CN115976413A - 耐磨合金铸钢及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨合金铸钢及其制备方法和应用，涉及耐磨钢技术领域。按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.65～0.85％、Mn：0.5～1.8％、Cr：4.5～7.5％、Si：1.0～1.5％、Ni：0.5～1.0％、Mo：0.5～1.0％、V：0.03～0.1％、Zr：0.01～0.06％、稀土：0.01～0.03％、S≤0.04％、P≤0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。通过控制耐磨合金铸钢中的元素组成和配比，配合两次变质处理，实现了多级细化晶粒，有利于更多硬质相的生成，在热处理后，合理的Cr和C配比使得铸钢中形成硬质的碳化物颗粒，兼顾了铸钢的耐磨性和韧性。

Description

耐磨合金铸钢及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及耐磨钢技术领域，具体而言，涉及一种耐磨合金铸钢及其制备方法和应用。

背景技术

耐磨合金铸钢一般以马氏体、贝氏体等为基体组织，通过合金化可以实现材料性能的大幅度调控，并获得良好的耐蚀性、耐磨损性及耐热性能等，具有较好的应用潜力。耐磨钢的种类很多，按照材料组织来分，主要有奥氏体耐磨钢，贝氏体耐磨钢，马氏体耐磨钢以及贝氏体-马氏体耐磨钢。按照材料成分划分有高锰钢，超高锰钢，低、中合金耐磨钢等。

耐磨合金铸钢由于其优异的性能，而被广泛应用于粉磨破碎工程机械装备的关键消耗构件中，也常用于矿物采选、疏浚作业、水泥混搅、油气采运、建筑垃圾处理等行业，是重要的工业基础材料。随着工业行业对作业效率要求的不断提升以及“碳达峰、碳中和”战略工作的推进，行业对具有长寿命、低成本特点的耐磨材料越来越青睐，这也成为耐磨材料的重要发展方向。

高铬铸铁是继普通白口铸铁﹑镍硬铸铁发展起来的第三代耐磨材料。由于高铬铸铁自身组织的特点，使得高铬铸铁比普通铸铁具有高得多的硬度、高温强度、耐热性和耐磨性等性能，被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。不过，高铬铸铁内部含有大量大尺寸的碳化物，使得高铬铸铁的室温冲击吸收功较低，一般不到5J，因此限制了高铬铸铁的服役，尤其是在含有一定应力作用下的服役，此外高铬铸铁的上述性质还容易导致钢件发生破碎、断裂，带来安全隐患。

现有技术《Ф6.71m湿式球磨机衬板用75Cr₂MoSiMnNi钢的热处理及耐冲蚀磨损性能》公开了一种75Cr₂MoSiMnNi耐磨钢，经热处理后其硬度达到401HBW，冲击吸收能量达到35J，虽然其耐冲蚀磨损性能较好，但是硬度仍然较低，难以满足更严苛磨损工况的应用。现有技术CN112695253A公开了一种含碳化物高强韧性贝氏体耐磨钢及其制备方法，该方法制得的耐磨钢硬度可达45～60HRC，但需要经过炉外精炼、真空脱气熔炼、锻造或轧制、球化退火、等温淬火、水空循环冷却等工艺制备，工艺相对复杂，增加成本。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨合金铸钢及其制备方法和应用。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.65～0.85％、Mn：0.5～1.8％、Cr：4.5～7.5％、Si：1.0～1.5％、Ni：0.5～1.0％、Mo：0.5～1.0％、V：0.03～0.1％、Zr：0.01～0.06％、稀土：0.01～0.03％、S≤0.04％、P≤0.04％，余量为铁以及不可避免的杂质。

在可选的实施方式中，质量百分比之比Cr：C≥6。

在可选的实施方式中，耐磨合金铸钢包括马氏体、奥氏体以及微米硬质碳化物，且奥氏体的体积分数≤5％，微米硬质碳化物的体积分数≥3％。

优选地，微米硬质碳化物在耐磨合金铸钢中均匀间隔分布。

优选地，微米硬质碳化物的体积分数为3～8％。

第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的耐磨合金铸钢的制备方法，包括将钢源、铬源、硅源、锰源、钼源、镍源按比例混合后进行熔炼得到钢水，熔炼结束前3～7min加入含有钒的第一变质剂进行第一次变质处理，然后将熔炼后的钢水倒入浇包中，加入含有锆和稀土的第二变质剂进行第二次变质处理，结束后进行浇注和热处理。

