CN1924070A

CN1924070A - 一种含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢及制备方法

Info

Publication number: CN1924070A
Application number: CN 200610105086
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 邢建东
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: CN100453686C

Abstract

本发明公开了一种含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢，其特征在于制得的该不锈钢有效化学成分及其重量百分比为：C：0.05％～0.30％，B：0.5％～3.0％，Cr：17.0％～25.0％，Ni：6.0％～8.0％，Ti：0.4％～1.5％，N：0.08％～0.20％，Y：0.04％～0.15％，Mg：0.03％～0.10％，Ca：0.02％～0.08％，Si＜2.0％，Mn＜2.0％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe。本发明的含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢采用电炉生产，其工艺简单，原料来源丰富，贵重合金加入量少，生产成本低廉。铸造高硼耐磨不锈钢的基体组织主要是奥氏体，具有良好的耐蚀性，在基体上还含有8％～15％高硬度硼化合物，可以明显改善钢的耐磨性。

Description

一种含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢及制备方法

技术领域

本发明属于金属耐磨耐蚀材料技术领域，涉及一种铸造高硼耐磨不锈钢及其制备，特别涉及一种含有高硬度硼化物的铸造耐磨不锈钢及其制备方法。

背景技术

磨损和腐蚀是材料的主要失效形式，腐蚀具有明显的促进磨损作用，研究具有良好耐腐蚀、抗磨损材料，满足腐蚀磨损工况的苛刻要求，将具有极其重要的意义。

根据申请人所进行的资料检索，查出以下的相关文献：

中国发明专利CN1249357公开了一种铁基铸造耐磨耐蚀合金，其合金成分的重量百分数为：1.5％～3.0％C，10％～20％Cr，1％～3％Mo，0.5％～2.0％Si，0.5％～3.0％Mn，2％～4％Ni，Fe余，该发明兼具较高耐磨和耐蚀性。但是这种材料中碳含量较高，合金组织中含有较多脆性较大的碳化物，而且合金基体组织中碳含量也较高，韧性较差。

中国发明专利CN1417360公开了一种铸造耐蚀耐磨钴基合金，其合金成分的重量百分数为：1.0％～2.5％C，20％～35％Cr，5％～20％W，1％～6％Mo，1％～8％Nb，0.5％～2.0％Cu，0.5％～3.0Si，2.0～15.0Ni，35％～65％Co。该发明设计的钴基合金具有优异的耐蚀耐磨性能，其平均硬度值达到48HRC左右，但这种合金含有较多价格昂贵的钴元素，生产成本高。

中国发明专利CN1153224还公开了一种铸造耐磨耐蚀合金，其合金成分的重量百分数为：C≤0.10％，20％～30％Cr，15％～25％Ni，1.0％～2.5％Si，1.0％～3.5％Mo，1.0％～2.0％Cu，0.8％～1.2％V，0.03％～0.3％Ti，Fe余量，该发明耐磨耐腐蚀、工艺性能好，但是该合金中含有较多价格昂贵的镍元素，生产成本较高。中国发明专利CN1083121公开了耐磨耐蚀镍基合金，其合金成分的重量百分数为：1.0％～2.0％C，20％～25％Cr，10.5％～20.0％Fe，2.1％～2.5％Mo，1.0％～1.5％Si，1.0％～1.5％Mn，Y或Ce0.02％～0.10％，余为Ni。该发明以高的含碳量，使其与铬、钼、铁、锰等元素形成大量致密的共晶碳化物和一次碳化物，保证具有较好的耐磨性，另外，该发明还有较好的耐玻璃腐蚀性能。该合金用作格法平板玻璃生产线中的转向辊、平拉辊等，其一次使用寿命高。但是该合金中含有较多价格昂贵的镍，生产成本高。

