一种高碳硅硼奥贝耐磨铸钢及其制备方法
【专利摘要】一种高碳硅硼奥贝耐磨铸钢及其制备方法，属于金属耐磨材料【技术领域】。高碳硅硼铸钢钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径的合金线送入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4.0～4.5％，合金线送入速度为10～12kg/分钟。钢水温度为1420～1450℃时浇入铸型，浇注1.0～4.0小时后开箱空冷铸件，铸件在960～980℃进行高温奥氏体化处理，保温1.0～3.0小时后，在温度为260～300℃的盐浴池内冷却1.0～4.0小时即可。高碳硅硼奥贝耐磨铸钢硬度高，强韧性和耐磨性好，推广应用具有良好的经济和社会效益。
【专利说明】一种高碳硅硼奥贝耐磨铸钢及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明为一种奥贝耐磨铸钢及其制备方法，特别涉及一种高碳硅硼奥贝耐磨铸钢 及其制备方法，属于金属耐磨材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 自高锰钢（ZGMnl3)问世以来，世界各国都把高锰钢广泛应用于冶金、矿山、机械、 电力、建材和化工等行业的耐磨部件上，在强烈冲击的工况条件下，高锰钢具有较高强度和 优异的韧性，并产生加工硬化，耐磨性较高。但在非强烈冲击条件下，不能加工硬化时则耐 磨性不足。为了提高高锰钢耐磨性，中国发明专利CN103451546公开了一种高耐磨高锰 钢及其制备方法，该耐磨高锰钢按重量百分比由以下组分组成：Mn6. 0-14. 0 ;C1. 00-1. 25 ; SiO. 45-0. 60 ;S 彡 0· 03 ;Crl. 8-2. 2 ;Ti〇-2. 0 ;Μο〇-1· 0 ;Fe80. 0-90. 0。制备方法，包括以 下步骤：A、熔炼：将Μη、C、Si、P、S、Cr、Ti、Mo、Fe加入到炉内进行熔炼；B、变质处理：采用 变质剂对步骤A中的熔炼液体进行变质处理C、浇注成型：将步骤B中的熔炼液体加入铸 模中成型，得到初品；D、热处理：对步骤C中的初品进行水韧处理，然后在250°C -800°C下 进行时效处理。中国发明专利CN103667945还公开了一种耐磨高锰钢衬板材料，其含有 的化学元素成分及其质量百分比为：碳1. 2-1. 4、硅1. 3-1. 5、锰9. 2-10. 4、钛1. 1-1. 3、铬 0· 9-1. 3、钥 0· 02-0. 04、铝 0· 1-0. 2、镧 0· 02-0. 04、Nd0. 04-0. 07、S 彡 0· 04、P 彡 0· 04、余量 为铁。该发明的合金钢在高碳锰钢的基础上添加镧、Nd、钛等元素，得到的合金钢不仅具有 高的硬度、优异的耐磨性，而且还具有韧性好、塑性好的优点，比普通高锰钢性能更加优异， 适合作为磨损大的衬板材料。该发明精炼剂用于铸造生产，铸件中的气孔度降低1-2度，不 会在铸件表面产生气孔，夹杂氧化物也明显降低，氧化夹杂物在2级左右。中国发明专利 CN102230142还公开了一种超高强、高抗冲击、高耐磨高锰钢。由下述重量百分比的组分所 组成：碳：0.9?L 2,硅：0.3?0.6,锰：16?22,铬：L 5?2.0,钥：0.5?0.8,镍：0.3? 0.5,铜：0.2?0.4，硫：<0.04，磷：<0.03,复合稀土变质剂：0. 1?0.3,或者由下述重量 百分比的组分所组成：碳：0.9?1.2,硅：0.3?0.5,锰：17?20,铬：1. 7?2.0,钥：0.5? 0· 8,铜：0· 2 ?0· 4,硫：彡 0· 035,磷：彡 0· 03,钒：0· 2 ?0· 4,钛：0· 1 ?0· 15,复合稀土变 质剂：0. 1?0. 3。该发明已在某选厂粗矿机上使用，并得到了很好的验证，其使用寿命是 进口 Mnl8Cr2的1.5 - 2倍。