专利名称：一种中碳多元低合金耐磨铸钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料领域一种适用于受中等冲击的中碳多元低合金高强度耐磨钢。
目前，火电厂球磨机衬板，包括水泥磨、矿石磨的衬板等所用材料大多是高锰钢和中铬钢，高锰钢主要化学成分(％)为C0.9-1.4，Mn10-14，其余为Fe，这种钢一般经水韧处理后组织为单一奥氏体，原始硬度HB≤229，αk≥147J/cm2。在受到强烈的冲击作用下，表面发生加工硬化，表层硬度HB≥450，具有较好的耐磨性，故这种高锰钢是用于受冲击载荷较强烈，对韧性要求又很高的工况条件下一种理想的耐磨材料。在球磨机里，特别是火电厂球磨机，衬板只受到中小能量的冲击作用，不存在大能量的冲击力，这时Mn13衬板的加工硬化能力得不到充分发挥而不耐磨(加工硬化不显著)。未经冲击的衬板表面硬度只有HB190-220，经过冲击的表面硬度约为30-35HRC，都远低于磨料(水泥、矿石、煤石)及研磨介质(磨球HRC≥45)的硬度，其表面被磨球和磨料磨成条条深沟或深坑，在短时间内就报废。另外由于高锰钢的基体较软，在长期使用过程中发生塑性变形，使拆换非常困难。最短的使用寿命仅半年左右，当磨球硬度较高时，这种现象更严重。频繁更换和长时间停机，给生产带来诸多不便和很大损失，并造成钢材的极大浪费。
为解决上述问题，国外从60年代研制新的耐磨衬板材料，国内70年代也开始研究。现常用的有高铬铸铁(如GB8263-87中KmTBCr15Mo2)、镍硬铸铁(KmTBCr9Ni5Si2)、高铬钢、超锰钢、中锰钢、高碳多元低合金钢(ZG55CrMnSiMoRe)、中铬钢(ZG70Cr7MoRe等)以及高铬铸铁-低碳钢双金属复合衬板。高铬铸铁、Ni-hard4及高铬钢因含铬量高、贵重金属Cr、Mo、Ni加入量大、成本高、淬透性好，采用奥氏体化保温空冷，再经低温(260-280℃)回火，金相组织为回火马氏体+M7C3碳化物+二次碳化物+残余奥氏体，这组织种HRC≥60，耐磨性好，但韧性低(αk≈4-7J/cm2)，故主要用于直径较小冲击不大的球磨机衬板。随着电厂大型机组的投产，高铬铸铁衬板的可靠性差，不宜采用。
发明专利(公开号CN1137069A，申请号96118610.0)高碳中铬合金耐磨钢C0.5-0.75，Mn0.6-1.5，Si0.4-1.0，Cr4.5-7.5，P、S≤0.04，Mo0.3-0.6，其中合金钢元素Cr较高(4.5-7.5)，C0.65-0.75亦较高。在实际铸造中易产生热裂和冷裂，另外热处理需采用油淬，工艺较复杂，成本仍偏高。
发明专利(公开号CN1132263A)一种中碳多元低合金贝氏体耐磨钢，其添加元素中增加Cu0.3-0.4，铬含量相应下降，金相为马氏体和下贝氏体组织，σb＝1450Mpa，αk＝38J/cm2强度塑性较高，但热处理需油淬+回火，热处理工艺复杂，成本较高，油淬时易产生裂纹，难于控制。
高铬铸铁-低碳钢双金属复合衬板，抗耐磨性与韧性良好，但由于合金含量高，生产工艺复杂仍使成本较高，且高铬铸铁与低碳钢的结合质量难稳定地得到保证。
本发明的目的是提供一种从材质化学成分到热处理工艺即满足耐磨又有较高冲击韧性和强度，铸件初始硬度高，屈服强度高、不易变形断裂的新型中碳多元低合金耐磨钢。本发明所述的这种中碳多元低合金耐磨钢其材质化学成份及含量如下(重量％)C0.38-0.45 Si0.90-1.30Mn1.2-2.0Cr1.0-1.7Mo0.3-0.5V0.1-0.2B0.001-0.003 Re0.01-0.03S≤0.04 P≤0.045其余为铁(1)碳碳高则碳化物数量多、硬度高、但韧性低，使用时易断裂，碳低则韧性高、硬度低，不利于耐磨，因此碳含量控制在0.38-0.45％；(2)硅硅能增加钢的回火稳定性，提高强度和淬透性，硅量过高，对冲击韧性不利，故选择硅含量为0.90-1.30％；(3)锰强烈稳定奥氏体的元素，显著提高钢的淬透性，有使珠光体转变和贝氏体转变分开的作用，增加耐磨性，降低钢的韧脆性转变温度。但锰过高对钢的冲击韧性不利，故锰含量控制在1.2-2.0％；(4)铬铬可显著提高钢的淬透性、耐磨性，能使钢的珠光体转变和贝氏体转变分开，通过适当的热处理获得贝氏体组织，考虑铬过高对钢的冲击韧性不利，故选择铬含量1.0-1.7％(5)钼钼可显著提高钢的淬透性，特别是空淬时淬透性上升，与铬配合使用可抑制低温回火脆性，使钢的珠光体转变和贝氏体转变分开，钼属贵重金属，故选择在0.3-0.5％；(6)硼硼显著提高淬透性，强烈稳定奥氏体中的合金元素，可代替Ni、Cr、Mo提高淬透性，加入微量的硼就可大幅度提高钢的淬透性，保证在空冷条件下得到贝壳氏体，硼含量选择0.001-0.003％，这是本发明不用油淬采用空淬的主要依据；(7)稀土强脱氧剂、脱硫剂，改善铸态组织，细化晶粒，改善碳化物的形态和分布，促使碳化物呈孤立状均匀分布，显著减少夹杂物、除气、提高冶金质量，从而显著提高抗冲击疲劳和冲击韧性、硬度，提高耐磨性，但过量则恶化钢水质量，降低韧性，故选择稀土在0.01-0.03％；(8)钒微量合金元素V、Ti、B、Re复合变质处理能细化晶粒，改善碳化物的形状和分布，进而提高基体的强度和冲击韧性，对消除显微裂纹也有好处。