CN108359916B - 一种高淬透性高硼铸钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高淬透性高硼铸钢及其制备方法，属于抗磨金属材料技术领域。该高淬透性高硼铸钢的化学成分，以质量分数计，包括：0.3％～0.4％C，1.9％～2.2％B，3.5％～4.0％Cr，1.5％～2.0％Mn，0.8％～1.0％Si，0.6％～1.2％Ni，0.5％～1.5％Cu，S<0.04％，P<0.04％，余量为Fe。本发明的高淬透性高硼铸钢利用电炉可生产，工艺简单，且不需添加贵重合金元素，成本低，具有很好的经济效益。本发明的高硼铸钢具有淬透性高、硬度高、韧性和耐磨性好、淬火应力低等优点，无需高温热处理，并可显著提高耐磨部件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于抗磨金属材料技术领域，涉及一种高硼铸钢，具体涉及一种高淬透性高硼铸钢及其制备方法。
背景技术
磨损是冶金、矿山、机械、电力、煤炭、石油、交通、军工等许多工业部门普遍存在的现象，并成为引起设备失效或材料破坏的一个重要原因，磨损造成材料的极大消耗和能源的巨大浪费，是造成经济损失最多的问题之一，开发新型抗磨材料、成本低廉的耐磨材料是国内外普遍关注的课题。目前广泛应用的抗磨材料主要为镍硬铸铁、高铬铸铁和合金耐磨钢。合金耐磨钢中因缺少耐磨硬质相，其耐磨性能往往逊色于镍硬铸铁和高铬铸铁。镍硬铸铁的碳化物形状为连续网状，相比之下，高铬铸铁碳化物分布为近似孤立的块状，韧性和耐磨性好于镍硬铸铁。目前，镍硬铸铁和高铬铸铁生产中消耗较多的贵重合金元素，生产成本高。开发贵重合金含量少，成本低廉的新型耐磨材料已迫在眉睫。
与传统的白口铸铁不同，高硼合金以比碳化物硬度和热稳定性更高的硼化物为耐磨相，以强韧性马氏体为基体，是一种具有高硬度耐磨相和强韧性基体的新型耐磨材料。该材料以我国储量丰富、价格相对低廉的硼为主要合金元素，是一种非常有潜力的耐磨材料。在高硼铁基合金的成分设计中，除了要保持高硼低碳的特点外，还需要加入其它提高材料性能的合金元素。如加入适量的硅来强化基体，加入一定量的铬和锰来韧化硼化物并提高材料的淬透性，等等。为了提高高硼铸造合金韧性。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，其特征在于高硼铸造铁基耐磨合金的主要化学成分是：C，0.15~0.70；B，0.3~1.9；Cr，0.3~0.8；Si, 0.4~0.8；Mn, 0.6~1.3；Ce, 0.05~0.20；La，0.02~0.10；Ca，0.005~0.018；K，0.04~0.18；Al，0.08~0.25；S，<0.04；P，<0.04；其余为Fe。热处理后可以获得板条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。中国发明专利CN101851729A公开了一种强韧耐磨高硼钢的制备方法，所述高硼Fe~B~C合金材料的组成为：C：0.20~0.75；B：1.0~2.5；Si：0.5~1.2；Mn：0.5~1.5；Cr：0.8~2.0；S<0.04；P，<0.04；其余为Fe。铸件的后处理过程是首先将铸件加热到920℃，然后按热处理规范进行淬火，最后在200℃回火。中国专利CN1804091公开了铸造高硼耐磨合金的韧化方法，其特征在于铸造高硼耐磨合金的化学成分是：C：0.30~0.35；B：1.0~1.5；Si：0.6~0.8；Mn：0.8~1.0；S<0.04；P，<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。具体制备步骤为：先进行钢液熔炼，钢液熔炼完成并插铝终脱氧后，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。
但是，上述高速钢都要进行复杂的高温热处理，能耗高，工件表面氧化严重，且由于硼化物脆性较大，韧性不太高，在淬火过程中高冷速导致的高淬火应力易使较脆的高硼合金产生裂纹，因此提升高硼合金的淬透性得到强韧性的铸态高硼合金并保证小的淬火应力、淬火变形且不易出现淬裂是十分必要。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高淬透性高硼铸钢及其制备方法，该高硼铸钢硬度高、该制备方法工艺简单、生产周期短、能耗低。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种高淬透性高硼铸钢，该高淬透性高硼铸钢的化学成分，以质量分数计，包括：0.3%~0.4% C，1.9%~2.2% B，3.5%~4.0% Cr，1.5%~2.0% Mn，0.8%~1.0% Si，0.6%~1.2% Ni，0.5%~1.5% Cu，S<0.04%，P<0.04%，余量为Fe。
本发明还公开了一种高淬透性高硼铸钢的制备方法，包括以下步骤：
1）取炉料废钢、铬铁、锰铁、碳钢、硼铁、纯铜棒和纯镍棒，先将废钢、铬铁、锰铁及碳钢混合后装填入熔炼炉中，加热至熔化；
