CN108220817A

CN108220817A - 一种含硼耐磨合金钢及其制备方法

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Publication number: CN108220817A
Application number: CN201810066337.0A
Authority: CN
Inventors: 郑开宏; 张琦; 王娟; 王海艳; 郑志斌; 龙骏
Original assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Current assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Priority date: 2017-08-13
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2018-06-29

Abstract

一种含硼耐磨合金钢及其制备方法，所述合金钢由以下重量百分比的成分组成：0.6～0.9%C，5～5.8%Cr，0.5～1.4%B，0.5～0.8%Ni，0.6～1.0%Mn，0.6～1.0%Si，0.35～0.5%Nb，1.0～2.0%W，0.55～0.75%Ti，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。本发明采用变质处理和机械振动的复合方法制备含硼耐磨合金钢，向钢水中加入Ti、Nb和W元素进行变质处理，将熔炼好的钢水浇注到固定在振动装置上的铸型中，浇注完成后开启振动装置，对钢水进行机械振动。本发明可以有效细化晶粒，改善组织中硼化物的形貌和分布，能够在保证材料硬度的情况下提高冲击韧度，且所需设备和工艺简单，贵重金属加入量少，生产成本低，在工业生产中易于推广和应用。

Description

一种含硼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，具体是涉及一种含硼耐磨合金钢及其制备方法。

背景技术

材料磨损在矿山、冶金、机械、建材等许多工业部门普遍存在，是引起设备失效的重要原因，每年因为材料磨损而造成的经济损失巨大。目前，广泛应用的耐磨材料主要有高锰钢、中低合金耐磨钢和高铬铸铁，其中高锰钢只有在应力高、磨料硬以及冲击大的情况下才能体现其良好的耐磨性，而且由于高锰钢加工硬化能力太强，导致其难以进行切削加工，同时高锰钢还有屈服强度低、易于变形等缺点，使其应用受到很大限制；中低合金耐磨钢在低、中冲击载荷下的耐磨性能优于高锰钢，但其存在淬硬性低、淬透性不足等缺点；高铬铸铁虽然具有良好的综合力学性能，但存在昂贵金属元素用量大，生产成本高和高温处理易变形或开裂的问题。近年来，随着铬、钼、镍、钒等合金元素供应紧张，价格飞涨，使传统耐磨材料的生产成本大大增加。因此，研究和开发新型耐磨材料具有重大意义。

含硼耐磨合金钢是以硼化物为耐磨相的新型耐磨材料，具有熔炼工艺简单，成形性好等优点，与高铬铸铁、镍硬铸铁等传统耐磨材料相比，减少了昂贵金属的使用，具有成本低廉的优势。合金钢中的硼大部分以硼化物的形式析出，硼化物具有高的硬度和热稳定性，是良好的耐磨相，因此含硼耐磨合金钢是一种具有广阔前景的新型耐磨材料。但合金中硼化物较为粗大，易于萌生裂纹，且硼化物在晶界处呈连续网状分布，严重割裂基体，导致合金韧性急剧下降，因此必须通过有效的工艺方法改善硼化物的形貌和分布，提高合金韧性，才能使其更加广泛地推广使用。公开号为CN103526106A的中国发明专利申请公开了一种高性能无铬高硼铸铁复合材料，其化学成分重量百分比为：C：0.43～0.58%，B：1.1～4.6%，Si：0.65～0.9%，Mn：0.55～1.1%，Ce：0.02～0.21%，S：0.02～0.05%，P：0.04～0.09%，其制备方法是：钢液熔炼完成后浇注入放有硼铁颗粒的浇包中，然后将铈铁颗粒放入合金液中，搅拌直到颗粒完全熔化，合金液在浇包中静置3～7min后加入除渣剂除渣，待温度降至1410～1450℃，浇入铸型，凝固冷却得到合金钢；然后将合金钢在900～1100℃下奥氏体化后，进行油淬，油淬后的工件在280～350℃进行去应力退火处理，最终得到无铬高硼铸铁复合材料，材料硬度45～58HRC，冲击韧性20～10 J/cm²。公开号为CN1804091A的中国发明专利申请公开了一种铸造高硼耐磨合金的韧化方法，合金主要化学成分及其质量百分比为：C：0.3～0.35%，B：1～1.5%，Si：0.6～0.8%，Mn：0.8～1.0%，P<0.04%，S<0.04%，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，制备步骤为：先进行钢液熔炼，熔炼完成并插铝还原后加入变质剂钛铁合金FeTi30进行变质处理，化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，热处理温度为1020～1050℃，保温时间2～3小时，然后进行淬火或正火，最后回火，试样硬度最高为55HRC，冲击韧度最大为12.5J/cm²。公开号为CN102517504A的中国发明专利申请公开了一种衬板用高硼铸钢，所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C<0.4%，Si：0.4～0.8%，Mn：0.5～1.2%，Cr：0.5～1.2%，B：1.2～3.0%，Re：<0.2，V：<0.1，Ti：<0.1，铸钢先进行950～980℃×2h+水冷的淬火工艺，再在200～250℃×4h+空冷回火处理，其硬度大于58HRC，冲击韧性大于12J/cm²。以上专利申请所述工艺虽然硬度和冲击韧度较高，但都对铸件进行了热处理，且热处理工序较为复杂，延长了铸件的生产周期。

