CN112593157A - 一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐磨铸钢技术领域，具体涉及一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用。本发明提供的高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.25‑0.44％，Si：1.2‑2.2％，Mn：0.8‑1.5％，Cr：1.0‑1.9％，Mo：0.3‑0.6％，Cu：0.3‑0.6％，RE：0.03‑0.08％，P≤0.032％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明高硬韧贝氏体耐磨铸钢具有高硬度和高韧性，特别是硬韧性匹配，性能优于在役的贝氏体铸钢，尤其适用于制造大型半自磨机衬板等大冲击磨料磨损工况的耐磨损件。

Description

一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于耐磨铸钢技术领域，具体涉及一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用。
背景技术
半自磨机是冶金矿山等领域主要的粉碎、研磨设备，在现代工业发展进程中具有不可或缺的作用。衬板是保证磨机正常运转的关键部件，在帮助提升研磨体和物料的同时，保护筒体免受上述两者的冲击磨损。然而，由于受到矿料和磨球的反复冲击磨损作用，衬板已成为半自磨机最易损耗部件。其寿命也成为决定磨机生产效率及能耗的重要因素，每年因冲击磨损消耗的半自磨机衬板高达几十万吨。因此，半自磨机衬板材料的研究一直是耐磨铸钢领域的重点及热点。
高锰钢因其优异的冲击韧性(U型缺口冲击吸收能量118J以上)和高应力下的显著硬化能力(基体组织的200-260HV上升至硬化组织的580-620HV)，被视为半自磨机衬板较好材料，但由于屈服强度低，半自磨机高锰钢衬板在使用过程中受冲击作用易发生塑性变形，以致提前报废且维修拆卸非常困难。而高硬度马氏体耐磨钢虽然耐磨性能优异，但由于韧性较低，用作磨机衬板时，易出现断裂。因此，兼具高硬韧性的贝氏体钢引起了研究人员的注意。
中国专利CN102877008B公开了一种贝氏体耐磨铸钢的制备方法，制得的贝氏体耐磨铸钢HRC为46.2，V型缺口冲击吸收能量为25.6J，能够适用于常见的耐磨损部件，但是该方法所得的贝氏体耐磨铸钢在硬度较高的同时，韧性较低，在大冲击的工作环境下，使用寿命相对较低。
随着我国经济发展，需要破碎和研磨的物料体量日益增加，中、小磨机将逐渐被高效、节能的大型磨机取代。磨机尺寸的大型化对贝氏体耐磨铸钢的综合力学性能，尤其是对冲击韧性提出了更高的要求。
发明内容
本发明旨在提供一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用，该耐磨铸钢以Si、Mn、Cr为主要合金元素，添加少量的Ni、Cu、Mo，适量RE等合金元素，经正火、等温淬火、回火热处理后，可以获得以无碳化物贝氏体为主，辅以少量薄片状奥氏体的复相组织。该复相组织呈现良好的硬韧性配合，具有显著的高硬度和高韧性，尤其适用于制造大型半自磨机衬板等大冲击磨料磨损工况的耐磨损件。
本发明采用以下技术方案：
一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢，所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.25-0.44％，Si：1.2-2.2％，Mn：0.8-1.5％，Cr：1.0-1.9％，Mo：0.3-0.6％，Cu：0.3-0.6％，RE：0.03-0.08％，P≤0.032％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.30％、Si：2.0％、Mn：1.0％、Cr：1.4％、Mo：0.4％、Cu：0.5％、RE：0.03％、P：0.023％、S：0.038％、余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的另一目的在于提供一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法，包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热，保温后，空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3所得正火后的铸件重新加热到940℃，保温，然后送入盐浴炉中等温淬火保温，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4所得等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
进一步地，所述步骤S3加热至950-1050℃，保温时间为5-8h。
进一步地，所述步骤S4送入盐浴炉中等温淬火的温度为260-360℃，保温时间为3-8h。
进一步地，所述步骤S4的盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成。
所述制备方法中用到的生铁、废钢、纯铁金属和铁合金等原材料均为公知的商品化普通原材料，均可从市场上购买获得。
本发明旨在提供所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢在制造大型半自磨机衬板中的应用。
本发明的优点和积极效果：
(1)本发明制得的高硬韧贝氏体耐磨铸钢，通过适当的调节碳、硅、锰、铬等合金元素的比例以及适当的热处理工艺，获得以无碳化物贝氏体为主，辅以少量薄片状奥氏体的复相组织，成分设计合理，生产成本低廉，具有广泛的应用前景。
(2)本发明提供的高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法简单，易于控制，特别是采用热处理工艺的技术方案，制成的贝氏体耐磨铸钢具有优异的性能，在该贝氏体耐磨钢硬度值为45-53HRC的同时，其V型缺口冲击吸收能量依然可达到25-35J，具有高硬韧性匹配，优于目前在役的贝氏体铸钢。
(3)本发明制得的高硬韧贝氏体耐磨铸钢，尤其适用于制造大型半自磨机衬板等大冲击磨料磨损工况的耐磨损件。
附图说明
图1为本发明实施例2生产的高硬韧贝氏体耐磨铸钢的菊池带衬度像图。
图2为本发明实施例2生产的高硬韧贝氏体耐磨铸钢的极图像，其中白色部分为无碳化物贝氏体组织，黑色部分为残余奥氏体相。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，将本发明的所述内容做进一步解释。但本发明上述主题的范围不仅限于以下实施例。
实施例1、一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.25％、Si：1.6％、Mn：0.85％、Cr：1.6％、Mo：0.3％、Cu：0.4％、RE：0.03％、P：0.023％、S：0.038％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热至1050℃，保温5h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3所得正火后的铸件重新加热到940℃，保温8h，然后送入360℃盐浴炉中等温淬火保温4h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4所得等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
