專利名稱：一種低合金高耐磨鑄鋼的制備方法
技術領域：
本發明涉及ー種在沖擊作用下使用的耐磨鑄鋼制造技木，特別涉及ー種低合金高耐磨鑄鋼的制備方法。
背景技術：
磨損是 ·エ業領域和日常生活中常見的現象，也是造成材料和能源損失的ー個重要原因，這ー古老而又復雜的問題一直是人們關注的焦點之一。磨損是材料主要失效形式之一，它所造成的經濟損失是十分巨大的。如美國80年代公布的數字，毎年由于磨損而造成的損失高達十億美元，前蘇聯由于磨損造成的損失，每年達120億盧布，聯邦德國因摩擦磨損造成的損失每年超過100億的西德馬克。目前我國尚缺乏全面的統計，但各方面的報導表明，由于材料的耐磨性較差，我國大量基礎零件的磨損壽命大幅度低于國外發達國家產品的水平，因此直接或間接經濟損失是十分驚人的。僅在冶金、能源、礦山、建材等行業的不完全統計，以破碎物料為例。姆年需要消耗磨球120萬噸,襯板40萬噸。折合人民幣約七十多億元。因此如何提高耐磨件的使用壽命。開發新型耐磨材料已成為國內外研究和生產部門急需解決的重大課題。目前，我國的礦山、煤礦、油田、電カ等行業生產中，國外先進的礦用工程機械占有較大比例。據統計，毎年需要從國外進ロ補充的耐磨備件就達100萬噸，相當于15-20億元。因此，研究新型耐磨材料，實現進ロ耐磨配件的國產化具有重要的社會和經濟意義。由于摩擦磨損的復雜性，至今尚未找到ー種理想的抗磨材料。目前國內外使用最的抗磨材料大體上分為如下三類鋳造高錳鋼、合金耐磨鋼、鋳造白ロ鑄鐵等。高錳鋼抗磨材料高錳鋼大致的成分范圍為0.9-1. 2% Fe，11-14% Mn，0. 3-1.0 %Si，己有百余年的發展歷史，一直延用至今。鋳造高錳鋼水韌處理后組織為単相奧氏體，具有較低的強度和其它鑄造材料無法比擬的高沖擊韌度值。關于高錳鋼的抗磨機理眾說紛壇，主要有以下三種觀點(I)冷作硬化作用。高錳鋼在外力作用下發生強烈的冷作硬化，表面硬度急劇增加。2)應カ誘發馬氏體相變硬化。高錳鋼在應力作用下。表層發生馬氏體轉變，形成馬氏體，硬度由當初的HB220提高到HB600。(3)通過加入合金元素沉淀硬化熱處理折出彌散分布的碳化物，提高其耐磨性。盡管在試驗條件下，不至一次地發現了高錳鋼表面在磨損后發生馬氏體，但實際生產條件下很少有這樣的結果。高錳鋼如果加工硬化作用不能充分發揮，如在低應カ狀態下使用，耐磨性較低，甚至不如一般的碳鋼或合金鋼。目前人們研究改性的高錳鋼，如超高錳合金鋼，彌散硬化高錳鋼，微合金化高錳鋼等，力圖提高高錳鋼的屈服強度及耐磨性。除高錳之外，主要有低、中合金耐磨鋼及高合金耐磨鋼加入的合金元素主要有硅、錳、鉻、鑰、釩、鎢和鎳等。這些合金元素的主要作用之ー是提高淬透性及淬硬性，這類鋼可以通過不同的熱處理獲得所需要的性能。目前國內外發展起來的耐磨合金，可分為Cr-Mo系、Cr-Mo-S1-Mn 系、Cr-Mo-V 系、Cr-Mo-W-V 系、Cr-N1-Mo 系及 Cr-Mn-S1-Ni 系等，均屬于中、高碳低合金鋼及高合金鋼系列。Cr-Mo系鋼和Cr-Mo-S1-Mn系鋼多用于制造球磨機的襯板、格子板、磨球以及挖掘機斗齒等，Cr-Mo-V系鋼及Cr-Mo-W-V系鋼主要用于高溫磨料磨損下工作的耐磨件，如在電廠送煤設備中的螺旋喂煤器及水泥廠所用的料板、破碎設備顎板及其板錘等。Cr-N1-Mo系鋼多用于制造挖掘機、裝載機、電鏟等鏟齒等，如近年來美國所生產的鏟斗的鏟齒，有90%以上是用Cr-N1-Mo鋼或Cr-Mo鋼的回火馬氏體組織制造。