CN109778068B - 铌钒复合强化的耐磨铸钢及其制备方法 - Google Patents

铌钒复合强化的耐磨铸钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铌钒复合强化的耐磨铸钢及其制备方法，包括C 0.38‑0.42％、Si 0.60‑1.10％、Mn 0.80‑1.20％、Cr 1.60‑2.0％、Mo 0.35‑0.65％、V 0.06‑0.09％、Nb 0.02‑0.06％、Ni 0.30‑0.6％、La+Ce≤0.05％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免杂质；制备时，将与所述耐磨铸钢具有相同成分的铸态产品依次退火、淬火和回火处理。本发明的耐磨铸钢不仅硬度高，且韧性优、耐磨性强；同时，其制备工艺相比于现有的，并未增加繁琐的工序，节约了成本，并使得工人能够迅速适应并生产。

Description

铌钒复合强化的耐磨铸钢及其制备方法
技术领域
本发明属于衬板钢制备领域，尤其涉及一种铌钒复合强化的耐磨铸钢及其制备方法。
背景技术
耐磨钢是广泛用于各种磨损工况的一类耐磨钢材料，自1882年英国R.A.Hadfield发明了耐磨高锰钢到现在100多年间，钢铁耐磨材料经历了高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁、高铬铸铁和低合金耐磨钢等几个发展阶段。
其中，高锰钢衬板受到的冲击载荷比较低时，表面得不到加工硬化或者硬化能力不足，耐磨性降低，寿命减少；耐磨合金铸铁的韧性比较差，在中高应力磨损时容易出现早期断裂而失效，因此主要应用于无冲击载荷和低应力冲击载荷的磨料磨损工况；低合金耐磨钢由于其优良的力学性能，特别是硬度能够在很大范围内调整，且同时具有良好的冲击韧性和耐磨性，能够满足不同磨损工况的需要。
然而，目前低合金耐磨衬板钢大都用在小型球磨机上，如果服役于大型球磨机上，韧性和综合耐磨性不足，造成大量的经济损失。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种硬度高、韧性优的铌钒复合强化的耐磨铸钢，应用于大型球磨机衬板；
本发明的第二目的是提供该耐磨铸钢的制备方法。
技术方案：本发明铌钒复合强化的耐磨衬板钢，按重量百分比包括如下成分： C0.38-0.42％、Si 0.60-1.10％、Mn 0.80-1.20％、Cr 1.60-2.0％、Mo 0.35-0.65％、 V0.06-0.09％、Nb 0.02-0.06％、Ni 0.30-0.6％、La+Ce≤0.05％、P≤0.025％、 S≤0.015％及余量Fe和不可避免的杂质。
本发明的耐磨铸钢通过降低钢中Si和Mn的含量，增加Nb和Ni元素，提高V的含量，并结合Nb和V的复合作用，含Nb析出相高温析出，能够起到很好的晶粒细化作用，而含V析出相在中低温析出，能够起到很好的沉淀强化作用，进而大大提高钢的综合性能；同时添加Ni能够在不降低韧性的前提下提高其强度，具有一定的低温韧性，有效避免了脆性断裂的情况；此外，稀土的添加，改善了钢中夹杂物的存在形式，使其球化，尺寸在一个微米左右，且能够吸附钢中残余硫、氧，形成稀土硫氧化物，净化钢液；除上述之外，本发明的耐磨铸钢中由于添加了Mo、V、Nb等强碳化物形成元素，形成许多硬质合金相，而这些硬质相在微米和纳米级别，其中纳米析出相尺寸能够达到50～70nm，大大提高了衬板钢的病硬度和耐磨性。
本发明制备上述铌钒复合强化的耐磨铸钢的方法，包括如下步骤：
(1)退火处理：将与所述耐磨铸钢具有相同成分的铸态产品升温至 860～880℃，保温6～10h后随炉冷却；
(2)淬火处理：将上述退火后的产品先升温至640～660℃，保温1～2h，再升温至870～890℃，保温2～5h后，油淬至150～200℃；
(3)回火处理：将上述油淬后的产品升温至200～500℃，保温3～6h后空冷至室温。
本发明在制备该耐磨铸钢时依次经过退火、淬火及回火处理后，钢的组织为马氏体加少量残余奥氏体，马氏体保证钢的高硬度，具有很好的耐磨性，马氏体板条间的残余奥氏体缓解马氏体在冲击磨料磨损过程中产生的畸变，具有优越的韧性，能够防止发生脆性断裂，延长耐磨铸钢的使用寿命。
进一步说，步骤(1)中，升温的速率≤60℃/h。步骤(2)中，先升温至 640～660℃的升温速率≤60℃/h，再升温至870～890℃的升温速率≤100℃/h。步骤(3)中，升温的速率≤60℃/h。
再进一步说，本发明的步骤(1)中，与耐磨铸钢具有相同成分的铸态产品由如下步骤制得：
(11)采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化，采用CaO-CaF2底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530℃～1550℃，进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560～1580℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，进行终脱氧；
(12)将钢液升温至1580～1620℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce 混合稀土，并静置吹氩10～20min，调整钢液温度至1500～1540℃进行浇铸，制得铸态产品。
更进一步说，步骤(11)中，所述将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化的熔炼温度为1530～1550℃。中频感应熔炼炉的炉底先加入占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1％～1.5％的CaO-CaF2底渣。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该耐磨铸钢不仅硬度高，且韧性优、耐磨性强，其中，硬度能够达到52.3HRC，冲击韧性能够达到46.5J/cm2，冲击三万次磨损量0.1803g，相比于现有的耐磨铸钢，硬度提高了29.7％，冲击韧性提高了34.8％，磨损量降低了22.6％，其服役6个月了依旧在正常运转，而现有的耐磨铸钢的仅能服役2-3个月；同时，其制备工艺相比于现有的制备工艺，并未增加繁琐的工序，节约了成本，并使得工人能够迅速适应并生产。
附图说明
图1为本发明耐磨铸钢显微组织图，放大倍数为20000倍；
图2为现有的耐磨铸钢显微组织图，放大倍数为20000倍；
图3为本发明耐磨铸钢与现有的耐磨钢的硬度、冲击力和磨损失重量对比；
图4为本发明耐磨铸钢衬板装机服役4个月后衬板状态图；
图5为现有的耐磨铸钢衬板装机服役4个月后衬板状态图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
耐磨铸钢的化学成分和重量百分比为：C 0.38-0.42％、Si 0.60-1.10％、Mn0.80-1.20％、Cr 1.60-2.0％、Mo 0.35-0.65％、V 0.06-0.09％、Nb 0.02-0.06％、 Ni0.30-0.6％、La+Ce≤0.05％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免的杂质。
该衬板钢的制备方法包括如下步骤：
(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁在1535℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁和镍铁总质量1～1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1540℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1～0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1575℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1～0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7～0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1600℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入LaCe 混合稀土，并静置吹氩18min，调整钢液温度至1500℃进行浇铸，制得铸态产品；
