本发明涉及耐磨金属材料技术领域，具体涉及一种中铬抗冲击高温耐磨合金钢及其制备方法。
背景技术：
合金钢是在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。
中国专利CN1335417公开了一种高温耐磨合金钢，其特征在于：采用下述组分和重量百分含量的原料通过熔炼和其它工艺流程生产制得的：77.5-79％的废钢，18.3-207％的高碳铬铁，0.67-1.0％的钼铁，0.33-0.5％的钒铁，适量的硅、锰脱氧剂，0.05-0.1％的钛铁，0.02-0.05％的锆，0.6-1.2％的铝和0.12-0.5％的稀土元素，这样制得的合金钢含碳1.45-1.70％，含铬11.0-12.5％，含钼0.4-0.6％，含钒0.15-0.30％，含钛0.02-0.05％，含锆0.02-0.05％，含铝0.6-1.2％，含稀土元素0.05-0.15％。该专利文献公开的高温耐磨合金钢，其采用增大碳和高合金元素的配比，虽然提高了一定的耐磨性能，但是大大增加了合金成本，且制造出的合金钢性能接近铁，脆性较大，韧性较差，不适合国内民用使用和推广。
中国专利CN105385939A公开了一种高强度高韧性合金钢的制造方法，其特征在于，包括由以下重量百分比的化学成分制备而成：碳0.3-0.58％、硅0.25-1.38％、锰0.55-1.55％、磷≤0.025％、硫0.02-0.025％、铬0.09-1.32％、镍0.28-0.62％、钼0.02-0.035％、钛0.18-0.20％、钒0.2-0.5％、钨0.4-0.9％、铌0.3-0.6％、钴0.11-0.15％、铜0.2-0.8％、铝≤0.2％、硼≤0.15％和氮≤0.3％。该专利文献公开的高强度高韧性合金钢的制造方法，以中碳钢生产，虽然硬度较高，但韧性较差，制备得到的合金钢脆性较大，用于打鹅卵石，合金钢容易损坏。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请提供一种成本低，抗冲击韧性高，耐磨性高、硬度高的中铬抗冲击高温耐磨合金钢及其制备方法。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种中铬抗冲击高温耐磨合金钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.10-0.50％，硅0.4-2.2％，锰0.5-1.5％，磷＜0.04％，硫＜0.04％，铬3.5-7.9％，镍0.2-2.2％，钼0.1-0.7％，硼0-0.2％，铝0.1-0.5％，铈0.2-1.2％，锡0.02-0.20％，钒0-0.8％，钨0.1-1.5％，铜0.05-0.4％，钽0.005-0.020％，钴0.05-0.20％，镐0.05-0.25％，镁0.01-0.04％，钙0.003-0.015％，钛0-0.08％，铌0-0.15％，余量为铁。
优选的，所述中铬合金钢包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.15-0.40％，硅0.6-2.0％，锰0.8-1.3％，磷＜0.04％，硫＜0.04％，铬3.5-7.9％，镍0.3-2.0％，钼0.1-0.5％，硼0-0.1％，铝0.1-0.3％，铈0.3-1.0％，锡0.02-0.15％，钒0-0.5％，钨0.1-1％，铜0.05-0.3％，钽0.005-0.015％，钴0.05-0.15％，镐0.05-0.2％，镁0.01-0.03％，钙0.003-0.01％，钛0-0.08％，铌0-0.15％，余量为铁。
本发明还提供了一种中铬抗冲击高温耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取废铁、废钢、铈稀土和含有硅、锰、铬、镍、钼、硼、铝、锡、钒、钨、铜、钽、钴、镐、镁、钙、铌、钛的合金；
(2)将步骤(1)中的配料放入中频炉内，向中频炉通低电流预热，预热后全负荷送电，至中频炉内配料熔化；
(3)将步骤(2)中熔化后的配料取样，分析测出硅、锰、铬、镍、钼、硼、铝、锡、钒、钨、铜、钽、钴、镐、镁、钙和铌的重量百分比含量，与目标值对比分析，继续加入废钢、石墨和含有铬、镍、钼、钒、钨、铜、钽、钴、镐、镁、钙和铌的合金直至熔化；熔化铁水达中频炉体积的一半时加铬铁合金；铬铁合金熔化除渣后，加入铝、硼、铈稀土和钛合金熔化；熔化后加硅锰合金；调整硅、锰、铬、镍、钼、硼、铝、锡、钒、钨、铜、钽、钴、铌、镐、镁、钙和铈稀土的重量百分比含量配比接近工艺目标值，加入石墨调整碳的含量配比接近工艺目标值；在出中频炉前5分钟加铈稀土和锡合金使铈和锡的重量百分比含量达到工艺目标值，得到熔料；
