高強度鑄造空冷貝氏體耐磨鋼及其製備方法
2023-06-22 03:57:06 5
專利名稱：高強度鑄造空冷貝氏體耐磨鋼及其製備方法
技術領域：
本發明為一種高強度鑄造空冷貝氏體耐磨鋼及其製備方法，屬於耐磨材料技術領域。
背景技術：
磨料磨損是電力、交通、礦山、冶金、機械、化工、石油、軍工和航空航天等行業磨損件消耗金屬材料的主要形式之一。如何提高耐磨材料的耐磨性，延長其使用壽命，降低成本，是耐磨材料生產和使用部門急待解決的難題。由於空冷貝氏體鋼生產工藝簡單，綜合力學性能優越，已成為一種新型的耐磨鋼，廣泛應用於電力、交通、礦山、冶金、機械等耐磨領域。日本專利JP11152520-A公開了一種含矽、錳和鉻等合金元素的用於重載高速鐵路的熱軋貝氏體鋼，其化學組成是0.15～0.45wt％C，0.1～2.0wt％Si，0.20～3.0wt％Mn和0.2～3.0wt％Cr。熱軋後加熱到奧氏體區，然後以1～30℃/s的速度冷卻至300～400℃並保溫1～30s，然後空冷，可以獲得性能優異的貝氏體鋼。但這一工藝在普通鑄造條件下獲得的組織粗大，強度和韌性低，需要進行熱軋變形加工，工藝複雜。美國專利US6884306公開了一種含碳、矽、錳、鉻、鎳、鉬和釩的多元合金貝氏體鋼，其主要化學組成(wt％)如下0.6～1.1C，1.5～2.0Si，1.8～4.0Mn，1.2～1.4Cr，0～3Ni，0.2～0.5Mo，0.1～0.2V，餘鐵。該材料的熱處理工藝如下，先在1150℃以上保溫24小時以上，然後空冷至190～250℃，隨後加熱至900～1000℃，在190～260℃間等溫轉變1～3周。這種貝氏體鋼具有高強度、高韌性和優良的塑性。但存在熱處理周期長以及需要通過複雜的等溫淬火來獲得貝氏體組織等不足。日本專利JP7109545-A公開了一種不需要熱處理的貝氏體鐵素體鋼，具體化學成分是0.10～0.35％C；0.15～2.00％Si；0.40～2.00％Mn；0.03～0.10％S；0.005～0.05％Al；0.003～0.05％Ti；0.0020～0.0070％N；0.30～0.70％V，另外，在特定環境下，還可以加入適量Cr，Mo，Nb，Pb和Ca。經熱加工鍛造後，具有高的拉伸強度、疲勞強度和機械加工性能，但材料硬度較低，耐磨性較差。
中國發明專利CN86103009公開了一種中高碳空冷錳硼貝氏體鋼，是採用錳、硼作為主要合金元素，具體化學組成(重量％)如下0.47～0.60C，0.1～1.5Si，2.1～3.5Mn，0.0005～0.005B，餘為Fe。這種鋼的冶煉工藝簡單，熱加工後空冷，可獲得貝氏體—馬氏體復相組織，可免除淬火工序。空冷後的硬度為HRC≥50或HRC≥56。可用來製作精密複雜的各種模具及磨球、大型齒條等，硬度高，使用壽命長。但這種材料鑄造組織粗大，需要進行複雜的鍛軋變形才可以獲得滿意的性能。中國發明專利CN1172171公開了一種準貝氏體鋼，以Mn、阻礙碳化物析出元素為主加合金元素，以Mo、Cr、B、W、Re等之一種或多種為附加合金元素，具體化學組成(重量％)如下0.04～1.3C，1.0～3.5Mn，阻礙碳化物析出元素0.8～2.8，0～0.6Mo，0～2.0Cr，0～0.005B，0～1.2W，0～0.3Re，0～2.8Al，0～2.8Si，其餘為Fe。它是以準貝氏體為組織組成，組織中無碳化物相存在，從而改善了貝氏體鋼的力學性能，其製造工藝簡單，具有良好的成型性和焊接性，淬透性及抗拉強度均較高，衝擊韌性大，疲勞壽命長，成本低，克服了現有貝氏體鋼在空冷過程中不可避免出現典型上、下貝氏體組織，從而惡化貝氏體鋼性能的缺陷。