(3)退火处理：将上述的铸态产品以50℃/h的速率升温至880℃，保温 8h后随炉冷却；
(4)淬火处理：将上述退火后的产品先以50℃/h升温至650℃，保温1h，再以80℃/h升温至880℃，保温3h后进行油淬至150℃；
(5)回火处理：将上述油淬后的产品以50℃/h的速率升温至200～300℃，保温3h后空冷至室温，最后进行缺陷修补和质量检测，即可。
对比例1
现有的耐磨铸钢的化学成分和重量百分比：C 0.38-0.42％、Si 0.60-1.10％、 Mn0.80-1.20％、Cr 1.60-2.0％、Mo 0.35-0.65％、V 0.09-0.15％、Ni 0.30-0.6％、稀土≤0.09％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免的杂质。其中稀土为La和Ce合金，回火温度为400～550℃。
该耐磨铸钢的制备方法包括如下步骤：
(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁和镍铁在1530℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1～1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1～0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1～0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7～0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1580℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入LaCe 合金，并静置吹氩20min，调整钢液温度至1500℃进行浇铸，制得铸态产品；
(3)退火处理：将上述的铸态产品以30℃/h的速率升温至870℃，保温 10h后随炉冷却；
(4)淬火处理：将上述退火后的产品先以30℃/h升温至640℃，保温2h，再以60℃/h升温至870℃，保温5h后进行油淬至180℃；
(5)回火处理：将上述油淬后的产品以30℃/h的速率升温至400～550℃，保温6h后空冷至室温，最后进行缺陷修补和质量检测，即可。
将实施例1和对比例1制备的耐磨铸钢进行SEM显微组织分析，获得的结果如图1和图2所示，通过对该两图对比可知，经淬火、回火后，组织均以板条状马氏体为主，以及少量的碳化物和薄膜状残余奥氏体。所不同的是，对比例 1中的马氏体板条较长而窄，而实施例1的耐磨衬板钢比较短小。因此，相同的倍数下，实施例1的耐磨铸钢中可以看到更多的马氏体板条，而且其较宽的马氏体板条包含有更细密的板条，如图1所示，而马氏体板条的致密度提高可以有效抵抗磨损过程中的应力，提高耐磨性。
同时，将对比例1和对比例2制备的耐磨钢进行性能检测，获得的结果图3 至图5和下表1所示。
表1实施例1和对比例1制备的耐磨铸钢的性能表
Figure BDA0001991311140000051
结合图3至图5和表1可知，本发明的耐磨性硬度、冲击韧性相比于现有的性能均提高，磨损量降低了19％，且装机服役4个月后不断裂。
实施例2
耐磨铸钢的化学成分和重量百分比为：C 0.38-0.42％、Si 0.60-1.10％、Mn0.80-1.20％、Cr 1.60-2.0％、Mo 0.35-0.65％、V 0.06-0.09％、Nb 0.02-0.06％、 Ni0.30-0.6％、La+Ce≤0.05％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免的杂质。
该衬板钢的制备方法包括如下步骤：
(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁在1530℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1～1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1～0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1～0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7～0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1580℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce 混合稀土，并静置吹氩20min，调整钢液温度至1500℃进行浇铸，制得铸态产品；
(3)退火处理：将上述的铸态产品以30℃/h的速率升温至870℃，保温 10h后随炉冷却；
(4)淬火处理：将上述退火后的产品先以30℃/h升温至640℃，保温2h，再以60℃/h升温至870℃，保温5h后进行油淬至180℃；
(5)回火处理：将上述油淬后的产品以30℃/h的速率升温至300～400℃，保温6h后空冷至室温，最后进行缺陷修补和质量检测，即可。
实施例3
耐磨铸钢的化学成分和重量百分比为：C 0.38-0.42％、Si 0.60-1.10％、Mn0.80-1.20％、Cr 1.60-2.0％、Mo 0.35-0.65％、V 0.06-0.09％、Nb 0.02-0.06％、 Ni0.30-0.6％、La+Ce≤0.05％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免的杂质。
该衬板钢的制备方法包括如下步骤：
(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁在1550℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1～1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1550℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1～0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1580℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1～0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7～0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1620℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce 混合稀土，并静置吹氩10min，调整钢液温度至1540℃进行浇铸，制得铸态产品；
(3)退火处理：将上述的铸态产品以20℃/h的速率升温至860℃，保温 6h后随炉冷却；
(4)淬火处理：将上述退火后的产品先以20℃/h升温至660℃，保温1.5 h，再以40℃/h升温至890℃，保温2h后进行油淬至200℃；
(5)回火处理：将上述油淬后的产品以20℃/h的速率升温至400～450℃，保温4h后空冷至室温，最后进行缺陷修补和质量检测，即可。