使用质量稳定、可靠，而且寿命得到了大幅度提高。由于其 基体组织仍为奥氏体，在非强烈冲击条件下，不能产生明显的加工硬化，因此耐磨性提高有 限。大量研究发现，贝氏体组织具有优良的耐磨性，中国发明专利CN1844435公开了一种 锰一铬一钨系空冷贝氏体钢，该发明的钢种是一类新型锰一铬一钨系空冷贝氏体钢，采用 锰、硅、铬为主要合金元素，以钨为主要辅加元素，具有高的强韧性及贝氏体空冷淬透性，空 冷条件下即可获得贝氏体/马氏体复相组织，可免除淬火工序，适用于制造各种轴类零件、 结构件、各类弹簧、耐磨零件、精密模具和耐磨铸钢件。该钢种经高温回火后具有优良的强 韧性配合，可替代性能相近的调质钢，用来制作各种高强度结构件，并可进行表面淬火。中 国发明专利CN1189542还公开了 Μη - Si - B多元微合金化空冷贝氏体钢，通过在钢中加 入并调整少量的Cr和微量的Ti、RE、N、V和/或Nb等合金元素。经复合变质处理，钢的晶 粒细小，显微组织明显细化，大量碳化物弥散均匀分布。在大截面直径，钢的表层和心部可 获得较均匀一致的贝氏体/马氏体为主的组织，含碳化物和少量残留奥氏体组织。具有高 硬度、高强度、高耐磨性和高淬透性。适于用来制作耐磨钢球、衬板、颚板、摆锤、缸套和辊圈 等耐磨件。经热锻或热轧（钢球）或直接浇注（衬板和板锤）不需要复杂的热处理。生产 工艺简单，质量稳定，使用寿命长。但普通贝氏体钢存在硬度低、耐磨性差等不足。
【发明内容】
[0003] 本发明针对现有耐磨铸钢技术存在的不足，利用高碳钢硬度高、耐磨性好的特点， 加入抑制碳化物析出的硅元素，获得强韧性和耐磨性优异的高碳硅奥一贝耐磨铸钢。
[0004] 本发明目的是为了利用高碳钢优异的耐磨性并克服其强度和韧性低的不足，在高 碳钢中加入较多的硅，利用硅能抑制碳化物的形成，采用等温淬火，得到无碳化物的贝氏铁 素体和奥氏体双相组织（简称奥一贝组织）。由于该双相组织是以高强度的贝氏铁素体束 作为基体骨架组织，而且其有效晶粒尺寸一奥氏体膜一贝氏铁素体束间距很小，因而其 强度很高；又由于在贝氏铁素体束之间镶嵌着稳定性较高的奥氏体膜，裂纹扩展时不仅要 受到大量奥氏体膜/贝氏体束相界面的阻碍，而且当它遇到奥氏体膜时，奥氏体将产生塑 性变形及应变诱发马氏体转变，使裂纹尖端应力得到松弛，抑制裂纹的扩展，因此，该材料 还同时具有优异的韧性与应变强化能力。另外，在高碳硅铸钢中加入提高淬透性的硼元素， 并加入提高抗回火稳定性和红硬性的铝元素，使高碳硅硼奥贝耐磨铸钢具有优异的高温耐 磨性。
[0005] 本发明的目的可以通过以下措施来实现：
[0006] 本发明高碳硅硼奥贝耐磨铸钢制造工艺步骤是：
[0007] ①将普通废钢、增碳剂、硅铁、高碳铬铁、氮化铬铁和硼铁混合加热熔化，炉前调 整钢水的化学组成及其质量分数为0.75?1.00% C，2. 2?2. 8% Si, 0.55?0.80 % B, 2. 25 ?2. 60% Cr, 0· 08 ?0· 12% N,〈0· 5% Mn, S〈0. 04%，Ρ〈0· 04%，余量为 Fe 及不可 避免的杂质元素。当钢水温度升至1640?1660°C时，将钢水出炉到钢包。
[0008] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径(p2.5~3.ftmm的合金线送入钢包内的钢 水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4. 0?4. 5%，优选合金线送入速度为10? 12kg/分钟。合金线的化学组成及其质量分数为25?28% A1，2. 5?3. 0% Ce，2. 5?3. 0% La, 5. 0 ?6. 5% Si, 2. 0 ?3. 5% Mg, 3. 0 ?4. 5% Na, 3. 0 ?4. 5% K, 6. 0 ?7. 5% Ti, 7. 0 ? 9. 0% Ca, 2. 5?4. 0% Ba,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
