專利名稱：一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼及其制備方法，屬于金屬合金耐磨耐蝕材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磨損是造成材料失效的主要形式，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。以往耐磨材料的研究，都是通過(guò)添加貴重的合金元素來(lái)提高材料的綜合性能，例如中國(guó)發(fā)明專利 CN1431330A公開(kāi)了一種包括AX、一種B源和任選的適量X之間不完全反應(yīng)的一種產(chǎn)物， 該產(chǎn)物含有至少一種化合物AX和至少ABX，其中A和B是選自鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢組成的組中的不同物質(zhì)，X選自硼、碳、硅組成的組中，鐵的含量為0. 1-0. 35wt%，鈷的含量為0. l-0.5wt%。此發(fā)明雖然無(wú)須特殊壓力設(shè)備、工藝控制容易等優(yōu)點(diǎn)，但硬度未確定、熱處理工藝復(fù)雜，對(duì)工業(yè)應(yīng)用和降低生產(chǎn)成本不利。中國(guó)發(fā)明專利CN1405347A公開(kāi)了一種高強(qiáng)度高耐磨硬質(zhì)合金及其制造方法和應(yīng)用，采用碳化鎢作硬質(zhì)相，以鐵、鈷、鎳作粘結(jié)相，外加鈦或釩的碳化物或硼化物或氮化物、并外加碳化鉭或碳化鈮等，雖然具有良好的耐磨性和抗沖擊性能，但生產(chǎn)成本高，制備工藝復(fù)雜，不利于投資生產(chǎn)。中國(guó)發(fā)明專利CN1417360A涉及一種鈷基合金，具體為一種鑄造耐蝕耐磨鈷基合金，其特征在于其合金成分的重量百分?jǐn)?shù)為C 1.0% -2. 5% ；Cr20% -35% ；W 5% -20% ；Mo 1% -6% ；Nb 1% -8% ；Cu 0. 5% -2. 0% ；Si 0. 5% -3. 0% ；Ni2% -15% ；Co 35% -65%。雖然其成分中含有大量貴重的合金元素，合金硬度(HRC)僅達(dá)到48左右，生產(chǎn)成本高且綜合性能差。公開(kāi)號(hào)為CN1182142A專利中公開(kāi)了一種耐磨鑄鋼材料，其化學(xué)成分如下C 0. 15% -0. 50% ； Si 彡 0. 5% ；Mn 彡 1. 00% ；Cr 1. 00% -2. 00% ；Mo 0. 20% -0. 50% ；V 0. 02% -1. 10% ；Ti 0. 02% -0. 10%;B0. 005% -0. 10%;S,P ^ 0. 04% .該材料組織為馬氏體+貝氏體，具有較高的沖擊韌性和一定的耐磨性。但其機(jī)體組織中碳化物含量少，在強(qiáng)磨損工況下，特別是用于制造水泥熟料破碎機(jī)襯板，使用壽命很不理想。且該材料需經(jīng)水淬處理，對(duì)襯板類鑄件來(lái)說(shuō)極易變形和開(kāi)裂，其推廣應(yīng)用受到極大限制。日本專利號(hào)為JP10219386的“具有高強(qiáng)度和高韌性的結(jié)構(gòu)高硼合金”的主要合金元素含量為C 0. 03% -0. 23% ；B 0. 02% -0. 5% ；N 0. 005% ；Ni 0. 4% ；Cr 0. 9% ；Mo 0. 5% ；V 0. 3% ；Nb 0. 3% ；Ti 0. 3%和 Zr 0. IV0o 其抗拉強(qiáng)度達(dá)到510-550Mpa。由于C、B含量較低，耐磨硬質(zhì)相硼化物數(shù)量少，合金耐磨性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼及其制備方法。該耐磨合金鋼的主要特點(diǎn)是利用硼化物具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和較高的硬度，部分取代碳化物作為耐磨硬質(zhì)相，在提高合金硬度的同時(shí)，改善合金的沖擊韌性，以此提高合金的耐磨性能。該合金中不含貴重合金元素，通過(guò)特定的元素配比和適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥?lái)提高合金的綜合性能，降低了生產(chǎn)成本。