专利名称：高硬度高韧性耐磨钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合金组合物，特别是一种具有较高硬度和韧性的耐磨钢合金组合物。
背景技术：
随着我国国民经济的快速发展，矿山、电力、水泥、工程机械等行业每年消耗的金属耐磨材料约300万吨以上。目前，常用的耐磨材料主要是铸铁类和耐磨钢系列。在耐磨钢系列中，它可分为高锰钢和高、中、低碳合金钢类。
高锰钢的冲击韧性高(ak≥147J/cm2)，但其耐磨性只有在大冲击工况下通过加工硬化才能实现，而冲击较小时不足以使高锰钢产生加工硬化，易被磨损。耐磨合金钢是近20年来国内外根据各自的用途和资源状况发展起来的，其综合性能较好，生产成本低，应用于中等冲击又要求有一定耐磨性的工况下，并且可通过调整成分和热处理工艺，满足不同的工况要求。
目前，耐磨合金钢的研制与应用，大部分是通过热处理方法来获得高硬度、高韧性和高耐磨性，如专利号为95103150.3的文献公开了一种低合金耐磨钢，其具体的化学成分为C0.25～0.50，Si1.0～1.5，Mn1.5～1.9，Cr1.0～1.40，Mo0.2～0.4，V0.05～0.10，B0.001～0.003，Re0.02～0.05，P≤0.04，S≤0.04，其余为Fe，该材料主要用于矿山、煤炭、建材等工业领域用的耐磨易损件，如筒体衬板、端衬板等，但该种材料必须通过高温热处理，才能使硬度达到HRC50，冲击韧性ak为58J/cm2，组织为回火马氏体M+少量贝氏体B+少量残余奥氏体A，由于增加了一道热处理工序，延长了生产周期，提高了生产成本。专利号98100966的文献公开了一种火力发电厂用的铸态耐磨钢，其具体化学成分为C0.30～0.45，Si1.5～2.5，Mn1.5～2.5，Cr1.0～2.0，Mo1.0～3.0，Ni0.3～1.0，P、S≤0.04，Mg0.01-0.06，Ca0.01-0.06，Re0.01-0.06，Zr0.01～0.05，Nb0.01～0.1，Ta0.01～0.05，其余为铁。在该材质的实施例中，虽然铸件在铸态下就可使用，但铸件必须在900～950℃打箱空冷，在300～350℃埋入砂中缓冷，操作过程费时费力，再加上温度不易控制，工厂中实际操作较困难；另外，添加元素种类过多，生产中熔炼不易控制，且成本较高。
发明内容
本发明目的是提供一种耐磨钢合金组合物，这种新的耐磨钢在铸态下组织为马氏体、贝氏体和少量残余奥氏体，具有较高的耐磨性和冲击韧性，在铸态下不需经过热处理就可直接投入生产使用。
本发明主要是通过控制加入合金元素的含量及控制Mn/C值在4.8～8.2之间，来提高材料的淬硬性、淬透性和机械性能，使得用该材质所浇注的铸件在铸态下就能够得到硬度较高的马氏体组织和综合性能较好的贝氏体组织，既具有较高的强度，又具有优异的耐磨性，且制造工艺简单，生产成本低，经济效益高。对于硬度要求较高且壁厚较薄的铸件，可选择Mn/C值偏下限；对于硬度、冲击韧性要求较高且壁厚较厚、结构复杂的铸件，Mn/C值可选择上限。
本发明的技术方案是，耐磨钢，其组成的重量百分比如下C0.25～0.55，Si0.3～1.5，Mn1.2～4.5， Cr0.8～2.5，Mo0.4～1.5， Ni0.3～1.0，P、S≤0.06， 其余为Fe，同时控制Mn/C值在4.8～8.2之间。
以上所述组合物中包括不可避免的杂质。所说的“同时控制Mn/C值在4.8～8.2之间”是指MN和C在上述比例范围内取值时，要同时满足两者的比例要求。
本发明耐磨钢的化学成分限定范围理由如下C钢中的基本元素，对钢的硬度影响较大，为保证获得较高的硬度，提高耐磨性，将碳含量范围定在0.25～0.55％之间，在此范围内随C含量的增加，硬度增高，耐磨性也相应的增加。
Mn降低临界冷却速度，显著推迟奥氏体向珠光体转变，大大提高淬透性，同时锰具有很好的固溶强化作用，能够提高钢的强度、硬度和耐磨性。但锰含量不能太高，以免Ms点下降太多，室温时残余奥氏体量增加。本发明通过控制Mn/C值至4.8～8.2，在保证材料具有优异淬透性时，控制室温时残余奥氏体量在10％以下，在铸态下得到以马氏体、贝氏体为主的组织。合适的锰含量范围定为1.2～4.5％。