[0009] ③钢水经静置、扒渣后，当温度为1420?1450°C时浇入铸型，浇注1. 0?4. 0小时 后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
[0010] ④铸件在960?980°C进行高温奥氏体化处理，保温1. 0?3. 0小时后，在温度为 260?300°C的盐浴池内冷却1. 0?4. 0小时即可。
[0011] 铸钢材料的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工 艺，本发明化学成分是这样确定的：
[0012] C:C是高碳硅硼奥一贝耐磨铸钢的主要元素，随着C含量增加，钢的强度和硬度增 力口，耐磨性也明显提高，当C含量过高时，将使韧性明显下降，为了保证钢的强韧性和耐磨 性，将炉内钢水中的C含量控制在0. 75?1. 00%。
[0013] Si :Si是高碳硅硼奥一贝耐磨铸钢的主要合金元素，而且是非碳化物形成元素， 可增加碳在奥氏体中的活度，在贝氏体铁素体生长过程中，多余的碳会排向界面一侧的邻 近奥氏体中，由于硅阻止渗碳体析出，造成周围奥氏体富碳，使贝氏体铁素体片条间或片条 内的富碳残留奥氏体稳定化，形成无碳化物贝氏体。Si还可使钢的TTT或CCT曲线向右下 方移动和提高钢的贝氏体淬透性和韧性。Si含量较低（〈1. 95% )时，由于Si抑制碳化物 析出的作用较弱，促进贝氏体转变的作用也不强烈，在等温转变过程中，首先在奥氏体晶界 析出贝氏体，而未转变的奥氏体在随后的冷却过程中部分转变为马氏体，其显微组织由贝 氏体铁素体、马氏体和残余奥氏体组成，具有高的强度、硬度，而冲击韧性和断裂韧性较低； 随着Si含量提高，Si抑制碳化物析出作用显著增强，使贝氏体成长时排出的碳富集到奥氏 体中，提高了过冷奥氏体的稳定性，其显微组织为典型的奥-贝组织，即由板条状的贝氏体 铁素体和其间分布的富碳的残余奥氏体组成，材料冲击韧性提高，同时由于残余奥氏体富 碳程度很高，材料的强度和硬度变化不明显，但当钢中的硅含量提高到3. 2%以上时，组织 中出现了大量的未转变奥氏体组织，且易出现铁素体组织，导致材料的硬度、强度和冲击韧 性下降。炉内钢水中的Si加入量宜控制在2. 2?2. 8%。
[0014] B :B在钢中的作用主要是为了提高钢的淬透性和形成高硬度耐磨硼化物Fe2B的 作用，加入量过少，对提高钢的淬透性作用不明显，加入量过多，易形成过多硼化物，降低钢 的韧性，炉内钢水中的合适的B加入量宜控制在0. 55?0. 80%。
[0015] Cr :Cr在钢中可提高淬透性和回火稳定性，炉内钢水中的合适的Cr加入量宜控制 在 2. 25 ?2. 60%。
[0016] N:N加入钢中可细化凝固组织，提高铸钢力学性能，加入量过多，易出现氮气孔， 炉内钢水中的合适的N加入量宜控制在0. 08?0. 12%。
[0017] 此外，钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径φ2.5?3.0mm的合金线送入钢包内 的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4. 0?4. 5%，合金线送入速度为10? 12kg/分钟。合金线的化学组成及其质量分数为25?28% A1，2. 5?3. 0% Ce，2. 5?3. 0% La, 5. 0 ?6. 5% Si, 2. 0 ?3. 5% Mg, 3. 0 ?4. 5% Na，3. 0 ?4. 5% K，6. 0 ?7. 5% Ti，7. 0 ? 9. 0% Ca, 2. 5?4. 0% Ba,余量为Fe及不可避免的杂质元素。合金线的加入,有脱氧、细化 凝固组织、改善夹杂物形态和分布以及提高基体抗高温回火稳定性作用。
