专利名称：一种低碳高硼铸造耐磨合金钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种低碳高硼铸造耐磨合金钢及其制备方法，属于金属合金耐磨耐蚀材料技术领域。
背景技术：
磨损是造成材料失效的主要形式，给国民经济造成了巨大损失。以往耐磨材料的研究，都是通过添加贵重的合金元素来提高材料的综合性能，例如中国发明专利 CN1431330A公开了一种包括AX、一种B源和任选的适量X之间不完全反应的一种产物， 该产物含有至少一种化合物AX和至少ABX，其中A和B是选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼和钨组成的组中的不同物质，X选自硼、碳、硅组成的组中，铁的含量为0. 1-0. 35wt%，钴的含量为0. l-0.5wt%。此发明虽然无须特殊压力设备、工艺控制容易等优点，但硬度未确定、热处理工艺复杂，对工业应用和降低生产成本不利。中国发明专利CN1405347A公开了一种高强度高耐磨硬质合金及其制造方法和应用，采用碳化钨作硬质相，以铁、钴、镍作粘结相，外加钛或钒的碳化物或硼化物或氮化物、并外加碳化钽或碳化铌等，虽然具有良好的耐磨性和抗冲击性能，但生产成本高，制备工艺复杂，不利于投资生产。中国发明专利CN1417360A涉及一种钴基合金，具体为一种铸造耐蚀耐磨钴基合金，其特征在于其合金成分的重量百分数为C 1.0% -2. 5% ；Cr20% -35% ；W 5% -20% ；Mo 1% -6% ；Nb 1% -8% ；Cu 0. 5% -2. 0% ；Si 0. 5% -3. 0% ；Ni2% -15% ；Co 35% -65%。虽然其成分中含有大量贵重的合金元素，合金硬度(HRC)仅达到48左右，生产成本高且综合性能差。公开号为CN1182142A专利中公开了一种耐磨铸钢材料，其化学成分如下C 0. 15% -0. 50% ； Si 彡 0. 5% ；Mn 彡 1. 00% ；Cr 1. 00% -2. 00% ；Mo 0. 20% -0. 50% ；V 0. 02% -1. 10% ；Ti 0. 02% -0. 10%;B0. 005% -0. 10%;S,P ^ 0. 04% .该材料组织为马氏体+贝氏体，具有较高的冲击韧性和一定的耐磨性。但其机体组织中碳化物含量少，在强磨损工况下，特别是用于制造水泥熟料破碎机衬板，使用寿命很不理想。且该材料需经水淬处理，对衬板类铸件来说极易变形和开裂，其推广应用受到极大限制。日本专利号为JP10219386的“具有高强度和高韧性的结构高硼合金”的主要合金元素含量为C 0. 03% -0. 23% ；B 0. 02% -0. 5% ；N 0. 005% ；Ni 0. 4% ；Cr 0. 9% ；Mo 0. 5% ；V 0. 3% ；Nb 0. 3% ；Ti 0. 3%和 Zr 0. IV0o 其抗拉强度达到510-550Mpa。由于C、B含量较低，耐磨硬质相硼化物数量少，合金耐磨性差。
发明内容
本发明涉及一种低碳高硼铸造耐磨合金钢及其制备方法。该耐磨合金钢的主要特点是利用硼化物具有优良的热稳定性和较高的硬度，部分取代碳化物作为耐磨硬质相，在提高合金硬度的同时，改善合金的冲击韧性，以此提高合金的耐磨性能。该合金中不含贵重合金元素，通过特定的元素配比和适当的热处理工艺来提高合金的综合性能，降低了生产成本。此外，适当提高了 Cr、Si、Mn等元素的含量，增强了基体的淬透性并细化组织。经过适当的热处理工艺后，铸态组织中网状的共晶相组织断网或团球化使共晶组织孤立分布，有利于铸造高硼耐磨合金的力学性能显著提高。本发明的目的通过以下的技术措施来实现。一种低碳高硼铸造耐磨合金钢，其有效化学成分及其重量百分比为C 0. 2% -0. 35% ；B 1.8% -2.0% ；Cr 10% -12% ；Mn 0. 5 % -1. 0 % ；Si 0. 5 % -1. 0 % ；Al 0. 03-0. 05 % ；Ca 0. 03-0. 06 % ；Ba 0. 03-0. 