CN1600889A - 微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法 - Google Patents

微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其化学成分为wt％：C 0.25～0.34、Si 0.3～0.7、Mn 1.15～1.65、Cr 0.5～1.0、B 0.0005～0.005、Ti 0.01～0.06、Ce 0.01～0.045、La 0.01～0.035、Al0.01～0.1、S≤0.035、P≤0.035，其微合金化处理工艺为先在熔炼炉内于1600～1610℃加入TiFe，再在浇包内加入或在倾出钢水同时向浇包内投入RESiFe和BFe合金，所用BFe合金须用电池壳之类铁质容器包装，本发明的优点是不使用Mo、Ni等贵重的合金元素，而是通过微合金化来达到强韧化和硬韧化目的，因而制造成本较低、微合金化处理工艺先进、稳定性好、热处理工艺简单且其强度、硬度、韧性及耐磨性优良、使用寿命长。

Description

微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法
技术领域
本发明涉及一种铸钢领域，特别是涉及一种中碳低合金的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法。它具有较高的硬度与韧性，且成本较低；可广泛应用于各种挖掘机的斗齿、磨机的衬板、破碎机的锤头、鄂板以及料斗斗板等需要承受耐冲击、耐磨损的工件。
背景技术
目前国外中碳低合金马氏体耐磨铸钢多为Cr、Mo或Cr、Mo、Ni系合金钢，热处理工艺采用淬火加低温回火的工艺，以获得高强度、高硬度和一定韧性的合金性能。典型的钢种有著名的美国ESCO公司ESCO-12系列耐磨钢种，此钢种即以Cr、Mo、Ni为主体合金元素，美国HENSLY公司的30CrMoSi及30CrMoSi2也属于同一范畴。我国中碳低合金耐磨铸钢的研究和应用始于20世纪80年代以后，取得了一系列成果，较典型的钢种是30CrMnSiMoNi和Cr5Mo钢，现在也有部分生产厂家从国外引进了及自主开发了30CrMoSi及30CrMoSi2的生产技术，其间有一段时间还着力开发了符合我国合金资源情况的Si、Mn系合金钢30Si2Mn。现在人们逐渐认识到了多元合金化是提高耐磨铸钢淬透性、强韧性和硬度的有效方法，因而国内外耐磨铸钢多采用Cr、Mo、Ni、Si、Mn多元合金化，用于制造球磨机衬板，破碎机锤头和挖掘机斗齿等耐磨件。
微量元素合金化以微量的加入量就能大幅度提高材料的性能，如强度、韧性等而备受关注，最早应用于合金结构钢中，并取得了巨大成功，应用的微合金元素以V，Nb为主，在美国微合金化结构钢已经占到全部结构钢的30％，应用于机械制造、桥梁和建筑等领域，而在我国只有5％左右。有少数人还从事过V、Ti、Nb、RE及B等微量元素在铸钢中的应用研究，并取得了一些研究成果。目前专利文献中有关微合金化的现有技术如中国专利申请号97105661.7中已公开的一种“多元微合金化贝氏体钢”、中国专利申请号96119545中已公开的“一种耐磨铸钢”、中国专利申请号95106429中已公开的一种“Mn-Si-Mo-B贝氏体钢”以及中国专利号93106429中已公开的一种“高强韧性高淬透性空冷贝氏体钢”等多项发明专利，它们的化学成分、物理性能及实践应用范围列于表一所示：
表一  有关微合金化铸钢的现有技术
名称 中国专利申请号 化学成份 物理性能 应用范围
多元微合金化贝氏体钢 97105661.7 C0.35~0.61.Si0.2~2.0，Mn2.0~3.5，B0.0005~0.01，Ti0.015~0.05，RE0.02~0.010，N0.006~0.015，还可加入V0.03~0.15，Nb0.03~0.15 ≥50HRC 衬板
一种耐磨铸钢 96119545 C0.15～0.35，Si≤0.3，Mn≤1.0，Cr1.5～2.0.Mo0.2～0.5B0.005～0.1，V0.05～0.10，Ti0.05～0.1，RE0.1～0.5 σb127～141kg/mm2ak82～96J/cm2HRC45～54 强冲击磨损工况