中、高合金耐磨鋼大多用于有腐蝕介質或流體沖刷エ況的磨料磨損。合金耐磨鋼有較高的硬度和耐磨性，良好的韌性、破斷抗カ和對熱處理的敏感性，是目前抵抗中、低沖擊應力下很有發展前途的抗磨材料，但由于其合金含量較高，加入較多的貴重元素，成本很高，一定程度限制了其使用。白ロ鑄鐵白ロ鑄鐵是當代最優異的耐磨材料之一。一般認為白ロ鑄鐵的發展經歷了三代，第一代是普通白ロ鑄鐵，第二代是鎳硬白ロ鑄鐵，第三代是高鉻白ロ鑄鐵。白ロ鑄鐵主要用于承受低應カ擦傷磨損，高應カ碾研磨損和某些沖擊負荷較小的鑿削和沖刷磨損零件，應用受到限制。自Bain發現鋼中貝氏體以來，國內外許多學者對貝氏體的形貌、相變機制及力學性能進行了大量的研究。鋼中典型貝氏體的形貌及其力學行為已是眾所周知，認為貝氏體組織為鐵素體和滲碳體的非層狀的組合體。與淬火回火馬氏體組織的力學性能相比，普遍認為貝氏體組織具有以下特點(I)碳化物分布在貝氏體鐵素體片間組成的典型上貝氏體，其綜合性能，尤其是韌性差，在鋼的熱處理組織中應避免出現。(2)碳化物分布在貝氏體鐵素體片內構成的典型下貝氏體，在中高碳鋼中，其韌性優于回火馬氏體，因為中高碳馬氏體中含有孿晶馬氏體，回火時，在孿晶上優先析出碳化物，有利于顯微裂紋的傳播，裂紋沿孿晶界擴展，而下貝氏體中碳化物分布比較均勻，鐵素體片有利于裂紋尖端的應カ松弛，從而阻礙裂紋擴展。(3)并不是所有典型下貝氏體的力學性能都具有優越性。許多研究表明。在低碳鋼中，相同屈服強度條件下，低碳回火板條馬氏體的韌性優于下貝氏體。Huang.Thomas認為，低碳下貝氏體的板條比馬氏體中的板條粗大，板條相互間以小角度排列成束，故解理裂紋易從ー個板條穿過另ー個板條。此外，由于低碳下貝氏體中碳化物尺寸較大，并沿面析出，易造成位錯塞積，形成較大應力集中，裂紋形核機會較多。因此，低碳回火板條馬氏體的韌性優于低碳下貝氏體。

貝氏體鋼是指在使用狀態下組織為貝氏體的鋼種，而這種組織是通過空冷獲得的。一般貝氏體鋼最初多是低碳的，由于其高的淬透性，優異的エ藝性能，特別是淬火變形小，焊接性能良好，還可將熱處理和熱成型兩道エ序相結合，大大縮短了エ藝流程，使得貝氏體鋼得到較快發展。現有技術研究情況，國內專利CN101117686A公開了ー種馬貝耐磨鋼，其組成和重量的百分比如下c 0. 25 0. 55, S1:0. 3 1. 2,Mn :1. 5 3. 0，Cr :0. 8 2. 5,Mo :1. 5 3.0，N1:0. 3 1.0，P、Sg 0.06，其余為Fe和不可避免的雜質。使得其材質所澆注的鑄件在鑄態空冷下就能夠得到硬度較高的馬氏體組織和綜合性能較好的貝氏體組織，但是該材質不適合在高沖擊重載荷エ況下使用。國內專利CN101186960A公開了ー種使用爐卷軋機生產耐磨鋼的生產方法及其制造的鋼板，選用成分百分比為c彡0. 30,Mn彡2. 5、P彡0. 015,S彡0. 005,Si彡2. 2、添加適量的Cr、Mo、Nb和V等合金的連鑄坯；采用溫裝溫送；中等厚度鋼板在爐卷軋機上平軋，采用TMCP +離線回火エ藝；薄規格鋼板采用卷軋+控冷+離線回火エ藝；通過控制粗軋階段的動態再結晶和亞動態再結晶、控制精軋階段應變累積和馳豫過程、控制冷卻速率在產生下貝氏體范圍內、控制終冷溫度在下貝氏體形成溫度與馬氏體形成溫度之間、采用離線低溫回火< 350°C，實現組織的均勻、細化和強化，使鋼板具有高強度、高韌性、耐磨綜合性能。然而，該生產方法的工藝復雜并且不易控制，生產成本高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種成本較低，工藝易控制，具有良好的韌性和硬度匹配的低合金高耐磨鑄鋼的制備方法。為了達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的