(4)将步骤(3)得到的熔料在温度为1600℃～1700℃时加入脱氧剂，然后出中频炉进行浇注成型得到合金钢；
(5)将步骤(4)浇注成型后得到的合金钢进行热处理即得成品。
优选的，所述步骤(2)中中频炉炉底垫有热石灰。
优选的，所述所述步骤(4)中的脱氧剂选自铝锰铁、钢芯铝、碳化硅中的任意一种。
脱氧剂是铝锰铁、钢芯或碳化硅，任意选取这样的脱氧剂能够与铁水中溶解的氧反应，主要生成非金属化合物，形成沉淀上浮至渣层中，加以除去即可得纯净的铁水，从而能够保证合金钢的基本强度。
优选的，所述步骤(5)中热处理具体为扩散球化，淬火，回火。
优选的，所述步骤(5)中扩散球化具体为将步骤(4)浇注成型后的合金钢加热至1200℃，保温1.5～2.5小时，然后将其温度降到750℃，保温1～2小时，最后随中频炉冷却至室温。
采用这样特定的温度加热既能保证片状珠光体消失，又能保留一部分未完全溶于奥氏体的碳化物，作为球化核心，最终形成较粗大的颗粒状碳化物的正常球化组织，使化学成分均匀，提高合金钢的强度。
更优选的，所述步骤(5)中扩散球化具体为将步骤(4)浇注成型后的合金钢加热至1200℃，保温2小时，然后将其温度降到750℃，保温1.5小时，最后随中频炉冷却至室温。
优选的，所述步骤(5)中淬火具体为扩散球化后得到的合金钢加热到1100℃，随即将其浸入水中冷却。
优选的，所述步骤(5)中回火具体为将淬火后的合金钢重新加热到530℃，并保温2～3小时，最后随中频炉冷却至室温。
经淬火后的合金钢能够使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织。
更优选的，所述步骤(5)中回火具体为将淬火后的合金钢重新加热到530℃，并保温2.5小时，最后随中频炉冷却至室温。
经回火后的合金钢，能够消除淬火应力，并使残余奥氏体转变为贝氏体而提高硬度，进而保障合金钢的耐磨性、硬度和韧性
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：本发明采用低碳，碳溶于铁形成固溶体，随着碳的含量的变化合金钢的硬度也会发生变化，碳含量越高，硬度越高，本发明中将碳含量特定的控制在0.15-0.40％，含碳量比较低，机体是铁素体，韧性好，但是硬度较低，硼是提高合金钢的均匀性；锰也能强化铁素体，锰溶于渗碳体中，获得合金渗碳体(FeMn)3C，同时又能使珠光体变细，能够有效脱硫、磷有害元素，铬能生成碳化物Cr7C3、(CrFe)23C6，提高钢的硬度，起到强化弥散作用；钼能够细化晶粒，防止回火脆性。硅的含量特定的控制在0.6-2.0％、锰的含量特定地控制在0.8-1.3％，能够增加淬硬层深度，保障合金钢的耐磨性，而且能够有效规避钢的回火脆性；钼的含量特定的控制在0.1-0.5％，能够进一步消除回火脆性，在保证合金钢延展性的同时能形成稳定的、弥散分布的碳化物相，进一步保障合金钢的强度；采用高铬，特定的将铬的含量控制在3.5-7.9％，能够提高硬度。采用低硼，特定的将硼含量控制在0-0.1％，硼溶于奥氏体时，溶解度低于0.03％；游离出来的硼元素与铁发生化学反应，生产硼化铁，能够保障耐磨性，且溶于奥氏体的硼元素能够阻止铁素体自身生核，使铁素体围绕硼元素生核，使淬透性提高，且均匀性好。特定的采用了铈稀土，铈稀土能够细化晶粒，净化熔体，消除柱状晶，提高致密性；将铈的含量特定的控制在0.3-1.0％，铈与锡生成铈锡化合物，而没有发生化学反应的铈元素，则往晶界偏移，并且镶嵌在晶界的界面上，防止阻碍锡原子发生偏析现象，让游离的锡原子镶嵌在铁原子之间，由于锡原子的原子半径比铁原子的原子半径大，使铁素体发生晶格变形，从而使机体硬度、强度发生变化。将镍的含量控制在0.3-2.0％，镍钉扎在机体中，既能阻碍硬质化合物往晶界偏析，又能使产生晶格变形的机体难以恢复，提高其冲击韧性；随着镍元素的增加，在重量分数不大于2.5％的情况下，其韧性是逐渐增加的，加大阻止硬质合金往晶界偏析的力度，能更有效地阻止硬质合金往晶界偏析。