变质处理和热处理是目前改善含硼钢组织和性能的常见工艺方法，但实践表明，单独的变质处理对性能的提升程度有限，热处理工序普遍比较复杂，要想使含硼合金钢更好地应用于实际生产，需要开发出一种显著改善含硼合金钢组织和性能且工艺简单、易于操作的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种硬度和冲击韧度高、热稳定性强、综合力学性能好的含硼耐磨合金钢。在此基础上，本发明进一步的目的是提供一种生产工艺简单，易操作，能够显著细化晶粒，改善硼化物形貌和分布的含硼耐磨合金钢的制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的含硼耐磨合金钢，其特点是由以下重量百分比的成分组成：0.6～0.9%C，5～5.8% Cr，0.5～1.4% B，0.5～0.8% Ni，0.6～1.0% Mn，0.6～1.0% Si，0.35～0.5%Nb，1.0～2.0% W，0.55～0.75% Ti，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明所述的含硼耐磨合金钢的制备方法，其特点是包括以下具体工艺步骤：

(1)将废钢、铬铁、硅铁、镍铁、锰铁、硼铁、钛铁按上述重量百分比及元素收得率称重配料；

(2)将称重后的废钢、铬铁、镍铁放入熔炼炉中进行熔炼，熔清后加入硅铁、锰铁，调整成分合格后升温，经还原后加入硼铁和钛铁；

(3)钢水熔炼完成后浇注到固定在振动装置上的铸型中；

(4)钢水浇注完毕后开启振动装置；

(5)振动完毕后，冷却，并经清砂、打磨处理，获得含硼耐磨合金钢铸件。

其中，所述步骤(2)中调整成分合格后升温至1580～1620℃。

所述步骤(3)中钢水的浇注温度为1540～1560℃。

所述步骤(4)中钢水是在液固两相区振动，振动频率为15～30Hz。

C：C是保证合金钢强度和耐磨性的基本元素，C含量太低则强度和耐磨性差，C含量太高则韧性差。本发明C含量的范围为0.6～0.9%。

B：B是含硼耐磨合金钢中硬质相的主要形成元素，在钢中能够形成高硬度和热稳定性的硼化物，提高合金钢耐磨性，部分B元素溶入到基体中，改善淬透性，但B加入过多会导致脆性硼化物增多，使材料韧性大幅下降。本发明B含量的范围为0.5～1.4%。

Cr：添加适量的Cr可以提高钢的淬透性，同时Cr使碳化物由网状M₃C型转变为孤立的M₇C₃型，且硬度变高；Cr还能提高B在基体中的固溶量，还有稳定Fe₂B相的作用。从性价比考虑，本发明Cr含量的范围为5.0～5.8%。

Ni：Ni是奥氏体形成元素，能提高钢的强度，而不降低其塑性，同时能够降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。从性价比考虑，本发明Ni含量的范围为0.5～0.8%。

Nb：Nb为强碳化物形成元素，其碳化物弥散的小颗粒能对奥氏体晶界起固定作用，阻止奥氏体晶粒长大，细化了晶粒。从性价比考虑，本发明Nb含量的范围为0.35～0.5%。

Mn：向钢中加入适量Mn可以提高钢的淬透性，加入量过多会是组织粗化。综合考虑，本发明Mn含量的范围为0.6～1.0%。

Si：Si是非碳化物形成元素，加入钢中后主要存在于基体，一般起固溶强化的作用，Si还可以细化奥氏体晶粒，改善材料的高温红硬性和低温淬火硬度，Si含量过高时，组织中会出现大量未转变的奥氏体，降低材料硬度。综合考虑，本发明Si含量的范围为0.6～1.0%。