2）将硼铁粉碎、烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入硼铁；
3）将熔炼炉温度升至1500~1580℃，加入脱氧剂铝丝脱氧，待炉料完全熔化后再加入纯铜棒和镍棒；
4）当钢水温度达1400~1480℃时，浇注成铸件，然后将铸件退火处理，空气冷却至室温，制得高淬透性高硼铸钢；
制得的高淬透性高硼铸钢的化学成分为：以质量分数计，包括：0.3%~0.4% C，1.9%~2.2% B，3.5%~4.0% Cr，1.5%~2.0% Mn，0.8%~1.0% Si，0.6%~1.2% Ni，0.5%~1.5% Cu，S<0.04%，P<0.04%，余量为Fe。
优选地，步骤2）中，是将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200~300℃下烘干。
优选地，步骤4）所述退火处理，是将铸件在200~250℃下，去应力退火3~5h。
优选地，硼铁的化学成分，以质量分数计，包括：0.3%~0.35%C，0.5%~1.0%Si，19%~20%B，≤0.04%S，≤0.04%P，余量为Fe。
优选地，所用各炉料的化学成分，以质量分数计，如下所示：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明高硼铸钢基体组织几乎全为马氏体，硬度高，达到64~68HRC，取消了高温热处理，具有能耗低、生产周期短、工艺简便等优势，在200~250℃下进行去应力退火处理后，硬度仍维持在62~67HRC；
2、本发明高硼铸钢残余奥氏体量少，达到4~8vol%，较淬火处理后降低40%；
3、本发明高硼铸钢残余应力低，达到-250~-300MPa，较淬火处理后降低50%；
4、本发明高硼铸钢耐磨性好，较淬火处理后提高15%~20%；
5、本发明高硼铸钢淬透性好，淬透深度可达到25cm~30cm；
6、本发明高硼铸钢中，无钨、钼、钒、铌、钴等价格昂贵的合金元素，主要合金元素是廉价的硼、硅、铬、锰及少量的镍和铜，因此成分低廉。
附图说明
图1为实施例1的高硼铸钢30cm厚处组织形貌；
图2为实施例2的高硼铸钢30cm厚处组织形貌；
图3为实施例3的高硼铸钢30cm厚处组织形貌。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开的一种高淬透性高硼铸钢的制备方法，包括以下步骤：
1）取炉料废钢、铬铁、锰铁、碳钢、硼铁、纯铜棒和纯镍棒，先将废钢、铬铁、锰铁及碳钢混合后装填入熔炼炉中，加热至熔化；
2）将硼铁粉碎、烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入硼铁；
3）将熔炼炉温度升至1500~1580℃，加入脱氧剂铝丝脱氧，待炉料完全熔化后再加入纯铜棒和镍棒；
4）当钢水温度达1400~1480℃时，浇注成铸件，然后将铸件退火处理，空气冷却至室温，制得高淬透性高硼铸钢；
制得的高淬透性高硼铸钢的化学成分为：以质量分数计，包括：0.3%~0.4% C，1.9%~2.2% B，3.5%~4.0% Cr，1.5%~2.0% Mn，0.8%~1.0% Si，0.6%~1.2% Ni，0.5%~1.5% Cu，S<0.04%，P<0.04%，余量为Fe。
其中，所用炉料的化学成分见下表1
表1 各炉料的化学成分
实施例1
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明高硼铸钢，其制造工艺步骤是：
1）将废钢、铬铁、锰铁及碳钢混合后加热熔化；
2）将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；
3）将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全熔化后加入纯铜棒和纯镍棒；
4）钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，最后将铸件在200℃低温去应力退火3小时，然后空气冷却至室温。
经本实施例制得的高硼铸钢的具体成分见表2，其硬度达到66.8±1HRC，冲击韧性达到7.4J/cm2，残余奥氏体量达到7.4vol%，残余应力达到-278.4Mpa，淬透深度达到28-30cm。
实施例2
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明高硼铸钢，其制造工艺步骤是：
1）将废钢、铬铁、锰铁及碳钢混合后加热熔化；
2）将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；
3）将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全熔化后加入纯镍棒；
4）钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，最后将铸件在200℃低温去应力退火3小时，然后空气冷却至室温。
