一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法
【专利摘要】一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法，属于耐磨铸钢【技术领域】。先用高锰钢废料、富硼渣、高碳铬铁、硅钙钡合金和金属铝配料，钢水经硅钙钡合金和金属铝脱氧除渣后，浇入铸型，铸件的温度降至980～1080℃时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件在水池中冷却1～2小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到强度和韧性高、耐磨性好的含富硼渣耐磨铸钢产品。
【专利说明】一种含富硼渣耐磨铸钢及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种耐磨铸钢及其制备方法，特别涉及一种含富硼渣耐磨铸钢及其 制备方法，属于耐磨铸钢【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 耐磨铸钢在国民经济中具有重要的地位，为了提高耐磨铸钢的耐磨性能，通常需 要加入大量合金元素。中国发明专利CN 103397269公开了一种高强度耐磨铸钢，其特征在 于，所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：碳〇. 10-0. 16、锰0. 35-0. 50、硅0. 75-0. 90、磷 彡 0· 040、硫彡 0· 040、铬 1. 35-1. 65、镍 0· 15-0. 25、铜 0· 2-0. 3、TiO. 08-0. 10、Ta0. 04-0. 06、 HfO. 01-0. 02、NbO. 04-0. 06、VO. 2-0. 4、MoO. 05-0. 07、基质为铁。该发明超高强度铸钢的 机械性能为：拉伸强度1080MPa，屈服强度873MPa，延伸率14%，断面收缩率27%，冲击吸 收功56J，冲击韧性66J/cm 2,硬度291HB。中国发明专利CN 103397268还公开了一种耐 磨铸钢，其特征在于所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：碳〇. 30-0. 36、锰0. 5-0. 70、 硅 0· 30-0. 40、磷彡 0· 040、硫彡 0· 040、铬 4. 3-4. 5、镍 0· 1-0. 2、铜 0· 8-0. 95、NbL O-L 2、 V0. 05-0. 07、ZrO. 06-0. 09、LiO. 2-0. 4、BaO. 06-0. 08、TmO. 12-0. 16,基质为铁。该发明铸 钢采用正火、淬火、回火处理，提高了强度和硬度，具有较好的韧性和耐磨性好等特点，可以 显著提高抗磨部件寿命。中国发明专利CN 103266276还公开了一种低合金高耐磨铸钢 板的制备方法，包含以下组分：C :0· 25-0. 35wt. % ;Si :0· 9-L 6wt. % ;Mn :0· 3-L 8wt. % ; Cr ：0. 7-1. Owt. % ；Mo ：0. 15-0. 3wt. % ；Ti ：0. 05-0. 35wt. % ；Nb ：0. 01-0. 05wt. % ；V ： 0· 05-0. 25wt. % ;RE :0· 01-0. lwt. % ;P、S 彡 0· 03wt. % ;其余为 Fe ;将各组分熔融后铸 造成型，再将处理后的铸锭放入其中进行升温，当温度到达1050?1070°C时保温，保温 完成后再将铸锭放入240?245°C盐浴炉中进行保温，最后出炉空冷。该发明制得的材 料具有良好的强韧性配合。中国发明专利CN103205638还公开了一种耐磨铸钢斗齿及其 制备方法，耐磨铸钢斗齿材料成分按重量百分比为：C :0.9?1.2%，Ti :0.2?0.25%， Al :0· 08 ?0· 12%，Mo :2 ?3%，W :3 ?5%，P :彡 0· 02%，S :彡 0· 02%，余量为 Fe。该 发明通过选择合理铸造、热处理工艺而制备成一种挖掘机斗齿，其优点在于在砂石工况不 同负荷冲击下提高了耐磨性，其性能达到抗拉强度Rm > 1650MPa，硬度HRC54?56,夏 比冲击Akv彡17J。中国发明专利CN103060705还公开了一种低合金高耐磨铸钢，包含以 下组分：C :0· 25-0. 35wt. % ;Si :0· 9-1. 6wt. % ;Mn :0· 3-1. 8wt. % ;Cr :0· 7-1. Owt. % ; Mo ：0. 