一种高硅中碳耐磨铸钢及其热处理方法与流程

本发明为一种中碳耐磨铸钢及其热处理方法，特别涉及一种高硅中碳耐磨铸钢及其热处理方法，属于耐磨合金材料技术领域。

背景技术：

磨损、断裂和腐蚀是工程结构件的三种最主要的失效方式。磨损是造成材料和能源消耗的主要原因，我国每年因磨损而消耗的耐磨材料约500万吨，并且这些失效的结构件也造成了一定的环境压力，因此开发高性能耐磨材料对节能减排和提高工程结构件的经济效益及社会效益至关重要。

粘着磨损、磨料磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等是材料磨损的几种主要类型。其中，磨料磨损最为常见，其广泛存在于矿山机械、交通运输、火力发电和航空航天等领域的材料破坏和设备失效工况中，危害较大。因此，如何提高材料的耐磨性成为人们关注的焦点。

目前提高材料耐磨性的方法主要是提高硬度，但韧性往往会下降，所以开发出一种具有优良强韧性配合的钢具有重大的战略意义。贝氏体钢以其较高的强度和韧性得到了人们的广泛关注。目前应用较多的主要是mn系中低碳空冷贝氏体钢，但这些中低碳空冷贝氏体钢的硬度较低(一般低于45hrc)，这在一定程度上限制了贝氏体钢的应用。为了提高铸钢的耐磨性，中国发明专利cn1232884a公开了一种高硅耐磨铸钢及其制备工艺。该耐磨铸钢各元素含量(质量百分比)为：0.6-1.2％c、1.8-3.0％si、0.4-0.6％mn、0.2-0.5％mo，s＜0.04％，p＜0.04％。其制备工艺包括熔铸、浇铸和热处理。熔铸采用工频、中频感应电炉或电弧炉熔炼，原材料为碳钢或硅钢下脚料，用废电极石墨及其它增碳剂增碳，硅铁合金或sic增硅，铝合金合金化。熔炼工艺与一般碳钢相同，但要严格控制夹杂物。热处理：以≤100℃/h的速度加热，在900±20℃下奥氏体化，保温1-3h(每2.5cm壁厚1h)，然后在盐浴炉(50％kon3+50％naon3)中淬火，淬火温度为280-400℃，时间为0.5-1.5h。该钢初始硬度较高，耐磨性较好，可广泛应用于中小型球磨机衬板、破碎机锤头等零件，但由于使用较多价格较高的mo元素，成本较高。中国发明专利cn104561813a还公开了一种中碳硅锰系高耐磨空冷钢及其热处理工艺，其各组分(质量分数)含量为：0.35-0.45％c，1.51-2.18％si，1.52-1.99％mn，1.13-1.62％cr，0.15-0.29％mo，0.02-0.07％al，0.025-0.1％nb，余量为铁及其它不可避免的杂质。热处理：890-980℃奥氏体化后空冷到室温，然后在160-550℃保温回火。其金相组织为贝氏体+贝氏体/马氏体。该钢硬度达到了49hrc，室温下的u型缺口冲击韧性达到了70j/cm²，抗拉强度达到了1630mpa，耐磨性较好，工艺简单，制造成本较低，可广泛应用于球磨机衬板和锤头等耐磨件，但由于含有昂贵的nb、mo元素，生产成本增加。中国发明专利cn102690988a公开了一种细晶高强硅锰贝氏体耐磨铸钢及其制备方法。该钢的化学成分及重量百分比为：c0.40-0.70％，si2.2-2.5％，mn2.4-2.8％，b0.01-0.05％，la0.005-0.01％，s＜0.04％，p＜0.04％，其余为fe及不可避免的杂质。热处理：880-950℃奥氏体化后喷水雾冷到280-320℃，然后进入加热炉在280-320℃保温后出炉空冷即得到细晶高强硅锰耐磨贝氏体铸钢。其铸态晶粒尺寸小于100um，抗拉强度大于1200mpa，硬度为48-60hrc，无缺口冲击值达到30-50j/cm²，可用于球磨机衬板，但其热处理工艺复杂，并且含有la等稀土元素，生产成本较高。