Si降低临界冷却速度，对淬透性提高的影响比锰、铬小；但硅能强化铁素体，降低回火脆性，当其含量适当时，使钢具有良好的综合性能，为此将硅含量控制在0.3～1.5％。
Cr降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，且能使珠光体和贝氏体转变区域分离，在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，Cr不仅推迟奥氏体向珠光体转变，且同基体中的C结合形成碳化物，提高强度、硬度和耐磨性，但由于其价格较贵，加入量较Mn含量少，其含量范围定为0.8～2.5％。
Mo降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，显著推迟奥氏体向珠光体转变，并使珠光体和贝氏体转变曲线发生分离，但对贝氏体转变曲线右移影响较小，冷却时易获得贝氏体组织。同时钼能固溶强化基体，降低回火脆性，限于生产成本的因素，故选定钼含量为0.4～1.5％。
Ni降低临界冷却速度，促使钢生成马氏体，具有固溶强化作用；提高钢的强度，而不降低钢的塑性；由于镍的原料价格昂贵，且若含量过高，使残余奥氏体量增加，故将其含量范围定为0.3～1.0％。
P钢中含P量较高(≥0.1％)时，形成Fe2P在晶粒周围析出，降低钢的塑性和韧性，故其含量越低越好，一般为≤0.06％。
S在钢中以FeS-Fe共晶体存在于钢的晶粒周围，降低钢的力学性能，其含量也应越低越好，一般为≤0.06％。
本发明的优化方案是，耐磨钢组合物组成的重量百分比如下C0.35～0.45， Si0.6～1.2，Mn2.5～3.5， Cr1.2～2.0，Mo0.8～1.2， Ni0.6～0.8，Mn/C为7.2～7.8， P、S≤0.06，其余为Fe，再进一步优化，本申请推荐以下最佳组合C0.4， Si1.0，Mn3.0， Cr1.8，Mo1.0， Ni0.7，Mn/C为7.5，P、S≤0.06，其余为Fe，同样，所述组合物中包括不可避免的杂质。
本发明的工艺流程为配料→熔炼→调整成分→出炉→浇注。
本发明的耐磨钢合具有较高的耐磨性和冲击韧性，且在铸态下不需经过热处理就可直接投入生产使用。
具体实施例方式
实施例1，用中频炉(150kg)熔炼，化学成分(重量百分比)如下C0.35，Si0.9，Mn1.8，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.3，P、S≤0.06(Mn/C为5.1)。加入废钢，通电熔化，待炉料全熔后插铝脱氧；再加入预热过的铬铁、钼铁、镍板，取样分析C、Mn，加生铁调C；加Mn-Fe、Si-Fe，插铝终脱氧，将炉内钢液的温度升至1650～1670℃出钢，浇注温度1500～1530℃，浇注破碎机衬板(砂型铸造)，每块重约10kg，浇注二十分钟后打箱，经检测铸态硬度为HRC＝45～50，ak≥33J/cm2，金相组织为M+B+少量残余奥氏体。
装机考核证明，本发明材质的衬板的使用寿命是原ZGMn13衬板的2.1倍。
实施例2熔炼条件与例1相同，化学成分(重量百分比)为C0.44，Si0.9，Mn3.5，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.5，P、S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为8.0)，熔炼过程与例1基本相同。
浇注破碎机锤头，每块重约15kg，浇注后半小时打箱，铸态硬度为HRC＝50～58，ak＝50J/cm2，金相组织为M+B+少量残余奥氏体。
装机考核证明，本发明材质的锤头使用寿命与原高铬铸铁材质锤头的寿命基本相当，是ZGMn13材质的3.0倍，但成本只有高铬铸铁材质的一半。