15-0. 3wt. % ；Ti ：0. 05-0. 35wt. % ；Nb ：0. 01-0. 05wt. % ；V ：0. 05-0. 25wt. % ；RE ： 0. 01-0. lwt. % ;P、S彡0. 03wt. %，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明具有良好的强韧 性配合。中国发明专利CN102912255还公开了一种耐磨铸钢及其制备方法。所述耐磨铸钢， 以重量百分比计，其组成为：碳（C) :0· 80%?L 10% ;锰（Mn) :6· 00%?8. 00% ;硅（Si): 1.00%?1.80%;铬（0):2.50%?3.50% ;钥〇\1〇):0.60%?0.80%;铜（(：11):0.30%? 0.50% ;镍（附）：1.00%?3.00%;钛（11):0.15%?0.25%;钒（￥) :0.20%?0.40%; 稀土（RE) :0. 030%?0. 040% ;镁（Mg) :0. 020%?0. 030% ;余量为铁（Fe)和不可避免的 杂质。该发明的耐磨铸钢抗冲击强度高、耐磨性好、耐腐蚀、可与普通碳素钢槽体进行焊接。 但是上述耐磨铸钢普遍含有钥、镍、钒、钨和稀土等昂贵物质，造成了资源的巨大浪费。
[0003] 富硼渣是硼铁矿选铁弃硼后的残渣，长期作为废料用于铺路，造成了资源的巨大 浪费，中国发明专利CN101274852公开了一种利用富硼渣制备MgAlON基复合材料的方法， 其特征在于：第一步采用MgO含量为30?40%的富硼渣为主要原料，先将块状富硼渣制成 富硼渣粉，然后将富硼渣粉细磨、筛分；将筛分后的富硼渣粉与含铝化合物和炭黑混合，制 备成混合坯料；然后将混合坯料压制成圆坯，经过烧结制备成MgAlON复合粉体；第二步将 制备好的MgAlON复合粉体与添加剂混合，压制成圆述，经过烧结制备成MgAlON基复合材 料。该发明的特点在于利用冶金废渣为原料制备MgAlON基复合材料，降低材料的生产成 本。中国发明专利CN101186506还公开了利用富硼渣制备氮化硼/赛隆陶瓷复合材料的方 法分两步制取：第一步合成BNACa，Mg) α ' - Sialon粉末：（1)破碎；(2)球磨；（3)过筛； (4) 磁选；（5)配料：按质量百分比为：富硼渣7. 94?45. 79,硅灰12. 19?58. 78,铝矾土 3. 82?19. 78,碳黑21. 70?35. 41 ; (6)湿混：以无水乙醇为介质进行混合；（7)干燥：在 60°C下烘干；（8)干混；（9)模压成型；（10)高温烧成：在一个大气压、温度1450?1500°C、 恒温6?10小时，氮气保护下烧成；（11)烧去残碳；第二步是将第一步烧成的粉末与添加 剂CaCO 3混合，经模压成型后，在炉中埋粉条件下，温度1600?17001：下烧结获取8以(〇&， Mg) a' -Sialon陶瓷复合材料，其各种性能优良。该发明工艺简单，制造成本低，为富硼 渣综合利用开辟了新途径，减少环境污染。中国发明专利CN101549876公开了一种利用富 硼渣生产硼酸联产氢氧化镁和硫酸钙的方法。该方法是将水和盐酸，或反应循环后得到的 母液和洗水，加入酸解罐升温至95°C，加入富硼渣粉进行酸解，经过滤将滤液进行冷却结 晶，分离、干燥得到硼酸产品。向滤液内加入石灰乳调节PH为6. 0?7. 5,过滤除去铁铝沉 淀，滤液继续与一定浓度的石灰乳反应，生成氯化钙溶液和氢氧化镁沉淀，经固液分离，滤 饼经洗涤、干燥得到氢氧化镁产品，向滤液中加入硫酸溶液，与氯化钙反应生成硫酸钙，过 滤，滤饼经洗涤、干燥得到硫酸钙产品，滤液返回酸解罐循环利用。该发明以富硼渣为主要 原料，生产硼酸的同时，回收了渣中的镁、钙资源，实现了资源综合利用，减少了对环境的污 染。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是在耐磨铸钢制备过程中，加入富硼渣，并改进钢水冶炼工艺，从而实 现耐磨铸钢耐磨性能的提高。
[0005] 本发明目的可以通过以下技术措施来实现。
[0006] 本发明含富硼渣耐磨铸钢的制备工艺，其特征在于，步骤是：
[0007] ①先用高锰钢废料、富硼渣、高碳铬铁、硅钙钡合金和金属铝配料，高锰钢废料加 入质量分数为83?86%，富硼渣加入质量分数为10?13%，高碳铬铁加入质量分数为 2. 5?3. 0 %，硅钙钡合金加入质量分数为1. 2?1. 5 %，金属铝加入质量分数为0. 25? 0· 40%。