此外，適當(dāng)提高了 Cr、Si、Mn等元素的含量，增強(qiáng)了基體的淬透性并細(xì)化組織。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚭?，鑄態(tài)組織中網(wǎng)狀的共晶相組織斷網(wǎng)或團(tuán)球化使共晶組織孤立分布，有利于鑄造高硼耐磨合金的力學(xué)性能顯著提高。本發(fā)明的目的通過(guò)以下的技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼，其有效化學(xué)成分及其重量百分比為C 0. 2% -0. 35% ；B 1.8% -2.0% ；Cr 10% -12% ；Mn 0. 5 % -1. 0 % ；Si 0. 5 % -1. 0 % ；Al 0. 03-0. 05 % ；Ca 0. 03-0. 06 % ；Ba 0. 03-0. 06 % ； S 彡 0. 04% ；P 彡 0. 04% ；余量為 Fe。上述低碳高硼鑄造耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，采用感應(yīng)電爐熔煉生產(chǎn)， 具體包括下列步驟第一步，將普通廢鋼、低碳鉻鐵按上述化學(xué)成分要求混合放入感應(yīng)電爐中熔化，鋼水熔化完全后加入硅鐵和金屬錳，最后加入硼鐵和增碳劑。第二步，爐前調(diào)整成分合格后將鋼液溫度升至1640°C -1680°C，加入鋁預(yù)脫氧，并加入硅鈣鋇合金終脫氧后出爐。第三步，鋼水冷卻至1540°C _1560°C時(shí)直接澆注成鑄件，空冷至室溫。第四步，對(duì)鑄態(tài)合金淬火加熱溫度為1030°C _1060°C，升溫速度為10°C /min，保溫時(shí)間為lh-1. 5h后立刻進(jìn)行油冷淬火處理。第五步，對(duì)經(jīng)過(guò)第四步油冷淬火處理后的合金進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，升溫速度為 50C /min,回火溫度為180°C _220°C，保溫時(shí)間為lh_l. 5h后隨爐冷卻。上述步驟第一步中，低碳鉻鐵化學(xué)組份質(zhì)量百分比優(yōu)選Cr、62. 6%，C、0. 18%，余量為鐵；硅鐵優(yōu)選Si、76. 09%, C、0. 07%，余量為鐵；硼鐵優(yōu)選:B、20. 98%, C、0. 46%，余量為鐵。硅鈣鋇合金優(yōu)選化學(xué)組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為45 48% Si，12 15% Ca, 15 18% Ba, 3. 5. 0% ΑΙ,Ο. 3 0. 7% C，余量 Fe。上述的鋼水預(yù)脫氧時(shí)鋁加入質(zhì)量百分比為0. 15% -0. 18%，鋼水終脫氧時(shí)硅鈣鋇合金加入質(zhì)量百分比為0. 25% -0. 40%。耐磨鋼的性能是由顯微組織決定的，而顯微組織決定于化學(xué)成分和熱處理工藝， 本發(fā)明中耐磨鋼的化學(xué)成分確定依據(jù)如下C =C是影響耐磨鋼力學(xué)性能的最主要元素，C元素含量在一定意義上決定了耐磨鋼的性能。C含量高會(huì)使得耐磨鋼固溶效果增強(qiáng)，使得其硬度和耐磨性增加，但韌性降低。 碳含量過(guò)低時(shí)，基體固溶強(qiáng)化效果不明顯，并且合金硬度下降，強(qiáng)度較低，從而導(dǎo)致耐磨性能下降。本發(fā)明耐磨鋼中，設(shè)計(jì)用硼化物部分取代碳化物充當(dāng)耐磨硬質(zhì)相。因此，C含量確定為 0. 2% -0. ；35%。B =B是本發(fā)明耐磨鋼的主要組成合金元素，B的加入主要是為了獲得熱穩(wěn)定性良好、硬度較高的硼化物來(lái)部分取代碳化物充當(dāng)耐磨硬質(zhì)相，并且B的加入可顯著改善耐磨鋼的淬透性。B元素加入過(guò)多，會(huì)使耐磨鋼中共晶相所占比例增大至占據(jù)整個(gè)顯微組織，導(dǎo)致耐磨鋼的韌性下降明顯。B元素加入過(guò)少，硼化物數(shù)量不足以充當(dāng)耐磨硬質(zhì)相，不利于耐磨鋼的耐磨性能。因此，B含量確定為1.8^-2.0 ^Cr 在本發(fā)明耐磨鋼中，Cr的加入主要是為了增加基體的淬透性。同時(shí)，Cr也是形成耐磨硬質(zhì)相的重要元素之一。通過(guò)加入與C含量成一定比例的Cr，可以改變基體的物相組成，使得基體組織主要由馬氏體組成。此外，根據(jù)專利號(hào)為CN19M070A的文獻(xiàn)介紹， Cr元素對(duì)裂紋有修復(fù)能力，并能提高材料的耐腐蝕性能。綜合考慮，最終確定Cr含量為 10% -12%。