在可选的实施方式中，第二变质剂的粒径≤3mm。

优选地，还包括将第二变质剂干燥后再加入钢水中。

优选地，干燥温度为400～500℃，干燥时间≥1h。

在可选的实施方式中，第二次变质处理包括将钢水与第二变质剂混合后静置反应。

优选地，第二变质剂提前在浇包内不同位置放置，变质剂均匀分散平铺，且在钢水倒入浇包过程中，也随流持续加入变质剂。

优选地，静置时间为≥5min。

优选地，钢水进入浇包之前还包括对浇包进行预热，预热温度≥800℃，预热时间≥1h。

在可选的实施方式中，热处理包括将浇注得到的铸件依次进行退火、淬火和回火。

优选地，退火包括将铸件升温至620～670℃后保温，再升温至1020～1060℃后保温，再随炉冷却。

优选地，退火包括将铸件以≤60℃/h的速率升温至620～670℃后保温，再以60～80℃/h的速率升温至1020～1060℃后保温，再随炉冷却。

优选地，淬火包括将退火后的铸件升温至950～1020℃后保温，再空冷至室温。

优选地，淬火包括将退火后的铸件以60～80℃/h的速率升温至950～1020℃后保温，再空冷至室温。

优选地，回火包括将淬火后的铸件升温至180～220℃后保温，再出炉空冷至室温。

优选地，退火和回火过程中，每次保温的时间＝铸件厚度最大值÷20+1；淬火过程中，每次保温的时间＝铸件厚度最大值÷20；其中，每次保温的时间的单位为h，铸件厚度最大值的单位为mm。

在可选的实施方式中，熔炼过程中，钢水的温度为1600～1650℃。

在可选的实施方式中，浇注的温度为1480～1510℃。

第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的耐磨合金铸钢或如前述实施方式任一项的制备方法制得的耐磨合金铸钢在工程设备、化工机械设备领域的应用。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种耐磨合金铸钢，通过控制耐磨合金铸钢中的组成和配比，其中，C元素和Cr元素的含量相互配合，使得耐磨合金铸钢中的Cr元素能够促进C元素形成硬质的碳化物颗粒，避免过多的C元素残留形成奥氏体影响钢件的耐磨性能。V、Zr和稀土等元素能够细化铸钢晶粒及相组织，优化夹杂物形貌及尺寸，促使更多硬质相生成，提高铸钢耐磨性并保证一定的韧性。

本发明还提供了一种耐磨合金铸钢的制备方法和应用，通过两次变质处理，实现了多级细化晶粒，促使更多硬质相生成，提高铸钢耐磨性并保证一定的韧性。然后经过热处理，Cr元素促进C元素析出形成硬质的碳化物颗粒，避免过多的C元素残留形成奥氏体影响钢件的耐磨性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的耐磨合金铸钢的扫描电子显微镜图；

图2为本发明实施例1提供的耐磨合金铸钢的透射电子显微镜图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

第一方面，本发明提供一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.65～0.85％、Mn：0.5～1.8％、Cr：4.5～7.5％、Si：1.0～1.5％、Ni：0.5～1.0％、Mo：0.5～1.0％、V：0.03～0.1％、Zr：0.01～0.06％、稀土：0.01～0.03％、S≤0.04％、P≤0.04％，余量为铁以及不可避免的杂质。

本发明提供的耐磨合金铸钢中，各元素对其性能的影响如下：

碳：C元素是钢铁中最基本的元素之一，其含量极大地影响钢铁材料的力学性能，因此在钢铁的分类中，C元素的含量也是其分类指标之一，不同含量的C元素对应不同的钢铁种类。C元素在耐磨铸钢中的存在方式一般包括固溶态及析出态，通过合理平衡其固溶态及析出态含量可以实现对铸钢性能的调控。本发明为了保证一定量硬质碳化物的析出，但同时又要适当降低奥氏体淬火的稳定性，因此将C含量控制在0.65～0.85％内。