中国发明专利cn107475609a和cn108220788a公开了一种耐磨钢棒用钢、耐磨钢棒及其制备方法。该耐磨铸钢各元素含量的质量分数为：0.55-0.65％c、0.2-0.4％si、0.60-1.0％mn、0.9-1.3％cr、0.15-0.25％mo、0.1-0.2％v、0.01-0.05％ti，s≤0.020％，p≤0.020％，其余为铁以及不可避免的杂质。热处理：820-860℃奥氏体化后水淬5-15min，随后在200-350℃下保温1-3h。该耐磨钢组织为回火马氏体+托氏体+少量残余奥氏体，具有较高的淬透性和强度，硬度达到了55-60hrc，耐磨性和耐碱腐蚀性较好，但含有v、mo等昂贵金属，成本较高。

技术实现要素：

本发明公开了一种高硅中碳耐磨铸钢及其生产方法。使用廉价的硅、锰等合金元素代替昂贵的钼、镍、钒等合金元素以减少生产成本。较高的硅、锰元素含量，可以使合金钢保持较高的硬度和韧性，从而获得较高的耐磨性。通过适当的硅、锰、铬、氮和硼等合金元素的合理配比及适当温度的等温淬火处理，可以获得具有良好强韧性配合的贝氏体、残余奥氏体复相组织，硬度可以达到62hrc以上，v型缺口冲击韧性可以达到25j/cm²以上，并减少了由于淬火造成的变形和开裂，耐磨性较好。

本发明采用以下技术方案：

一种高硅中碳耐磨铸钢的各组分质量百分比如下：

0.42-0.49％c，2.63-2.75％si，2.02-2.19％mn，1.88-1.97％cr，0.33-0.38％n，0.31-0.39％al,0.0032-0.0057％b，<0.03％s,<0.04％p,余量为fe和不可避免的杂质。

本发明高硅中碳耐磨铸钢，其制备是在感应电炉内熔炼，其制造工艺步骤是：首先在感应电炉中加入废钢、废矽钢片、生铁作为初始添加材料，熔炼20-25分钟后，再依次加入fe-cr合金(如fe-62wt％cr)、fe-b合金(如fe-20wt％b)、fe-mn(如fe-78wt％mn)、废旧si3n4和金属铝，炉前调整成分合格后，将钢水升温至1675-1687℃时出炉到钢包，随后将钢水浇铸到铸型中，钢水浇铸温度1527-1536℃，钢水铸完毕后空气冷却至室温；铸件在900℃奥氏体化1h后，直接在温度为320－350℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后水冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硅中碳耐磨铸钢。

合金钢的性能是由金相组织决定的，而组织主要由化学成分及热处理工艺决定，本发明高硅中碳耐磨铸钢确定的化学成分如下：

碳：碳是保证钢的淬透性、强度和硬度的主要元素，防止淬火组织中出现铁素体。但是碳含量过高时容易获得脆性马氏体相，使钢的韧性降低，所以碳含量确定为0.42-0.49％。

锰和铬：锰和铬均是提高钢淬透性的元素。锰能降低奥氏体向铁素体的转变速度，从而降低相变驱动力，使贝氏体铁素体形核速度下降，减少了贝氏体的转变量，推迟了贝氏体的转变，但对马氏体的转变影响不大。锰还会影响钢的强度、回火脆性、过热敏感性和耐磨性，显著有利于大件空冷自硬，但加入量过高会使钢的组织粗化，残余奥氏体含量增加，不利于提高钢的硬度，所以锰含量确定为2.02-2.19％。适量的铬可以细化钢的组织，提高钢的韧性，降低钢的脆性，使钢获得高强度、高硬度、高屈服点、高耐腐蚀性、高抗氧化性和高耐磨性，所以铬含量确定为1.88-1.97％。