[0018] 高碳硅硼奥贝耐磨铸钢的铸态组织由贝氏体、奥氏体、珠光体、铁素体和硼化物组 成，不仅强度和硬度低，而且韧性和耐磨性差，需要进行等温淬火热处理来改善其组织，以 便获得满意的性能。其热处理工艺的制订依据是：
[0019] 当铸钢进行高温奥氏体化处理时，若奥氏体化温度过低，或保温时间过短，均可使 铸态珠光体中的渗碳体来不及溶解，最后在淬火组织中保留下来，使材料的性能恶化。适当 提高奥氏体化温度至960?980°C，保温时间1. 0?3. 0小时，可使奥氏体均匀化，在等温淬 火处理后可以显著改善材料的强韧性。过高的奥氏体化温度和过长的保温时间，势必增加 过冷奥氏体的稳定性，使等温淬火过程中贝氏体转变不能充分进行，奥氏体富碳不足，容易 出现淬火马氏体，不易获得奥一贝双相组织，使材料韧性下降。
[0020] 当等温温度较低时（260°C以下），由于碳原子的扩散能力较弱，完成贝氏体转变 所需的扩散时间较长，碳在奥氏体中的分布不均匀，不能形成稳定的富碳奥氏体，在随后的 冷却过程中，贫碳奥氏体转变成为马氏体，残余奥氏体量很少，同时生成的贝氏体铁素体板 条细小，因而材料的强度和硬度较高，而韧性较低。随着等温温度的提高，碳原子的扩散能 力加强，贝氏体转变的过冷度减少，新相和母相间的自由能差值减小，不足以使更多的奥氏 体发生转变，特别是难以使稳定性高的高碳奥氏体转变，因此条束状贝氏体铁素体数量减 少，板条变宽，片间距变大，富碳的残余奥氏体量也增加，残余奥氏体薄膜加厚，因而硬度和 强度有所下降，韧性随之提高。但当等温温度继续提高（高于320°C)时，奥贝组织的晶粒 会变得更为粗大，导致韧性也呈下降趋势。高碳硅耐磨铸钢经960?980的高温奥氏体化 处理后，在260?300°C的盐浴池内进行等温淬火，可以获得细小的奥一贝双相组织，具有 优异的强韧性和耐磨性。另外，在贝氏体转变的第一阶段，贝氏体铁素体从过冷奥氏体中析 出，排出的碳固溶于周围的未转变奥氏体中，使未转变奥氏体富碳，而不析出碳化物。随等 温时间延长，未转变奥氏体中的碳含量逐渐增加。富碳的未转变奥氏体将使马氏体转变温 度Ms点显著降低，在室温下可以得到残余奥氏体。若等温淬火时间延长，贝氏体的转变进 入第二阶段，稳定的未转变奥氏体将分解为铁素体和碳化物（Fe 3C* ε-碳化物），使残余 奥氏体含量下降，出现块状铁素体和碳化物，引起材料韧性和延伸率的显著下降。因此，等 温淬火时间不宜过长，控制在1. 0?4. 0小时较为合理。
[0021] 本发明效果：
[0022] (1)用本发明制造的高碳硅硼奥贝耐磨铸钢，生产工艺简便，不含钨、钥、钒、铌等 贵重合金元素，成本低廉。
[0023] (2)用本发明制造的高碳硅硼奥贝耐磨铸钢，经Ν和化学组成及其质量分数为 25 ?28 % Α1，2. 5 ?3. 0 % Ce，2. 5 ?3. 0 % La, 5. 0 ?6. 5 % Si, 2. 0 ?3. 5 % Mg, 3. 0 ? 4. 5 % Na, 3. 0 ?4. 5 % K, 6. 0 ?7. 5 % Ti, 7. 0 ?9. 0 % Ca, 2. 5 ?4. 0 % Ba,余量为 Fe 及 不可避免的杂质元素的合金线处理后，凝固组织细小，夹杂物少，且夹杂物分布均匀性好， 铸钢具有良好的强韧性，其中抗拉强度为850?950MPa，冲击韧性为25?30J/cm 2。
[0024] (3)用本发明制造的高碳硅硼奥贝耐磨铸钢，经等温淬火处理后，获得了奥一贝双 相组织，硬度高，耐磨性好，其中硬度达到59?62HRC，用做破碎机锤头和球磨机衬板等产 品，使用寿命比高锰钢提高6?8倍。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合实施例对本发明作进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
