合金钢凝固组织，提高合金钢吸砂管的强度和韧性，确保其安全使用；另一方面，TiN颗粒在合金钢基体中弥散分布，可以提高合金钢硬度，并改善耐磨性，从而提高吸砂管使用寿命。由于本发明材料主要用高锰钢废料和Q235废钢及钨渣铁合金为主要原料，杂质多，因此需要用质量分数0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金和0.10～0.15％的金属铝，对钢水进行净化处理，确保钢液纯净度。此外，0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金的加入，还可以改善钢中夹杂物的形态和分布，提高合金钢的强度和韧性。
另外，为了提高合金钢中元素的收得率，防止合金元素的氧化烧损，先将质量分数53～57％的Q235废钢、8.0～9.2％的低碳铬铁、3.5～4.0％的钨渣铁合金和0.30～0.40％的固体Si3N4在中频感应电炉内混合加热熔化。当Q235废钢、低碳铬铁、钨渣铁合金和固体Si3N4全部熔化后，再加入质量分数29～33％的含铬高锰钢废料，这样可加速含铬高锰钢废料的熔化，防止锰、铬元素的氧化烧损。当炉内钢水温度达到1605～1625℃时，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金，保温5～8分钟后，加入质量分数0.10～0.15％的金属铝，用于炉内钢水的脱氧、脱硫，继续保温2～3分钟后，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.50～0.65％的钛铁，这样可确保钛元素的稳定吸收，并将钢水温度升至1630～1648℃时出炉到钢包。当钢水全部进入钢包后，往钢包内加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，合金线的化学组成及其质量分数为2.0～2.5％Mg、3.5～4.5％N、6.0～8.0％Ti、6.0～8.0％Zr、5.5～6.8％Ca、2.8～3.6％Ba、6.0～7.5％Y、10.0～11.5％Al、余量为Fe及其不可避免的杂质元素，合金线直径φ5.5～7.0mm，合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.2～1.5％。加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，主要对钢水进行进一步的脱氧、脱硫及去除夹杂，并改善夹杂物形态和分布，合金线的加入，还可以细化铸钢凝固组织，提高铸钢强度和韧性，并对提高合金钢吸砂管使用寿命有良好的效果。合金线全部熔化后，对钢包内的钢水进行搅拌和扒渣，当钢水温度降至1495～1520℃时，将钢水浇入铸型得到吸砂管铸件，当吸砂管铸件温度低于200℃时，从铸型中取出吸砂管铸件，这样可以防止吸砂管的变形和开裂。对吸砂管铸件进行冒口切割，并进行清砂和打磨处理，然后将其重新加热至910～930℃，使其完全奥氏体化，并将部分碳化物固溶于基体，从而提高基体淬透性和淬硬性，保温4～6小时后出炉。喷雾冷却吸砂管内壁，并使吸砂管内壁冷却速度控制在6～9℃/分钟，这样可确保吸砂管内壁在冷却过程中转变成高硬度的马氏体，具有优异的耐磨性。当吸砂管内壁温度降至320～380℃时，将吸砂管重新入炉加热至460～480℃，进行去应力处理，确保吸砂管的安全使用。保温10～12小时后，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷，即可获得多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管，具有良好的强韧性和优异的耐磨性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管以含铬高锰钢废料、废钢、钨渣铁合金、低碳铬铁和固体Si3N4为主要合金原料，不含价格昂贵的钼、镍、钒、钴、铜等合金，实现了含铬高锰钢废料、废钢、钨渣铁合金等材料的废物再利用，具有明显的节材效果。
2)本发明多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管经含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线微合金化处理后，凝固组织细小，夹杂物明显减少，使合金在保持高硬度前提下，具有良好的强韧性，其中硬度大于55HRC，抗拉强度大于1250MPa，冲击韧性大于60J/cm2。
3)本发明多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管与Cr-Mo-Ni合金钢吸砂管相比，具有生产工艺简便、成本低、材料来源广泛等优点，其生产成本比Cr-Mo-Ni合金钢吸砂管降低30％以上，使用寿命延长70％以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法，采用电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：