硅：硅是非碳化物形成元素和贝氏体铁素体强化元素，可增加奥氏体中碳的活度，并在贝氏体铁素体生长过程中强烈抑制渗碳体析出，在贝氏体铁素体片条内或片条间得到稳定的富碳残留奥氏体，有利于获得无碳化物贝氏体。另外，硅将提高钢的第一类回火脆性温度范围，使钢可以在较高温度下回火，更多地消除淬火应力。硅含量低于2.63％时，促进贝氏体转变的能力较弱，在等温转变过程中，贝氏体首先在奥氏体晶界析出，在随后的冷却过程中未转变的奥氏体转变为马氏体，其显微组织由贝氏体铁素体、马氏体和少量残余奥氏体组成，具有高的强度、硬度，而冲击韧性和断裂韧性较低；当硅含量高于2.63％时，硅抑制碳化物析出的作用显著增强，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，其显微组织由针状的贝氏体铁素体和其间分布的富碳残余奥氏体组成，材料的强韧性较好；当钢中的硅含量提高到2.75％以上时，组织中的未转变奥氏体含量较高，导致材料的硬度降低。另外，锰和硅一起添加会使钢的ttt曲线中贝氏体转变区与珠光体转变区相分离并使钢的ttt或cct曲线向右下方移动，提高钢的淬透性和韧性，有利于获得贝氏体组织，并且可以有效的提高强度和硬度，但是硅含量过高会导致钢的韧性下降。综合考虑，硅含量选择为2.63-2.75％。

硼：硼能够细化晶粒，加入钢中易形成高硬度的铁硼化合物，明显改善铸钢耐磨性，并且部分硼溶于基体，可改善基体淬透性。但是硼加入量过多，导致脆性硼化物增多，使铸钢的强度和韧性明显下降，而微量的硼能够促进贝氏体转变，所以硼含量选择为0.0032-0.0057％。

氮和铝：在钢中加入适量氮和铝，可以生成高硬度的纳米aln颗粒，弥散分布于钢基体上，大幅度提高钢的性能，另外部分氮和铝，固溶于基体，提高基体显微硬度，改善钢的耐磨性，合适的氮、铝加入量分别为0.33-0.38％n，0.31-0.39％al。

高硅中碳耐磨铸钢的热处理为：

铸件经900℃奥氏体化1h后，直接在温度为320－350℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后水冷到室温，可获得强韧性和耐磨性较好的高硅中碳耐磨铸钢。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明高硅中碳耐磨铸钢以廉价的废旧si3n4、废矽钢片、锰、铬等元素为主要添加元素，不含镍、钼、钒等贵重合金元素，原材料来源丰富，生产成本低廉；

2)本发明材料中，加入较多的硅元素和锰元素并采用等温淬火，可提高钢的淬透性并形成高强度和高韧性的无碳化物下贝氏体，可明显提高铸钢硬度和韧性并改善铸钢耐磨性；此外，在钢中加入适量氮和铝，可以生成高硬度的纳米aln颗粒，弥散分布于钢基体上，大幅度提高钢的耐磨性；

3)本发明采用等温淬火后水冷的热处理工艺，可获得硬度大于62hrc，v型缺口冲击韧性大于25j/cm²，耐磨性好的高硅中碳耐磨铸钢，用于制造破碎机锤头和破碎机颚板，耐磨性比高锰钢提高3倍以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为高硅中碳耐磨铸钢340℃等温淬火后的sem图。

具体实施方式

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。

实施例1：

一种高硅中碳耐磨铸钢及其热处理方法，其特征在于用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先在中频感应电炉内加入废钢、废矽钢片、生铁作为初始添加材料，熔炼20分钟后，再依次加入fe-62wt％cr，fe-20wt％b，fe-78wt％mn，废旧si3n4和金属铝，铸钢化学组成及其质量分数控制为0.42％c，2.75％si，2.02％mn，1.97％cr，0.33％n，0.39％al,0.0032％b，0.024％s,0.029％p,余量为fe和不可避免的杂质；炉前调整成分合格后，将钢水升温至1675时出炉到钢包，随后将钢水浇铸到铸型中，钢水浇铸温度1527℃，钢水浇铸完毕后空气冷却至室温；铸件经清砂打磨后，在900℃奥氏体化1h后，直接在温度为320℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后水冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硅中碳耐磨铸钢，其力学性能见表1。