[0008] ②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为83?86%的高锰钢废 料、质量分数为10?13%的富硼渣和质量分数为2. 5?3. 0 %的高碳铬铁混合加热熔化， 钢水温度达到1450?1480°C时，加入质量分数为1. 2?1. 5%的硅钙钡合金和质量分数为 0. 25?0. 40%的金属铝，保温3?5分钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1390?1420°C 时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980?1080°C时，将铸件直接投入到水池中 激冷，铸件与水池中水的体积比为1 : (15?18)，水温低于35°C ;铸件在水池中冷却1?2 小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含富硼渣耐磨铸钢产品。
[0009] 如上所述高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1. 0?I. 4C，11?14Mn，0. 3? 0· 8Si,彡 0· 09P、彡 0· 04S,余量为 Fe。
[0010] 如上所述富硼渣的化学组成质量分数％为：17?20B203, 43?50Mg0, 22? 28Si02, 1 ?2A1203, 5 ?7Ca0, TFe〈l。
[0011] 如上所述高碳铬铁的化学组成质量分数％为：60?65Cr, 6. 8? 7. 5C,彡 3. OSi,彡 0· 05S,彡 0· 06P, Fe 余量。
[0012] 如上所述娃I丐钡合金的化学组成质量分数％为：40?45Si, 10?12Ca, 10? 12Ba,彡 0· 8C,彡 0· 04P,彡 0· 06S,余量为 Fe。
[0013] 本发明以高锰钢废料和富硼渣为主要原料，另外加入少量高碳铬铁，实现高锰钢 的强化和耐磨性的提高。由于以高锰钢废料和富硼渣为主要原料，钢水冶炼过程中易出现 夹杂，污染钢水，因此本发明还加入质量分数1. 2?1. 5%的硅钙钡合金和0. 25?0. 40% 的金属铝，起去渣和净化钢水作用，部分铝固溶于钢基体中，可以起固溶强化作用，防止耐 磨铸钢制备和使用中产生变形。
[0014] 此外，本发明材料采用感应电炉冶炼，工艺简便，生产效率高。其冶炼过程是先将 质量分数为83?86%的高锰钢废料、质量分数为10?13%的富硼渣和质量分数为2. 5? 3. 0 %的高碳铬铁混合加热熔化，可确保主要合金元素分布均匀。在此基础上，当钢水温度 达到1450?1480°C时，加入质量分数为1. 2?1. 5%的硅钙钡合金和质量分数为0. 25? 0. 40%的金属铝，保温3?5分钟后，将钢水出炉，可以起脱氧、脱渣和净化钢水作用。当钢 水温度降至1390?1420°C时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980?1080°C 时，将铸件直接投入到水池中激冷，并使铸件与水池中水的体积比为I :15?18,水温低于 35°C。这样可确保铸件得到全奥氏体组织，具有良好的强韧性，在冲击磨损工况下，奥氏体 产生明显的加工硬化，因而可获得优异的耐磨性。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有以下特点：
[0016] 1)本发明材料以高锰钢废料和富硼渣为主要原料，不含钥、镍、钒、稀土等昂贵合 金元素，实现了废料的资源再利用，具有明显的节材优势。
[0017] 2)本发明材料铸造过程中直接水冷，得到奥氏体基体，省去了复杂的热处理工艺， 具有明显的节能效果。
[0018] 3)本发明材料生产成本比普通含铬高锰钢（Mnl3Cr2)降低15%以上，耐磨性提高 30%以上。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
[0020] 实施例1 :
[0021] 采用1000公斤中频感应电炉熔炼含富硼渣耐磨铸钢，具体制备工艺步骤是：
[0022] ①先用高锰钢废料（高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1. 0?1.4C，11? 14Mn，0. 3?0. 8Si，彡0. 09P、彡0. 04S，余量为Fe)、富硼渣（富硼渣的化学组成质量分数％ 为：17 ?20B203, 43 ?50Mg0, 22 ?28Si02, 1 ?2A1203, 5 ?7CaO, TFe〈l)、高碳铬铁（高碳 铬铁的化学组成质量分数％为：60. 08Cr, 6. 93C, 2. 18Si, 0. 031S, 0. 046P, Fe余量）、硅钙钡 合金（硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：40. 88Si, 10. 25Ca, 11. 92Ba, 0· 37C, 0· 028P, 0 .047S，余量为Fe)和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为83. 4%，富硼渣加入质量分 数为12%，高碳铬铁加入质量分数为3. 0%，硅钙钡合金加入质量分数为1. 2%，金属铝加 入质量分数为〇. 40%。