日本专利JP154263公开了用于制造耐蚀、耐磨性优良的合金材料，它是在从Fe基合金、Co基合金和Ni基合金中至少选择一种组成的基体金属制成的管中，充填粒径10μm以下的VC粉末而成的管状焊丝。或者从Fe基合金、Co基合金和Ni基合金中至少选择一种组成的基体金属与粒径10μm以下的VC粉末混合而成的粉末混合物，这种材料具有良好的耐蚀和耐磨性，但含有价格较高的VC粉末，而且制备工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是给出一种含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢及其制备方法。制得的不锈钢主要特点是在铬镍不锈钢中加入较多的硼和钛，目的是为了获得高硬度的铁铬硼化合物和钛硼化合物，改善材料的耐磨性。此外还加入适量的氮和钇基稀土，使其组织细化，特别是使铁铬硼化合物断网和孤立分布，还加入适量镁和钙，可改变铸钢中夹杂物的类型、数量、大小、形态和分布，有利于铸造高硼耐磨不锈钢力学性能的大幅度提高。

本发明的目的可以通过以下技术措施来实现。

一种含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢，其特征在于制得的该铸造高硼耐磨不锈钢有效化学成分及其重量百分比为：C：0.05％～0.30％，B：0.5％～3.0％，Cr：17.0％～25.0％，Ni：6.0％～8.0％，Ti：0.4％～1.5％，N：0.08％～0.20％，Y：0.04％～0.15％，Mg：0.03％～0.10％，Ca：0.02％～0.08％，Si＜2.0％，Mn＜2.0％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe。

上述含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢的制备方法是，采用电炉生产，其制造工艺步骤是：

其特征在于，具体包括下列步骤：

第一步，将普通废钢、铬铁、镍板和不锈钢废料按上述化学成分要求混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁，然后加入硼铁、钛铁和含氮合金；

第二步，炉前调整成分合格后将温度升至1620℃～1660℃，加入铝预脱氧，并加入硅钙合金终脱氧，而后出炉；

第三步，将钇基稀土和镁镍合金破碎至粒度小于12mm的小块，经180℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理；

第四步，将钢水在1480～1520℃直接浇注成铸件，铸件经过固溶处理后直接水淬，然后进行去应力处理。

上述的钢水预脱氧时铝的加入量为0.05％～0.10％，钢水终脱氧时硅钙合金的加入量为0.10％～0.30％。

上述固溶处理温度为1080～1150℃，去应力处理温度为180℃～220℃。

本发明高硼耐磨不锈钢与现有技术相比具有如下特点：

(1)应用本发明生产耐磨、耐蚀钢，工艺简单，原料来源丰富，贵重合金加入量少，生产成本低廉。

(2)应用本发明生产耐磨、耐蚀钢，基体组织主要是奥氏体，具有良好的耐蚀性，在基体上还含有8％～15％高硬度硼化合物，可以明显改善钢的耐磨性。

(3)本发明用多元微合金对高硼耐磨不锈钢进行复合变质处理，可使组织细小，夹杂物明显减少，且夹杂物的形态和分布明显改善，因此铸钢力学性能明显提高，其中抗拉强度达到820～950MPa，冲击韧性达到32～40J/cm²，断裂韧性达到52～60MPa.m^1/2，硬度达到38～45HRC。

具体实施方式

按照本发明的技术方案，含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢，其特征在于制得的该铸造高硼耐磨不锈钢有效化学成分及其重量百分比为：C：0.05％～0.30％，B：0.5％～3.0％，Cr：17.0％～25.0％，Ni：6.0％～8.0％，Ti：0.4％～1.5％，N：0.08％～0.20％，Y：0.04％～0.15％，Mg：0.03％～0.10％，Ca：0.02％～0.08％，Si＜2.0％，Mn＜2.0％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

C：C是影响高硼耐磨不锈钢硬度、强度、韧性、耐磨性和耐蚀性的主要元素，C含量高时，基体中固溶的碳增多，材料固溶强化效果增加，其硬度、强度和耐磨性增加，但韧性降低、耐蚀性下降。但是碳含量过低时，基体固溶强化效果差，硬度和强度低，耐磨性差，而且铸造成形性能也差，综合考虑，将C含量控制在0.05％～0.30％。

B：B是高硼耐磨不锈钢中主要的合金元素，主要是为了获得高硬度的硼化物，部分硼溶入基体，有利于改善高硼耐磨不锈钢的淬透性和淬硬性。硼加入量过少，硼化物数量少，铸钢耐磨性低，硼加入量过多，硼化物数量太多，使铸钢的强度和韧性大幅度降低，因此将硼含量控制在0.5％～3.0％。