实施例2：

一种高硅中碳耐磨铸钢及其热处理方法，其特征在于用1000公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先在中频感应电炉内加入废钢、废矽钢片、生铁作为初始添加材料，熔炼25分钟后，再依次加入fe-62wt％cr，fe-20wt％b，fe-78wt％mn，废旧si3n4和金属铝，铸钢化学组成及其质量分数控制为0.49％c，2.63％si，2.19％mn，1.88％cr，0.38％n，0.31％al,0.0057％b，0.020％s,0.033％p,余量为fe和不可避免的杂质；炉前调整成分合格后，将钢水升温至1687℃时出炉到钢包，随后将钢水浇铸到铸型中，钢水浇铸温度1536℃，钢水浇铸完毕后空气冷却至室温；铸件经清砂打磨后，在900℃奥氏体化1h后，直接在温度为350℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后水冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硅中碳耐磨铸钢，其力学性能见表1。

实施例3：

一种高硅中碳耐磨铸钢及其热处理方法，其特征在于用3000公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先在中频感应电炉内加入废钢、废矽钢片、生铁作为初始添加材料，熔炼22分钟后，再依次加入fe-62wt％cr，fe-20wt％b，fe-78wt％mn，废旧si3n4和金属铝，铸钢化学组成及其质量分数控制为0.45％c，2.66％si，2.06％mn，1.92％cr，0.35％n，0.34％al,0.0040％b，0.017％s,0.015％p,余量为fe和不可避免的杂质；炉前调整成分合格后，将钢水升温至1682℃时出炉到钢包，随后将钢水浇铸到铸型中，钢水浇铸温度1531℃，钢水浇铸完毕后空气冷却至室温；铸件经清砂打磨后，在900℃奥氏体化1h后，直接在温度为340℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后水冷至室温，可获得强韧性和耐磨性好的高硅中碳耐磨铸钢，其力学性能见表1。

实施例4：

一种高硅中碳耐磨铸钢及其热处理方法，其特征在于用1500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先在中频感应电炉内加入废钢、废矽钢片、生铁作为初始添加材料，熔炼23分钟后，再依次加入fe-62wt％cr，fe-20wt％b，fe-78wt％mn，废旧si3n4和金属铝，铸钢化学组成及其质量分数控制为0.47％c，2.71％si，2.11％mn，1.95％cr，0.36％n，0.38％al,0.0049％b，0.025％s,0.022％p,余量为fe和不可避免的杂质；炉前调整成分合格后，将钢水升温至1679℃时出炉到钢包，随后将钢水浇铸到铸型中，钢水浇铸温度1533℃，钢水浇铸完毕后空气冷却至室温；铸件经清砂打磨后，在900℃奥氏体化1h后，直接在温度为335℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间2h，随后水冷至室温，可获得强韧性和耐磨性较的高硅中碳耐磨铸钢，其力学性能见表1。

磨损试验在mm-200型环块磨损试验机上进行，试验载荷为294n，时间为120min，试验机转速为200转/分，磨损试样每30min称重一次。对磨环材料为gcr15，其硬度为60-62hrc。铸钢的磨损失重如表1所示。

表1高硅中碳耐磨铸钢力学性能

本发明高硅中碳耐磨铸钢以廉价的废旧si3n4、废矽钢片、锰、铬等元素为主要添加元素，不含镍、钼、钒等贵重合金元素，原材料来源丰富，生产成本低廉；本发明材料中，加入较多的硅元素和锰元素并采用等温淬火，可提高钢的淬透性并形成高强度和高韧性的无碳化物下贝氏体，可明显提高铸钢硬度、强度和韧性、延伸率并改善铸钢耐磨性；此外，在钢中加入适量氮和铝，可以生成高硬度的纳米aln颗粒，弥散分布于钢基体上，大幅度提高钢的耐磨性；本发明采用等温淬火后水冷的热处理工艺，可获得硬度大于62hrc，v型缺口冲击韧性大于25j/cm²，耐磨性好的高硅中碳耐磨铸钢，用于制造破碎机锤头和破碎机颚板，耐磨性比高锰钢提高3倍以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。