C0.25～0.5，Si≤0.5，Mn≤1.0，Cr1.5～2.0.Mo0.2～0.5B0.005～0.1，V0.02～0.05，Ti0.02～0.05，RE0.1～0.5 小冲击磨损工况
Mn-Si-Mo-B贝氏体钢 95106429 C0.5～0.55，Si1.0～3.0，Mn2.0～4.0，B0.0005～0.005，Mo0.31～0.49，
高强韧性高淬透性空冷贝氏体钢 93106429 C0.05～0.31，Si1.0～3.0，Mn2.0～4.0，B0.0005～0.005，Ti0.001～0.05，Mo0.031～0.49RE0.001～0.03，V0.001～0.5 σb750～1450MPaAkv≥69.8J 合金结构钢
86103008 C0.31～0.46，Si0.1～1.5，Mn2.1～3.4，B0.0005～0.005，Mo≤1.0，V≤0.15 冲击韧性不足 宜做弹簧
一种高强韧性低碳微合金化铸钢 87108322 C0.06～0.18，Nb0.02～0.12，Mn1.4～1.8，Ti0.001～0.05，RE0.002～0.06，Mo0.3 合金结构钢
然而，上述多项发明专利中的材质大都含有主体合金元素Mo，中国专利申请号97105661.7的“多元微合金化贝氏体钢”虽不含有合金元素Mo，但其C、Si、Mn元素含量较高，因而材料成本也较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种在中碳低合金马氏体耐磨铸钢的基础上，以适宜的微量元素替代昂贵的Mo，Ni等元素、并借助稳定的微合金化工艺以达到或超出Cr、Mo和Cr、Mo、Ni系中碳低合金马氏体耐磨铸钢的强韧性、硬韧性和耐磨性水平的材料成本显著降低的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法。
本发明的目的是通过提供一种具有如下基本化学成份的设计和微量元素的选择以及提供其微合金化处理工艺和适当的热处理工艺方法而实现的；所述的微合金马氏体耐磨铸钢它具有基本化学成份为C、Si、Mn、Cr、S、P，它具有微量元素为Ti、RE、B；所述的制造方法包括微合金化处理和淬火与回火的热处理工艺，所述的微合金化处理包括第一步在熔炼炉内加入TiFe与第二步在定量浇包内先放置RE和BFe合金，再紧接着倾出钢水。
所述的基本化学成份C、Si、Mn、Cr、S、P的质量百分比wt％为：C 0.25～0.34、Si0.4～0.7、Cr 0.5～1.0、Mn 1.15～1.65、S≤0.035、P≤0.035，所述的微量元素的质量百分比wt％为：B 0.0005～0.005、Ti 0.01～0.06、Ce 0.01～0.045、La 0.01～0.035、Al 0.01～0.1、其余为Fe。所述的RE和BFe合金用铁质容器或电池壳盛装。
所述的微合金化处理第一步在熔炼炉内温度为1600～1610℃时加入TiFe；所述的微合金化处理第二步在定量浇包内加入或在倾出钢水同时向定量浇包内投入RESiFe和BFe合金。
所述的TiFe钛铁合金使用前要破碎成粒度3～30mm的颗粒状物质，所述的颗粒状物质在电炉内烘烤1～2小时，所述的烘烤温度为100～200℃。所述的RESiFe稀土硅铁合金使用前要破碎成粒度为3～10mm的颗粒状物质，所述的颗粒状物质在电炉内烘烤1～2小时，所述的烘烤温度为100～300℃。所述BFe的合金使用前要破碎成粒度小于2mm的粉粒状物质，所述的破碎好的粒状物质必须马上进行包装。
所述的淬火与回火的热处理工艺为铸件经900～920℃保温1～2小时后水中淬火，再经200～230℃保温2～3小时后回火。