在耐磨鋼的原材料中，不可避免的含有S、P等元素，這些元素對(duì)耐磨鋼的強(qiáng)度、韌性、耐磨性等不利，所以本發(fā)明耐磨鋼中S、P含量控制在0. 04%以下。耐磨鋼凝固組織需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚥啪哂辛己玫男阅?，依?jù)為低碳高硼耐磨鋼的基體組成為奧氏體、馬氏體和鐵素體，基體組成對(duì)耐蝕性和耐磨性能不利。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，Cr、Mn、Si以及少量的B元素溶入基體，提高耐磨鋼淬透性的同時(shí)，獲得了強(qiáng)韌性較好的板條馬氏體組織。高溫淬火改善了硼化物和碳硼化合物的形態(tài)，網(wǎng)狀共晶組織斷網(wǎng)或團(tuán)球化。在一定的沖擊外力作用下，裂紋難以沿著共晶相擴(kuò)展至斷裂。淬火溫度過(guò)低，對(duì)耐磨鋼的顯微組織沒(méi)有影響，性能無(wú)法滿足生產(chǎn)需要。淬火溫度過(guò)高，使得組織粗化，表面氧化嚴(yán)重導(dǎo)致應(yīng)力集中，易形成裂紋源。本發(fā)明耐磨鋼經(jīng)過(guò)1030°C -1060°C的加熱、保溫lh-1. 5h后直接油淬后獲得理想的組織和性能。淬火處理后進(jìn)行180°C -220°C 的回火處理，保溫1-1. ，隨爐冷卻，主要是為了去除淬火應(yīng)力以及獲得回火馬氏體基體組
本發(fā)明低碳含量并含有高硬度硼化物的鑄造耐磨合金與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)(1)應(yīng)用本發(fā)明生產(chǎn)耐磨鋼，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，無(wú)貴重合金元素添加，生產(chǎn)成本低。(2)本發(fā)明耐磨鋼，基體組織主要為馬氏體，具有良好的強(qiáng)度和硬度支持。在基體中孤立的分布有硼化物和碳硼化合物的共晶相，可以明顯的提高合金的耐磨性能。(3)本發(fā)明用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕沟镁W(wǎng)狀共晶組織斷網(wǎng)的同時(shí)，細(xì)化組織，基體中二次碳化物分布明顯減少且形態(tài)改善，使得耐磨鋼力學(xué)性能顯著提高。其中硬度達(dá)到 61. 5HRC-66. 7HRC，沖擊斷裂韌性達(dá)到 3. 6-6. 6J/cm2。


圖1實(shí)施例1耐磨鋼網(wǎng)狀共晶相結(jié)構(gòu)斷網(wǎng)孤立分布圖；圖2實(shí)施例2耐磨鋼網(wǎng)狀共晶相結(jié)構(gòu)斷網(wǎng)孤立分布圖；圖3實(shí)施例3耐磨鋼網(wǎng)狀共晶相結(jié)構(gòu)斷網(wǎng)孤立分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作近一步闡述，但本發(fā)明不限于以下實(shí)施例。實(shí)施例1 低碳高硼鑄造耐磨合金鋼有效化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C 0.3% ;B 2.0% ； CrlO. 0%;Mn0. 8%;Si 0. 8%;A1 0. 033% ；Ca 0. 056%, Ba 0. 032% ；S 0. 008% ；P0. 035%,
余量為鐵。制備方法，步驟如下第一步，將普通廢鋼、低碳鉻鐵(其中Cr 62. 6%, C 0. 18% )按上述化學(xué)成分要求混合放入感應(yīng)電爐中熔化，鋼水熔化完全后加入硅鐵(其中Si 76. 09%, C 0. 07% )和金屬錳，最后加入硼鐵(其中B 20. 98%, C 0.46%)和增碳劑。第二步，爐前調(diào)整成分合格后將鋼液溫度升至1643°C，加入0. 15%的鋁預(yù)脫氧， 并加入0. 40%的硅鈣鋇合金(硅鈣鋇合金化學(xué)組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為46. 2% Si,14.8% Ca, 15. 3% Ba,4. 0% A1，0. 39% C，余量 Fe)終脫氧后出爐。
