CN109112432A - 一种低成本贝氏体耐磨铸钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低成本贝氏体耐磨铸钢及其生产方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.3％～0.6％、Mn：1.5％～2.5％、Si：1.0％～2.0％、Cr：0.8％～1.5％、Ti：0.03％～0.06％、Cu：0.2％～0.8％、B：0.002％～0.004％、Sb：0.02％～0.08％、P<0.04％、S<0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。应用本发明生产的铸钢成本低，不添加Ni、Mo等贵金属而具有良好的耐磨性能；易于铸，热处理工艺简单，生产处的耐磨钢具有高硬度及高韧性。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，尤其涉及贝氏体耐磨铸钢。
背景技术
冶金、矿山、电力、建材、煤炭和石油等基础工业的飞速发展，对耐磨材料的生产和供应提出了更高的要求，开发新型耐磨材料及其制造工艺以满足我国基础工业的需要，一直是材料研究者不断关注的新课题。目前广泛应用的耐磨材料主要有三大类I①高锰钢：②白口铸铁；③低合金钢。高锰钢是传统的耐磨材料，我国在20世纪50～60年代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料。使用实践中发现，只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下，高锰钢才耐磨。而且其屈服强度低、易变形。因此，在许多领域已逐渐被其它耐磨材料所代替。白口铸铁组织中含有超过20％的高硬度共晶碳化物，具有优异的耐磨性但是，它存在着合金元素含量多，生产成本高，以及高温热处理易变形和开裂不足。普通白口铸铁和低合金自口铸铁还存在碳化物呈连续状分布，脆性大和使用中易剥落甚至断裂的不足。低合金钢是很有发展前途的一类耐磨材料，具有良好的综合性能，即较好的耐磨性和良好的强韧性相匹配。国外低合金耐磨钢主要是Cr、Mo系，并加入少量Ni等其它合金元素具有较好的耐磨性。但是，成本较高，铸造难度加大。
如果将传统低合金耐磨铸钢(包括贝氏体铸钢)的成分优化，在保证性能的基础上降低成本，无疑使贝氏体耐磨铸钢具有广阔的使用前景并具有客观的经济和社会效益。
专利《耐磨铸钢的制备方法》(CN103498092A)公开的耐磨铸钢含0.6-0.85％C，12-15％Cr，0.8-1.2％Si，0.3-0.5％Mn，0.8-1.2％Mo，1.0-1.2％Ni，0.15-0.22％N。该发明采用高碳、高合成分设计，成本极高，并大幅度增加冶炼、铸造及热处理难度。
专利《一种高硬度高韧性耐磨钢及其制备方法》(CN103114247A)公开的耐磨钢含1.1-1.5％C，1.3-1.5％Cr，0.2-0.5％Si，10-12％Mn，0.1-0.3％V，0.05-0.2％Ti。该发明属于高锰钢，除了难于生产外，高冲击条件下才能发挥其耐磨性。
《高硬度高韧性耐磨钢》(CN1557984)公开的耐磨钢其组成为0.25-0.55％C，0.8-2.5％Cr，0.3-1.5％Si，1.2-4.5％Mn，0.4-1.5％Mo，0.3-1.0％N0.15-0.22％的成分设计，其贵金属加入较大，成本依然偏高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种成本低、合金含量低、易于制造并具有优良性能的贝氏体耐磨铸钢。
本发明目的是这样实现的：
一种低成本贝氏体耐磨铸钢，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.3％～0.6％、Mn：1.5％～2.5％、Si：1.0％～2.0％、Cr：0.8％～1.5％、Ti：0.03％～0.06％、Cu：0.2％～0.8％、B：0.002％～0.004％、Sb：0.02％～0.08％、P<0.04％、S<0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明成分设计理由如下：
C：碳是钢中最重要的合金元素之一，其主要作用是形成固溶体组织，提高钢的强度，如铁素体、奥氏体组织，都溶解有碳元素；形成碳化物组织，可提高钢的硬度及耐磨性。因此，碳在钢材中，含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低。为保证耐磨钢具有较高的硬度，必须保证一定的碳含量要。如果碳含量过高，则导致冲击韧性急剧下降，降低耐磨性能因此，选在0.3％～0.6％之间。
Mn：降低Ar3，扩大奥氏体相区，提高钢的淬透性，锰对碳钢具有显著的强化作用；若Mn含量过高时，容易发生过热。锰具有促进晶粒长大的作用，会使钢的耐蚀显著降低，故选在1.5％～2.5％。
Cr：提高贝氏体淬透性，提高强度及耐腐蚀性能，抑制碳的石墨化倾向。但铬含量过高则易析出碳化物，影响钢的性能，故含量控制在0.8％～1.5％。
Si：是良好的固溶强化元素，在提高钢的强度同时提高钢的冷加工硬化性能，并抑制碳化物生成。硅也能提高钢的抗腐蚀能力，但过高导致脆性增加。因此选1.0％～2.0％。
Cu:铜是扩大奥氏体相区的元素，提高贝氏体淬透性，在提高强度的同时也提高钢的疲劳强度，有利于提高钢的耐磨性能。而且铜能够显著提高钢的耐蚀性。但铜含量过高则易产生热脆，故含量控制在0.2％～0.8％。