06 % ； S 彡 0. 04% ；P 彡 0. 04% ；余量为 Fe。上述低碳高硼铸造耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，采用感应电炉熔炼生产， 具体包括下列步骤第一步，将普通废钢、低碳铬铁按上述化学成分要求混合放入感应电炉中熔化，钢水熔化完全后加入硅铁和金属锰，最后加入硼铁和增碳剂。第二步，炉前调整成分合格后将钢液温度升至1640°C -1680°C，加入铝预脱氧，并加入硅钙钡合金终脱氧后出炉。第三步，钢水冷却至1540°C _1560°C时直接浇注成铸件，空冷至室温。第四步，对铸态合金淬火加热温度为1030°C _1060°C，升温速度为10°C /min，保温时间为lh-1. 5h后立刻进行油冷淬火处理。第五步，对经过第四步油冷淬火处理后的合金进行去应力回火处理，升温速度为 50C /min,回火温度为180°C _220°C，保温时间为lh_l. 5h后随炉冷却。上述步骤第一步中，低碳铬铁化学组份质量百分比优选Cr、62. 6%，C、0. 18%，余量为铁；硅铁优选Si、76. 09%, C、0. 07%，余量为铁；硼铁优选:B、20. 98%, C、0. 46%，余量为铁。硅钙钡合金优选化学组成质量百分数为45 48% Si，12 15% Ca, 15 18% Ba, 3. 5. 0% ΑΙ,Ο. 3 0. 7% C，余量 Fe。上述的钢水预脱氧时铝加入质量百分比为0. 15% -0. 18%，钢水终脱氧时硅钙钡合金加入质量百分比为0. 25% -0. 40%。耐磨钢的性能是由显微组织决定的，而显微组织决定于化学成分和热处理工艺， 本发明中耐磨钢的化学成分确定依据如下C =C是影响耐磨钢力学性能的最主要元素，C元素含量在一定意义上决定了耐磨钢的性能。C含量高会使得耐磨钢固溶效果增强，使得其硬度和耐磨性增加，但韧性降低。 碳含量过低时，基体固溶强化效果不明显，并且合金硬度下降，强度较低，从而导致耐磨性能下降。本发明耐磨钢中，设计用硼化物部分取代碳化物充当耐磨硬质相。因此，C含量确定为 0. 2% -0. ；35%。B =B是本发明耐磨钢的主要组成合金元素，B的加入主要是为了获得热稳定性良好、硬度较高的硼化物来部分取代碳化物充当耐磨硬质相，并且B的加入可显著改善耐磨钢的淬透性。B元素加入过多，会使耐磨钢中共晶相所占比例增大至占据整个显微组织，导致耐磨钢的韧性下降明显。B元素加入过少，硼化物数量不足以充当耐磨硬质相，不利于耐磨钢的耐磨性能。因此，B含量确定为1.8^-2.0 ^Cr 在本发明耐磨钢中，Cr的加入主要是为了增加基体的淬透性。同时，Cr也是形成耐磨硬质相的重要元素之一。通过加入与C含量成一定比例的Cr，可以改变基体的物相组成，使得基体组织主要由马氏体组成。此外，根据专利号为CN19M070A的文献介绍， Cr元素对裂纹有修复能力，并能提高材料的耐腐蚀性能。综合考虑，最终确定Cr含量为 10% -12%。
在耐磨钢的原材料中，不可避免的含有S、P等元素，这些元素对耐磨钢的强度、韧性、耐磨性等不利，所以本发明耐磨钢中S、P含量控制在0. 04%以下。耐磨钢凝固组织需要经过适当的热处理工艺才具有良好的性能，依据为低碳高硼耐磨钢的基体组成为奥氏体、马氏体和铁素体，基体组成对耐蚀性和耐磨性能不利。经过适当的热处理工艺，Cr、Mn、Si以及少量的B元素溶入基体，提高耐磨钢淬透性的同时，获得了强韧性较好的板条马氏体组织。高温淬火改善了硼化物和碳硼化合物的形态，网状共晶组织断网或团球化。在一定的冲击外力作用下，裂纹难以沿着共晶相扩展至断裂。淬火温度过低，对耐磨钢的显微组织没有影响，性能无法满足生产需要。淬火温度过高，使得组织粗化，表面氧化严重导致应力集中，易形成裂纹源。本发明耐磨钢经过1030°C -1060°C的加热、保温lh-1. 5h后直接油淬后获得理想的组织和性能。淬火处理后进行180°C -220°C 的回火处理，保温1-1. ，随炉冷却，主要是为了去除淬火应力以及获得回火马氏体基体组
