一种含硼耐磨铸钢材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明为一种耐磨铸钢材料及其制备方法，特别涉及一种含硼耐磨铸钢材料及其 制备方法，属于耐磨金属材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统的金属耐磨材料按服役条件可分为以下几类，一类是用在强冲击、大压力负 荷条件下如锤头、颚板、扎白壁、破碎壁等，一般选用高锰钢。另一类是用在低冲击负荷下如 磨机细磨仓衬板、磨球等，一般选用抗磨铸铁。而介于二者之间的中等冲击负荷如磨机一仓 衬板等，若选用高锰钢，由于冲击负荷不足无法使表面充分硬化，反而不耐磨。而用抗磨铸 铁又承受不了较高冲击，一般采用合金钢。由于中、高合金钢中抗磨硬质相较少，低碳合金 钢中则无抗磨硬质相，合金钢的耐磨性一般较差。
[0003] 为了提高高锰钢的耐磨性，中国发明专利CN1785554公开了一种提高高锰钢耐磨 件寿命的工艺，将所需镶铸材料与支撑用金属钉或金属棒粘结/焊接一体，利用支撑用金 属钉或金属棒将所需镶铸材料固定在铸型中所需部位，然后浇注高锰钢合金熔液，成型后 将露在铸件外面的支撑用金属钉或金属棒切掉，对铸件进行热处理。该发明提出的提高高 锰钢耐磨件寿命的工艺可将高速钢及硬质合金镶在高锰钢铸造件的工作面上，工艺比较简 单，通过把高锰钢及硬质合金镶在高锰钢铸件的工作面上，利用高速钢及硬质合金的高硬 度，有效解决了高锰钢初始磨损严重的问题，但该工艺存在操作复杂和产品废品率较高等 不足。中国发明专利CN100999778还公开了一种提高高锰钢初期耐磨性的表面时效处理 方法，包括对普通高锰钢或合金化的高锰钢制件整体进行水韧处理和/或水韧处理后加低 温时效处理的步骤，其特征在于还包括按照设计要求进行机械加工的步骤和将加工后的工 件表面加热到350~920°C，并依加热方法及加热温度不同保温0. 5秒~8小时，进行自 然冷却和/或介质冷却的步骤，可提高高锰钢的初期耐磨性。但是，高锰钢时效过程中，易 析出碳化物，降低其强度和韧性，且加工硬化性能下降，反而失去了高锰钢的优势。中国发 明专利CN1676651还公开了一种用于耐磨铸件的含钨高锰钢，其特征在于该含钨高锰钢 含有下列重量比的原料：C :0· 95-L 35%，Mn :1L 5-14%，Si :0· 3-L 0%，Cr :0· 2-1. 0%， W :0· 2-0. 6%，Mo :0· 2-0. 4%，P :彡（λ 07%，余量为铁。或其中 W 的含量为 3. 5-4. 2 %或 0. 7-2. 0%，且不含Mo。还可以在上述含钨合金钢加入稀土元素 Re,其含量为0. 02-0. 15%。 经模拟零件冲击弯曲试验、机械性能试验和现场使用试验结果表明，在高锰钢中加入W，能 明显提高钢的强度和韧性。W和其它合金元素配合有良好的综合作用。含钨的高锰钢和普 通高锰钢相比，性能要高出许多。但该高锰钢中含有较多昂贵的钨元素，导致生产成本增 加。中国发明专利CN1616706还公开了一种表层或局部梯度强化的耐磨锰钢复合材料及制 备工艺，该材料是基体为韧性较高的奥氏体、强化层为硬度较高的碳化钛+马氏体+介稳定 奥氏体、中间过渡层为梯度渐变的碳化钛+马氏体+奥氏体的复合组织结构；其制备工艺 包括以下步骤：介稳定奥氏体锰钢基体成分设计，C、Mn重量百分比含量为C :0. 8~1. 3%、 Mn :6~13% ;用Ti-Fe合金粉末作合成介质放置在铸型的特定部位，将锰钢高温熔体浇入 铸型，得到表层或局部TiC增强体+介稳定奥氏体铸态组织；对该表层或局部进行液氮深冷 处理获得马氏体相变梯度强化层，大幅度提高了高锰钢的综合机械性能，该方法存在工艺 复杂和稳定性差等不足，在实际生产中难以推广。
[0004] 为了提高合金钢耐磨性，中国发明专利CN102443745A公开了一种在电厂、冶金、矿 山、建材等行业球磨机上的高铬合金钢耐磨衬板，按重量百分比的合金成分为：C : 2 . 2 0 - 2.50%,Cr：15-18%,Ni：0.3-0.5%,Mn：1.0-1.2%,Mo：0.3-0.5%,Cu：0.4-0.65%,Ti :0.1 5 - 0.25 %、S i 不大于 0 . 6 %、P和 S 均 不大于0.0 35 %、Re :1. 8 - 2.2 %，余量为F e和不可避免的杂质。该衬板具有优 异的耐热性和耐蚀性，有较高的硬度和耐磨性，同时还具有较高的强度和较好的韧性，其耐 磨性比高锰钢衬板寿命提高2倍以上。