CN110157974B - 一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法。其技术方案是：所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分是：B为1.5～3.0wt％；C为0.2～0.8wt％；Al为0.5～0.8wt％；Si为0.7～1.0wt％；Mn为4.0～7.0wt％；Ti为0.3～0.5wt％；Ce为0.4～0.6wt％；Mg为0.4～0.6wt％；S﹤0.03wt％；P﹤0.04wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。先将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、钛铁、稀土镁硅合金、稀土硅铁合金和增碳剂按所述化学成分配料，再将钛铁、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金预置在浇包包底；然后将由其他配料冶炼的钢液浇入浇包，采用铁模浇铸成形，冷却，回火处理，制得高硬度高硼耐磨铸钢。本发明工艺简单和制备成本低，所制备的高硬度高硼耐磨铸钢不仅硬度高，且韧性和耐磨性好。

Description

一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨铸钢技术领域。具体涉及一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法。
背景技术
材料破坏有三种主要形式：断裂、腐蚀和磨损。尽管磨损不像另外两种形式引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。失效的机械零件中约有75～80％源于金属磨损，而磨损导致的失效不仅影响机器设备使用效能的发挥和耐用性，而且消耗大量人力、物力以更换配件和维修设备，造成巨大的经济损失。为此，人们研发了各类耐磨材料，高硼铁基耐磨合金是其中的一类。高硼铁基耐磨合金相比于其他钢铁基耐磨材料，有两个突出优点：一是由于其不含有大量Ni、Cr、Cu、Mo、W和V等贵重合金元素，成本低；二是合金中硬质相Fe2B的显微硬度为HV1300～1600，与高铬铸铁合金中硬质相Cr7C3的显微硬度HV1200～1500相当或略高，耐磨性能好。
低载荷工况对于材料的韧性要求较低，对硬度要求较高，适合采用韧性较低的高硼铁基耐磨合金替代现有耐磨材料，降低工件制造成本。然而，目前的铸态高硼铁基耐磨合金的硬度不高，以45HRC居多，往往低于55HRC，没有充分发挥硼化物高硬度的特点。为了提高铸态高硼铁基耐磨合金的硬度，目前采用的主要方法是添加合金元素并进行热处理或单独进行热处理。如：邓培凯等添加了不同含量的铬(邓培凯等.铬对亚共晶Fe-C-B合金组织和力学性能的影响[J].材料热处理学报.2013.34(12):67-71)；何正员等对其进行高温淬火热处理(何正员等，淬火温度对铸造Fe-0.61C-1.56B合金组织和性能的影响[J].金属热处理.2013.38(2):67-69)。这两种方法虽在提高硬度的同时，也在一定程度上改善了合金的韧性，但由于添加贵重合金元素及采用高温热处理，增添了工艺流程，提升了制造成本。对于应用在低载荷工况下的工件，这两种方法显然不经济。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单和制备成本低的高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法，用该方法制备的高硬度高硼耐磨铸钢不仅硬度高，且韧性和耐磨性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分是：B为1.5～3.0wt％；C为0.2～0.8wt％；Al为0.5～0.8wt％；Si为0.7～1.0wt％；Mn为4.0～7.0wt％；Ti为0.3～0.5wt％；Ce为0.4～0.6wt％；Mg为0.4～0.6wt％；S﹤0.03wt％；P﹤0.04wt％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
所述高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法是：先将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、钛铁、稀土镁硅合金、稀土硅铁合金和增碳剂按所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分进行配料；再将所述钛铁、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金预置在浇包包底，然后将由其他所述配料冶炼的钢液浇入浇包，采用铁模浇铸成形，冷却，回火处理，制得高硬度高硼耐磨铸钢。
所述增碳剂为自然石墨压粒和石墨化电极粉中的一种；所述增碳剂的粒径为1～5mm。