Cr：Cr是高硼耐磨不锈钢中主要的合金元素，高硼耐磨不锈钢之所以有较高的耐蚀性能，主要是Cr的加入使合金外表层能生成一层致密的Cr₂O₃保护层，阻止或延缓了合金的腐蚀过程由外部腐蚀转向内部腐蚀。在腐蚀工况下，由于受应力等的作用，使氧化膜及下表层产生裂纹，裂纹的出现为合金的内部腐蚀创造了条件。高硼耐磨不锈钢本身对裂纹有修复能力，Cr含量越高，对裂纹修复能力越强，但Cr含量过高，材质熔炼困难，铸造性能恶化，成本升高，因此Cr含量以17.0％～25.0％为宜。

Ni：Ni是一种非碳化物形成元素，它固溶于基体能够提高基体的强度，镍还能显著提高奥氏体稳定性，促进高硼耐磨不锈钢固溶处理后易获得奥氏体组织，改善材料的耐蚀性。Ni加入量过少，强化效果弱，加入量过多，将显著增加合金成本，因此Ni含量控制在6.0％～8.0％。

Ti：Ti在高硼耐磨不锈钢中主要起两方面的作用，其一是Ti与B结合，生成高硬度硼化物(TiB₂)，明显提高钢的耐磨性；其二是Ti与铸钢中的N、C形成高熔点化合物Ti(C，N)，这种化合物有助于铸钢的晶粒细化，使枝晶间和枝晶内的碳和合金元素分布均匀。加入量过多，含钛化合物数量增加且粗化，反而导致高硼耐磨不锈钢的强度和韧性下降。综合考虑，将Ti含量控制在0.4％～1.5％。

N：N加入高硼耐磨不锈钢中，主要起提高淬透性的作用，促进高硼耐磨不锈钢固溶处理后易获得奥氏体组织，改善材料的耐蚀性。少量N与钛结合形成高熔点化合物Ti(C，N)，这种化合物有助于铸钢的晶粒细化，提高铸钢强度和韧性。加入量过多，铸件中易产生气孔，损害铸钢的性能，因此，将N含量控制在0.08％～0.20％。

Y：稀土加入钢中具有脱硫、除气的作用，同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，具有加速凝固的形核作用，稀土元素的这些特性能细化高硼耐磨不锈钢晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。钢水中合适的Y含量控制在0.04％～0.15％。

Mg：Mg与硫、氧有极大的亲合力，可发生剧烈的冶金反应，去除铸钢中的氧和硫，减少铸钢中的氧化物和硫化物夹杂。当脱氧、脱硫产物中的部分MgO和MgS来不及上浮至钢液表面而排除时，凝固后便成为铸钢夹杂。钢液凝固时，首先形成MgO，它可作为随后凝固的MgS、MnS和其它夹杂的核心。由于MgO在钢液中特别分散，因此Mg可改变铸钢中夹杂物的类型、数量、大小、形态和分布。适量的Mg可使铸钢中夹杂物变得细小、分散。原尺寸大、带棱角的Al₂O₃夹杂被尺寸小、呈球形的MgO和含MgO的复合夹杂所取代；原尺寸大、长条状的MnS夹杂被尺寸小、近球形的MgO和MgS·MgO复合夹杂所取代，因而提高了夹杂物与基体抵抗裂纹形成与扩展的能力，改善铸钢的韧性。Mg加入量过多不仅造成镁的浪费，而且由于反应过于剧烈，将使上浮到钢液表面的MgO、MgS等夹杂重新卷入钢液中，对高硼耐磨不锈钢性能产生不利的影响。因此将Mg含量控制在0.03％～0.10％。

Ca：Ca是化学性质很活泼的元素，与氧和硫都有较强的亲和力。Ca对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，铸钢中加入适量Ca可将铸钢中的长条状硫化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，Ca所形成的氧化物及硫化物夹杂密度小，易于上浮排除。Ca还显著降低S在晶界的偏聚，Ca对降低铸钢脆性和提高高硼耐磨不锈钢铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入过多的Ca将使铸钢中夹杂物增多，对铸钢韧性的提高不利，合适的Ca含量为0.02％～0.08％。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素，为了保证高硼耐磨不锈钢的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性，将磷含量控制在0.04％以下，硫含量控制在0.04％以下。