本发明微合金高性能耐磨铸钢其淬透能力强，具有高强韧性，高硬韧性和高耐磨性特点；其次是微合金化所用的TiFe，RE，BFe合金的加入量少，而价格远低于Mo，Ni等，可节省大量的生产成本，经济效益明显。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1.不使用Mo、Ni等贵重的合金元素，而是通过微合金化来达到强韧化和硬韧化目的，因而制造成本较低；2.微合金化处理工艺先进，稳定性好；3.热处理工艺简单，并有较长的使用寿命。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法具有如下的基本化学成份和微量元素的选择方案。
基本化学成份为C、Si、Mn、Cr、S、P。
微量元素为    Ti、RE和B。
各元素含量的质量百分比如表二所示：
表二  化学成份含量(wt％)
C Si  Mn  Cr  B  Ti  Ce  La  Al  S  P
0.25~0.34 0.3~0.7  1.15~1.65  0.5~1.0  0.0005~0.005  0.01~0.06  0.01~0.045  0.01~0.035  0.01~0.1  ≤0.035  ≤0.035
本发明微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法的合金元素中不加Mo、Ni，且基本合金元素Si、Mn、Cr的含量较低。
微量元素Ti、RE和B的作用如下：
硼(B)元素溶入奥氏体中，大大细化马氏体的亚结构，极大地增加钢的淬透性，提高钢的冲击韧性和断裂韧性。
稀土元素Ce、La不仅可以有效的细化铸态组织，净化晶界，改善碳化物和夹杂物的形态和分布，提高低合金耐磨钢的抗疲劳性能和抗剥落性能，还可使低合金耐磨钢保持足够的韧性。
钛除有效细化晶粒外，本发明中钛在硼元素之前加入钢水，主要为了固氮，防止硼元素优先与钢水的氮结合形成BN存在于晶界，造成所谓的“硼脆”。
本发明中硼、稀土元素Ce、La和钛三元共用，通过加入量和加入先后的控制，避害就利，使材料得到强韧化，提高耐磨性和使用寿命。
本发明微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法具有如下的微合金化处理工艺：
微合金元素的准备  三元微合金元素均以铁合金的形式加入。
(1)RESiFe的准备。大块的稀土硅铁合金使用前要破碎成粒度3~10mm的颗粒状物质。破碎好的稀土合金必须在电炉内经100~300℃烘烤1~2小时。冷却到接近室温时，用塑料袋封装。每袋重量根据处理的钢水量称量，保证Ce和La的含量在所要求的范围内。
(2)TiFe的准备。大块的钛铁合金使用前要破碎成粒度3~30mm的颗粒状物质。破碎好的TiFe合金必须在电炉内经100~200℃烘烤1~2小时。冷却到接近室温时，用塑料袋封装。每袋重量根据处理的钢水量称量，保证Ti的含量在所要求的范围内。
(3)BFe的准备。大块的BFe合金使用前要破碎成粒度小于2mm的粉粒状物质。破碎好的BFe合金必须马上进行包装，以避免氧化。要用电池壳或铁皮袋包装，并把壳或袋的端口夹紧。每个包装重量根据处理的钢水量称量，保证B的含量在所要求的范围内。
RESiFe合金和用电池壳封装的BFe合金合装在一个塑料袋内备用。
熔炼和微合金化处理工艺如下：
(1)钢水熔炼熔炼既可用感应炉也可以用电弧炉熔炼。正常的炼钢工艺完成，钢水经扒渣和终脱氧后，将炉温提升到1600~1610℃，加入已准备好的TiFe包，待完全熔化并扒渣后即可出钢水，每包钢的重量必须定量。
(2)微合金化处理浇包使用前要烘烤。出钢水前先将包装好的RESiFe和BFe合金放置于包底，然后冲入钢水，也可以在冲入钢水的同时向浇包内投入袋装的RESiFe和BFe合金。浇包装满钢水后稍作停顿，扒清表面浮渣后即可浇注。每次浇包内的剩余钢水量不得超过每包总浇注重量的10％。
按上述成分和微合金处理后浇注的基尔试样，经900℃/2小时保温后水淬，再经230℃/2小时回火，试棒性能如表三。
表三  试棒力学性能
抗拉强度σb(MPa) 屈服强度σs(MPa) 延伸率δ5(％) 断面收缩率Ψ(％) 硬度(HRC) 室温冲击吸收功Akv(J) -40℃冲击吸收功Akv(J) 断裂韧度KIC(MPa.m1/2)