所述钛铁合金、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金的粒径为2～6mm。
所述浇铸成形的浇铸温度为合金液相线上20～100℃。
所述回火处理是在180～250℃条件下保温30～50min，水淬至室温。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1、本发明仅对铸态合金进行低温回火，避免了长时间高温热处理，工艺流程简单，制造成本大幅降低。
2、本发明通过Ti、Mg、Ce的复合变质处理，断开了硼化物的网状分布结构，改善了高硬度高硼耐磨铸钢因硼化物引起的脆性问题；通过Al、Si元素的适量加入，抑制冷却过程中脆性较高的渗碳体生成；同时采用低温回火改善新生马氏体脆性，保证了高硬度高硼耐磨铸钢的韧性。
3、本发明通过Mn元素的加入，延迟了奥氏体在冷却过程中向铁素体的相变时间，同时结合铁模较快的冷却速度，使得大部分奥氏体直接降温到马氏体相变区，产生大量马氏体组织，显著的提升了制品的硬度，从而使耐磨性明显提高。
本发明所制备的高硬度高硼耐磨铸钢经检测：硬度为55～68HRC；冲击韧性为2.9～5.5J/cm2。
因此，本发明具有工艺简单和制备成本低的特点，所制备的高硬度高硼耐磨铸钢不仅硬度高，且韧性和耐磨性好。
附图说明
图1是本发明制备的一种高硬度高硼耐磨铸钢的扫描电镜图；
图2是本发明制备的第二种高硬度高硼耐磨铸钢的扫描电镜图；
图3是本发明制备的第三种高硬度高硼耐磨铸钢的扫描电镜图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式：
所述增碳剂的粒径为1～5mm；
所述钛铁合金、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金的粒径为2～6mm；
所述浇铸成形的浇铸温度为合金液相线上20～100℃。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分是：B为1.5～2.0wt％；C为0.2～0.4wt％；Al为0.5～0.6wt％；Si为0.7～0.8wt％；Mn为4.0～5.0wt％；Ti为0.3～0.4wt％；Ce为0.4～0.5wt％；Mg为0.4～0.5wt％；S﹤0.03wt％；P﹤0.04wt％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
所述高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法是：先将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、钛铁、稀土镁硅合金、稀土硅铁合金和增碳剂按所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分进行配料；再将所述钛铁、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金预置在浇包包底，然后将由其他所述配料冶炼的钢液浇入浇包，采用铁模浇铸成形，冷却，回火处理，制得高硬度高硼耐磨铸钢。
所述增碳剂为石墨化电极粉。
所述回火处理是在180～210℃条件下保温30～35min，水淬至室温。
本发明所制备的高硬度高硼耐磨铸钢经检测：硬度为55～62HRC；冲击韧性为4.1～5.5J/cm2。
实施例2
一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分是：B为2.0～2.5wt％；C为0.4～0.6wt％；Al为0.6～0.7wt％；Si为0.8～0.9wt％；Mn为5.0～6.0wt％；Ti为0.35～0.45wt％；Ce为0.45～0.55wt％；Mg为0.45～0.55wt％；S﹤0.03wt％；P﹤0.04wt％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
所述高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法是：先将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、钛铁、稀土镁硅合金、稀土硅铁合金和增碳剂按所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分进行配料；再将所述钛铁、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金预置在浇包包底，然后将由其他所述配料冶炼的钢液浇入浇包，采用铁模浇铸成形，冷却，回火处理，制得高硬度高硼耐磨铸钢。
所述增碳剂为自然石墨压粒。
所述回火处理是在210～230℃条件下保温35～40min，水淬至室温。
本发明所制备的高硬度高硼耐磨铸钢经检测：硬度为58～65HRC；冲击韧性为3.6～4.8J/cm2。
实施例3