铌元素的增加，能进一步生成铌硼相，铌硼相能有效阻止硬质合金发生晶界偏析现象，又能细化晶粒；使Ms点(奥氏体与马氏体的临界点，临界点提高，获得的奥氏体增多)提高，减少马氏体量，通过缓慢冷却，使得奥氏体相增加；合金钢通过热处理能获得更细化的奥氏体颗粒。钛是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒；降低时效敏感性和冷萃性。改善焊接性能。钛是化学性质非常活泼的金属，与钢中的氧、硫、碳、氮都容易形成化合物。钛在固态时有结构转变，这种同素异构转变决定了钛作为微合金化元素的加入。钛含量约在0.02％时，具有较佳的抑制奥氏体晶粒粗化的效果，但并不产生明显的强化作用。钛与硫的亲和力大于锰和硫的亲和力，而且TiS比MnS更稳定，所以钛的去硫效果非常显著。但是TiS的生成自由能与TiN、TiC差不多，所以碳氮含量高时，会影响钛的脱硫作用。钛在钢中形成非常稳定、弥散、高溶点、高硬度的碳化物，另外钛还可以消除不锈钢的晶间腐蚀倾向。但如果形成较多的铁素体和TiN夹杂物，这种夹杂物会影响钢的抗蚀性。钛在钢中优先与氧化学合成TiO2。形成极细化合物，铁素体可围绕其生核，能阻止晶粒长大，由固态下高温析出的、弥散分布的TiN，对阻止奥氏体晶粒的长大最有有效，含钛非调质加热至1250℃，仍具有较细的奥氏体晶粒，适量的Ti起定氮固马氏体作用。适量镁、钙的增加既可以更好的形成弥散稳定的极细氧硫化合物，形成形核中心，细化晶粒，提高韧性。镁镐元素的增加，产生明显的固溶强化作用，细化晶粒，提高强度，同时硼、镐浓度一定时生成ZrB等高硬化合物，提高合金的耐磨性。
综上所述，本发明采用特定的配比，制备得到的合金钢，既能够保证高韧性和抗冲击性能，又能够提高耐磨性和硬度，本发明，依次通过配料、熔炼、取样调整、浇注成型、热处理的制备方法。既能够保证一定的耐磨性和硬度，又能够大大的提高其韧性，抗冲击性能好，铸件抗冲击功13-25焦耳，能够轻易击碎鹅卵石，具有冶炼成本小，工艺易于控制的特点，适合于民用使用和推广。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.15％，硅1.0％，锰0.8％，磷0.01％，硫0.01％，铬3.5％，镍0.3％，钼0.1％，硼0.03％，铝0.1％，铈0.5％，锡0.02％，钒0.3％，钨0.1％，铜0.05％，钽0.005％，钴0.05％，镐0.05％，镁0.02％，钙0.004％，钛0.01％，铌0.05％，余量为铁。
其制备方法具体为：
(1)确定工艺目标值，重量百分比配比如下：
碳0.15％，硅1.0％，锰0.8％，磷0.01％，硫0.01％，铬3.5％，镍0.3％，钼0.1％，硼0.03％，铝0.1％，铈0.5％，锡0.02％，钒0.3％，钨0.1％，铜0.05％，钽0.005％，钴0.05％，镐0.05％，镁0.02％，钙0.004％，钛0.01％，铌0.05％，余量为铁。
(2)配料：选取废铁、废钢、铈稀土和含有硅、锰、铬、镍、钼、硼、铝、锡、钒、钨、铜、钽、钴、镐、镁、钙和铌的合金；
(3)熔炼：先将步骤(2)中的配料放入炉底垫有热石灰的中频炉内，再向中频炉通低电流，中频炉内配料预热后全负荷送电，直至中频炉内配料熔化；
(4)取样调整：将步骤(3)中熔化后的配料取样，根据药水或光谱仪分析测出硅、锰、铬、镍、钼、硼、铝、锡、钒、钨、铜、钽、钴、镐、镁、钙和铌的重量百分比含量，并根据a步骤中的工艺目标值对比分析，加入废钢、石墨和含有铬、镍、钼、钒、钨、铜、钽、钴、镐、镁、钙和铌的合金直至熔化继续加料；熔化铁水达中频炉体积的一半时加铬铁合金；铬铁合金熔化除渣后，加入铝、硼、铈稀土和钛合金熔化；熔化后加硅锰合金；调整硅、锰、铬、镍、钼、硼、铝、锡、钒、钨、铜、钽、钴、铌、镐、镁、钙和铈稀土的重量百分比含量配比接近工艺目标值，加入石墨调碳的含量配比接近工艺目标值；在出中频炉前5分钟加铈稀土和锡合金使铈稀土和锡的重量百分比含量达到工艺目标值；
(5)浇注成型：经步骤(4)达到工艺目标值后的熔料在温度为1650摄氏度时加入铝锰铁，然后出中频炉；
(6)热处理：将步骤(4)浇注成型后的合金钢进行扩散球化，淬火，回火即得成品，其中扩散球化是指将浇注成型后的合金钢加热至1200℃，并保温2小时，然后将温度降到750℃时，保温1.5小时，最后随中频炉冷却；淬火是指将分布于基体上的碳化物经扩散球化后而得到的合金钢加热到1100℃时，随即将其浸入水中冷却；回火是指将淬火后的合金钢重新加热到530℃，并保温2.5小时，最后随中频炉冷却。