实施例3各组分重量百分比如下C0.40，Si0.9，Mn2.4，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.5，P，S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为6.0)。
熔炼过程与例1基本相同。
装机使用证明，本发明材质所生产的破碎机颚板，其使用寿命是ZGMn13材质的1.8倍。
实施例4与实施例1基本相同，但各组分重量百分比如下C0.25，Si0.3，Mn1.2，Cr0.8，Mo0.4，Ni0.3，P，S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为4.8)。
实施例5与实施例1基本相同，但各组分重量百分比如下
C0.55，Si1.5，Mn4.5，Cr2.5，Mo1.5，Ni1.0，P，S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为8.2)。
实施例6与实施例1基本相同，但各组分重量百分比如下C0.35，Si0.6，Mn2.5，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.6，P，S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为7.2)。
实施例7与实施例1基本相同，但各组分重量百分比如下C0.45，Si0.9，Mn3.5，Cr2.0，Mo1.2，Ni0.8，P，S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为7.8)。
实施例8与实施例1基本相同，但各组分重量百分比如下C0.40，Si1.0，Mn3.0，Cr1.8，Mo1.0，Ni0.7，P，S≤0.06，其余为铁和不可避免的杂质(Mn/C为7.5)。
本发明不限于这些公开的实施方案，本发明将覆盖在专利权利要求书中所描述的范围，以及权利要求范围的各种变型和等效变化。
权利要求
1.一种高硬度高韧性耐磨钢，其特征在于，其组成的重量百分比如下C0.25～0.55，Si0.3～1.5，Mn1.2～4.5， Cr0.8～2.5，Mo0.4～1.5， Ni0.3～1.0，P、S≤0.06， 其余为Fe，同时控制Mn/C值在4.8～8.2之间。
2.按照权利要求1所述的高硬度高韧性耐磨钢，其特征在于，其组成的重量百分比限制为C0.35～0.45，Si0.6～1.2，Mn2.5～3.5， Cr1.2～2.0，Mo0.8～1.2， Ni0.6～0.8，Mn/C为7.2～7.8， P、S≤0.06，其余为Fe。
3.按照权利要求1所述的高硬度高韧性耐磨钢，其特征在于，其组成的重量百分比限制为C 0.4， Si1.0，Mn3.0， Cr1.8，Mo1.0， Ni0.7，Mn/C为7.5，P、S≤0.06，其余为Fe。
全文摘要
高硬度高韧性耐磨钢，其特征在于，其组成的重量百分比如下C0.25～0.55，Si0.3～1.5，Mn1.2～4.5，Cr0.8～2.5，Mo0.4～1.5，Ni0.3～1.0，P、S≤0.06，其余为Fe，同时控制Mn/C值在4.8～8.2之间。本发明通过控制加入合金元素的含量及控制Mn/C值在4.8～8.2之间，提高了材料的淬硬性、淬透性和机械性能，使得用该材质所浇注的铸件在铸态下就能够得到硬度较高的马氏体组织和综合性能较好的贝氏体组织，既具有较高的强度，又具有优异的耐磨性，且制造工艺简单，生产成本低。
文档编号C22C38/44GK1557984SQ20041001394
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月18日 优先权日2004年1月18日
发明者王祥东, 沈卫东, 王超, 单恩长, 程红晓, 徐传江, 宋润泽 申请人:江苏省机电研究所有限公司