Claims (3)

1.一种铌钒复合强化的耐磨铸钢，其特征在于按重量百分比包括如下成分：C 0.38-0.42％、Si 0.60-1.10％、Mn 0.80-1.20％、Cr 1.60-2.0％、Mo 0.35-0.65％、V 0.06-0.09％、Nb 0.02-0.06％、Ni 0.30-0.6％、La+Ce≤0.05％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免的杂质；该铌钒复合强化的耐磨铸钢的制备方法包括如下步骤：
(1)制备与耐磨铸钢具有相同成分的铸态产品：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化，采用CaO-CaF2底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530℃～1550℃，进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560～1580℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，进行终脱氧；将钢液升温至1580～1620℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce混合稀土，并静置吹氩10～20min，调整钢液温度至1500～1540℃进行浇铸，制得铸态产品
(2)退火处理：将上述铸态产品以速率≤60℃/h的方式升温至860～880℃，保温6～10h后随炉冷却；
(3)淬火处理：将上述退火后的产品先以速率≤60℃/h的方式升温至640～660℃，保温1～2h，再以速率≤100℃/h的方式升温至870～890℃，保温2～5h后，油淬至150～200℃；
(4)回火处理：将上述油淬后的产品以≤60℃/h的方式升温至200～500℃，保温3～6h后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述铌钒复合强化的耐磨铸钢，其特征在于：步骤(1)中，所述将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化的熔炼温度为1530～1550℃。
3.根据权利要求1所述铌钒复合强化的耐磨铸钢，其特征在于：步骤(1)中，所述中频感应熔炼炉的炉底先加入占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1～1.5％的CaO-CaF2底渣。
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