CN110093569B - 一种板锤用高碳高铬钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：9‑14%，C：1.4‑1.8%，Mo：0.6‑1.3%，V：0.1‑0.6%，Si：0.3‑1.0%，Mn：0.3‑1.0%，Ni：0.05‑2.0%，Ti：0.05‑1.0%，Y：0.05‑0.50%，其余为Fe和其它不可避免的杂质元素。本发明制备的高碳高锰钢用于反击式破碎机的板锤，抗拉强度在3800MPa以上，冲击韧性在13J/cm2以上，硬度在60HRC以上，能够满足反击式破碎机板锤对抗拉强度、冲击韧性和硬度等的要求。

Description

一种板锤用高碳高铬钢及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种板锤用高碳高铬钢及其制备方法。
背景技术
随着工程建设的需要，反击破碎机广泛应用于建材、矿山、冶金、电力及化工等行业,其中锤头在工作时受力复杂，承受冲击、挤压、剪切及接触疲劳的反复作用，工况条件恶劣，属于关键配件，年消耗大量金属材料。目前反击式破碎机板锤上应用较多的是高锰钢和高铬铸铁，但是，高铬铸铁因其韧性不足易于断裂，高锰钢耐磨性不高。因此，研制一种强韧性优良的高耐磨性锤头已成为提高我国反击破碎机作业率的一项迫切解决的问题。
CN102888564A公开了一种超高锰钢及其制备方法，该专利铸件水韧处理后再进行250～350℃时效处理，在时效处理时会出现Cr的碳化物增大脆性，在冲击工况下易脱落而耐磨性低。
CN107604238A公开了一种高铬铸铁及其制备方法，所述高铬铸铁按重量百分比计的化学成分如下：C：2.86～2.95%，Cr：24.5～24.9%，Si：0.72～083%，Mn：2.15～2.35%，Mo：0.25～0.35%，Cu：0.35～0.40%，Ni：0.85～1.25%，P：0.03～0.04%，S：0.01～0.02%，余量为铁，所述高铬铸铁的制备方法包括配料、熔炼、炉前分析、脱氧出炉，浇包，静置浇铸在内的加工步骤。该高铬铸铁的冲击韧性为7.4J/cm2，在使用过程中会因韧性不足而断裂。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种板锤用高碳高铬钢及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：9-14%，C：1.4-1.8%，Mo：0.6-1.3%，V：0.1-0.6%，Si：0.3-1.0%，Mn：0.3-1.0%，Ni：0.05-2.0%，Ti：0.05-1.0%，Y：0.05-0.50%，P：0-0.03%，S：0-0.03%，O：0-0.03%，余量为Fe。
作为优选，板锤用高碳高铬钢的化学成分及其质量百分比为：Cr：10-13%，C：1.4-1.7%，Mo：0.8-1.2%，V：0.2-0.5%，Si：0.3-1.0%，Mn：0.3-1.0%，Ni：0.3-1.7%，Ti：0.1-0.8%，Y：0.05-0.40%，P：0-0.03%，S：0-0.03%，O：0-0.03%，余量为Fe。
所述原材料中铁为纯Fe、增碳剂为石墨、铬为铁铬中间合金、钼为铁钼中间合金、钒为铁钒中间合金、锰为铁锰中间合金、硅为铁硅中间合金、镍为纯Ni、钛为海绵钛、钇为纯Y，所述原材料中Fe、Ni、Y的纯度均大于99.9%，石墨含C量大于96%，海绵钛含Ti量为99.1-99.7%。
作为优选，所述铬为Fe-65%Cr中间合金、钼为Fe-70%Mo中间合金、钒为Fe-60%V中间合金、锰为Fe-82%Mn中间合金、硅为Fe-65%Si中间合金。
一种板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在200-280℃下保温20-30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80-100Pa，熔炼温度1620-1670℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在气体保护炉中进行退火处理，退火处理：840℃-890℃保温1h-3h，炉冷至730℃-770℃，保温4-6h，随后炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在气体保护炉中进行加热，淬火处理：550℃-650℃保温20-40min为第一次预热，800℃-900℃保温20-40min为第二次预热，1020℃-1080℃保温30-50min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在1-6h之内在气体保护炉中进行回火处理，回火处理：450℃-550℃保温1.5-2.5h，出炉空冷，180℃-250℃保温1.5-2.5h，出炉空冷。
作为优选，板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：（1）对熔炼所需原材料进行预热，在200-280℃下保温20-30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80-100Pa，熔炼温度1620-1670℃；（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；（3）在气体保护炉中进行退火处理，退火处理：860℃-880℃保温2-3h，炉冷至745℃-765℃，保温5-6h，随后炉冷至500℃，出炉空冷；（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在气体保护炉中进行加热，淬火处理：580℃-620℃保温30min为第一次预热，840℃-860℃保温30min为第二次预热，1030-1050℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；（5）淬火处理后的铸件在1-6h之内在气体保护炉中进行回火处理，回火处理：490℃-520℃保温2h，出炉空冷，190℃-220℃保温2h，出炉空冷。