B：微量B能强烈抑制先共析铁素体形核，是提高淬透性最有效的元素，过多则形成化合物，增加脆性，因此控制B在0.002％～0.004％。
Ti：钛能够细化晶粒，固定钢中的氧、氮，具有析出强化的能力，但过多则生成粗大的液析TiN，恶化钢的性能。故将Ti控制在0.03％～0.06％。
Sb：抑制碳化物形成，提高钢的抗回火能力并改善钢的铸造性能。锑还能抑制铜在晶界偏析，消除铜钢的热脆。但过高则引起严重脆性，因此选择0.02％～0.08％。
P、S为有害杂质，设定0.04％的上限。
本发明以普通的C-Mn-Si-Cr系钢成分为基础，添加一定量的Cu及微量的B、Ti、Sb，采用普通工艺铸造及传统淬火+低温回火的热处理工艺，即可获得硬度HRC58-65，冲击功30-60J(V型缺口、零下20度)性能优良的耐磨铸钢。
本发明一种低成本贝氏体耐磨铸钢的生产方法包括如下步骤：
(1)真空电炉冶炼；
(2)浇注温度1590±20℃；
(3)500±20℃开箱脱模；
(4)室温装炉，加热至880±20℃,保温120min；
(5)空冷至室温；
(6)220±10℃回火240min。
使用真空电炉冶炼为保证钢种有害气体含量尽可能低；浇注温度过低钢水流动性差，浇铸困难，过高则使晶粒粗大，因此本发明选择1590±20℃的浇铸温度；脱模温度过高钢水未完全凝固，过低则浪费能源，因此选择500±20℃开箱脱模；热装炉可以节约能源，加热温度过高会造成晶粒粗化影响性能并浪费能源，过低则奥氏体成分不均匀，对性能不利；冷速过快热应力及组织应力加大，容易诱发裂纹，过慢则不能得到贝氏体，空冷冷速适中，成本上也较为经济；
采用回火温度220±10℃回火240min是为了保证消除应力及使部分过饱和炭扩散到残余奥氏体来改善钢的韧性，温度过高则硬度下降过多，性能不能保证，过低则无法消除应力及实现碳的配分。而时间过长造成生产周期加长，成本增加，过短则不能达到消除应力及碳的配分效果。
本发明的有益效果在于：
(1)成本低。不添加Ni、Mo等贵金属而具有良好的耐磨性能；
(2)由于加入Sb，使钢液的流动性好，易于铸造。而且Sb使钢抗回火能力增强，保证热处理后钢的性能。
(3)热处理工艺简单，与高锰钢水韧处理(1050℃)相比，节能效果显著；
(4)本发明成分的耐磨钢具有高硬度(HRC58-65)及高韧性(零下20℃冲击功大于30J)。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
发明实施例根据技术方案的组分配比，用真空电炉冶炼成分合格钢水，钢水温度降至1590±20℃开始铸造。当温度降至500±20℃时开箱、脱模。铸件降至室温时清理表面，肉眼检查铸件质量。装入加热炉，加热至880±20℃,保温120min。空冷至室温。放入炉中，220±10℃回火时间240min。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要工艺参数件表2，本发明实施例钢的性能及铸造缺陷评定见表3。
表1本发明实施例钢的成分(wt，％)
| 实施例 | C | Mn | Si | Cr | Cu | B | Ti | Sb | P | S |
| 实施例1 | 0.35 | 2.45 | 1.85 | 1.40 | 0.78 | 0.0027 | 0.04 | 0.07 | 0.03 | 0.02 |
| 实施例2 | 0.41 | 2.02 | 1.67 | 1.28 | 0.69 | 0.0037 | 0.03 | 0.05 | 0.02 | 0.03 |
| 实施例3 | 0.51 | 1.70 | 1.52 | 1.08 | 0.43 | 0.0030 | 0.03 | 0.06 | 0.03 | 0.03 |
| 实施例4 | 0.55 | 1.66 | 1.26 | 0.93 | 0.53 | 0.0031 | 0.03 | 0.04 | 0.03 | 0.02 |
| 实施例5 | 0.60 | 1.52 | 1.05 | 0.81 | 0.23 | 0.0035 | 0.03 | 0.02 | 0.02 | 0.02 |
注：余量为Fe及不可避免的微量杂质
表2本发明实施例钢的主要工艺参数
表3本发明实施例钢的性能及铸造缺陷评定
| 实施例 | HRC | 冲击功a<sub>k</sub>(J) | 铸造裂纹 |
| 实施例1 | 58 | 60 | 无 |
| 实施例2 | 60 | 52 | 无 |
| 实施例3 | 61 | 55 | 无 |
| 实施例4 | 64 | 45 | 无 |
| 实施例5 | 65 | 30 | 无 |
Claims (2)
1.一种低成本贝氏体耐磨铸钢，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.3％～0.6％、Mn：1.5％～2.5％、Si：1.0％～2.0％、Cr：0.8％～1.5％、Ti：0.03％～0.06％、Cu：0.2％～0.8％、B：0.002％～0.004％、Sb：0.02％～0.08％、P<0.04％、S<0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的一种低成本贝氏体耐磨铸钢的生产方法，其特征在于，生产步骤如下：
(1)真空电炉冶炼；
(2)浇注温度1590±20℃；
(3)500±20℃开箱脱模；
(4)室温装炉，加热至880±20℃,保温120min；
(5)空冷至室温；
(6)回火温度220±10℃，回火时间240min。
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