合金材质的性能还与热处理工艺有直接关系，其制订依据是：

高硼耐磨不锈钢铸态基体组织有奥氏体、马氏体、珠光体和铁素体，基体组成复杂，耐磨性和耐蚀性低。通过固溶处理，使合金镍、铬等合金元素充分溶入基体，提高基体淬透性，有利于水淬后获得耐蚀性好的奥氏体组织。另外，高温固溶处理后，部分铁铬硼硼化物(Fe，Cr)₂B溶解，硼固溶于基体，可以明显提高高硼耐磨不锈钢的淬透性和淬硬性，改善其耐磨性。高温固溶处理还有助于硼化物形态的改善，提高高硼耐磨不锈钢的力学性能。固溶处理温度过低，高硼耐磨不锈钢的组织变化不明显，性能较低。固溶处理温度过高，组织显著粗化，反而降低材料性能。高硼耐磨不锈钢经1080～1150℃固溶处理后直接水淬，可以获得理想的组织和满意的性能。高硼耐磨不锈钢固溶处理后在180～220℃进行回火处理，主要是为了去除应力和稳定组织。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

采用750公斤中频感应电炉熔炼高硼耐磨不锈钢，其制造步骤是：

①将普通废钢、铬铁、镍板和不锈钢废料混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁，然后加入硼铁、钛铁和含氮合金；

②炉前调整成分合格后将温度升至1650℃，加入占钢水重量0.08％的Al预脱氧，并加入0.21％的硅钙合金终脱氧，而后出炉；

③将钇基稀土和镁镍合金破碎至粒度小于12mm的小块，经180℃以下烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行变质处理；

④将钢水在1500℃直接浇注成铸件，铸件经过1120℃固溶处理后直接水淬，然后在200℃进行去应力处理。高硼耐磨不锈钢的成分见表1，高硼耐磨不锈钢的力学性能见表2。

表1 高硼耐磨不锈钢的成分(质量百分数)

元素	C	B	Cr	Ni	Ti	N	Y
元素	C	B	Cr	Ni	Ti	N	Y	成分	0.17	2.13	18.66	6.39	1.20	0.14	0.08
元素	Mg	Ca	Si	Mn	P	S	Fe	成分	0.17	2.13	18.66	6.39	1.20	0.14	0.08
元素	Mg	Ca	Si	Mn	P	S	Fe	成分	0.05	0.06	1.37	0.84	0.036	0.023	余量

表2 高硼耐磨不锈钢的力学性能

硬度HRC	抗拉强度MPa	延伸率％	冲击韧性J/cm²	断裂韧性MPa.m^1/2
硬度HRC	抗拉强度MPa	延伸率％	冲击韧性J/cm²	断裂韧性MPa.m^1/2	42.7	928	2.69	35.7	54.2

实施例2：

采用500公斤中频感应电炉熔炼高硼耐磨不锈钢，其制造步骤是：

②炉前调整成分合格后将温度升至1628℃，加入占钢水重量0.06％的Al预脱氧，并加入0.27％的硅钙合金终脱氧，而后出炉；

④将钢水在1491℃直接浇注成铸件，铸件经过1090℃固溶处理后直接水淬，然后在190℃进行去应力处理。高硼耐磨不锈钢的成分见表3，高硼耐磨不锈钢的力学性能见表4。

表3 高硼耐磨不锈钢的成分(质量百分数)

元素	C	B	Cr	Ni	Ti	N	Y
元素	C	B	Cr	Ni	Ti	N	Y	成分	0.08	2.89	21.30	7.04	1.38	0.09	0.12
元素	Mg	Ca	Si	Mn	P	S	Fe	成分	0.08	2.89	21.30	7.04	1.38	0.09	0.12
元素	Mg	Ca	Si	Mn	P	S	Fe	成分	0.04	0.07	1.48	1.22	0.039	0.026	余量

表4 高硼耐磨不锈钢的力学性能

硬度HRC	抗拉强度MPa	延伸率％	冲击韧性J/cm²	断裂韧性MPa.m^1/2
硬度HRC	抗拉强度MPa	延伸率％	冲击韧性J/cm²	断裂韧性MPa.m^1/2	40.7	873	3.06	38.2	57.5