一種低合金高耐磨鑄鋼，包含以下組分
C :0. 25-0. 35 wt. % ；
Si 0. 9-1. 6 wt. % ；
Mn :0. 3-1. 8 wt. % ；
Cr 0. 7-1. 0 wt. % ；
Mo :0. 15-0. 3 wt. % ；
T1:0. 05-0. 35 wt. % ；
Nb 0. 01-0. 05 wt. % ； V:0. 05-0. 25 wt. % ；
RE :0. 01-0.1 wt. % ；
P、S <0.03 wt. %
其余為Fe和不可避免的雜質；
一種低合金高耐磨鑄鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
1)釆用廢鋼、硅鐵、錳鐵、硅鐵、鉬鐵、鉻鐵、鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅作為熔煉用原材料，按以下組分進行配料C 0. 25-0. 35 wt. % ；
S1:0.9-1.6 wt. % ；
Mn :0. 3-1. 8 wt. % ；
Cr 0. 7-1.0 wt. % ；
Mo :0. 15-0. 3 wt. % ；
T1:0. 05-0. 35 wt. % ；
Nb 0. 01-0. 05 wt. % ；
V:0. 05-0. 25 wt. % ；
RE :0. 01-0.1 wt. % ；
P、S <0.03 wt. %
其余為Fe和不可避免的雜質；
2)采用中頻感應電爐熔煉，首先將普通廢鋼、鉻鐵混合加熱熔化，進行爐前分析；
3)依次將錳鐵、硅鐵、鑰鐵加入等待全部熔清后加入鉻鐵再進一步熔清，用鋁絲脫氧處理，再將鋼液沖入同時放置鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅的澆包；
4)出爐溫度控制在1500 1560°C，然后澆注入鑄造模具內成形，冷卻后打箱取出鑄件進行清砂處理；5)采用電阻加熱熱處理爐，將處理后的鑄件放入其中進行升溫，升溫的速度< 280°C /小時，當溫度到達1050 1070°C時保溫，保溫100-130min ；
6 )保溫完成后再將鑄件放入240 245 V鹽浴爐中進行保溫，保溫60_90min，最后出爐空冷，即可獲得低合金高耐磨鑄鋼。本發明采用了選用的組分，并且對實驗參數也進行了進一步優選，圖1是試驗材料在不同奧氏體化溫度、245°C回火后的力學性能。可以看出，隨著奧氏體化溫度的升高，材料的硬度值逐漸降低，而沖擊韌度逐漸提高，抗拉強度先升后降，1050 1070°C時抗拉強度有極大值。對其進行分析，這是由于不同正火工藝處理后，材料力學性能變化的原因是由于隨著奧氏體化溫度的提高和保溫時間的延長，試驗材料的鑄造組織偏析程度降低，組織均勻化程度提高，這有利于提高鋼的綜合力學性能，但是，奧氏體化溫度過高和保溫時間過長時，臺金元素圃溶度增加，提高了基體中合金元素的含量，使奧氏體穩定性提高，冷卻后組織中的殘余奧氏體量增加，導致抗拉強度和硬度下降，沖擊韌度增加。