①采用质量分数30％的含铬高锰钢废料(含铬高锰钢废料的化学成分质量分数为：1.27％C,0.65％Si,12.88％Mn,1.89％Cr,0.038％P,0.017％S，余量为Fe)、55.1％的Q235废钢(Q235废钢的化学成分质量分数为：0.19％C，0.57％Mn，0.18％Si，0.033％S，0.036％P，余量为Fe)、9.2％的低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为：62.06％Cr，0.28％C，1.54％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)、3.5％的钨渣铁合金(钨渣铁合金的化学成分质量分数为：7.58％W，11.29％Mn，0.60％Nb，0.071％Ta，0.135％Ti，4.87％C，0.065％S，0.077％P，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)、1.2％的硅钙钡锶铁合金(硅钙钡锶铁合金的化学成分质量分数为：53.06％Si、8.95％Ca、18.71％Ba、4.27％Sr、0.19％C、0.017％S、0.024％P、Fe余量)、0.40％的固体Si3N4、0.50％的钛铁(钛铁的化学成分质量分数为：39.05％Ti，4.86％Al，1.94％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)和0.10％的金属铝配料；
②先将质量分数55.1％的Q235废钢、9.2％的低碳铬铁、3.5％的钨渣铁合金和0.40％的固体Si3N4在5吨中频感应电炉内加热熔化，Q235废钢、低碳铬铁、钨渣铁合金和固体Si3N4全部熔化后加入质量分数30％的含铬高锰钢废料，当炉内钢水温度达到1607℃时，加入粒度为30～50mm、质量分数为1.2％的硅钙钡锶铁合金，保温8分钟后，加入质量分数0.10％的金属铝，继续保温2分钟后，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.50％的钛铁，并将钢水温度升至1634℃时出炉到钢包；
③当钢水全部进入钢包后，往钢包内加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，合金线的化学组成及其质量分数为2.04％Mg、4.35％N、6.09％Ti、7.81％Zr、5.57％Ca、3.48％Ba、6.03％Y、11.28％Al、余量为Fe及其不可避免的杂质元素，合金线直径φ5.5mm，合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.2％；
④合金线全部熔化后，对钢包内的钢水进行搅拌和扒渣，当钢水温度降至1498℃时，将钢水浇入铸型得到吸砂管铸件，当吸砂管铸件温度低于200℃时，从铸型中取出吸砂管铸件，对吸砂管铸件进行冒口切割，并进行清砂和打磨处理，然后将其重新加热至910℃，保温6小时后出炉，喷雾冷却吸砂管内壁，并使吸砂管内壁冷却速度控制在6～9℃/分钟，当吸砂管内壁温度降至320～350℃时，将吸砂管重新入炉加热至460℃，保温12小时后，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷，即可获得多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管，其力学性能见表1。
实施例2：
一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法，采用电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：
①采用质量分数33％的含铬高锰钢废料(含铬高锰钢废料的化学成分质量分数为：1.31％C,0.52％Si,11.99％Mn,2.43％Cr,0.048％P,0.021％S，余量为Fe)、53.1％的Q235废钢(Q235废钢的化学成分质量分数为：0.17％C，0.59％Mn，0.24％Si，0.030％S，0.037％P，余量为Fe)、8％的低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为：67.09％Cr，0.29％C，1.28％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)、4％的钨渣铁合金(钨渣铁合金的化学成分质量分数为：4.65％W，14.21％Mn，0.78％Nb，0.14％Ta，0.09％Ti，5.28％C，0.062％S，0.069％P，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)、0.8％的硅钙钡锶铁合金(硅钙钡锶铁合金的化学成分质量分数为：47.80Si、13.27％Ca、15.66％Ba、4.89％Sr、0.25％C、0.009％S、0.017％P、Fe余量)、0.30％的固体Si3N4、0.65％的钛铁(钛铁的化学成分质量分数为：41.38％Ti，6.53％Al，2.26％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)和0.15％的金属铝配料；
②先将质量分数53.1％的Q235废钢、8.0％的低碳铬铁、4.0％的钨渣铁合金和0.30％的固体Si3N4在5吨中频感应电炉内加热熔化，Q235废钢、低碳铬铁、钨渣铁合金和固体Si3N4全部熔化后加入质量分数33％的含铬高锰钢废料，当炉内钢水温度达到1624℃时，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.8％的硅钙钡锶铁合金，保温5分钟后，加入质量分数0.15％的金属铝，继续保温3分钟后，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.65％的钛铁，并将钢水温度升至1646℃时出炉到钢包；