衬板中Ni、Μ ο、Μ η等主要合金元素含量不高， 衬板成本明显降低，其性价比较高。中国发明专利CN103014518A还公开了一种高碳高合 金钢耐磨球，该磨球中各化学组分的重量百分比为：Cl. 0-1. 4%、SiL 6-2. 2%、MnL 0-1. 2%、 Cr8. 5-9. 5%、Mol. 2-1. 5%、CuO. 5-1. 0%、V0. 5-0. 8%、TiO. 15-0. 3%、B0. 08-0. 12%、 Ce0.0 5-0. 08%、Υ0· 02-0. 04%、Nd0.0 2-0. 03%、P <0· 05%、S <0· 05%，余量为 Fe。本发明 通过优选材料配方，调整铸造烙炼工艺，结合合理的热处理方法，制备出以Si、Μη、Cr为主 要合金元素，加入适量Mo、V、Ti、B、Cu、稀土的高碳高合金钢耐磨球，具有高硬度高韧性、 抗高冲击性和耐磨性好等特点。中国发明专利CN1140205还公开了一种应用在冲击力不 大工况条件下的耐磨易损件的中碳中合金耐磨钢，其化学成分及其含量如下：〇. 45~0. 65C， 0· 3~0· 8Si, 0· 4~1.0 Mn, 4. 0~5· 5Cr, 0· 3~0· 7Mo, 0· 2~0· 5V, 0· 02~0· 05Re，适合制作中 型球磨机的衬板、隔仓板，滚式破碎滚筒，锤式，反击式破碎机的锤头、板锤，也可用于对磁 选要求严格的颚式破碎机的齿板，昂贵钥、钒元素的加入，使材料生产成本增加。中国发明 专利CN1417366还公开了一种稀土硼中铬耐磨合金钢，主要用于制造在中等冲击、强磨损 工况条件下工作的耐磨部件。其化学成份（重量百分比）为：C 0. 7~1. 0%，Cr 6. 0~ 9. 0%，Si 0· 4 ~1. 0%，Mn 0· 8 ~1. 0%，Mo 0· 5 ~1. 0%，B 0· 05 ~0· 1%，Re 0· 02 ~ 0. 04%，V 0~0. 1%，Ti 0~0. 1%，其余为Fe和不可避免的微量杂质。该发明耐磨合金 钢具有优异的耐磨性和综合强韧性，用于制造水泥熟料破碎机衬板，其使用寿命是高锰钢 衬板的3~5倍。因加入了较多昂贵的钥元素，且铬加入较多，导致材料成本增加。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是针对现有耐磨钢铁材料存在的不足，开发一种耐磨性好于常用耐磨 铸钢，而强度和韧性好于抗磨铸铁，且具有较低生产成本的含硼耐磨铸钢材料。本发明是利 用含铬高锰钢废料、低碳废钢为主要原料，另外加入钨渣铁合金、硼铁、钛铁、稀土硅铁、氮 化铬铁和钙钡铝合金，具有原料来源丰富、生产工艺简便和综合性能高等优势。
[0006] 本发明目的可以通过以下措施来实现。
[0007] 本发明原材料由质量分数75~80%的含铬高锰钢废料，0. 20-〇. 35%的硼铁， 2. 5~3. 0%的钨渣铁合金，I. (Tl. 2%的钛铁，0. 8~1. 0%的硅钙钡铝合金，0. 75~0. 90%的氮化 铬铁，0. 5~0. 8%的稀土硅铁，0. 30-〇. 45%的增碳剂和13~19%的Q235废钢组成。
[0008] 本发明采用电炉熔炼，具体工艺步骤如下： (1)将质量分数75~80%的含铬高锰钢废料，0. 30-〇. 45%的增碳剂，2. 5~3. 0%的钨渣 铁合金，0. 75~0. 90%的氮化铬铁和13~19%的Q235废钢混合加热熔化，当温度达到1480~ 1500°C时，依次加入质量分数I. (Tl. 2%的钛铁，(λ 2(Πλ 35%的硼铁，(λ 8~L 0%的硅钙钡铝 合金和0. 5~0. 8%的稀土硅铁，升温至1520~1550°C时出炉。
[0009] (2)当钢水温度降至1400~1430°C时浇铸成铸件。
[0010] (3)浇铸后的铸件表面温度达到103(Tl100 °C时，直接将铸件入水冷却，铸件质量 与冷却水的质量的比值控制在1 :12~1 :15,冷却水温度低于45°C，铸件入水冷却时间30-60 分钟，即可获得含硼耐磨铸钢材料。
[0011] 如上所述含铬高锰钢废料的化学成分质量分数为：1.05~1.35%c，lfl4%Mn， 1.5~2.5%0，0.3~0.9〇/(^，〈0.06%?，〈0.05%5，余量为卩6。
[0012] 如上所述钨渣铁合金的化学成分质量分数为：4. 0-7. 0W，?Γ?7Μη，0. Γ〇. 7Nb， 0.05~0.20Ta, 0.12~0.25Ti, 5.5~6.2C, 0.12~0.50Si,余量为 Fe。
[0013] 如上所述的硅钙钡铝