用于制备高耐磨性马氏体铸钢的方法和具有所述特性的钢的制作方法
【专利说明】用于制备高耐磨性马氏体铸钢的方法和具有所述特性的钢
[0001] 申请领域
[0002] 本发明涉及耐磨金属性材料、特别是用于采矿应用的抵抗由于磨蚀和冲击的磨损 的铸钢的领域。更特别地，本发明涉及用于制备铸钢的方法，通过该方法获得耐磨钢，该耐 磨钢具有主要是马氏体的显微组织以及其结合微合金化添加的化学组成的合适平衡，使得 可以获得用于采矿应用例如研磨、破碎和所有需要具有高磨蚀和冲击耐磨性的大部件的那 些应用中使用的复杂几何形状的大部件中的高淬透性和完全硬化。特别地，本发明的方法 和钢用于制作球磨机中使用的大部件、破碎机的凹块和半自磨机（还称作SAG磨机）的盖 体。甚至更特别地，本发明涉及主要是马氏体组织的铸钢，其具有用于上述应用中的在磨蚀 和冲击条件下的高硬度和耐磨性。
[0003] 技术问题
[0004] 在现有技术中已知制备用于采矿应用的钢的各种方法。然而，通过这些方法获得 的部件的有用寿命不能满足制备需要。特别地，已知的方法不提供这样的马氏体钢：具有 高磨蚀和冲击耐磨性并且其淬透性足以在用这种钢制作的大厚度和复杂几何形状的部件 (当通过空气淬硬和回火对它们进行处理时，厚度通常最高至14英寸）的整个横截面中确 保高硬度。
[0005] 现有技术的解决方案
[0006] 没有确定用于制备空气淬硬铸钢的方法，该方法能够提供例如由本发明所提供的 合金，该合金具有用于需要经受磨蚀和冲击的大部件（例如用于研磨和破碎的抗磨衬里） 的采矿应用中的高硬度和优异的耐磨性。
[0007] -般地说，可将在前述采矿应用中通常采用的铸钢分类为：i)Hadfield型奥氏体 锰钢；ii)具有主要是珠光体显微组织的Cr-Mo低合金钢；和iii)具有低到中等碳含量、具 有马氏体显微组织的低合金钢。如下文详细解释的，这些钢都没有有效地解决前述的问题。
[0008] Hadfield型的奥氏体锰钢（例如标准ASTM A128中描述的那些），具有高韧性和 通过冷变形而硬化的高容量，并且主要用于矿石破碎设备的衬里。然而，当机械应力不足以 通过冷变形产生高水平硬化时，奥氏体锰钢不可避免地展现出低耐磨性。
[0009] 另一方面，具有主要是珠光体显微组织的Cr-Mo低合金钢，对应于具有通常 由 0? 55-0. 85 % C、0. 30-0. 70 % Si、0. 60-0. 90 % Mn、0. 0-0? 20 % Ni、2. 0-2. 50 % Cr、 0. 30-0. 50% Mo、小于0. 050% P、小于0. 050% S给出的化学组成的钢，其通过正火和回火 热处理而获得，达到275 - 400BHN范围内的布氏硬度。这些钢在过去30年的过程中广泛 用于SAG磨机的壳体，具有可接受的结果而没有做出任何大的改变。
[0010] 使用具有主要是珠光体显微组织的Cr-Mo低合金钢的主要限制因素在于，不可能 通过增加硬度来提高它们的耐磨性，而不对韧性具有不利影响。
[0011] 最后，常用于采矿工业中的另一种类型的钢对应于具有低至中等碳含量、主要具 有马氏体显微组织的低合金钢。通过剧烈硬化和回火的热处理获得这些钢，取决于该合金 的具体化学组成和热处理中所使用的条件，达到321 - 551BHN范围内的布氏硬度。目前， 这些钢广泛用于破碎机的凹块、运土设备的铲齿、出料槽和抗磨板，所有这些部件具有通常 小于8英寸（20.3cm)的厚度。然而，这些钢的主要限制因素是：
[0012] 对于厚度高于6英寸（15. 2cm)的部件，它们不具有用于保证穿过该部件的横截面 即从表面到芯部的恒定高硬度的充足淬透性。
[0013] 具有低至中等碳含量的低合金钢需要较高的冷却速率以获得马氏体组织，通常采 用水或油作为淬火介质。这不仅导致较高的制造成本，而且还使得不可能制备大部件或具 有大的截面变化的复杂几何形状。