W：W可与钢中的C形成WC，WC作为硬质点分布在基体组织中，提高耐磨性，同时也可细化晶粒。从性价比考虑，本发明W含量的范围为1.0～2.0%。

Ti：Ti可与钢中的C形成TiC，可作为奥氏体和Fe₂B相的异质形核核心，细化组织，同时可以与钢水中的B反应生成弥散分布的Ti₂B相，减少了脆性的Fe₂B相的形成，有效改善了铁硼化合物的形貌和分布。本发明Ti含量的范围为0.55～0.75%。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1.本发明通过向合金钢中加入我国富有的硼元素，从而大幅减少Cr、Ni、V、Mo等昂贵元素的使用，显著降低了生产成本；

2.本发明的合金钢以硼化物代替传统耐磨材料中的碳化物作为耐磨相，具有硬度高、热稳定性强的优点，提高了合金钢的耐磨性；

3.本发明通过Ti、Nb、W的变质作用与机械振动相结合，显著改善合金组织，晶粒得到细化，硼化物出现缩颈、断网现象，分布更加均匀，相比于单一的变质处理工艺，进一步提高了合金钢的综合力学性能；

4.本发明无需进行热处理就可大幅提高铸件的硬度和冲击韧度，减少了制备工序，大幅缩短了生产周期；

5.本发明机械振动所需的设备和工艺较为简单，成本低，也不受产品尺寸和形状的限制，在工业生产中易于推广和应用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

本实施例中的含硼耐磨合金钢的化学成分及重量百分比为C：0.63%，Cr：5.28%，B：0.56%，Ni：0.54%，Mn：0.72%，Si：0.73%，Nb：0.38%，W：1.12%，Ti：0.64%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质元素；

其制备方法如下：

(2)将称重后的废钢、铬铁、镍铁放入200Kg中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔清后加入硅铁、锰铁，调整成分合格后升温至1580℃，经还原后加入硼铁和钛铁；

(3)钢水熔炼完成后，温度降至1540℃时浇注到固定在振动装置上的铸型中；

(4)钢水浇注完毕后开启振动装置，钢水在液固两相区振动，振动频率20Hz；

(5)振动完毕后，冷却，并经清砂、打磨等处理，获得含硼耐磨合金钢铸件。铸件力学性能测试结果为硬度51 HRC，冲击韧度14.7 J/cm²。

实施例2：

本实施例中的含硼耐磨合金钢的化学成分及重量百分比为C：0.76%，Cr：5.42%，B：0.83%，Ni：0.61%，Mn：0.73%，Si：0.67%，Nb：0.46%，W：1.47%，Ti：0.61%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质元素；

其制备方法如下：

(2)将称重后的废钢、铬铁、镍铁放入200Kg中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔清后加入硅铁、锰铁，调整成分合格后升温至1600℃，经还原后加入硼铁和钛铁；

(3)钢水熔炼完成后，温度降至1560℃时浇注到固定在振动装置上的铸型中；

(4)钢水浇注完毕后开启振动装置，钢水在液固两相区振动，振动频率30Hz；

(5)振动完毕后，冷却，并经清砂、打磨等处理，获得含硼耐磨合金钢铸件。铸件力学性能测试结果为硬度55HRC，冲击韧度13.5 J/cm²。

实施例3：

本实施例中的含硼耐磨合金钢的化学成分及重量百分比为C：0.72%，Cr：5.76%，B：1.21%，Ni：0.53%，Mn：0.61%，Si：0.62%，Nb：0.40%，W：1.23%，Ti：0.72%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质元素；

其制备方法如下：

(3)钢水熔炼完成后，温度降至1550℃时浇注到固定在振动装置上的铸型中；

(4)钢水浇注完毕后开启振动装置，钢水在液固两相区振动，振动频率25Hz；

(5)振动完毕后，冷却，并经清砂、打磨等处理，获得含硼耐磨合金钢铸件。铸件力学性能测试结果为硬度58 HRC，冲击韧度12.2J/cm²。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims

1.一种含硼耐磨合金钢，其特征在于由以下重量百分比的成分组成：0.6～0.9% C，5～5.8% Cr，0.5～1.4% B，0.5～0.8% Ni，0.6～1.0% Mn，0.6～1.0% Si，0.35～0.5% Nb，1.0～2.0% W，0.55～0.75% Ti，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

2.一种用于制备权利要求1所述含硼耐磨合金钢的方法，其特征在于包括以下具体工艺步骤：

(3)钢水熔炼完成后浇注到固定在振动装置上的铸型中；

(4)钢水浇注完毕后开启振动装置；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中调整成分合格后升温至1580～1620℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中钢水的浇注温度为1540～1560℃。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中钢水是在液固两相区振动，振动频率为15～30Hz。