钒的碳化物V4C3硬质点(硬度为HV1200-1800)弥散分布，故V含量控制在0.1-0.2％；(9)硫、磷含量分别控制在0.04％、0.045％以下。按上述组成值配料，用中频炉或电弧炉熔炼，先加废钢、铬铁及回炉料，加热至1550℃时，再加钼铁，加入锰铁预脱氧，再加硅铁，最后插Al终脱氧，钢包内放钒铁、硼铁、稀土硅变质剂，冲入法进行合金化和变质处理。
将上述经冶炼铸造的铸件，进行空淬+回火热处理，具体方法是将铸件加热至910-930℃后保温2-2.5小时，然后空冷或风冷至室温，再加热至320-360℃保温1.5-2小时，然后空冷或风冷至室温。
本发明所述的中碳多元低合金耐磨充分发挥我国稀土、硼及钒的资源优势，利用Re-B-V复合变质剂作用，提高冲击韧性(αk)和断裂韧性(Kic)值。为保证较大断面衬板能诱发马氏体相变，在钢中加入了提高淬透性的元素Si、Mn、Cr、Mo，并充分利用廉价的Mn、Si元素进行合金化。加入少量的Cr、Mo、V、B，除进行微合金化，提高耐磨性外，亦有一定的抗腐蚀性。该合金钢成本与ZGMnB相当，耐磨性比GMnB提高2倍。
实施例1中频炉(500Kg)冶炼本钢种，化学成分(重量百分比)如下C Si Mn Cr MoVB ReS、 P0.38 1.01.61.20.250.120.0020.030.030.02冶炼用中频炉按上述成分配料(考虑烧损)，钢水包中加入Re-B-V复合变质剂，对钢液进行变质处理。
用冶炼好的钢水铸造φ2.9×4.1m球磨机衬板，使用寿命是高锰钢2的倍，机械性能如下HRC＝50，αk＝80J/cm，σb＝1650Mpa，σs＝1240Mpa。
经热处理后所得金相组织为回火马氏体+少量贝氏体+少量残余奥氏体+二次碳化物。
实施例2按实施例1所述的方法冶炼本钢种，化学成分按下面比例配比(重量百分比)，加入钢水内。
CSi Mn Cr Mo VBRe S、 P0.45 121.61.3 0.3 0.12 0.003 0.03 0.04 0.04用该成分冶炼的钢水铸造中小型球磨机(φ1.83×6.3m)衬板，寿命是高锰钢的2.5倍，综合性能满足中小型球磨机衬板的工况，成本与高锰钢相当或略低，机械性能如下HRC≥54，αk＝23J/cm2，σb＝1700Mpa，σs＝1300Mpa。
经热处理后所得金相组织为回火马氏体少量+残余奥氏体+二次碳化物。
实施例3按实施例1所述的方法冶炼本钢种，化学成分按下面比例配比(重量百分比)，加入钢水内。
CSi Mn Cr Mo VB Re S、 P0.45 1.0 1.45 1.35 0.35 0.15 0.003 0.02 0.04 0.045用该成分冶炼的钢水铸造颚式破碎机齿板及护板，使用寿命是高锰齿板的1.5倍，在发电厂粉碎煤矸石时ZGMn13的2倍，综合机械性能好。机械性能如下HRC≥53，αk＝35J/cm2，σb＝1650Mpa，σs＝1200Mpa。经热处理后得金相组织为回火马氏体+少量贝氏体+少量残余奥氏体+二次碳化物。
权利要求
1.一种中碳多元低合金耐磨钢，其材质化学成份及含量为(重量百分比)C0.38-045 Si0.90-1.30Mn1.2-2.0 Cr1.0-1.7Mo0.3-0.5 V0.1-0.2B0.001-0.003Re0.01-0.03S≤0.04 P≤0.045 其余为铁
2.一种中碳多元低合金耐磨钢的制备方法是按上述组成经冶炼铸造的铸纲件的成型钢，进行空淬+回火热处理，其特征在于将铸件加热至910-930℃后保温2-2.5小时，然后空冷或风冷至室温，再加热到320-360℃保温1.5-2小时，然后空冷或风冷至室温。
全文摘要
本发明公开了一种中碳多元低合金耐磨钢材质化学成份及含量,其中:C0.38－0.45,Si0.90－1.30,Mn1.2－2.0,Cr1.0－1.7,Mo0.3－0.5,V0.1－0.2,B0.001－0.003,Re0.01－0.03,S≤0.04、P≤0.045,其余为Fe。最终金相组织为:回火马氏体+贝氏体+碳化物+少量残余奥氏体。该钢不仅具有较高的硬度,而且具有较好的韧性,合金加入量少,热处理工艺简单易于掌握,制造成本较低,可广泛应用于球磨机衬板、破碎机齿板、护板、锤头等耐磨件。
文档编号C22C38/32GK1385549SQ0210193
公开日2002年12月18日 申请日期2002年1月15日 优先权日2002年1月15日
发明者刘怀钧, 宋润泽, 丁丽 申请人:江苏省机电研究所