实施例2
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.2％，硅1.5％，锰1.12％，磷0.03％，硫0.01％，铬4％，镍0.8％，钼0.23％，硼0.01％，铝0.16％，铈0.7％，锡0.06％，钒0.5％，钨0.8％，铜0.13％，钽0.008％，钴0.062％，镐0.1％，镁0.02％，钙0.003％，钛0.04％，铌0.12％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例3
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.3％，硅1.8％，锰1.3％，磷0.03％，硫0.01％，铬7.5％，镍2％，钼0.5％，硼0.08％，铝0.3％，铈1.0％，锡0.1％，钒0.4％，钨1.0％，铜0.3％，钽0.015％，钴0.15％，镐0.06％，镁0.02％，钙0.005％，钛0.08％，铌0.15％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例4
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.15％，硅1.8％，锰1.3％，磷0.03％，硫0.01％，铬5％，镍2％，钼0.5％，硼0.1％，铝0.3％，铈0.8％，锡0.08％，钒0.5％，钨1.0％，铜0.3％，钽0.015％，钴0.15％，镐0.09％，镁0.02％，钙0.003％，钛0.08％，铌0.15％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例5
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.4％，硅2.0％，锰1.2％，磷0.01％，硫0.02％，铬7.9％，镍2.0％，钼0.5％，硼0.1％，铝0.3％，铈1.0％，锡0.1％，钒0.5％，钨1％，铜0.3％，钽0.010％，钴0.10％，镐0.10％，镁0.025％，钙0.005％，钛0.08％，铌0.15％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例6
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.25％，硅2.0％，锰1.1％，磷0.02％，硫0.01％，铬5.8％，镍2.0％，钼0.3％，硼0.1％，铝0.3％，铈0.5％，锡0.1％，钒0.5％，钨1％，铜0.3％，钽0.010％，钴0.10％，镐0.06％，镁0.02％，钙0.005％，钛0.08％，铌0.15％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例7
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.15％，硅2.0％，锰1.3％，磷0.01％，硫0.01％，铬4.0％，镍2.0％，钼0.3％，硼0.1％，铝0.15％，铈0.5％，锡0.05％，钒0.5％，钨1％，铜0.3％，钽0.010％，钴0.10％，镐0.06％，镁0.02％，钙0.007％，钛0.04％，铌0.10％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例8
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.15％，硅2.0％，锰1.3％，磷0.01％，硫0.01％，铬4.5％，镍0.8％，钼0.2％，硼0.1％，铝0.1％，铈0.6％，锡0.07％，钒0.3％，钨0.8％，铜0.3％，钽0.010％，钴0.10％，镐0.06％，镁0.02％，钙0.007％，钛0.04％，铌0.10％，余量为铁。
其制备方法除工艺目标值不同外其余各步骤同实施例1。
实施例9