第三步，鋼水冷卻至1541°C時(shí)直接澆注成鑄件，空冷至室溫。第四步，鑄件經(jīng)過(guò)1050°C加熱保溫Ih油淬；再經(jīng)過(guò)200°C回火1小時(shí)，升溫速率為 IO0C /min ；隨爐冷卻。熱處理后，本實(shí)施例耐磨鋼網(wǎng)狀共晶相結(jié)構(gòu)斷網(wǎng)孤立分布，見(jiàn)圖1。 該試樣硬度為64. 6HRC，沖擊斷裂韌性為4. 7J/cm2, ML-10磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試條件下重量磨損量為3. 5mg。實(shí)施例2 低碳高硼鑄造耐磨合金鋼有效化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C 0. 28% ；B 1. 9 % ； Cr 10. 6% ；MnO. 78% ；Si 0. 81% ；Al 0. 047% ；Ca 0. 032% ；Ba 0. 058%, S 0. 011% ；P 0. 027%，余量為鐵；制備方法，步驟如下第一步，將普通廢鋼、低碳鉻鐵按上述化學(xué)成分要求混合放入感應(yīng)電爐中熔化，鋼水熔化完全后加入硅鐵和金屬錳，最后加入硼鐵和增碳劑。第二步，爐前調(diào)整成分合格后將鋼液溫度升至1678°C，加入0. 18%的鋁預(yù)脫氧， 并加入0. 25%的硅鈣鋇合金(硅鈣鋇合金化學(xué)組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為46.3% Si，12. 1% Ca, 17. 9% Ba,4. 6% Α1，0· 51% C，余量 1 )終脫氧后出爐。第三步，鋼水冷卻至1559°C時(shí)直接澆注成鑄件，空冷至室溫。第四步，鑄件經(jīng)過(guò)1040°C加熱保溫1. 5h油淬；再經(jīng)過(guò)220°C回火1. 5h，升溫速率為10°C /min ；隨爐冷卻。熱處理后，本發(fā)明耐磨鋼網(wǎng)狀共晶相結(jié)構(gòu)斷網(wǎng)孤立分布，見(jiàn)圖2。 該試樣硬度為63. 9HRC，沖擊斷裂韌性為4. 9J/cm2, ML-10磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試條件下重量磨損量為 3. 65mg。實(shí)施例3:低碳高硼鑄造耐磨合金鋼有效化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C 0.31% ;B 2.0% ； Crll. 3% ；Mnl. 0% ；Si 0. 9% ；Al 0. 040% ；Ca 0. 038% ；Ba 0. 041% ;S 0. 009% ；P0. 030%,
余量為鐵。制備方法，步驟如下第一步，將普通廢鋼、低碳鉻鐵按上述化學(xué)成分要求混合放入感應(yīng)電爐中熔化，鋼水熔化完全后加入硅鐵和金屬錳，最后加入硼鐵和增碳劑。第二步，爐前調(diào)整成分合格后將鋼液溫度升至1660°C，加入0. 16%的鋁預(yù)脫氧， 并加入0. 30%的硅鈣鋇合金(硅鈣鋇合金化學(xué)組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為47.5% Si, 14.0% Ca, 16. 7% Ba, 3. 9% Α1，0· 46% C，余量 Fe)終脫氧后出爐。第三步，鋼水冷卻至1550°C時(shí)直接澆注成鑄件，空冷至室溫。第四步，鑄件經(jīng)過(guò)1050°C加熱保溫1. 5h后油淬；再經(jīng)過(guò)200°C回火1. 5h，升溫速率為10°C/min ；隨爐冷卻。熱處理后，本發(fā)明耐磨鋼網(wǎng)狀共晶相結(jié)構(gòu)斷網(wǎng)孤立分布，見(jiàn)圖3。 該試樣硬度為66. 2HRC，沖擊斷裂韌性為3. 9J/cm2, ML-10磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試條件下重量磨損量為3. 4mg。
權(quán)利要求