在1050 1070°C正火處理后，材料具有較好的強韌性配合，因此可以認為本材料的最佳奧氏體化溫度是1050 1070°C。同樣地，圖2是試驗材料在1060°C正火IlOmin后，不同回火溫度后的力學性能。可以看出，隨回火溫度的提高，硬度逐漸降低；400°C以下回火抗拉強度變化不大，超過400°C回火，抗拉強度迅速降低；240°C 245°C回火后，沖擊韌度有極大值，在450°C 550°C左右達到最低值，出現回火脆性，超過650°C隨回火溫度的提高回火沖擊韌度大幅升高。對其進行分析，這與貝氏體鐵素體碳量變化及殘余奧氏體的分解有關，是這兩個因素綜合作用的結果。貝氏體鐵素體是碳的過飽和固溶體，回火過程伴隨著貝氏體鐵索體固溶碳量的降低，造成硬度和抗拉強度的下降，因此，硬度和抗拉強度變化的總趨勢是隨著回火溫度的升高而下降。殘余奧氏體的分解是個復雜的過程，隨回火溫度升高，殘余奧氏體的熱穩定性(不同回火溫度分解的難 易程度)因回火溫度不同而異，300°C以下回火，新型貝氏體組織中的殘余奧氏體穩定性提高，低溫回火可以提高鋼的韌性；另外，鋼在低溫回火時，殘余應力的消除也有利于提高鋼的沖擊韌度。當回火溫度超過350°C，新型貝氏體中的殘余奧氏體逐漸分解，析出脆性滲碳體，導致鋼的沖擊韌度值降低。回火溫度高于550°C后，滲碳體開始聚集和球化，鐵素體有回復和再結晶的趨勢，鋼的韌性開始回升。綜合來說，奧氏體化溫度在1050 1070°C范圍內，保溫100 130分鐘，再在240 245°C保溫60-90分鐘，試驗材料具有較好的強韌性配合。本發明的有益效果在于，最后測得的材料力學性能方面，抗拉強度Sb彡1600MPa、硬度HRC彡48、沖擊韌度Aku彡26. 5 J，因此該材料具有良好的強韌性配合。并具有成分簡單，簡化工藝、鑄造和熱處理工藝較簡單易控制、降低成本的優點。


圖1為不同奧氏體化溫度對力學性能的影響的實驗結果圖示；
圖2為不同回火溫度對力學性能的影響的實驗結果圖示。
具體實施例方式以下實施例詳細說明了本發明。本發明所使用的各種原料及各項設備均為常規市售產品，均能夠通過市場購買直接獲得。
實施例1
1)采用廢鋼、硅鐵、錳鐵、硅鐵、鑰鐵、鉻鐵、鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅作為熔煉用原材料，按以下組分進行配料c :0. 25 Wt. % ；
S1:0. 9 wt. % ；
Mn :0. 3 wt. % ；
Cr :0. 7 wt. % ；
Mo :0. 15 wt. % ；
Ti 0. 05 wt. % ；
Nb 0. 01 wt. % ；
V:0. 05 wt. % ；
RE :0. 01 wt. % ；
P、S <0.01 wt. %
其余為Fe和不可避免的雜質；
2)采用中頻感應電爐熔煉，首先將普通廢鋼、鉻鐵混合加熱熔化，進行爐前分析；
3)依次將錳鐵、硅鐵、鑰鐵加入等待全部熔清后加入鉻鐵再進ー步熔清，用鋁絲脫氧處理，再將鋼液沖入同時放置鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅的澆包；
4)出爐溫度控制在1500°C左右，然后澆注入鑄造模具內成形，冷卻后打箱取出鑄件進行清砂處理；
5)采用電阻加熱熱處理爐，將處理后的鑄件放入其中進行升溫，升溫的速度230°C/小時，當溫度到達1050°C時保溫，保溫IOOmin ；
