专利名称：一种薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及耐磨钢铁材料技术领域，特别是耐磨铸钢领域，具体说是涉及一种薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢及其制造方法。
背景技术：
钢铁材料的品种、产量和质量是一个国家工业发展水平的最重要的标志之一，是国民经济持续稳定发展的物质保证。因此，大幅度提高钢材质量，研制和开发高性能钢铁材料，对于加速我国由钢铁工业大国向钢铁工业强国转变具有重要战略意义，也符合21世纪国民经济可持续发展战略。随着我国钢铁工业的飞速发展，钢产量不断攀升，继1996年我国钢产量首次突破1亿吨后，2003年钢产量达到2.3亿吨。随着钢产量的不断增加，资源日益紧缺，环境污染严重，原材料价格飞速上涨，因此，开发低成本高性能的钢铁材料已引起了广泛关注。
现行的耐磨铸钢主要有高锰钢和低合金钢。高锰钢是一种奥氏体钢，起始硬度低，只有在较大冲击载荷或接解应力作用下，才能发挥表面加工硬化现象而起到耐磨的作用，但在实际工况中90％以上的工况都不能使高锰钢有效硬化，使得高锰钢的实际耐磨性不能令人满意。
低合金钢经过适当的热处理后，可以获得高强度高硬度与一定的韧性配合，耐磨性优良，正在取代传统的高锰钢成为一种广泛应用的耐磨材料。根据成份和金相组织的不同，低合金耐磨铸钢可分为马氏体钢、贝氏体钢、马贝双相钢及珠光体钢，上述钢种中以马氏体耐磨铸钢的耐磨性和抗冲击性能最好。本发明的薄膜奥氏体增韧马氏体即是一种马氏体耐磨铸钢。通常，马氏体耐磨铸钢多为Cr、Mo系或Cr、Mo、Ni系，经过淬火与低温回火获得，常见的牌号为30CrMo或30CrMoNi，这种材料存在如下问题(1)淬透性不够。铸件厚度超过60mm以后，心部难以淬透，存在铁素体组织，不能获得全马氏体组织，严重降低材料的冲击韧性。
(2)韧性储备不足。
(3)成份中含有Mo、Ni等贵重金属元素，材料成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种具高淬透性和高冲击韧性，能够制造厚大耐磨件的薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢。
本发明所要解决的另一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种制造上述薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢的方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为本发明薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢，其特征在于其具有基本合金元素C、Si、Mn、Cr，微合金元素B、Ti、RE，Fe，以及杂质元素S、P；具体组成为C0.25～0.34wt％，Si1.45～2.05wt％，Mn0.90～1.20wt％，Cr1.80～2.50wt％，B0.0005～0.005wt％，Ti0.01～0.06wt％，RE0.015～0.08wt％，Al0.015～0.06wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％，余量为Fe。
所述的稀土RE优选Ce和La，并且其中Ce的含量为0.01～0.045wt％，La的含量为0.005～0.035wt％。
制造本发明薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢的方法，其制造步骤如下(1)钢水熔炼按通常的炼钢工艺进行钢水熔炼，熔炼可以用感应电炉也可以用电弧炉熔炼；感应炉炼钢时，炼钢工艺完成，经过扒渣和脱氧后，将炉温提升到1600～1610℃，加入TiFe合金，加入量以保证成份所规定的含量为准，待完全熔化并扒渣后出钢水；当钢水出满浇包盛钢量的四分之一左右时，投入准备好的RESiFe合金和BFe合金，RESiFe合金和BFe合金预先根据浇包钢水的重量计算好加入量，并破碎成颗粒，且用塑封袋装好待用；钢水出完扒去浇包表面的浮渣后即可浇注；(2)热处理铸件先经过1000～1050℃保温3～4小时正火之后，再经900～920℃保温2～3小时，水淬，200～230℃保温2～3小时回火即可。