[0026] 实施例1 :
[0027] 采用1000公斤中频感应电炉熔炼本发明高碳硅硼奥贝耐磨铸钢材料，其具体制 造工艺步骤是：
[0028] ①将普通废钢、增碳剂、硅铁、高碳铬铁、氮化铬铁和硼铁混合加热熔化，炉前调 整钢水的化学组成及其质量分数为0.76% C，2. 21% Si, 0.79 % B，2.29 % Cr，0.093 % N，0. 37% Μη, 0. 035% S，0. 032% P，余量为Fe及不可避免的杂质元素。当钢水温度升至 1659 °C时，将钢水出炉到钢包。
[0029] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径f3.0mm的合金线送入钢包内的钢水中， 合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4. 5%，合金线送入速度为12kg/分钟。合金线的 化学组成及其质量分数为 25. 14% A1，2. 52% Ce，2. 97% La, 5. 03% Si, 3. 46% Mg，3. 01% Na, 4· 47% Κ, 6· 12% Ti, 7· 05% Ca, 3· 80% Ba,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
[0030] ③钢水经静置、扒渣后，当温度为1448°C时浇入铸型，浇注1. 0小时后开箱空冷铸 件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
[0031] ④铸件在960°C进行高温奥氏体化处理，保温3. 0小时后，在温度为300°C的盐浴 池内冷却1. 0小时即可。得到的产品力学性能见表1。
[0032] 实施例2 :
[0033] 采用750公斤中频感应电炉熔炼本发明高碳硅硼奥贝耐磨铸钢材料，其具体制造 工艺步骤是：
[0034] ①将普通废钢、增碳剂、硅铁、高碳铬铁、氮化铬铁和硼铁混合加热熔化，炉前调 整钢水的化学组成及其质量分数为0.98% C，2. 77% Si, 0.57 % B，2.53 % Cr，0. 116% N，0. 31 % Mn，0.028% S，0.037 % P，余量为Fe及不可避免的杂质元素。当钢水温度升至 1642 °C时，将钢水出炉到钢包。
[0035] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径92.5mm的合金线送入钢包内的钢水中， 合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4.0%，合金线送入速度为10kg/分钟。合金线的 化学组成及其质量分数为 27. 81% A1，2. 96% Ce，2. 55% La, 6. 47% Si, 2. 08% Mg，4. 38% Na, 3· 02% K, 7· 35% Ti, 8· 79% Ca, 2· 53% Ba,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
[0036] ③钢水经静置、扒渣后，当温度为1425°C时浇入铸型，浇注4. 0小时后开箱空冷铸 件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
[0037] ④铸件在980°C进行高温奥氏体化处理，保温1. 0小时后，在温度为260°C的盐浴 池内冷却4. 0小时即可。得到的产品力学性能见表1。
[0038] 实施例3 :
[0039] 采用1000公斤中频感应电炉熔炼本发明高碳硅硼奥贝耐磨铸钢材料，其具体制 造工艺步骤是：