≥1600 ≥1400 4~6 ≥18 49~52 ≥25 ≥20 125
国内外中碳低合金耐磨铸钢多为Cr、Mo和Cr、Mo、Ni系合金钢，制造成本高，而Si、Mn、Cr合金铸钢如国标ZG30CrMnSi虽成本低，但强度及韧性欠佳，而且淬透性不好，只适应制造结构件，不适宜做耐磨件，因耐磨性较差。本发明微合金高性能耐磨铸钢其淬透能力强，具有高强韧性，高硬韧性和高耐磨性特点；其次是微合金化所用的TiFe，RE，BFe合金的加入量少，而价格远低于Mo，Ni等，可节省大量的生产成本，仅原材料费用每吨铸件即可节省1000元以上，因而经济效益明显，具有很强的市场竞争力。
本发明微合金马氏体耐磨铸钢使用寿命长，超过30CrMoSi，30CrMoSi2，30CrMnSiMoNi等耐磨材料。
特别要指出的是与中国专利申请号97105661.7“多元微合金化贝氏体钢”比较，其共同点是都不使用Mo、Ni等贵重的合金元素，并应用了微合金元素Ti、RE和B；而不相同的体现在如下的几个方面：一是基本合金元素的设计上有显著区别，本发明的基本合金元素为C、Si、Mn、Cr，且其含量较低，而中国专利申请号97105661.7“多元微合金化贝氏体钢”不加入Cr，但C、Si、Mn的含量较高；二是本发明微合金马氏体耐磨铸钢可以通过水淬加回火得到回火马氏体加薄膜状奥氏体组织，而中国专利申请号97105661.7“多元微合金化贝氏体钢”它只能空冷得到贝氏体和马氏体的混合组织；三是本发明的材料的综合力学性能远优于中国专利申请号97105661.7的“多元微合金化贝氏体钢”，尤其是冲击韧性和断裂韧性；目前，除高锰钢以外很少有耐磨材料的断裂韧度KIC超过100MPa·m1/2的，而本发明的断裂韧度值KIC达到125MPa·m1/2；四是本发明的材料可以应用于严重冲击磨损的工况如挖掘机的斗齿，而中国专利申请号97105661.7的“多元微合金化贝氏体钢”由于冲击韧性和断裂韧性的储备不足，只能用于无冲击或较小冲击的工况如耐磨钢球和衬板；五是本发明的材料比中国专利申请号97105661.7的“多元微合金化贝氏体钢”其铸造性能更优异、在铸态不容易产生裂纹或断裂、工艺稳定性更佳。
本发明微合金马氏体耐磨铸钢应用于挖掘机各种斗齿上取得了巨大成功。该斗齿的铸造工艺为熔模铸造，所用的模壳是水玻璃硬化模壳。熔炼工艺为中频感应电炉熔炼，钢水按上述给定的化学成份及熔炼和微合金处理工艺在中频感应炼炉进行TiFe第一步微合金化处理，紧接着在定量浇包内进行RE，BFe的第二步微合金化处理。处理好的钢水浇入焙烧过的模壳内，模壳温度≥300℃。
浇注完成之后的炽热铸件连同模壳，根据铸件大小等待15~20分钟后拉出破壳风冷，这样做的目的有二：一是加硼的耐磨铸钢需要快冷，以防硼脆，二是改善铸态组织，即消除魏氏组织，细化晶粒。
完成清砂后的斗齿铸件，可以气割浇冒口，气割后留在铸件上的浇冒口残余不得立即在砂轮机上打磨，必须经淬回火之后方可打磨，这是因为浇冒口残余存在成份偏析，含硼耐磨铸钢由于良好的淬透性而在铸态时出现打磨裂纹。
按上述工艺制造的斗齿的化学成分及经常规的900~920℃保温2小时后水淬、230℃回火2小时后的物理性能如下表四所示：
表四  微合金化高性能耐磨铸钢斗齿化学成分与物理性能
  产  品名  称                               化学成份   冲击韧性akv(J/cm2)   硬度HRC
C Si Mn Cr S P B Ti Ce La Al
  19570RC   0.323   0.488   1.431   0.932   0.041   0.03   0.001   0.017   0.01   0.012   0.017   18.75   53
  19570RC   0.297   0.64   1.63   0.817   0.015   0.01   0.002   0.017   0.031   0.019   0.023   21.25   52
  19570RC   0.282   0.596   1.503   0.763   0.034   0.04   0.003   0.015   0.013   0.011   0.03   31.25   51