[0023] ②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为83. 4%的高锰钢废料、 质量分数为12 %的富硼渣和质量分数为3.0 %的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到 1452°C时，加入质量分数为1. 2 %的硅钙钡合金和质量分数为0. 40 %的金属铝，保温5分 钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1393°C时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至 980?1080°C时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1 :15,水温低 于35°C。铸件在水池中冷却2小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含 富硼渣耐磨铸钢产品，其力学性能见表1。
[0024] 实施例2 :
[0025] 采用750公斤中频感应电炉熔炼含富硼渣耐磨铸钢，具体制备工艺步骤是：
[0026] ①先用高锰钢废料（高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1. 0?1.4C，11? 14Mn，0. 3?0. 8Si，彡0. 09P、彡0. 04S，余量为Fe)、富硼渣（富硼渣的化学组成质量分数％ 为：17 ?20B203, 43 ?50Mg0, 22 ?28Si02, 1 ?2A1203, 5 ?7Ca0, TFe〈l)、高碳铬铁（高碳 铬铁的化学组成质量分数％为：64. 87Cr, 7. 35C, 2. 74Si, 0. 039S, 0. 055P, Fe余量）、硅钙钡 合金（硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：44. 70Si, IL 84Ca, KX 05Ba, 0· 49C, (λ 033P, 0 .041S，余量为Fe)和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为85. 75%，富硼渣加入质量分 数为10 %,高碳铬铁加入质量分数为2. 5 %，硅钙钡合金加入质量分数为1. 5 %，金属铝加 入质量分数为〇. 25%。
[0027] ②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为85. 75%的高锰钢废料、 质量分数为10 %的富硼渣和质量分数为2. 5%的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到 1477°C时，加入质量分数为1. 5 %的硅钙钡合金和质量分数为0. 25 %的金属铝，保温3分 钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1418°C时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至 980?1080°C时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1 :18,水温低 于35°C。铸件在水池中冷却1小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含 富硼渣耐磨铸钢产品，其力学性能见表1。
[0028] 实施例3 :
[0029] 采用1000公斤中频感应电炉熔炼含富硼渣耐磨铸钢，具体制备工艺步骤是：