实施例2、一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.30％、Si：2.0％、Mn：1.0％、Cr：1.4％、Mo：0.4％、Cu：0.5％、RE：0.03％、P：0.023％、S：0.038％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到1000℃，保温6h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温6h，然后送入320℃盐浴炉中等温淬火保温6h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
图1和图2显示钢中无碳化物贝氏体和残余奥氏体组织。
实施例3、一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.32％、Si：2.0％、Mn：1.2％、Cr：1.4％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.04％、P：0.024％、S：0.035％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到950℃，保温8h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温8h，然后送入280℃盐浴炉中等温淬火保温8h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
实施例4、一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.35％、Si：1.8％、Mn：1.0％、Cr：1.5％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.03％、P：0.023％、S：0.038％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到1000℃，保温6h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温6h，然后送入280℃盐浴炉中等温淬火保温6h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
实施例5、一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.44％、Si：2.0％、Mn：1.1％、Cr：1.5％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.03％、P：0.022％、S：0.036％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到1000℃，保温6h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温6h，然后送入280℃盐浴炉中等温淬火保温3h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
对比例1、一种大型半自磨机衬板
常用大型半自磨机衬板的制造方法包括以下步骤：
S1以元素组分C：1.2％，Si：0.6％，Mn：13％，Cr：2.0％，Mo：0.3％，V：0.1％，P：0.03％，S：0.03％，余量为铁和不可避免的杂质的质量百分比进行配料、中频电炉熔炼钢水，通过铸造成型，得衬板；
S2将S1所得衬板置于温度为1100℃淬水处理，制得半自磨机用衬板。
试验例1、性能测试
实验方法：对实施例1-5制备的铸钢和对比例1制得的衬板进行性能测试，测试结果列于表1中。
表1性能测试结果
Figure BDA0002824702040000071
表1中的硬度为10个数值的平均值，V型缺口冲击吸收能量为3个数值的平均值。
由表1可以得出，本发明制得的高硬韧贝氏体耐磨铸钢的硬度可达45～53HRC，V型缺口冲击吸收能量能达到25～35J，特别是在保持较高硬度的同时，仍然具有较大的韧性，而对比例1在与实施例相比韧性有余但硬度较低。本发明与现有铸钢的明显区别是钢具有较高的元素Si，并做正火、等温淬火、回火热处理，Si元素有助于获得无碳化物贝氏体和薄片状残余奥氏体组织，并可以提高钢硬度、屈服强度和韧性，但Si过高会降低钢韧性和塑性，而本发明经过优化设计在保持硬度较高的同时仍然具有优异的韧性，克服了传统的技术偏见，尤其适用于制造大型半自磨机衬板等大冲击磨料磨损工况的耐磨损件。
试验例2、铸钢的寿命测试
将实施例2制得的铸钢用于半自磨机衬板，将采用实施例2的铸钢制成的半自磨机衬板与对比例1制成的衬板在相同的工矿条件(在铜矿直径7.5米的半自磨机)下使用，研究其使用寿命，测试结果列于表2中。
表2寿命测试对照表
组别 使用寿命/月
实施例2 6.1
对比例1 3.0
从表2可以看出，实施例2相较于对比例1使用寿命明显提高，在同样的用工条件下，使用寿命提高了100％，进一步证实了本发明制得的具有较高硅元素的高硬韧贝氏体耐磨铸钢具有高硬度和高韧性，特别是硬韧性配合，能够显著增强铸钢的性能，衬板使用中不变形、不断裂、耐磨性提高。

Claims (7)

1.一种高硬韧贝氏体耐磨铸钢，其特征在于，所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.25-0.44％，Si：1.2-2.2％，Mn：0.8-1.5％，Cr：1.0-1.9％，Mo：0.3-0.6％，Cu：0.3-0.6％，RE：0.03-0.08％，P≤0.032％，S≤0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢，其特征在于，所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.30％、Si：2.0％、Mn：1.0％、Cr：1.4％、Mo：0.4％、Cu：0.5％、RE：0.03％、P：0.023％、S：0.038％、余量为铁和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热，保温后，空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3所得正火后的铸件重新加热到940℃，保温，然后送入盐浴炉中等温淬火保温，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4所得等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
4.如权利要求3所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S3加热至950-1050℃，保温时间为5-8h。
5.如权利要求3所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S4送入盐浴炉中等温淬火的温度为260-360℃，保温时间为3-8h。
6.如权利要求3所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S4的盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成。
7.如权利要求1或2所述高硬韧贝氏体耐磨铸钢在制造大型半自磨机衬板中的应用。
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