锰：Mn元素是稳定奥氏体组织的重要元素，同时可以起到一定的脱氧和脱硫作用，对于铸钢的加工硬化等力学性能有重要影响，但过多添加会影响钢的焊接性和韧性。本发明为了保证最终耐磨铸钢中较低的氧含量、足够的淬透性和一定的加工硬化能力，将Mn含量控制在0.5～1.8％内。

铬：Cr是影响耐磨钢力学性能的关键元素之一，Cr的固溶及与C结合析出碳化物均能有效提升耐磨钢的耐磨性能，但过高会使耐磨钢韧性下降，同时Cr能够提高钢铁淬透性，并为钢铁材料带来不错的耐腐蚀性能和耐热性。本发明为了保证最终耐磨铸钢的淬透性、并在组织中析出足量的硬质碳化物来提升耐磨性，将Cr含量控制在4.5～7.5％内。

硅：Si元素是钢的脱氧元素之一，具有一定的固溶强化效果并能适当提高合金钢耐蚀性能。本发明将其含量控制在1.0～1.5％。

镍、钼：Ni和Mo两种元素均为高成本元素，能够有效提高耐磨钢的耐腐蚀性能，且适量添加对钢铁材料耐磨性有一定益处，Mo能够提高钢的淬透性和淬硬性，并在抑制回火脆性方面有帮助。本发明综合考虑材料成本及厚大耐磨件的需求，将Ni含量控制在0.5～1.0％，Mo含量控制在0.5～1.0％。

钒：V和Fe能形成连续固溶体，缩小奥氏体相区，是强碳、氮化物形成元素，可以起到细晶强化作用，但含量过高易导致聚集的碳化物出现，使强度降低，室温韧性降低。本发明主要通过微量V元素的添加，起到一次变质作用，将V含量控制在0.03～0.1％。

锆：Zr元素是强脱氧元素和亲碳元素，直接加入钢液中只能起到脱氧的效果。本发明为了使其发挥出脱氧和亲碳的双重效果，优化了加入方式，保证其在钢中收得率，并起到进一步变质作用，将Zr含量控制在0.01～0.06％。

稀土元素：Re是钢铁脱氧元素，能与钢液中的S、P、O等形成化合物从而改善钢铁力学性能和洁净度。本发明采用Re元素结合Zr进行二次变质，将Re含量控制在0.01～0.03％。

P、S作为杂质元素严重损害钢的塑韧性，含量均控制在≤0.04％。

在可选的实施方式中，质量百分比之比Cr：C≥6，将Cr和C元素的质量百分比之比控制在上述范围内，促使钢中析出硬质碳化物，同时消耗足够的C元素，在一定程度上降低奥氏体的稳定性，避免过多的C元素残留形成奥氏体影响钢件的耐磨性能。

在可选的实施方式中，耐磨合金铸钢包括马氏体、奥氏体以及微米硬质碳化物，且奥氏体的体积分数≤5％，微米硬质碳化物的体积分数≥3％。通过控制耐磨合金铸钢中各元素的比例，以及制备工艺可以保证耐磨合金铸钢中的奥氏体和微米硬质碳化物含量在上述范围，由于耐磨合金铸钢中奥氏体含量低，微米硬质碳化物的含量高，使得本发明提供的耐磨合金铸钢具有较高的硬度和较佳的耐磨性。此外，本发明在耐磨合金铸钢中生成体积分数超过3％的微米级硬质Cr-C化合物，突破了基体马氏体组织硬度存在上升瓶颈的难题，以弥散均匀分布的硬质碳化物提升铸钢整体硬度及耐磨性。

优选地，微米硬质碳化物在耐磨合金铸钢中均匀间隔分布。

优选地，微米硬质碳化物的体积分数为3～8％。

第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的耐磨合金铸钢的制备方法，包括将钢源、铬源、硅源、锰源、钼源、镍源按比例混合后进行熔炼得到钢水，熔炼结束前3～7min加入第一变质剂进行第一次变质处理，然后将熔炼后的钢水倒入浇包中，加入第二变质剂进行第二次变质处理，结束后进行浇注和热处理。第一变质剂为钒源，第二变质剂为锆源和稀土的混合物。