本发明通过用微合金元素B、Ti、RE进行微合金化处理，达到材料的强韧化目的，同时明显降低材料成本。再对常用的廉价合金元素Cr、Mn、Si进行合理配方，进一步提高材料的淬透性，使厚度在100mm以上的产品亦能淬透，获得薄膜奥氏体增韧的全马氏体组织。
本发明耐磨铸钢的化学成份与30CrMo或30CrMoNi的最大不同在于Si、Cr含量较高，且含有30CrMo或30CrMoNi所不含有的微合金元素B、Ti、RE(Ce、La)，这些元素及其不同含量设计的作用原理分述如下Si在本发明中的Si含量远高于30CrMo或30CrMoNi，达到了1.45～2.00％，除通常的作用如提高屈服强度，增加淬透性，提高耐磨性以外，在本发明中的最主要的作用是稳定奥氏体，不使之析出渗碳体，淬火后获得马氏体及马氏体板条间存在的奥氏体薄膜。这种组织在保持钢的高强度和高硬度的同时，能保持高的冲击韧性和断裂韧性。
Cr本发明中Cr含量亦高于30CrMo或30CrMoNi，达到了1.80～2.50％，其主要作用是大幅度提高钢的淬透性，并提高回火抗力，使厚大的耐磨件产品能够淬透获得马氏体组织。
B、Ti、RE(Ce、La)元素是30CrMo或30CrMoNi所不含有的，其作用如下B熔入奥氏体中，大大细化马氏体的亚结构，提高钢的冲击韧性。微量的B还能起稳定奥氏体的作用，极大的提高钢的淬透性，每0.001％B相当于0.3％Mo。
Ti有效细化晶粒，提高强度和韧性。还有一个作用就是Ti在B之前加入，可以与钢钢中的N优先结合，形成颗粒状的TiN，起到固N作用，防止B与N结合形成BN存在于晶界，造成所谓的“硼脆”。
RE(Ce、La)可以有效细化铸态组织，净化晶界，改善夹杂物形态和分布，提高耐磨铸钢的抗疲劳性能和抗剥落性能。还可以细化马氏体板条，改善马氏体板条的形态，使马氏体板条的头部变园变钝，从而提高马氏体耐磨铸钢的断裂韧性。
微量B、Ti、RE三元共用，通过加入量和加入先后顺序的控制，避害就利，使材料得到强韧化，提高耐磨性和使用寿命。
本发明的耐磨铸钢已在挖掘机厚大断面斗齿上应用成功。该类斗齿的铸造工艺为水玻璃熔模铸造，如果浇注常用的30CrMo或30CrMoNi材料，热处理后心部不能淬透，严重影响产品的强度、硬度和冲击韧性，导致使用过程中断裂。浇注本发明的材料并按照上面介绍的熔炼工艺和热处理工艺生产的厚大断面斗齿，心部完全淬透，其硬度HRC达49～52，冲击韧性达22.5J/cm2～32.0J/cm2。
本发明与现有技术相比具有以下特点1、成份中不含Mo、Ni等贵重金属元素，材料成本较低；2、淬透性好，厚度在100mm以上的产品亦能淬透；3、具有足够的硬度；4、马氏体板条之间存在薄膜奥氏体，起到了增韧的效果，因而铸钢的冲击韧性非常好，可以有效地防止使用过程中断裂现象的发生。
图1为厚断面斗齿的典型显微组织；图2为厚断面斗齿的电镜复型组织。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例制备了如表一所示化学组成的六种耐磨铸钢用于生产厚度60mm以上、最厚的达100mm以上的厚大断面斗齿，经检测其心部完全淬透，其硬度和冲击韧性见表一。
上述六种耐磨铸钢的制造工艺和热处理工艺如下(1)钢水熔炼以感应炉按通常的炼钢工艺进行钢水熔炼，炼钢工艺完成，经过扒渣和脱氧后，将炉温提升到1600～1610℃，加入TiFe合金，加入量以保证成份所规定的含量为准，待完全熔化并扒渣后出钢水；当钢水出满浇包盛钢量的四分之一左右时，投入准备好的RESiFe合金和BFe合金，RESiFe合金和BFe合金预先根据浇包钢水的重量计算好加入量，并破碎成颗粒，且用塑封袋装好待用；钢水出完扒去浇包表面的浮渣后即可浇注；(2)热处理铸件先经过1000～1050℃保温3～4小时正火之后，再经900～920℃保温2～3小时，水淬，200～230℃保温2～3小时回火即可。