但這種貝氏體鋼的鑄造組織較粗大，直接空冷後獲得的準貝氏體組織力學性能低。中國發明專利CN1189542公開了一種Mn-Si-B多元微合金化空冷貝氏體鋼，通過在鋼中加入並調整少量的Cr和微量的Ti，RE，N，V和Nb，其各組分元素的重量百分比為0.35～0.60C，2.00～3.50Mn，0.20～2.00Si，0.0005～0.010B，0.015～0.05Ti，0.02～0.10RE，0.006～0.015N，其餘為Fe。經複合變質處理，鋼的晶粒細小，顯微組織明顯細化，大量碳化物彌散均勻分布。在大截面直徑，鋼的表層和心部可獲得較均勻一致的貝氏體—馬氏體為主的組織，含碳化物和少量殘留奧氏體組織。具有高硬度、高強度、高耐磨性和高淬透性。適於用來製作耐磨鋼球、襯板、顎板、擺錘、缸套和輥圈等耐磨件。經熱鍛或熱軋(鋼球)或直接澆注(襯板和板錘)不需要複雜的熱處理。生產工藝簡單，質量穩定，使用壽命長。但這種材料中含有一定數量的脆性碳化物，導致材料的塑性和韌性低，在高衝擊工況下的使用安全性差。本發明選用廉價的矽和錳為主要合金元素，加入適量硼、鉻和銅改善淬透性和耐蝕性，另外，為提高鑄鋼的力學性能，特別是鑄鋼的韌性和塑性，確保鑄鋼在使用過程中安全可靠，加入了少量釔、鋁和鈦，還加入鎂、鈣和鋅等微量元素一種或多種，改善鑄鋼組織，明顯提高了空冷貝氏體鑄鋼力學性能。
發明內容
本發明目的是提供一種用於生產耐磨材料的高強度鑄造空冷貝氏體鋼及其製備方法。本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明貝氏體鋼的化學組成成分是(重量％)0.32～0.65C，0.8～3.0Si，1.2～3.0Mn，0.5～0.8Cr，0.3～0.8Cu，0.001～0.008B，0.18～0.35Al，0.05～0.15Y，0.05～0.20Ti，0～0.12Mg，0～0.12Ca，0～0.15Zn，且0.10＜Mg+Ca+Zn＜0.25，其餘為Fe和不可避免的微量雜質。
本發明鑄鋼用電爐熔煉，其製造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵、鉻鐵和銅板混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵預脫氧和合金化；
②爐前調整成分合格後將溫度升至1600～1660℃，加入佔鋼水重量0.25％～0.60％的鋁終脫氧和合金化，而後出爐；③將含釔、硼、鈦、鎂、鈣和鋅等的複合變質劑破碎至粒度小於25mm的小塊，經210～260℃烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④變質處理後，將鋼水在普通鑄型中澆注成鑄件，鋼水澆注溫度1450～1520℃。鑄件經900～950℃×(1～5)h奧氏體化後，空冷，隨後在180～220℃保溫(2～6)h後爐冷或空冷，可以得到強度及硬度高、韌性和耐磨性好的貝氏體鋼。
合金材質的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決於化學成分及熱處理工藝，本發明化學成分是這樣確定的碳碳與貝氏體形態和貝氏體鑄鋼性能的關係十分密切。在其它合金元素含量固定的情況下，可以通過調整碳含量來得到不同類型的貝氏體組織。碳對貝氏體鋼的抗拉強度貢獻最大，每0.1％C就可提高約90MPa，當其超過共析成分後，與合金元素形成碳化物和固溶於鐵素體中強化了基體，使鋼的強度和硬度大幅度提高，但碳含量過高，則韌性降低且焊接性能和成型性惡劣，因此將碳含量控制在0.32％～0.65％。