在可选的实施方式中，第二变质剂的粒径≤3mm。

优选地，还包括将第二变质剂干燥后再加入钢水中。

优选地，干燥温度为400～500℃，干燥时间≥1h。

本发明创新得引入两道次变质处理，即炉内钒变质处理及包内锆-稀土变质处理，通过第一道次变质处理使铸钢晶粒组织初步细化，通过第二道次变质处理进一步细化铸钢马氏体相组织，并使得夹杂物细小化球形化。同时，包内变质处理，依靠稀土充分脱氧保护锆的收得率，并优化变质剂的尺寸及加入方式来保证变质效果。相比于一般的一道次变质处理，本发明两道次变质能够实现对耐磨合金铸钢内各种相组织的全面细化变质，确保铸钢强化效应及韧化效应。

原料中的合金元素选择为常规的原料，例如废钢、锰铁、钒铁、纯金属，合金等。

在可选的实施方式中，第二次变质处理包括将钢水与第二变质剂混合后静置反应。

具体地，在浇包中均匀铺设部分第二变质剂，以浇包底部均匀铺设一层第二变质剂为宜，再将钢水倒入浇包中，随流加入剩余的第二变质剂，加完后静置反应。

优选地，第二变质剂提前再浇包内不同位置放置，变质剂均匀分散平铺，且在钢水倒入浇包过程中，也随流持续加入变质剂。

优选地，静置时间为≥5min。

优选地，钢水进入浇包之前还包括对浇包进行预热，预热温度≥800℃，预热时间≥1h。

在可选的实施方式中，热处理包括将浇注得到的铸件依次进行退火、淬火和回火。

优选地，退火包括将铸件升温至620～670℃后保温，再升温至1020～1060℃后保温，再随炉冷却。

优选地，退火包括将铸件以≤60℃/h的速率升温至620～670℃后保温，再以60～80℃/h的速率升温至1020～1060℃后保温，再随炉冷却。

优选地，淬火包括将退火后的铸件升温至950～1020℃后保温，再空冷至室温。

优选地，淬火包括将退火后的铸件以60～80℃/h的速率升温至950～1020℃后保温，再空冷至室温。

优选地，回火包括将淬火后的铸件升温至180～220℃后保温，再出炉空冷至室温。

优选地，退火和回火过程中，每次保温的时间＝铸件厚度最大值÷20+1；淬火过程中，每次保温的时间＝铸件厚度最大值÷20；其中，每次保温的时间的单位为h，铸件厚度最大值的单位为mm。

其中，铸件厚度最大值即是铸件各处厚度中最大的厚度，例如，制备一个形貌不均匀的铸件，测量其各处厚度后得到其厚度范围在50～100mm之间，则其铸件厚度最大值即为100mm。

由于退火过程中有两次保温，因此每次保温时间均等于铸件厚度最大值÷20+1。例如，当铸件厚度最大值为120mm时，退火包括将铸件以≤60℃/h的速率升温至620～670℃后保温7h，再以60～80℃/h的速率升温至1020～1060℃后保温7h，再随炉冷却。

通过控制热处理的参数在上述范围内，配合本发明耐磨合金铸钢的元素组成，使得耐磨合金铸钢中生成体积分数超过3％的微米级硬质Cr-C化合物，突破基体马氏体组织硬度存在上升瓶颈的难题，保证在后续的淬火热处理时马氏体转变充分，避免过多奥氏体残留影响铸钢的耐磨性。通过上述方法计算得到的保温时间，使得即使是利用该方法制备厚度100mm以上的合金部件，也能够确保厚大耐磨铸钢件性能的均匀性。

在可选的实施方式中，熔炼过程中，钢水的温度为1600～1650℃。此外，本发明的熔炼过程可以采用最普通的中频炉熔炼的方式获得，在大气环境中进行即可，免去了气氛保护、转炉精炼、锻造、多道次轧制等复杂工序，节约了工艺成本。

优选地，熔炼过程中，经脱氧处理后，再向钢水中加入第一变质剂。

在可选的实施方式中，浇注的温度为1480～1510℃。

本发明提供的耐磨合金铸钢，其硬度≥62HRC，无缺口室温冲击吸收功≥12J，抗拉强度≥1000MPa。

第三方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的耐磨合金铸钢或如前述实施方式任一项的制备方法制得的耐磨合金铸钢在工程设备、矿山机械设备领域的应用。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.75％、Mn：1.3％、Cr：6.2％、Si：1.2％、Ni：0.6％、Mo：0.6％、V：0.08％、Zr：0.05％、Re：0.03％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质，其中，质量百分比之比Cr：C＝8.28。