所述退火处理、淬火处理和回火处理时所用的保护气体为CO、Ar、N2中的一种或几种组合物。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明制备的高碳高锰钢用于反击式破碎机的板锤，抗拉强度在3800MPa以上，冲击韧性在13J/cm2以上，硬度在60HRC以上，能够满足反击式破碎机板锤对抗拉强度、冲击韧性和硬度等的要求；本发明中加入Ti元素，Ti能与碳、氮结合，在钢铸造冷却过程中形成Ti(C, N)，Ti(C, N)析出相，起钉扎晶界的作用，阻碍钢奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，提高钢的强度和韧性，此外，Ti(C, N)作为碳化物形核的有效异质核心，消除碳化物的多角状形态，同时Ti(C, N)作为硬质质点弥散分布在高碳高铬钢基体中，提高耐磨性；
本发明中加入Ni元素，Ni是一种奥氏体形成元素，和奥氏体能无限固溶，在马氏体转变或贝氏体转变中能稳定奥氏体，提高组织中的残余奥氏体的量及稳定性来提高钢的塑韧性，同时，Ni淬透性好，当它同Cr、Mo结合的时候，淬透性显著提高；
本发明中加入Y元素，Y在奥氏体中的溶解度很小，容易在枝晶生长前沿富集，造成较大的成分过冷，使奥氏体枝晶多次分枝并且枝晶间距降低，细化了枝晶组织，减弱枝晶偏析，提高钢的力学性能；此外，Y可通过空位机制进行扩散，占据铁的点阵节点，在晶内形成置换固溶体，固溶稀土主要分布在晶界，降低界面张力和晶界能，使晶粒长大的驱动力减少，从而抑制了奥氏体晶粒长大，有细化晶粒的作用，提高钢的强度和韧性；
本发明热处理的目的在于：退火处理是为了获得球状珠光体基体上有颗粒细小、均匀分布的碳化物组织，为后续的淬火做好组织准备；采用两次预热为了减少淬火加热时的热应力；采用较高的淬火温度在于使碳化物溶解，铬充分固溶于基体并均匀化；采用油淬高碳高铬钢获得细小均匀的板条马氏体组织；低温回火在于消除淬火残余应力，以提高材料强韧性和耐磨性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：12%，C：1.6%，Mo：0.9%，V：0.3%，Si：0.6%，Mn：0.6%，Ni：0.5%，Ti：0.5%，Y：0.3%，P：0，S：0，O：0.03%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在250℃下保温20min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80Pa，熔炼温度1650℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在CO气体保护炉中进行退火处理，退火处理：860℃保温2h，炉冷至750℃，保温5h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在CO气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：600℃保温30min为第一次预热，850℃保温30min为第二次预热，1040℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在4h之内在CO气体保护炉中进行回火处理，回火处理：500℃保温2h，出炉空冷，200℃保温2h，出炉空冷。
实施例2
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：11%，C：1.5%，Mo：1.0%，V：0.3%，Si：0.6%，Mn：0.6%，Ni：1.5%，Ti：0.5%，Y：0.1%，P：0.01%，S：0.01%，O：0.01%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在280℃下保温20min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持90Pa，熔炼温度1650℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在Ar气体保护炉中进行退火处理，退火处理：880℃保温2h，炉冷至760℃，760℃保温6h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在Ar气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：600℃保温30min为第一次预热，850℃保温30min为第二次预热，1030℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在4h之内在Ar气体保护炉中进行回火处理，回火处理：490℃保温2h，出炉空冷，190℃保温2h，出炉空冷。
实施例3
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：12%，C：1.6%，Mo：0.9%，V：0.3%，Si：0.6%，Mn：0.6%，Ni：1.5%，Ti：0.5%，Y：0.3%，P：0.02%，S：0.02%，O：0.01%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在200℃下保温30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持100Pa，熔炼温度1650℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在N2气体保护炉中进行退火处理，退火处理：870℃保温2h，炉冷至760℃，760℃保温6h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在N2气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：600℃保温30min为第一次预热，850℃保温30min为第二次预热，1040℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在4h之内在N2气体保护炉中进行回火处理，回火处理：500℃保温2h，出炉空冷，190℃保温2h，出炉空冷。