本发明低碳含量并含有高硬度硼化物的铸造耐磨合金与现有技术相比具有以下特点(1)应用本发明生产耐磨钢，生产工艺简单，无贵重合金元素添加，生产成本低。(2)本发明耐磨钢，基体组织主要为马氏体，具有良好的强度和硬度支持。在基体中孤立的分布有硼化物和碳硼化合物的共晶相，可以明显的提高合金的耐磨性能。(3)本发明用适当的热处理工艺，使得网状共晶组织断网的同时，细化组织，基体中二次碳化物分布明显减少且形态改善，使得耐磨钢力学性能显著提高。其中硬度达到 61. 5HRC-66. 7HRC，冲击断裂韧性达到 3. 6-6. 6J/cm2。
图1实施例1耐磨钢网状共晶相结构断网孤立分布图；图2实施例2耐磨钢网状共晶相结构断网孤立分布图；图3实施例3耐磨钢网状共晶相结构断网孤立分布图。
具体实施例方式下面结合实例对本发明作近一步阐述，但本发明不限于以下实施例。实施例1 低碳高硼铸造耐磨合金钢有效化学成分质量百分比为C 0.3% ;B 2.0% ； CrlO. 0%;Mn0. 8%;Si 0. 8%;A1 0. 033% ；Ca 0. 056%, Ba 0. 032% ；S 0. 008% ；P0. 035%,
余量为铁。制备方法，步骤如下第一步，将普通废钢、低碳铬铁(其中Cr 62. 6%, C 0. 18% )按上述化学成分要求混合放入感应电炉中熔化，钢水熔化完全后加入硅铁(其中Si 76. 09%, C 0. 07% )和金属锰，最后加入硼铁(其中B 20. 98%, C 0.46%)和增碳剂。第二步，炉前调整成分合格后将钢液温度升至1643°C，加入0. 15%的铝预脱氧， 并加入0. 40%的硅钙钡合金(硅钙钡合金化学组成质量百分数为46. 2% Si,14.8% Ca, 15. 3% Ba,4. 0% A1，0. 39% C，余量 Fe)终脱氧后出炉。
第三步，钢水冷却至1541°C时直接浇注成铸件，空冷至室温。第四步，铸件经过1050°C加热保温Ih油淬；再经过200°C回火1小时，升温速率为 IO0C /min ；随炉冷却。热处理后，本实施例耐磨钢网状共晶相结构断网孤立分布，见图1。 该试样硬度为64. 6HRC，冲击断裂韧性为4. 7J/cm2, ML-10磨损实验机测试条件下重量磨损量为3. 5mg。实施例2 低碳高硼铸造耐磨合金钢有效化学成分质量百分比为C 0. 28% ；B 1. 9 % ； Cr 10. 6% ；MnO. 78% ；Si 0. 81% ；Al 0. 047% ；Ca 0. 032% ；Ba 0. 058%, S 0. 011% ；P 0. 027%，余量为铁；制备方法，步骤如下第一步，将普通废钢、低碳铬铁按上述化学成分要求混合放入感应电炉中熔化，钢水熔化完全后加入硅铁和金属锰，最后加入硼铁和增碳剂。第二步，炉前调整成分合格后将钢液温度升至1678°C，加入0. 18%的铝预脱氧， 并加入0. 25%的硅钙钡合金(硅钙钡合金化学组成质量百分数为46.3% Si，12. 1% Ca, 17. 9% Ba,4. 6% Α1，0· 51% C，余量 1 )终脱氧后出炉。第三步，钢水冷却至1559°C时直接浇注成铸件，空冷至室温。第四步，铸件经过1040°C加热保温1. 5h油淬；再经过220°C回火1. 5h，升温速率为10°C /min ；随炉冷却。热处理后，本发明耐磨钢网状共晶相结构断网孤立分布，见图2。 该试样硬度为63. 9HRC，冲击断裂韧性为4. 9J/cm2, ML-10磨损实验机测试条件下重量磨损量为 3. 65mg。实施例3:低碳高硼铸造耐磨合金钢有效化学成分质量百分比为C 0.31% ;B 2.0% ； Crll. 3% ；Mnl. 0% ；Si 0. 9% ；Al 0. 040% ；Ca 0. 038% ；Ba 0. 041% ;S 0. 009% ；P0. 030%,