[0030] ①先用高锰钢废料（高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1. 0?1.4C，11? 14Mn，0. 3?0. 8Si，彡0. 09P、彡0. 04S，余量为Fe)、富硼渣（富硼渣的化学组成质量分数％ 为：17 ?20B203, 43 ?50Mg0, 22 ?28Si02, 1 ?2A1203, 5 ?7Ca0, TFe〈l)、高碳铬铁（高碳 铬铁的化学组成质量分数％为：63. 04Cr, 7. 16C, 2. 05Si, 0. 036S, 0. 051P, Fe余量）、硅钙钡 合金（硅钙钡合金的化学组成质量分数％为：43. 17Si, IL 24Ca, KX 89Ba, 0· 62C, (λ 036P, 0 .045S，余量为Fe)和金属铝配料，高锰钢废料加入质量分数为84. 5%，富硼渣加入质量分 数为11%,高碳铬铁加入质量分数为2. 8%，硅钙钡合金加入质量分数为I. 4%，金属铝加 入质量分数为〇. 30%。
[0031] ②采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为84. 5%的高锰钢废料、 质量分数为11 %的富硼渣和质量分数为2. 8 %的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温度达到 1467 °C时，加入质量分数为1. 4%的硅钙钡合金和质量分数为0. 30 %的金属铝，保温4分 钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1404°C时，将钢水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至 980?1080°C时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸件与水池中水的体积比为1 :16,水温低 于35°C。铸件在水池中冷却1. 5小时后，取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到 含富硼渣耐磨铸钢产品，其力学性能见表1。
[0032] 表1含富硼渣耐磨铸钢力学性能
[0033]
【权利要求】
1. 一种含富硼渣耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： ① 先用高锰钢废料、富硼渣、高碳铬铁、硅钙钡合金和金属铝配料，高锰钢废料加入质 量分数为83?86%，富硼渣加入质量分数为10?13%，高碳铬铁加入质量分数为2. 5? 3. 0%，硅钙钡合金加入质量分数为1. 2?1. 5%，金属铝加入质量分数为0. 25?0. 40% ; ② 采用感应电炉冶炼含富硼渣耐磨铸钢，先将质量分数为83?86%的高锰钢废料、质 量分数为10?13%的富硼渣和质量分数为2. 5?3. 0%的高碳铬铁混合加热熔化，钢水温 度达到1450?1480°C时，加入质量分数为1. 2?1. 5%的硅钙钡合金和质量分数为0. 25? 0. 40%的金属错，保温3?5分钟后，将钢水出炉，当钢水温度降至1390?1420°C时，将钢 水浇入铸型，当铸型中铸件的温度降至980?1080°C时，将铸件直接投入到水池中激冷，铸 件与水池中水的体积比为1 : (15?18)，水温低于35°C ;铸件在水池中冷却1?2小时后， 取出铸件，切割浇冒口，清理飞边、毛刺，即可得到含富硼渣耐磨铸钢产品。
2. 按照权利要求1的方法，其特征在于，高锰钢废料的化学组成质量分数％为：1.0? 1. 4C, 11 ?14Mn, 0? 3 ?0? 8Si,彡 0? 09P、彡 0? 04S,余量为 Fe。
3. 按照权利要求1的方法，其特征在于，所述富硼渣的化学组成质量分数％为：17? 20B203, 43 ?50Mg0, 22 ?28Si02, 1 ?2A1203, 5 ?7CaO, TFe〈l。
4. 按照权利要求1的方法，其特征在于，所述高碳铬铁的化学组成质量分数％为：60? 65Cr, 6. 8 ?7. 5C,彡 3. OSi,彡 0? 05S,彡 0? 06P, Fe 余量。
5. 按照权利要求1的方法，其特征在于，所述硅钙钡合金的化学组成质量分数％为： 40 ?45Si, 10 ?12Ca, 10 ?12Ba,彡 0? 8C,彡 0? 04P,彡 0? 06S,余量为 Fe。
6. 按照权利要求1 - 5所述的任一方法所得的含富硼渣耐磨铸钢。
【文档编号】C22C38/38GK104313478SQ201410490684
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】符寒光, 胡伟, 雷永平, 杨晓军, 匡加才, 秦广胜, 谢炜, 秦志华 申请人:北京工业大学