  19570   0.285   0.575   1.598   0.807   0.048   0.03   0.004   0.016   0.013   0.014   0.016   17.5   50
  19570   0.301   0.527   1.496   0.772   0.038   0.06   0.005   0.016   0.016   0.016   0.014   21.25   52
选取品种和热处理条件相同但材料分别为本发明的微合金马氏体耐磨铸钢和30CrMoSi的两个斗齿切取试样进行动载磨损试验，对比结果如下表五所示：
表五  动载磨损试验对比数据
表五的数据表明，本发明的微合金化耐磨铸钢的耐磨性是30CrMoSi耐磨铸钢的1.78倍，即提高了78％。
用该材料生产的挖掘机斗齿产量已经达到5000吨/年的能力。在使用过程中未发现常见的断齿现象且耐磨性良好，使用寿命长，得到用户的充分肯定，产品已批量出口国外。
本发明的微合金化耐磨铸钢可推广应用到各种磨机的衬板，破碎机的锤头，鄂板，料斗斗板等需要耐冲击耐损工况的工件。

Claims (8)

1.一种微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的微合金马氏体耐磨铸钢它具有基本化学成份为C、Si、Mn、Cr、S、P，它具有微量元素为Ti、RE、B；所述的制造方法包括微合金化处理和淬火与回火的热处理工艺，所述的微合金化处理包括第一步在熔炼炉内加入TiFe与第二步在定量浇包内先放置RE和BFe合金，再紧接着倾出钢水。
2.如权利要求1所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的基本化学成份C、Si、Mn、Cr、S、P的质量百分比wt％为：C 0.25～0.34、Si 0.4～0.7、Cr 0.5～1.0、Mn 1.15～1.65、S≤0.035、P≤0.035，所述的微量元素的质量百分比wt％为：B 0.0005～0.005、Ti 0.01～0.06、Ce 0.01～0.045、La 0.01～0.035、Al 0.01～0.1、其余为Fe。
3.如权利要求1所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的RE和BFe合金用铁质容器或电池壳盛装。
4.如权利要求1所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的微合金化处理第一步在熔炼炉内温度为1600～1610℃时加入TiFe，所述的微合金化处理第二步在浇包内加入或在倾出钢水同时向浇包内投入RESiFe和BFe合金。
5.如权利要求1或4所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的TiFe钛铁合金使用前要破碎成粒度3～30mm的颗粒状物质，所述的颗粒状物质在电炉内烘烤1～2小时，所述的烘烤温度为100～200℃。
6.如权利要求1或4所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的RESiFe稀土硅铁合金使用前要破碎成粒度为3～10mm的颗粒状物质，所述的颗粒状物质在电炉内烘烤1～2小时，所述的烘烤温度为100～300℃。
7.如权利要求1或4所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述BFe的合金使用前要破碎成粒度小于2mm的粉粒状物质，所述的破碎好的粒状物质必须马上进行包装。
8.如权利要求1所述的微合金马氏体耐磨铸钢及制造方法，其特征在于：所述的淬火与回火的热处理工艺为铸件经900～920℃保温1～2小时后水中淬火，再经200～230℃保温2～3小时回火。
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