6)保溫完成后再將鑄件放入240°C左右的鹽浴爐中進行保溫，保溫60min，最后出爐空冷，即可獲得低合金高耐磨鑄鋼。拉伸試樣進行線切割和機械加工，得到直徑為8rnm的標準短拉伸試樣，沖擊韌度試驗試樣尺寸為55mmX IOmmX IOmm的標準u型缺ロ試樣。用CMT5105A型萬能材料試驗機進行拉伸性能測試；用JB-30/15型沖擊試驗機測試材料的沖擊韌度，用HR150型洛氏硬度計測試材料的硬度，最后測得的材料力學性能分別為抗拉強度Sb 1637MPa、硬度HRC
48.1、沖擊韌度 Aku27. 2 J0實施例2
I)采用廢鋼、硅鐵、錳鐵、硅鐵、鑰鐵、鉻鐵、鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅作為熔煉用原材料，按以下組分進行配料C :0. 3 Wt. % ；
Si 1. 2 wt. % ；
Mn :1. 0 wt. % ；
Cr :0. 85 wt. % ；
Mo :0. 2 wt. % ；
T1:0. 25 wt. % ；
Nb :0. 03 wt. % ；
V0. 15 wt. % ；
RE :0. 06 wt. % ；
P、S <0.02 wt. %其余為Fe和不可避免的雜質；
2)采用中頻感應電爐熔煉，首先將普通廢鋼、鉻鐵混合加熱熔化，進行爐前分析；
3)依次將錳鐵、硅鐵、鑰鐵加入等待全部熔清后加入鉻鐵再進一步熔清，用鋁絲脫氧處理，再將鋼液沖入同時放置鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅的澆包；
4)出爐溫度控制在1520°C左右，然后澆注入鑄造模具內成形，冷卻后打箱取出鑄件進行清砂處理；
5)采用電阻加熱熱處理爐，將處理后的鑄件放入其中進行升溫，升溫的速度為250°C/小時，當溫度到達1060°C時保溫，保溫120min ；
6)保溫完成后再將鑄件放入245°C左右的鹽浴爐中進行保溫，保溫70min，最后出爐空冷，即可獲得低合金高耐磨鑄鋼。拉伸試樣進行線切割和機械加工，得到直徑為8rnm的標準短拉伸試樣，沖擊韌度試驗試樣尺寸為55mmX IOmmX IOmm的標準u型缺口試樣。用CMT5105A型萬能材料試驗機進行拉伸性能測試；用JB-30/15型沖擊試驗機測試材料的沖擊韌度，用HR150型洛氏硬度計測試材料的硬度，最后測得的材料力學性能分別為抗拉強度Sb 1673MPa、硬度HRC48.9、沖擊韌度4! 27.9 J0實施例3
1)采用廢鋼、硅鐵、錳鐵、硅鐵、鑰鐵、鉻鐵、鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅作為熔煉用原材料，按以下組分進行配料c :0. 35 Wt. % ；
S1:1. 6 wt. % ；
Mn :1. 8 wt. % ；
Cr 1. 0 wt. % ；
Mo :0. 3 wt. % ；
T1:0. 35 wt. % ；
Nb :0. 05 wt. % ；
V :0. 25 wt. % ；
RE :0.1 wt. % ；
P、S <0.03 wt. %
其余為Fe和不可避免的雜質；
2)采用中頻感應電爐熔煉，首先將普通廢鋼、鉻鐵混合加熱熔化，進行爐前分析； 3)依次將錳鐵、硅鐵、鑰鐵加入等待全部熔清后加入鉻鐵再進一步熔清，用鋁絲脫氧處理，再將鋼液沖入同時放置鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅的澆包；