余量为铁。制备方法，步骤如下第一步，将普通废钢、低碳铬铁按上述化学成分要求混合放入感应电炉中熔化，钢水熔化完全后加入硅铁和金属锰，最后加入硼铁和增碳剂。第二步，炉前调整成分合格后将钢液温度升至1660°C，加入0. 16%的铝预脱氧， 并加入0. 30%的硅钙钡合金(硅钙钡合金化学组成质量百分数为47.5% Si, 14.0% Ca, 16. 7% Ba, 3. 9% Α1，0· 46% C，余量 Fe)终脱氧后出炉。第三步，钢水冷却至1550°C时直接浇注成铸件，空冷至室温。第四步，铸件经过1050°C加热保温1. 5h后油淬；再经过200°C回火1. 5h，升温速率为10°C/min ；随炉冷却。热处理后，本发明耐磨钢网状共晶相结构断网孤立分布，见图3。 该试样硬度为66. 2HRC，冲击断裂韧性为3. 9J/cm2, ML-10磨损实验机测试条件下重量磨损量为3. 4mg。
权利要求
1.一种低碳高硼铸造耐磨合金钢，其特征在于，化学成分及其重量百分比为C 0. 2% -0. 35% ；B 1. 8% -2. 0% ；Cr 10% -12% ；Mn 0. 5% -1. 0% ；Si 0. 5% -1. 0% ；Al 0. 03-0. 05% ；Ca 0. 03-0. 06% ；Ba 0. 03-0. 06% ；S ( 0. 04% ；P ( 0. 04% ；余量为 Fe。
2.按照权利要求1所述的一种低碳高硼铸造耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，采用感应电炉熔炼生产，具体包括下列步骤第一步，将普通废钢、低碳铬铁按上述化学成分要求混合放入感应电炉中熔化，钢水熔化完全后加入硅铁和金属锰，最后加入硼铁和增碳剂；第二步，炉前调整成分合格后将钢液温度升至1640°C -1680°C，加入铝预脱氧，并加入硅钙钡合金终脱氧后出炉；第三步，钢水冷却至1540°C _1560°C时直接浇注成铸件，空冷至室温；第四步，对铸态合金淬火处理的加热温度为1030°C _1060°C，升温速度为10°C /min，保温时间为lh-1. 5h后立刻油冷淬火处理；第五步，对经过第四步油冷淬火处理的合金淬火后进行去应力回火处理，升温速度为 50C /min,回火温度为180°C _220°C，保温时间为lh_l. 5h后随炉冷却。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，低碳铬铁化学组份质量百分比为Cr、62.6%， C、0. 18%，余量为铁。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于，硅铁化学组份质量百分比为Si、76.09%，C、 0. 07%，余量为铁
5.按照权利要求2的方法，其特征在于，硼铁化学组份质量百分比为B、20.98%，C、 0. 46%，余量为铁。
6.按照权利要求2的方法，其特征在于，硅钙钡合金化学组成质量百分数为45 48% Si，12 15% Ca, 15 18% Ba，3. 0 5. 0% Al，0. 3 0. 7% C，余量 Fe。
7.按照权利要求2的方法，其特征在于，钢水预脱氧时铝加入质量百分比为 0. 15% -0. 18%。
8.按照权利要求2的方法，其特征在于，硅钙钡合金加入质量百分比为 0. 25% -0. 40%。
全文摘要
一种低碳高硼铸造耐磨合金钢及其制备方法，属于金属合金耐磨耐蚀材料技术领域，化学成分为C 0.2％-0.35％；B1.8％-2.0％；Cr 10％-12％；Mn 0.5％-1.0％；Si0.5％-1.0％；Al0.03-0.05％；Ca0.03-0.06％；Ba0.03-0.06％；S≤0.04％；P≤0.04％；余量为Fe。采用感应电炉熔炼生产，经过1030℃-1060℃淬火处理1h-1.5h后直接油淬，在180℃-220℃进行回火处理1-1.5h，随炉冷却。本发明耐磨合金钢，具有良好的强度和硬度，在基体中孤立分布有硼化物和碳硼化合物的共晶相，明显提高了合金的耐磨性能。
文档编号C21D1/18GK102560258SQ201210003668
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者周荣, 岑启宏, 张海滨, 符寒光, 蒋业华, 蒋志强, 雷永平 申请人:北京工业大学