本实施例还提供了上述耐磨合金铸钢的制备方法，包括如下步骤：

S1、在中频炉中按比例加入钢源、铬源、硅源、锰源、钼源和镍源混合后进行熔炼，经脱氧剂处理后，得到合格钢水，将钢水温度升至1630℃，出钢前5分钟加入钒源进行第一次变质处理。

S2、将锆铁和稀土颗粒物破碎至3mm以下，充分混合后在450℃烘烤1小时，同时将浇包800℃预热1小时，取烘烤后的部分锆铁和稀土颗粒物均匀分散平铺至的预热好的浇包中，以浇包的底部均匀铺满一层为宜，然后将S1步骤的钢水倒入浇包中，并在钢水倒入浇包过程中，随流持续加入剩余的锆铁和稀土颗粒物，充分静置，进行第二次变质处理，静置时间5min。

S3、将S2步骤的钢水在1500℃下浇注成铸件，铸件厚度最大值为100mm。

S4、将S3步骤的铸件以60℃/h的速率升温至650℃后保温6h，再以80℃/h的速率升温至1050℃后保温6h，再随炉冷却；将上述退火后的铸件以60℃/h的速率升温至980℃后保温5h，再空冷至室温；最后将淬火后的铸件以60℃/h的速率升温至200℃后保温6h，再出炉空冷至室温。

将本实施例提供的耐磨合金铸钢置于扫描电子显微镜下观察，得到如图1所示结果，由图1可知，本实施例提供的耐磨合金铸钢中包括回火马氏体、弥散分布的微米硬质碳化物以及残余奥氏体；将本实施例提供的耐磨合金铸钢置于透射电镜下观察其形貌和电子衍射结果，得到如图2所示，由图2可知，耐磨合金铸钢中的微米硬质碳化物主要为Cr的碳化物。

实施例2

本实施例提供了一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.82％、Mn：1.5％、Cr：7.2％、Si：1.4％、Ni：0.8％、Mo：0.7％、V：0.05％、Zr：0.03％、Re：0.02％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质，其中，质量百分比之比Cr：C＝8.78。

本实施例还提供了上述耐磨合金铸钢的制备方法，包括如下步骤：

S1、在中频炉中按比例加入钢源、铬源、硅源、锰源、钼源和镍源混合后进行熔炼，经脱氧剂处理后，得到合格钢水，将钢水温度升至1650℃，出钢前5分钟加入钒源进行第一次变质处理。

S2、将锆铁和稀土颗粒物破碎至3mm以下，充分混合后在500℃烘烤1h，同时将浇包800℃预热1h，取烘烤后的部分锆铁和稀土颗粒物均匀分散平铺至的预热好的浇包中，以浇包的底部均匀铺满一层为宜，然后将S1步骤的钢水倒入浇包中，并在钢水倒入浇包过程中，随流持续加入剩余的锆铁和稀土颗粒物，充分静置，进行第二次变质处理，静置时间5min。

S3、将S2步骤的钢水在1510℃下浇注成铸件，铸件厚度最大值为100mm。

S4、将S3步骤的铸件以60℃/h的速率升温至670℃后保温6h，再以70℃/h的速率升温至1060℃后保温6h，再随炉冷却；将上述退火后的铸件以60℃/h的速率升温至1020℃后保温5h，再空冷至室温；最后将淬火后的铸件以60℃/h的速率升温至220℃后保温6h，再出炉空冷至室温。

实施例3

本实施例提供了一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.68％、Mn：0.8％、Cr：5.0％、Si：1.1％、Ni：1.0％、Mo：1.0％、V：0.03％、Zr：0.015％、Re：0.02％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质，其中，质量百分比之比Cr：C＝7.35。

本实施例还提供了上述耐磨合金铸钢的制备方法，包括如下步骤：

S1、在中频炉中按比例加入钢源、铬源、硅源、锰源、钼源和镍源混合后进行熔炼，经脱氧剂处理后，得到合格钢水，将钢水温度升至1610℃，出钢前5分钟加入钒源进行第一次变质处理。