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.25％，硅2.0％，锰1.3％，磷0.01％，硫0.01％，铬6.0％，镍0.8％，钼0.2％，硼0.1％，铝0.1％，铈0.6％，锡0.07％，钒0.3％，钨0.8％，铜0.3％，钽0.010％，钴0.10％，镐0.06％，镁0.02％，钙0.007％，钛0.04％，铌0.10％，余量为铁。
实施例10
一种中铬抗冲击高温合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.25％，硅2.0％，锰0.8％，磷0.02％，硫0.01％，铬5.5％，镍0.8％，钼0.2％，硼0.1％，铝0.1％，铈0.6％，锡0.07％，钒0.3％，钨0.8％，铜0.3％，钽0.010％，钴0.10％，镐0.06％，镁0.02％，钙0.01％，钛0.08％，铌0.10％，余量为铁。
对比例1
一种高温耐磨合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：77.5～79％的废钢，18.3～20.7％的高碳铬铁，0.67～1.0％的钼铁，0.33～0.5％的钒铁，适量的硅、锰脱氧剂，0.05～0.1％的钛铁，0.02～0.05％的锆，0.6～1.2％的铝和0.12～0.5％的稀土元素，这样制得的合金钢含碳1.45～1.70％，含铬11.0～12.5％，含钼0.4～0.6％，含钒0.15～0.30％，含钛0.02～0.05％，含锆0.02～0.05％，含铝0.6～1.2％，含稀土元素0.05～0.15％。
具体制备方法为：将234.5kg废钢、60kg高碳铬铁和3kg钼铁装入中频炉中进行熔炼，然后在出炉前8分钟在炉中加入1.5kg钒铁以及适量的锰脱氧剂，最后加入0.3kg钛铁、0.3kg锆、3kg铝、0.75kg铈和镧；将熔炼后按导卫轮工件造型进行砂型浇注所得的导卫轮合金钢件分两次进行退火，第一次是在1100℃进行扩散均匀退火，保温7小时，然后随炉冷却，第二次是球化退火，导卫轮合金钢件随炉升温至860℃，保温3小时后随炉冷却至730℃，再保温6小时，随炉冷至500℃出炉，空冷至室温；净退火处理所得的导卫轮合金钢件经粗加工后进行淬火处理，淬火温度取1000℃，保温时间为0.5～1小时，空冷至室温；将经淬火处理后的导卫轮合金钢件进行两次回火处理，温度选为220℃，得到成品。
对比例2
一种高温耐磨合金钢，包括以下重量百分比的化学元素成分：碳0.3％、硅0.25％、锰0.55％、磷≤0.025％、硫0.02％、铬0.09％、镍0.28％、钼0.02％、钛0.18％、钒0.2％、钨0.4％、铌0.3％、钴0.11％、铜0.2％、铝≤0.2％、硼≤0.15％、氮≤0.3％余量为铁和不可避免的杂质。
其制备方法具体为：
S1、称取化学成分为碳0.3％、硅0.25％、锰0.55％、磷≤0.025％、硫0.02％、铬0.09％、镍0.28％、钼0.02％、钛0.18％、钒0.2％、钨0.4％、铌0.3％、钴0.11％、铜0.2％、铝≤0.2％、硼≤0.15％、氮≤0.3％和不可避免的杂质,进行混合投入冶炼炉中进行冶炼，得到合金钢坯料；
S2、将步骤S1中得到的合金钢坯料经过退火之后，放置锻造机上进行高温锻造，得到合金钢粗品；
S3、将步骤S2所得的合金钢粗品经过热处理之后，依次进行初热轧和精细热轧操作，得到高强度高韧性合金钢成品；
S4、将步骤S3所得的高强度高韧性合金钢成品经过退火热处理之后，冷却至室温，通过检验、包装入库。
所述步骤S1中冶炼温度加热到380℃，然后以≤100℃/h的速度升温至830℃，熔炼时间为2小时，然后以≤50℃/h的速度降温至100℃℃，然后空气冷却至室温。
所述步骤S2中退火以≤50℃/h的速度降温至100℃℃，然后空气冷却至室温，退火时间1小时。
所述步骤S2中锻造温度先加热升温至640℃℃，保持此温度1h，然后升温至900℃℃并保持此温度0.75h，然后升温至1066℃℃。
所述步骤S3中初热轧温度为1150℃℃，时间为1h，精细热轧温度为800℃℃，时间为0.5h。
所述步骤S4退火热处理温度为500℃。
实施例11
为进一步说明本发明的性能，将本发明的实施例1～10与现有对比例1～2的机械性能做出了对比，如下表：
由上表可以看出，通过本申请的配比和制备方法制备出的合金钢不仅保证了一定硬度，并极大的提高了其抗冲击性、韧性和耐磨性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。