③当钢水全部进入钢包后，往钢包内加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，合金线的化学组成及其质量分数为2.46％Mg、3.55％N、7.73％Ti、6.20％Zr、6.67％Ca、2.88％Ba、7.45％Y、10.09％Al、余量为Fe及其不可避免的杂质元素，合金线直径φ7.0mm，合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.5％；
④合金线全部熔化后，对钢包内的钢水进行搅拌和扒渣，当钢水温度降至1519℃时，将钢水浇入铸型得到吸砂管铸件，当吸砂管铸件温度低于200℃时，从铸型中取出吸砂管铸件，对吸砂管铸件进行冒口切割，并进行清砂和打磨处理，然后将其重新加热至920℃，保温5小时后出炉，喷雾冷却吸砂管内壁，并使吸砂管内壁冷却速度控制在6～9℃/分钟，当吸砂管内壁温度降至340～365℃时，将吸砂管重新入炉加热至470℃，保温11小时后，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷，即可获得多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管，其力学性能见表1。
实施例3：
一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法，采用电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：
①采用质量分数29％的含铬高锰钢废料(含铬高锰钢废料的化学成分质量分数为：1.21％C,0.69％Si,13.54％Mn,1.59％Cr,0.028％P,0.017％S，余量为Fe)、56.6％的Q235废钢(Q235废钢的化学成分质量分数为：0.21％C，0.39％Mn，0.20％Si，0.044％S，0.038％P，余量为Fe)、8.5％的低碳铬铁(低碳铬铁的化学成分质量分数为：65.61％Cr，0.31％C，1.59％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)、3.8％的钨渣铁合金(钨渣铁合金的化学成分质量分数为：6.24％W，13.06％Mn，0.63％Nb，0.087％Ta，0.094％Ti，4.99％C，0.062％S，0.087％P，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)、1.0％的硅钙钡锶铁合金(硅钙钡锶铁合金的化学成分质量分数为：49.27％Si、12.05％Ca、17.33％Ba、5.61％Sr、0.18％C、0.015％S、0.025％P、Fe余量)、0.35％的固体Si3N4、0.63％的钛铁(钛铁的化学成分质量分数为：39.74％Ti，4.89％Al，1.97％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素)和0.12％的金属铝配料；
②先将质量分数56.6％的Q235废钢、8.5％的低碳铬铁、3.8％的钨渣铁合金和0.35％的固体Si3N4在5吨中频感应电炉内加热熔化，Q235废钢、低碳铬铁、钨渣铁合金和固体Si3N4全部熔化后加入质量分数29％的含铬高锰钢废料，当炉内钢水温度达到1617℃时，加入粒度为30～50mm、质量分数为1.0％的硅钙钡锶铁合金，保温6分钟后，加入质量分数0.12％的金属铝，继续保温3分钟后，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.63％的钛铁，并将钢水温度升至1641℃时出炉到钢包；
③当钢水全部进入钢包后，往钢包内加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，合金线的化学组成及其质量分数为2.38％Mg、3.84％N、6.92％Ti、6.70％Zr、5.97％Ca、3.16％Ba、6.82％Y、10.83％Al、余量为Fe及其不可避免的杂质元素，合金线直径φ5.5mm，合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.3％；
④合金线全部熔化后，对钢包内的钢水进行搅拌和扒渣，当钢水温度降至1505℃时，将钢水浇入铸型得到吸砂管铸件，当吸砂管铸件温度低于200℃时，从铸型中取出吸砂管铸件，对吸砂管铸件进行冒口切割，并进行清砂和打磨处理，然后将其重新加热至930℃，保温4小时后出炉，喷雾冷却吸砂管内壁，并使吸砂管内壁冷却速度控制在6～9℃/分钟，当吸砂管内壁温度降至350～380℃时，将吸砂管重新入炉加热至480℃，保温10小时后，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷，即可获得多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管，其力学性能见表1。
表1 多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管力学性能
力学性能 硬度/HRC 抗拉强度/MPa 冲击韧性(J/cm2)
实施例1 56.3 1310 62.5
实施例2 55.8 1280 66.1
实施例3 56.6 1305 62.9