4)出爐溫度控制在1560°C左右，然后澆注入鑄造模具內成形，冷卻后打箱取出鑄件進行清砂處理；
5)采用電阻加熱熱處理爐，將處理后的鑄件放入其中進行升溫，升溫的速度275°C/小時，當溫度到達1070°C時保溫，保溫130min ；
6)保溫完成后再將鑄件放入245°C左右的鹽浴爐中進行保溫，保溫90min，最后出爐空冷，即可獲得低合金高耐磨鑄鋼。拉伸試樣進行線切割和機械加工，得到直徑為8rnm的標準短拉伸試樣，沖擊韌度試驗試樣尺寸為55mmX IOmmX IOmm的標準u型缺口試樣。用CMT5105A型萬能材料試驗機進行拉伸性能測試；用JB-30/15型沖擊試驗機測試材料的沖擊韌度，用HR150型洛氏硬度計測試材料的硬度，最后測得的材料力學性能分別為抗拉強度Sb 1669MPa、硬度HRC
49.1、沖擊韌度 Aku27.1 J0上述描述僅作為本發明可實施的技術方案提出，不作為對其技術方案本身的単一限制條件 。
權利要求
1. 一種低合金高耐磨鑄鋼的制備方法，其特征在于通過以下步驟制得 1)采用廢鋼、硅鐵、錳鐵、硅鐵、鑰鐵、鉻鐵、鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅作為熔煉用原材料，按以下組分進行配料 C :0. 25-0. 35 wt. % ；S1:0.9-1.6 wt. % ； Mn :0. 3-1. 8 wt. % ；Cr 0. 7-1.0 wt. % ； Mo :0. 15-0. 3 wt. % ； T1:0. 05-0. 35 wt. % ； Nb 0. 01-0. 05 wt. % ； V:0. 05-0. 25 wt. % ； RE :0. 01-0.1 wt. % ； P、S <0.03 wt. % 其余為Fe和不可避免的雜質； .2)采用中頻感應電爐熔煉，首先將普通廢鋼、鉻鐵混合加熱熔化，進行爐前分析； .3)依次將錳鐵、硅鐵、鑰鐵加入等待全部熔清后加入鉻鐵再進一步熔清，用鋁絲脫氧處理，再將鋼液沖入同時放置鈦鐵、釩鐵、鈮鐵、稀土硅的澆包； .4)出爐溫度控制在1500 1560°C，然后澆注入鑄造模具內成形，冷卻后打箱取出鑄件進行清砂處理； .5)采用電阻加熱熱處理爐，將處理后的鑄件放入其中進行升溫，升溫的速度<280°C /小時，當溫度到達1050 1070°C時保溫，保溫100-130min ； .6 )保溫完成后再將鑄件放入240 245 V鹽浴爐中進行保溫，保溫60_90min，最后出爐空冷。
全文摘要
本發明涉及一種低合金高耐磨鑄鋼的制備方法，包含以下組分C0.25-0.35wt.%；Si0.9-1.6wt.%；Mn0.3-1.8wt.%；Cr0.7-1.0wt.%；Mo0.15-0.3wt.%；Ti0.05-0.35wt.%；Nb0.01-0.05wt.%；V0.05-0.25wt.%；RE0.01-0.1wt.%；P、S≤0.03wt.%，其余為Fe；將各組分熔融后鑄造成型，再將處理后的鑄件放入其中進行升溫，當溫度到達1050～1070℃時保溫，保溫完成后再將鑄件放入240～245℃鹽浴爐中進行保溫，最后出爐空冷。本發明鑄造和熱處理工藝較簡單易控制、成本低，制得的材料具有良好的強韌性配合。
文檔編號C22C38/38GK103060704SQ20131004060
公開日2013年4月24日 申請日期2013年2月3日 優先權日2013年2月3日
發明者馬丁青 申請人:馬丁青