[0040] ①将普通废钢、增碳剂、硅铁、高碳铬铁、氮化铬铁和硼铁混合加热熔化，炉前调 整钢水的化学组成及其质量分数为0.86% C，2. 60% Si, 0.68 % B，2.42 % Cr，0.098 % N，0. 35% Μη, 0. 030% S，0. 034% P，余量为Fe及不可避免的杂质元素。当钢水温度升至 1653°C时，将钢水出炉到钢包。
[0041] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径<p3.0mm的合金线送入钢包内的钢水中， 合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4. 2%，合金线送入速度为11kg/分钟。合金线的 化学组成及其质量分数为 26. 82% A1, 2. 86% Ce, 2. 78% La, 5. 85% Si, 2. 97% Mg, 3. 86% Na, 3. 62% K, 6. 64% Ti, 7. 95% Ca, 2. 80% Ba,余量为Fe及不可避免的杂质元素。
[0042] ③钢水经静置、扒渣后，当温度为1434°C时浇入铸型，浇注2. 0小时后开箱空冷铸 件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺；
[0043] ④铸件在970°C进行高温奥氏体化处理，保温2. 0小时后，在温度为280°C的盐浴 池内冷却3. 0小时即可。得到的产品力学性能见表1。
[0044] 表1高碳硅硼奥贝耐磨铸钢力学性能
[0045]
【权利要求】
1. 一种高碳硅硼奥贝耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： ① 将普通废钢、增碳剂、硅铁、高碳铬铁、氮化铬铁和硼铁混合加热熔化，炉前调整钢水 的化学组成及其质量分数为〇· 75?1. 00% C, 2. 2?2. 8 % Si, 0· 55?0· 80% B, 2. 25? 2. 60% Cr, 0· 08 ?0· 12% N,〈0· 5% Mn, S〈0. 04% , Ρ〈0· 04% ,余量为 Fe 及不可避免的杂 质元素；当钢水温度升至1640?1660°C时，将钢水出炉到钢包； ② 钢水全部进入钢包后，用喂丝机将直径φ2.5?3.0mm的合金线送入钢包内的钢水中， 合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4. 0?4. 5%，合金线的化学组成及其质量分数为 25 ?28 % A1，2. 5 ?3. 0 % Ce，2. 5 ?3. 0 % La, 5. 0 ?6. 5 % Si, 2. 0 ?3. 5 % Mg, 3. 0 ? 4. 5 % Na, 3. 0 ?4. 5 % K, 6. 0 ?7. 5 % Ti, 7. 0 ?9. 0 % Ca, 2. 5 ?4. 0 % Ba,余量为 Fe 及 不可避免的杂质元素； ③ 钢水经静置、扒渣后，当温度为1420?1450°C时浇入铸型，浇注1. 0?4. 0小时后开 箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺； ④ 铸件在960?980°C进行高温奥氏体化处理，保温1. 0?3. 0小时后，在温度为260? 300°C的盐浴池内冷却1. 0?4. 0小时即可。
2. 按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤②合金线送入速度为10?12kg/分钟。
3. 按照权利要求1或2的方法制备得到的高碳硅硼奥贝耐磨铸钢。
【文档编号】C21D1/20GK104087846SQ201410320530
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】吴中伟, 李耳, 林健, 雷永平, 符寒光, 张继光 申请人:北京工业大学