一种高硬度高硼耐磨铸钢及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分是：B为2.5～3.0wt％；C为0.6～0.8wt％；Al为0.7～0.8wt％；Si为0.9～1.0wt％；Mn为6.0～7.0wt％；Ti为0.4～0.5wt％；Ce为0.5～0.6wt％；Mg为0.5～0.6wt％；S﹤0.03wt％；P﹤0.04wt％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
所述高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法是：先将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、钛铁、稀土镁硅合金、稀土硅铁合金和增碳剂按所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分进行配料；再将所述钛铁、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金预置在浇包包底，然后将由其他所述配料冶炼的钢液浇入浇包，采用铁模浇铸成形，冷却，回火处理，制得高硬度高硼耐磨铸钢。
所述增碳剂为自然石墨压粒和石墨化电极粉中的一种。
所述回火处理是在230～250℃条件下保温40～50min，水淬至室温。
本发明所制备的高硬度高硼耐磨铸钢经检测：硬度为60～68HRC；冲击韧性为2.9～4.1J/cm2。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
1、本具体实施方式仅对铸态合金进行低温回火，避免了长时间高温热处理，工艺流程简单，制造成本大幅降低。
2、本具体实施方式通过Ti、Mg、Ce的复合变质处理，断开了硼化物的网状分布结构，改善了高硬度高硼耐磨铸钢因硼化物引起的脆性问题；通过Al、Si元素的适量加入，抑制冷却过程中脆性较高的渗碳体生成；同时采用低温回火改善新生马氏体脆性，保证了高硬度高硼耐磨铸钢的韧性。
3、本具体实施方式通过Mn元素的加入，延迟了奥氏体在冷却过程中向铁素体的相变时间，同时结合铁模较快的冷却速度，使得大部分奥氏体直接降温到马氏体相变区，产生大量马氏体组织。所制备的高硬度高硼耐磨铸钢如附图所示：图1是实施例1制备的高硬度高硼耐磨铸钢的扫描电镜图；图2是实施例2制备的高硬度高硼耐磨铸钢的扫描电镜图；图3是实施例3制备的高硬度高硼耐磨铸钢的扫描电镜图。从图1～图3可以看出，硼化物的网状结构明显断开，组织中存在大量的马氏体相，显著的提升了制品的硬度，从而使耐磨性明显提高。
本具体实施方式所制备的高硬度高硼耐磨铸钢经检测：硬度为55～68HRC，冲击韧性为2.9～5.5J/cm2。
因此，本具体实施方式具有工艺简单和制备成本低的特点，所制备的高硬度高硼耐磨铸钢的硬度高和耐磨性好。

Claims (5)

1.一种高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法，其特征在于所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分是：B为1.5～3.0wt％，C为0.2～0.8wt％，Al为0.5～0.8wt％，Si为0.7～1.0wt％，Mn为4.0～7.0wt％，Ti为0.3～0.5wt％、Ce为0.4～0.6wt％、Mg为0.4～0.6wt％，S﹤0.03wt％，P﹤0.04wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
所述高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法是：先将废钢、生铁、硼铁、硅铁、锰铁、钛铁、稀土镁硅合金、稀土硅铁合金和增碳剂按所述高硬度高硼耐磨铸钢的化学成分进行配料，再将所述钛铁、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金预置在浇包包底，然后将由其他所述配料冶炼的钢液浇入浇包，采用铁模浇铸成形，冷却，回火处理，制得高硬度高硼耐磨铸钢；
所述钛铁合金、稀土镁硅合金和稀土硅铁合金的粒径为2～6mm。
2.根据权利要求1所述的高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法，其特征在于所述增碳剂为自然石墨压粒和石墨化电极粉中的一种；所述增碳剂的粒径为1～5mm。
3.根据权利要求1所述的高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法，其特征在于所述浇铸成形的浇铸温度为合金液相线上20～100℃。
4.根据权利要求1所述的高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法，其特征在于所述回火处理是在180～250℃条件下保温30～50min，水淬至室温。
5.一种高硬度高硼耐磨铸钢，其特征在于所述高硬度高硼耐磨铸钢是根据权利要求1～3项中任一项所述高硬度高硼耐磨铸钢的制备方法所制备的高硬度高硼耐磨铸钢。
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