本发明多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管以含铬高锰钢废料、废钢、钨渣铁合金、低碳铬铁和固体Si3N4为主要合金原料，不含价格昂贵的钼、镍、钒、钴、铜等合金，实现了含铬高锰钢废料、废钢、钨渣铁合金等材料的废物再利用，具有明显的节材效果。吸砂管经含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线微合金化处理后，凝固组织细小，夹杂物明显减少，使合金在保持高硬度前提下，具有良好的强韧性，其中硬度大于55HRC，抗拉强度大于1250MPa，冲击韧性大于60J/cm2。本发明吸砂管与Cr-Mo-Ni合金钢吸砂管相比，具有生产工艺简便、成本低、材料来源广泛等优点，生产成本比Cr-Mo-Ni合金钢吸砂管降低30％以上，用于吸砂式采砂船上，使用寿命比Cr-Mo-Ni合金钢吸砂管提高70％以上，比高锰钢吸砂管提高1倍以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (8)

1.一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，采用电炉熔炼，具体制备工艺步骤是：
①采用质量分数29～33％的含铬高锰钢废料、53～57％的Q235废钢、8.0～9.2％的低碳铬铁、3.5～4.0％的钨渣铁合金、0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金、0.30～0.40％的固体Si3N4、0.50～0.65％的钛铁和0.10～0.15％的金属铝配料；
②先将质量分数53～57％的Q235废钢、8.0～9.2％的低碳铬铁、3.5～4.0％的钨渣铁合金和0.30～0.40％的固体Si3N4在中频感应电炉内加热熔化，Q235废钢、低碳铬铁、钨渣铁合金和固体Si3N4全部熔化后加入质量分数29～33％的含铬高锰钢废料，当炉内钢水温度达到1605～1625℃时，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.8～1.2％的硅钙钡锶铁合金，保温5～8分钟后，加入质量分数0.10～0.15％的金属铝，继续保温2～3分钟后，加入粒度为30～50mm、质量分数为0.50～0.65％的钛铁，并将钢水温度升至1630～1648℃时出炉到钢包；
③当钢水全部进入钢包后，往钢包内加入含氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素的合金线，合金线的化学组成及其质量分数为2.0～2.5％Mg、3.5～4.5％N、6.0～8.0％Ti、6.0～8.0％Zr、5.5～6.8％Ca、2.8～3.6％Ba、6.0～7.5％Y、10.0～11.5％Al、余量为Fe及其不可避免的杂质元素，合金线直径φ5.5～7.0mm，合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.2～1.5％；
④合金线全部熔化后，对钢包内的钢水进行搅拌和扒渣，当钢水温度降至1495～1520℃时，将钢水浇入铸型得到吸砂管铸件，当吸砂管铸件温度低于200℃时，从铸型中取出吸砂管铸件，对吸砂管铸件进行冒口切割，并进行清砂和打磨处理，然后将其重新加热至910～930℃，保温4～6小时后出炉，喷雾冷却吸砂管内壁，并使吸砂管内壁冷却速度控制在6～9℃/分钟，当吸砂管内壁温度降至320～380℃时，将吸砂管重新入炉加热至460～480℃，保温10～12小时后，炉冷至温度低于150℃后出炉空冷，即可获得多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管。
2.按照权利要求1所述的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，所述含铬高锰钢废料的化学成分质量分数为：1.05～1.35％C,0.3～0.9％Si,11～14％Mn,1.5～2.5％Cr,≤0.06％P,≤0.04％S，余量为Fe。
3.按照权利要求1所述的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，所述硅钙钡锶铁合金的化学成分质量分数为：45～55％Si、8～14％Ca、15～20％Ba、4～6％Sr、≤0.4％C、≤0.03％S、≤0.03％P、Fe余量。
4.按照权利要求1所述的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，所述钨渣铁合金的化学成分质量分数为：4.5～8.5％W，11～15％Mn，0.5～0.8％Nb，0.05～0.15％Ta，0.08～0.15％Ti，4.5～6.0％C，<0.08％S，<0.10％P，余量为Fe及其不可避免的杂质元素。
5.按照权利要求1所述的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，所述Q235废钢的化学成分质量分数为：0.14～0.22％C，0.30～0.65％Mn，≤0.30％Si，≤0.050％S，≤0.045％P，余量为Fe。
6.按照权利要求1所述的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，所述钛铁的化学成分质量分数为：38.0～42.0％Ti，4.0～7.0％Al，1.0～2.5％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素。
7.按照权利要求1所述的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管的制备方法，其特征在于，所述低碳铬铁的化学成分质量分数为：62.0～68.0％Cr，≤0.35％C，1.0～2.0％Si，余量为Fe及其不可避免的杂质元素。
8.按照权利要求1-7任一项方法制备得到的多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管。
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