矽矽是貝氏體鑄鋼中的主要合金元素，而且是非碳化物形成元素，可增加碳在奧氏體中的活度，在貝氏體鐵素體生長過程中，多餘的碳會排向界面一側的鄰近奧氏體中，由於矽阻礙滲碳體析出，造成周圍奧氏體富碳，使貝氏體鐵素體片條間或片條內的富碳殘留奧氏體穩定化，形成無碳化物貝氏體。矽也使鋼的第一類回火脆性出現的溫度範圍升高，使鋼可以在較高溫度下回火，更多地消除淬火應力。另外，矽還可使鋼的TTT或CCT曲線向右下方移動和提高鋼的貝氏體淬透性和韌性。矽還能顯著提高鋼的抗磨性，這與矽減少摩擦發熱時氧化作用和提高鋼的冷變形硬化率有關。矽還能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈強比以及疲勞強度等。矽含量較低(＜0.8％)時，由於矽抑制碳化物析出的作用較弱，促進貝氏體轉變的作用也不強烈，在空冷條件下，首先在奧氏體晶界析出貝氏體，而未轉變的奧氏體在隨後的冷卻過程中轉變為馬氏體，其顯微組織由貝氏體鐵素體、馬氏體和少量殘餘奧氏體組成，具有高的強度、硬度，而衝擊韌性和斷裂韌性較低；當矽含量提高到0.8％～3.0％時，矽抑制碳化物析出作用顯著增強，使貝氏體成長時排出的碳富集到奧氏體中，提高了過冷奧氏體的穩定性，其顯微組織由板條狀的貝氏體鐵素體和其間分布的富碳殘餘奧氏體組成，材料具很好的強韌性和耐磨性。當鋼中的矽含量提高到3.0％以上時，空冷組織中出現了大量的塊狀鐵素體和珠光體組織，導致材料的硬度、韌性和耐磨性下降。綜合考慮，選擇矽含量為0.8％～3.0％。
錳錳元素是提高貝氏體鋼淬透性的主要元素，此外，它還可以降低貝氏體相變溫度，使鋼中貝氏體組織更細小並增大貝氏體鐵素體中碳的過飽和度，有利於改善貝氏體鋼的強度和韌性。錳還能起脫氧和脫硫作用，淨化貝氏體鑄鋼。但錳促使鋼的鑄態組織粗大和加熱時晶粒長大，含量過高降低貝氏體鋼的強韌性，另外它還增大鑄造生產中熱裂傾向，因此Mn含量控制在1.2％～3.0％。
鉻貝氏體鑄鋼中加入適量的鉻，主要是為了提高鋼的淬透性，細化鋼的組織，其含量控制在0.5％～0.8％。
銅銅是非碳化物形成元素，主要溶於基體，可以明顯提高基體淬透性，溶於基體中的銅還有改善貝氏體鑄鋼耐蝕性的作用。銅加入量過少，對改善貝氏體鑄鋼的淬透性作用不明顯，加入量過多，部分銅還會在晶界沉澱析出，對改善貝氏體鑄鋼的淬透性不起作用，沉澱析出的銅由於其硬度太低，反而降低貝氏體鑄鋼的耐磨性，綜合考慮，將銅含量控制在0.3％～0.8％。
硼硼元素是貝氏體鋼能獲得貝氏體組織，提高貝氏體淬透性的主要元素。貝氏體鋼加硼處理後，由於硼是表面活性元素，吸附在硫化物、氧化物表面，阻止夾雜進一步長大，使夾雜變得細小、圓整，均勻分布於晶界，強化了晶界，減小了局部應力集中，抑制了裂紋萌生，降低了裂紋擴展速度，使材料韌性提高。但是，硼加入量過多，鋼中易出現M23(C，B)6型化合物，特別是硼出現偏析，碳硼化合物沿晶界沉澱成網狀析出，不僅使鋼的淬透性降低，也將使鋼產生硼脆，韌性下降。綜合考慮，將其含量控制在0.001％～0.008％。
鋁鋼中加入鋁是為了阻止碳化物的析出，得到由於貝氏體鐵素體和富碳殘留奧氏體組成的貝氏體組織，改善鋼的強韌性和耐磨性，加入量過多，鋼中易產生含鋁夾雜物，損害鋼的強度和韌性，將其含量控制在0.18％～0.35％。