[0014] 因此，尽管在现有技术中存在制备用于采矿应用的钢的方法，但是发明人没有发 现能够制备本发明中指定的组成和显微组织的铸钢并且另外展示将在下文中讨论的优点 的方法的任何公开。
[0015] 作为一个实例，TAMURA Akira等人的文献JP 2000 328180涉及主要是马氏体显 微组织的耐磨铸钢，其用于水泥工业、陶瓷工业等使用的磨机的部件。然而，这种钢的化学 组成基本上不同于通过本发明的方法获得的钢。JP 2000 328180中描述的钢具有优选在 3. 8和4. 3% w/w之间的铬含量。此外，所述文献教导尽管大于5. 0% w/w的铬含量增加耐 磨蚀性，但是劣化了钢的韧性。相比之下，本发明描述了具有主要是马氏体显微组织的钢， 其具有在4. 5和6. 5% w/w之间、更优选在4. 8和6. 0% w/w之间的铬浓度并且在经受磨蚀 和冲击的大部件中具有高硬度和优异的耐磨性。
[0016] 另外，文献JP 2000 328180中描述的钢没有公开如本发明所考虑的钛、锆和/或 铌的微添加。这篇文献也没有公开硼和/或稀土的任选添加。
[0017] 相反地，本发明人的智利专利申请号2012-02218涉及用于制备具有提尚的耐 磨性的铸钢，该铸钢具有主要是贝氏体显微组织和用于采矿操作例如研磨、破碎或涉及 剧烈磨蚀和冲击的其它操作中的大部件的韧性和硬度的合适平衡，以重量百分数表示 该铸钢的化学组成包含：〇? 30-0. 40 % C、0. 50-1. 30 % Si、0. 60-1. 40 % Mn、2. 30-3. 20 % Cr^0.0 -1.00 % Ni^O. 25-0. 70 % Mo^O. 〇-〇. 50%Cu^O. 〇-〇. 10 % AU0. 〇-〇. 10%Ti^ 0? 0-0? 10% Zr、低于 0? 050% P、低于 0? 050% S、低于 0? 030% N、任选低于 0? 050% Nb、任选 0? 0005-0. 005% B、任选 0? 015-0. 080%稀土和低于 0? 020%的残余含量的 W、V、Sn、Sb、Pb 和Zn，并且余量为铁。
[0018] 然而，通过智利申请号2012-02218中描述的方法获得的钢的化学组成和显微组 织都不同于本申请中描述的那些。该现有技术文献描述了主要是贝氏体显微组织的钢，其 在剧烈的磨蚀和冲击下具有高耐磨性，并且具有韧性和硬度的合适平衡，而本申请涉及具 有高硬度和在磨蚀和冲击下的优异耐磨性的马氏体钢。此外，智利号2012 - 02218的钢具 有比本文献中公开的钢低得多的铬含量。
[0019] JOHANSSON,Bdrje等人的文献W089/03898公开了使用铸造工具钢制作用于汽 车车体制作的模锻钢板的大锻造模具。可通过整个部件的空气淬硬来加工所述钢，或者可 通过火焰加热淬火或感应加热淬火以及通过化学气相沉积（CVD)或氮化施加表面涂层以 获得高硬度的薄表面膜来使所述钢局部硬化。与通过本发明的方法获得的钢（其包括介于 0. 35和0. 55% w/w之间的碳含量）相比，W0 89/03898的实施例中的钢具有大于或等于由 本发明所考虑的最大含量的碳含量。此外，所述文献公开了比其中确定的那些更低的碳含 量不允许达到足够的硬度。
[0020] 另外，文献W089/03898中描述的钢没有公开钛、锆和/或铌的微添加，例如本发明 中所考虑的那些。
[0021] 另一方面，DORSCH，Carl J.等人的文献EP 0 648 854公开了在用于熔融金属的 注射模具或用于热加工的工具的其它部件的制造中使用的热加工工具钢及其制造方法。 所述钢通过粉末冶金技术获得并且包括预合金化颗粒，该预合金化颗粒具有介于0. 05和 0. 30% w/w之间的硫含量。该发明的目的是提供可高度机加工的钢，该钢具有冲击韧性、可 机加工性和高温疲劳强度的改进组合。
[0022] 与本申请对比，文献EP 0 648