实施例4
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：13%，C：1.7%，Mo：0.9%，V：0.4%，Si：0.6%，Mn：0.6%，Ni：0.5%，Ti：0.7%，Y：0.2%，P：0.03%，S：0.01%，O：0.02%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在220℃下保温28min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80Pa，熔炼温度1660℃，；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在CO气体保护炉中进行退火处理，退火处理：870℃保温2h，炉冷至750℃，750℃保温5h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在CO气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：600℃保温30min为第一次预热，850℃保温30min为第二次预热，1030℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在4h之内在CO气体保护炉中进行回火处理，回火处理：490℃保温2h，出炉空冷，200℃保温2h，出炉空冷。
实施例5
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：11%，C：1.6%，Mo：0.7%，V：0.5%，Si：0.4%，Mn：0.9%，Ni：0.05%，Ti：0.05%，Y：0.2%，P：0，S：0.02%，O：0.03%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在260℃下保温25min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持95Pa，熔炼温度1640℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在N2气体保护炉中进行退火处理，退火处理：870℃保温2h，炉冷至760℃，760℃保温6h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在N2气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：600℃保温30min为第一次预热，850℃保温30min为第二次预热，1030℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在4h之内在N2气体保护炉中进行回火处理，回火处理：500℃保温2h，出炉空冷，200℃保温2h，出炉空冷。
实施例6
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：9%，C：1.4%，Mo：0.6%，V：0.1%，Si：0.3%，Mn：0.3%，Ni：0.3%，Ti：0.1%，Y：0.05%，P：0.02%，S：0.01%，O：0.01%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在210℃下保温25min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持100Pa，熔炼温度1620℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在N2气体保护炉中进行退火处理，退火处理：840℃保温2.5h，炉冷至730℃，730℃保温4h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在N2气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：580℃保温20min为第一次预热，840℃保温20min为第二次预热，1050℃保温35min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在3h之内在N2气体保护炉中进行回火处理，回火处理：520℃保温1.5h，出炉空冷，220℃保温1.5h，出炉空冷。
实施例7
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：14%，C：1.8%，Mo：1.3%，V：0.6%，Si：1%，Mn：1%，Ni：1.7%，Ti：0.8%，Y：0.4%，P：0.02%，S：0.02%，O：0.02%，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在220℃下保温20min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持85Pa，熔炼温度1670℃，；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在CO气体保护炉中进行退火处理，退火处理：890℃保温1h，炉冷至770℃，770℃保温4.5h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在CO气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：620℃保温40min为第一次预热，860℃保温25min为第二次预热，1080℃保温30min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在5h之内在CO气体保护炉中进行回火处理，回火处理：450℃保温2.5h，出炉空冷，180℃保温2.5h，出炉空冷。
实施例8
一种板锤用高碳高铬钢，化学成分及其质量百分比为：Cr：10%，C：1.4%，Mo：1.1%，V：0.2%，Si：0.8%，Mn：0.8%，Ni：0.2%，Ti：1%，Y：0.5%，P：0，S：0，O：0，余量为Fe。其中，P、S、O为不可避免的杂质元素。