经本实施例制得的高硼铸钢的具体成分见表2，其硬度达到65.2±1HRC，冲击韧性达到8.1J/cm2，残余奥氏体量达到6.4vol%，残余应力达到-256.2Mpa，淬透深度达到27-28cm。
实施例3
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明高硼铸钢，其制造工艺步骤是：
1）将废钢、铬铁锰铁及碳钢混合加热熔化；
2）将硼铁破碎成小于15mm小块，经250℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法加入硼铁；
3）将熔炼炉温度升至1560℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全熔化后加入纯铜棒；
4）钢水温度达到1450℃时，直接浇注成铸件，最后将铸件在200℃低温去应力退火3小时，然后空气冷却至室温。
经本实施例制得的高硼铸钢的具体成分见表2，其硬度达到64.3±1HRC，冲击韧性达到8.4J/cm2，残余奥氏体量达到6.7vol%，残余应力达到-266.3Mpa，淬透深度达到25-26cm。
表2 高硼铸钢的成分
| 元素 | B | C | Si | Mn | Cr | Ni | Cu | P | S | Fe |
| 实施例1 | 2.11 | 0.36 | 1.17 | 1.89 | 4.31 | 1.19 | 0.96 | ＜0.02 | ＜0.02 | 余量 |
| 实施例2 | 2.12 | 0.36 | 1.13 | 1.68 | 4.19 | 1.15 | 0.54 | ＜0.02 | ＜0.02 | 余量 |
| 实施例3 | 1.96 | 0.35 | 1.02 | 1.81 | 4.28 | 1.12 | 0.00 | ＜0.02 | ＜0.02 | 余量 |
同时，参见图1，2和3，分别表示实施例1，2和3制得的高硼铸钢在30cm厚处的组织形貌图。由图1可见，实施例1制得的高硼铸钢组织由硼化物和马氏体基体组成，基体完全淬透，表示实施例1制得的高硼铸钢具有优异的淬透性，因此能获得较高的硬度。然而，实施例2和实施例3制得的高硼铸钢的组织由硼化物和大量马氏体及少量珠光体基体组成，且随着合金中的Cu含量降低，珠光体的体积分数明显增大，此时合金硬度也随之降低。相比之下，实施例1制得的高硼铸钢的淬透性高于实施例2和实施例3。
Claims (5)
1.一种高淬透性高硼铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）取炉料废钢、铬铁、锰铁、碳钢、硼铁、纯铜棒和纯镍棒，先将废钢、铬铁、锰铁及碳钢混合后装填入熔炼炉中，加热至熔化；
2）将硼铁粉碎、烘干后，置于浇包底部，采用包内冲入法向熔炼炉中加入硼铁；
3）将熔炼炉温度升至1500~1580℃，加入脱氧剂铝丝脱氧，待炉料完全熔化后再加入纯铜棒和镍棒；
4）当钢水温度达1400~1480℃时，浇注成铸件，然后将铸件退火处理，空气冷却至室温，制得高淬透性高硼铸钢；
制得的高淬透性高硼铸钢的化学成分为：以质量分数计，包括：0.3%~0.4% C，1.9%~2.2% B，3.5%~4.0% Cr，1.5%~2.0%Mn，0.8%~1.0% Si，0.6%~1.2% Ni，0.5%~1.5% Cu，S<0.04%，P<0.04%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的高淬透性高硼铸钢的制备方法，其特征在于，步骤2）中，是将硼铁粉碎成粒径小于15mm块体，在200~300℃下烘干。
3.根据权利要求1所述的高淬透性高硼铸钢的制备方法，其特征在于，步骤4）所述退火处理，是将铸件在200~250℃下，去应力退火3~5h。
4.根据权利要求1所述的高淬透性高硼铸钢的制备方法，其特征在于，硼铁的化学成分，以质量分数计，包括：0.3%~0.35%C，0.5%~1.0%Si，19%~20%B，≤0.04%S，≤0.04%P，余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的高淬透性高硼铸钢的制备方法，其特征在于，所用各炉料的化学成分，以质量分数计，包括：
废钢，0.3% C、0.3% Si、0.5% Mn、0.002% S和0.002% P，余量为Fe；
铬铁，0.24% C、1.7% Si、59.3% Cr、0.002% S和0.002% P，余量为Fe；
锰铁，6.41% C、1.63% Si、65.9% Mn、0.002% S和0.002% P，余量为Fe；
碳钢，0.35%~0.4% C、1%~1.5% Si、0.5%~1% Mn、2%~3% B、0.002% S和0.002% P，余量为Fe；
硼铁，0.32% C、0.76% Si、19.8% B、0.03% S和0.002% P，余量为Fe。
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