表一薄膜奥氏体增韧马氏体厚断面斗齿的化学成份及硬度和冲击韧性
表一的数据表明，表一中厚断面斗齿具有足够的硬度和非常好的冲击韧度，可以有效地防止使用过程中断裂现象的发生。
厚断面斗齿的典型显微组织如图1所示。
显微组织为低温回火马氏体，由图1可见，其以板条马氏体为主，板条束细小均匀。将试样复型，在透射电镜下观察，其电镜复型组织见图2(电镜图为×20000)。
图2也显示为板条马氏体，板条厚度约在0.1～0.3μm之间，在马氏体板条间还存在着连续的残留奥氏体薄膜，这是B和Si稳定奥氏体，提高淬透性的结果。当马氏体板条间存的的奥氏体薄膜处于裂纹尖端的高应力区时，会发生应力应变，阻碍裂纹扩展即相当于提高了裂纹扩展功，对提高材料的冲击韧性和断裂韧性极为有利。
本发明的薄膜奥氏体增韧马氏体耐磨铸钢已经批量用于厚断面斗齿，产品质量稳定可靠，并已部分出口，同时，本发明的应用节省了大量的生产成本和贵重资源，产生了明显的经济效益和社会效益。
权利要求
1.一种薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢，其特征在于其具有基本合金元素C、Si、Mn、Cr，微合金元素B、Ti、RE，Fe，以及杂质元素S、P；具体组成为C0.25～0.34wt％，Si1.45～2.05wt％，Mn0.90～1.20wt％，Cr1.80～2.50wt％，B0.0005～0.005wt％，Ti0.01～0.06wt％，RE0.015～0.08wt％，Al0.015～0.06wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的耐磨铸钢，其特征在于所述的RE是Ce和La，其中Ce的含量为0.01～0.045wt％，La的含量为0.005～0.035wt％。
3.根据权利要求1所述的耐磨铸钢，其特征在于铸钢的电镜组织中，在马氏体板条之间存在薄膜奥氏体。
4.根据权利要求1所述的耐磨铸钢，其特征在于铸钢浇铸件经过了高温正火、淬火与低温回火处理。
5.一种制造如权利要求1所述的耐磨铸钢的方法，其制造步骤如下(1)钢水熔炼按通常的炼钢工艺进行钢水熔炼，炼钢工艺完成，经过扒渣和脱氧后，将炉温提升到1600～1610℃，加入TiFe合金，加入量以保证成份所规定的含量为准，待完全熔化并扒渣后出钢水；当钢水出满浇包盛钢量的四分之一左右时，投入准备好的RESiFe合金和BFe合金，RESiFe合金和BFe合金预先根据浇包钢水的重量计算好加入量，并破碎成颗粒，且用塑封袋装好待用；钢水出完扒去浇包表面的浮渣后即可浇注；(2)热处理铸件先经过1000～1050℃保温3～4小时正火之后，再经900～920℃保温2～3小时，水淬，200～230℃保温2～3小时回火即可。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜奥氏体增韧的马氏体耐磨铸钢，其具体组成为C0.25～0.34wt％，Si1.45～2.05wt％，Mn0.90～1.20wt％，Cr1.80～2.50wt％，B0.0005～0.005wt％，Ti0.01～0.06wt％，RE0.015～0.08wt％，Al0.015～0.06wt％，S≤0.035wt％，P≤0.035wt％，余量为Fe。其制造步骤包括钢水熔炼和热处理，常规炼钢工艺完成后，先后加入RESiFe合金和BFe合金熔炼，然后经高温正火、保温、水淬几低温回火处理。浇铸件的电镜组织为板条马氏体以及存在于板条马氏体间的薄膜奥氏体。该材料具有高淬透性、高韧性的特点，且不含有贵重的Mo、Ni等合金元素，材料成本低廉。可适用于各类耐磨件，特别是厚断面耐磨件如厚大斗齿。
文档编号C22C33/04GK1718829SQ20051005019
公开日2006年1月11日 申请日期2005年6月22日 优先权日2005年6月22日
发明者胡开华 申请人:宁波浙东精密铸造有限公司