1.一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼，其特征在于，化學(xué)成分及其重量百分比為C 0. 2% -0. 35% ；B 1. 8% -2. 0% ；Cr 10% -12% ；Mn 0. 5% -1. 0% ；Si 0. 5% -1. 0% ；Al 0. 03-0. 05% ；Ca 0. 03-0. 06% ；Ba 0. 03-0. 06% ；S ( 0. 04% ；P ( 0. 04% ；余量為 Fe。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼的制備方法，其特征在于，采用感應(yīng)電爐熔煉生產(chǎn)，具體包括下列步驟第一步，將普通廢鋼、低碳鉻鐵按上述化學(xué)成分要求混合放入感應(yīng)電爐中熔化，鋼水熔化完全后加入硅鐵和金屬錳，最后加入硼鐵和增碳劑；第二步，爐前調(diào)整成分合格后將鋼液溫度升至1640°C -1680°C，加入鋁預(yù)脫氧，并加入硅鈣鋇合金終脫氧后出爐；第三步，鋼水冷卻至1540°C _1560°C時(shí)直接澆注成鑄件，空冷至室溫；第四步，對(duì)鑄態(tài)合金淬火處理的加熱溫度為1030°C _1060°C，升溫速度為10°C /min，保溫時(shí)間為lh-1. 5h后立刻油冷淬火處理；第五步，對(duì)經(jīng)過(guò)第四步油冷淬火處理的合金淬火后進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，升溫速度為 50C /min,回火溫度為180°C _220°C，保溫時(shí)間為lh_l. 5h后隨爐冷卻。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，低碳鉻鐵化學(xué)組份質(zhì)量百分比為Cr、62.6%， C、0. 18%，余量為鐵。
4.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，硅鐵化學(xué)組份質(zhì)量百分比為Si、76.09%，C、 0. 07%，余量為鐵
5.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，硼鐵化學(xué)組份質(zhì)量百分比為B、20.98%，C、 0. 46%，余量為鐵。
6.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，硅鈣鋇合金化學(xué)組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為45 48% Si，12 15% Ca, 15 18% Ba，3. 0 5. 0% Al，0. 3 0. 7% C，余量 Fe。
7.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，鋼水預(yù)脫氧時(shí)鋁加入質(zhì)量百分比為 0. 15% -0. 18%。
8.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，硅鈣鋇合金加入質(zhì)量百分比為 0. 25% -0. 40%。
全文摘要
一種低碳高硼鑄造耐磨合金鋼及其制備方法，屬于金屬合金耐磨耐蝕材料技術(shù)領(lǐng)域，化學(xué)成分為C 0.2％-0.35％；B1.8％-2.0％；Cr 10％-12％；Mn 0.5％-1.0％；Si0.5％-1.0％；Al0.03-0.05％；Ca0.03-0.06％；Ba0.03-0.06％；S≤0.04％；P≤0.04％；余量為Fe。采用感應(yīng)電爐熔煉生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)1030℃-1060℃淬火處理1h-1.5h后直接油淬，在180℃-220℃進(jìn)行回火處理1-1.5h，隨爐冷卻。本發(fā)明耐磨合金鋼，具有良好的強(qiáng)度和硬度，在基體中孤立分布有硼化物和碳硼化合物的共晶相，明顯提高了合金的耐磨性能。
文檔編號(hào)C21D1/18GK102560258SQ201210003668
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者周榮, 岑啟宏, 張海濱, 符寒光, 蔣業(yè)華, 蔣志強(qiáng), 雷永平 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)