板锤用高碳高铬钢的制备方法，包括以下步骤：
（1）对熔炼所需原材料进行预热，在270℃下保温30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持90Pa，熔炼温度1630℃；
（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；
（3）在Ar气体保护炉中进行退火处理，退火处理：850℃保温3h，炉冷至740℃，740℃保温5.5h，炉冷至500℃，出炉空冷；
（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在Ar气体保护炉中进行淬火处理，淬火处理：650℃保温35min为第一次预热，820℃保温40min为第二次预热，1020℃保温50min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；
（5）淬火处理后的铸件在3h之内在Ar气体保护炉中进行回火处理，回火处理：550℃保温1.5h，出炉空冷，250℃保温1.5h，出炉空冷。
上述8个实施例的性能测试结果如表1所示。
表1 八种高碳高铬钢性能对比
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本发明制备的板锤用高碳高铬钢抗拉强度在3800MPa以上，冲击韧性在13J/cm2以上，硬度在60HRC以上，能够满足反击式破碎机板锤对抗拉强度、冲击韧性和硬度等的要求。
以上所述为本发明的优选实施例，应当指出，对于本领域的技术人员来说，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明整体构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种板锤用高碳高铬钢，其特征在于：原材料的化学成分及其质量百分比为：Cr：9-14%，C：1.4-1.8%，Mo：0.6-1.3%，V：0.1-0.6%，Si：0.3-1.0%，Mn：0.3-1.0%，Ni：0.05-2.0%，Ti：0.05-1.0%，Y：0.05-0.50%，P：0-0.03%，S：0-0.03%，O：0-0.03%，余量为Fe；
其制备方法包括以下步骤：（1）对熔炼所需原材料进行预热，在200-280℃下保温20-30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80-100Pa，熔炼温度1620-1670℃；（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；（3）在气体保护炉中进行退火处理，退火处理：840℃-890℃保温1h-3h，炉冷至730℃-770℃，保温4-6h，随后炉冷至500℃，出炉空冷；（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在气体保护炉中进行加热，淬火处理：550℃-650℃保温20-40min为第一次预热，800℃-900℃保温20-40min为第二次预热，1020℃-1080℃保温30-50min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；（5）淬火处理后的铸件在1-6h之内在气体保护炉中进行回火处理，回火处理：450℃-550℃保温1.5-2.5h，出炉空冷，180℃-250℃保温1.5-2.5h，出炉空冷。
2.如权利要求1所述的板锤用高碳高铬钢，其特征在于：化学成分及其质量百分比为：Cr：10-13%，C：1.4-1.7%，Mo：0.8-1.2%，V：0.2-0.5%，Si：0.3-1.0%，Mn：0.3-1.0%，Ni：0.3-1.7%，Ti：0.1-0.8%，Y：0.05-0.40%，P：0-0.03%，S：0-0.03%，O：0-0.03%，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的板锤用高碳高铬钢，其特征在于：所述原材料中铁为纯Fe、增碳剂为石墨、铬为铁铬中间合金、钼为铁钼中间合金、钒为铁钒中间合金、锰为铁锰中间合金、硅为铁硅中间合金、镍为纯Ni、钛为海绵钛、钇为纯Y，所述原材料中Fe、Ni、Y的纯度均大于99.9%，石墨含C量大于96%，海绵钛含Ti量为99.1-99.7%。
4.如权利要求3所述的板锤用高碳高铬钢，其特征在于：所述铬为Fe-65%Cr中间合金、钼为Fe-70%Mo中间合金、钒为Fe-60%V中间合金、锰为Fe-82%Mn中间合金、硅为Fe-65%Si中间合金。
5.如权利要求1所述的板锤用高碳高铬钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）对熔炼所需原材料进行预热，在200-280℃下保温20-30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80-100Pa，熔炼温度1620-1670℃；（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；（3）在气体保护炉中进行退火处理，退火处理：860℃-880℃保温2-3h，炉冷至745℃-765℃，保温5-6h，随后炉冷至500℃，出炉空冷；（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在气体保护炉中进行加热，淬火处理：580℃-620℃保温30min为第一次预热，840℃-860℃保温30min为第二次预热，1030-1050℃保温40min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；（5）淬火处理后的铸件在1-6h之内在气体保护炉中进行回火处理，回火处理：490℃-520℃保温2h，出炉空冷，190℃-220℃保温2h，出炉空冷。
6.如权利要求1或5所述的板锤用高碳高铬钢的制备方法，其特征在于：所述退火处理、淬火处理和回火处理时所用的保护气体为CO、Ar、N2中的一种或几种组合物。
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