实施例3：

②炉前调整成分合格后将温度升至1653℃，加入占钢水重量0.09％的Al预脱氧，并加入0.15％的硅钙合金终脱氧，而后出炉；

④将钢水在1516℃直接浇注成铸件，铸件经过1140℃固溶处理后直接水淬，然后在210℃进行去应力处理。高硼耐磨不锈钢的成分见表5，高硼耐磨不锈钢的力学性能见表6。

表5 高硼耐磨不锈钢的成分(质量百分数)

元素	C	B	Cr	Ni	Ti	N	Y
元素	C	B	Cr	Ni	Ti	N	Y	成分	0.28	0.97	24.18	7.66	0.55	0.18	0.05
元素	Mg	Ca	Si	Mn	P	S	Fe	成分	0.28	0.97	24.18	7.66	0.55	0.18	0.05
元素	Mg	Ca	Si	Mn	P	S	Fe	成分	0.09	0.04	1.55	1.36	0.033	0.021	余量

表6 高硼耐磨不锈钢的力学性能

硬度HRC	抗拉强度MPa	延伸率％	冲击韧性J/cm²	断裂韧性MPa.m^1/2
硬度HRC	抗拉强度MPa	延伸率％	冲击韧性J/cm²	断裂韧性MPa.m^1/2	43.8	934	2.77	36.8	55.2

用本发明高硼耐磨不锈钢制造了锌粒制备时的锌液输送直管和弯管，锌液输送管的直径达200mm，长度1.0～1.5m。高硼耐磨不锈钢锌液输送管比普通不锈钢管具有更好的耐磨性和更长的使用寿命，高硼耐磨不锈钢锌液输送管比石墨管和陶瓷管韧性高，脆性小，使用时不会断裂。使用高硼耐磨不锈钢锌液输送管，可以减少锌液输送管更换次数，减轻工人劳动强度，提高锌粒生产线作业率，具有很好的经济效益。用本发明高硼耐磨不锈钢制造了锡粒制备时的锡液输送弯管，锡液输送弯管的直径达150mm，长度800mm。高硼耐磨不锈钢锡液输送弯管比普通不锈钢弯管具有更好的耐磨性和更长的使用寿命，高硼耐磨不锈钢锡液输送弯管比石墨弯管和烧结陶瓷弯管韧性高，脆性小，使用时不会断裂。使用高硼耐磨不锈钢锡液输送弯管，可以减少锡液输送弯管更换次数，减轻工人劳动强度，提高锡粒生产线作业率，具有很好的经济效益。用本发明高硼耐磨不锈钢制造了Φ125mm×30mm钢套，应用于热镀锌锅内的沉没辊轴套上，具有优异的耐磨性和耐蚀性，克服了传统不锈钢轴套硬度低、耐磨性差和烧结陶瓷轴套脆性大、易碎裂的不足，其使用寿命比高铬镍不锈钢轴套提高3～5倍，比烧结陶瓷轴套提高2～3倍，且成本比烧结陶瓷轴套降低60％以上，和高铬镍不锈钢的成本相当。使用本发明高硼耐磨不锈钢轴套，可以明显提高热镀锌生产线的作业率，减轻工人劳动强度，具有显著的经济和社会效益。

Claims

1.一种含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢，其特征在于制得的该不锈钢有效化学成分及其重量百分比为：C：0.05％～0.30％，B：0.5％～3.0％，Cr：17.0％～25.0％，Ni：6.0％～8.0％，Ti：0.4％～1.5％，N：0.08％～0.20％，Y：0.04％～0.15％，Mg：0.03％～0.10％，Ca：0.02％～0.08％，Si＜2.0％，Mn＜2.0％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe。

2.权利要求1所述的含有高硬度硼化物的铸造高硼耐磨不锈钢的制备方法，采用电炉生产，其特征在于，具体包括下列步骤：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的钢水预脱氧时铝的加入量为0.05％～0.10％，钢水终脱氧时硅钙合金的加入量为0.10％～0.30％。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的固溶处理温度为1080～1150℃，去应力处理温度为180℃～220℃。