S2、将锆铁和稀土颗粒物破碎至3mm以下，充分混合后在420℃烘烤1h，同时将浇包800℃预热1h，取烘烤后的部分锆铁和稀土颗粒物均匀分散平铺至的预热好的浇包中，以浇包的底部均匀铺满一层为宜，然后将S1步骤的钢水倒入浇包中，并在钢水倒入浇包过程中，随流持续加入剩余的锆铁和稀土颗粒物，充分静置，进行第二次变质处理，静置时间5min。

S3、将S2步骤的钢水在1480℃下浇注成铸件，铸件厚度最大值为100mm。

S4、将S3步骤的铸件以60℃/h的速率升温至640℃后保温6h，再以60℃/h的速率升温至1030℃后保温6h，再随炉冷却；将上述退火后的铸件以60℃/h的速率升温至960℃后保温5h，再空冷至室温；最后将淬火后的铸件以60℃/h的速率升温至180℃后保温6h，再出炉空冷至室温。

对比例1

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.82％、Mn：1.3％、Cr：4.75％、Si：1.2％、Ni：0.6％、Mo：0.6％、V：0.08％、Zr：0.05％、Re：0.03％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质，其中，质量百分比之比Cr：C＝5.8，该耐磨合金铸钢的制备方法与实施例1相同。

对比例2

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.75％、Mn：1.3％、Cr：6.2％、Si：1.2％、Ni：0.6％、Mo：0.6％、V：0.08％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质，其中，质量百分比之比Cr：C＝8.28，该耐磨合金铸钢的制备方法与实施例1相似，区别仅在于没有进行S2步骤的第二次变质处理。

对比例3

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，其化学组成与实施例1相同，区别仅在于：S2步骤中锆铁和稀土颗粒物没有进行破碎、混合和烘烤，锆铁和稀土颗粒物的粒径为10mm左右，直接全部放置于浇包底部，然后加入钢水。

对比例4

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，其化学组成与实施例1相同，区别仅在于：在中频炉中按比例加入钢源、铬源、硅源、锰源、钼源和镍源混合后进行熔炼，经脱氧剂处理后，得到合格钢水，将钢水温度升至1630℃，出钢前5分钟加入钒源、锆铁和稀土颗粒物进行一次变质处理，然后将钢水进行浇注和热处理。

其中，锆铁和稀土颗粒物的在加入前预先破碎至粒径为3mm以下，充分混合后在450℃烘烤1小时。浇注和热处理的步骤同实施例1。

对比例5

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，具体为GB/T 26651-2011耐磨钢铸件中牌号为ZG60 Cr5材料，其化学成分为：C：0.6％、Mn：1.0％、Cr：5％、Si：0.8％、Ni：0.3％、Mo：0.5％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质。采用实施例1的熔炼浇铸方法，但不包括两次变质处理，热处理步骤采用国标推荐的淬火、回火热处理制备。

对比例6

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，具体为GB/T 8263-2010抗磨白口铸铁件中牌号为BTM Cr26高耐磨性高铬铸铁材料，其化学成分为：C：3.2％、Mn：1.2％、Cr：26％、Si：1.0％、Ni：2.0％、Mo：2.0％、S≤0.04％、P≤0.04％，其余为铁和不可避免的杂质。采用实施例1的熔炼浇铸方法，但不包括两次变质处理，热处理步骤采用国标推荐的淬火、回火热处理制备。

对比例7

本对比例提供了一种耐磨合金铸钢，其化学组成与实施例1相同，区别仅在于热处理步骤中，淬火步骤如下：将上述退火后的铸件以60℃/h的速率升温至980℃后保温5h，再采用冷却溶剂冷至室温，冷却溶剂为水或油。

本对比例提供的耐磨合金铸钢在淬火后直接开裂，无法使用。

试验例1

将实施例1～3和对比例1～5提供的耐磨合金铸钢进行性能检测，检测方法和检测结果如下：

1)采用扫描电子显微镜-EBSD分析耐磨合金铸钢中析出碳化物的体积分数；

2)拉伸试验按照GB/T228-2010金属材料拉伸试验进行；

3)硬度测试按照GB/T230.1—2018金属洛氏硬度试验进行；

4)冲击韧性参考GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法进行，试样为不开缺口试样；

5)耐磨性测试采用中国铸造协会标准T-CFA010604-3-2016钢铁材料冲击磨料磨损试验方法进行评估，以对比例5的耐磨性为1，其余材料列出相对耐磨性，其中，相对耐磨性＞1表明耐磨性能较对比例5更好。

表1耐磨合金铸钢的性能

由表1可知，实施例1～3的析出碳化物比例、硬度、耐磨性能均明显优于对比例。对比例5是碳含量与本申请相当的相似体系的高硬度合金钢材料ZG60 Cr5，是目前常用的低碳含量耐磨合金铸钢，本发明通过优化配比和制备方法使得本发明实施例提供的耐磨合金铸钢其耐磨性能较对比例5的ZG60 Cr5提升36％以上，且耐磨性能超出高成本BTM Cr26高铬铸铁材料，同时本发明实施例的耐磨合金铸钢较对比例6的高铬铸铁材料室温冲击吸收功较高，具有更好的服役安全性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐磨合金铸钢，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包括：C：0.65～0.85％、Mn：0.5～1.8％、Cr：4.5～7.5％、Si：1.0～1.5％、Ni：0.5～1.0％、Mo：0.5～1.0％、V：0.03～0.1％、Zr：0.01～0.06％、稀土：0.01～0.03％、S≤0.04％、P≤0.04％，余量为铁以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐磨合金铸钢，其特征在于，质量百分比之比Cr：C≥6。

3.根据权利要求1所述的耐磨合金铸钢，其特征在于，包括马氏体、奥氏体以及微米硬质碳化物，且所述奥氏体的体积分数≤5％，所述微米硬质碳化物的体积分数≥3％；

优选地，所述微米硬质碳化物在耐磨合金铸钢中均匀间隔分布；

优选地，所述微米硬质碳化物的体积分数为3～8％。

4.一种如权利要求1～3任一项所述的耐磨合金铸钢的制备方法，其特征在于，包括将钢源、铬源、硅源、锰源、钼源、镍源按比例混合后进行熔炼得到钢水，熔炼结束前3～7min加入含有钒的第一变质剂进行第一次变质处理，然后将熔炼后的钢水倒入浇包中，加入含有锆和稀土的第二变质剂进行第二次变质处理，结束后进行浇注和热处理。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第二变质剂的粒径≤3mm；

优选地，还包括将所述第二变质剂干燥后再加入钢水中；

优选地，干燥温度为400～500℃，干燥时间≥1h。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第二次变质处理包括将钢水与第二变质剂混合后静置反应；

优选地，第二变质剂提前均匀铺设在浇包内，且在钢水倒入浇包过程中，随流加入剩余第二变质剂；

优选地，静置时间≥5min；

优选地，钢水进入浇包之前还包括对浇包进行预热，预热温度≥800℃，预热时间≥1h。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述热处理包括将浇注得到的铸件依次进行退火、淬火和回火；

优选地，所述退火包括将所述铸件升温至620～670℃后保温，再升温至1020～1060℃后保温，再随炉冷却；

优选地，所述退火包括将所述铸件以≤60℃/h的速率升温至620～670℃后保温，再以60～80℃/h的速率升温至1020～1060℃后保温，再随炉冷却；

优选地，所述淬火包括将退火后的铸件升温至950～1020℃后保温，再空冷至室温；

优选地，所述淬火包括将退火后的铸件以60～80℃/h的速率升温至950～1020℃后保温，再空冷至室温；

优选地，所述回火包括将淬火后的铸件升温至180～220℃后保温，再出炉空冷至室温；

优选地，所述退火和回火过程中，每次保温的时间＝铸件厚度最大值÷20+1；所述淬火过程中，每次保温的时间＝铸件厚度最大值÷20；其中，每次保温的时间的单位为h，铸件厚度最大值的单位为mm。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼过程中，钢水的温度为1600～1650℃。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述浇注的温度为1480～1510℃。

10.一种如权利要求1～3任一项所述的耐磨合金铸钢或如权利要求4～9任一项所述的制备方法制得的耐磨合金铸钢在工程设备、矿山机械设备领域的应用。

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