釔稀土加入鋼中具有脫硫、除氣的作用，同時稀土與液態金屬反應生成的細小粒子，具有加速凝固的形核作用，稀土元素的這些特性能細化貝氏體鑄鋼晶粒，限制樹枝晶偏析，提高機械性能和耐磨性。加稀土的副作用是帶來夾雜，為了充分發揮稀土的有益作用，克服其副作用，用釔基重稀土取代常用的鈰基輕稀土。使用釔基重稀土可獲得密度較小的脫氧、脫硫產物，以利於其上浮。綜合考慮，將釔含量控制在0.05％～0.15％。
鈦在貝氏體鑄鋼中加入微量鈦，可以明顯細化鑄鋼晶粒，減少枝晶偏析，提高貝氏體鑄鋼的強度和韌性。主要原因是鈦與鑄鋼中的N、C形成高熔點化合物Ti(C，N)，這種化合物有助於鑄鋼的晶粒細化，使枝晶間和枝晶內的碳和合金元素分布均勻。加入量過多，含鈦化合物數量增加且粗化，反而導致貝氏體鑄鋼的強度和韌性下降。綜合考慮，將鈦含量控制在0.05％～0.20％。
鎂鎂與硫、氧有極大的親合力，可發生劇烈的冶金反應，去除鑄鋼中的氧和硫，減少鑄鋼中的氧化物和硫化物夾雜。當脫氧、脫硫產物中的部分MgO和MgS來不及上浮至鋼液表面而排除時，凝固後便成為鑄鋼夾雜。鋼液凝固時，首先形成MgO，它可作為隨後凝固的MgS、MnS和其它夾雜的核心。由於MgO在鋼液中特別分散，因此鎂可改變鑄鋼中夾雜物的類型、數量、大小、形態和分布。適量的鎂可使鑄鋼中夾雜物變得細小、分散。原尺寸大、帶稜角的Al2O3夾雜被尺寸小、呈球形的MgO和含MgO的複合夾雜所取代；原尺寸大、長條狀的MnS夾雜被尺寸小、近球形的MgO、含MgO複合夾雜和MgS·MgO複合夾雜所取代，因而提高了夾雜物與基體抵抗裂紋形成與擴展的能力，改善鋼鑄鐵的韌性。鎂加入量過多不僅造成鎂的浪費，而且由於反應過於劇烈，將使上浮到鋼液表面的MgO、MgS等夾雜重新捲入鋼液中，對貝氏體鑄鋼性能產生不利的影響。因此將鎂含量控制在0～0.12％。
鈣鈣是化學性質很活潑的元素，與氧和硫都有較強的親和力。鈣對鑄鋼中夾雜物的變質具有顯著作用，鑄鋼中加入適量鈣可將鑄鋼中的長條狀硫化物夾雜轉變為球狀的CaS或(Ca，Mn)S夾雜，鈣所形成的氧化物及硫化物夾雜密度小，易於上浮排除。鈣還顯著降低S在晶界的偏聚，鈣對降低鑄鋼脆性和提高貝氏體鑄鋼鑄造時抗熱裂性是十分有益的。但加入過多的鈣將使鑄鋼中夾雜物增多，對鑄鋼韌性的提高不利，合適的鈣含量為0～0.12％。
鋅鋅具有強烈的脫氧脫硫作用，顯著降低鋼液中[S]、[O]含量，由於[S]、[O]的降低，Fe-C合金液的表面能和界面能上升，結晶過冷度增大，從而有利於鑄造組織細化，改善貝氏體鑄鋼力學性能。由於鋅的沸點低(911℃)，加入鋼液後，迅速汽化，加入量過多使浮在鋼液表面的夾雜物易捲入鋼液內部，汙染鋼液，降低貝氏體鑄鋼性能，因此鋅含量控制在0～0.15％。
不可避免的微量雜質是原料中帶入的，其中有磷和硫，均是有害元素，為了保證貝氏體鑄鋼的強度、韌性和耐磨性，將磷含量控制在0.05％以下，硫含量控制在0.05％以下。
貝氏體鑄鋼的性能還與熱處理工藝有直接關係，其制訂依據是當淬火加熱溫度較低時(小於900℃)和淬火保溫時間較短(小於1h)時，因未完全奧氏體化，其淬火組織中尚存未溶鐵素體和珠光體等非貝氏體組織，故其淬火硬度、衝擊韌度和抗拉強度很低，耐磨性也很差。當淬火加熱溫度超過950℃或保溫時間超過5h後，奧氏體晶粒尺寸以及貝氏體鐵素體束的尺寸增大，貝氏體鑄鋼的強韌性和耐磨性也下降。本發明的貝氏體鑄鋼經900～950℃×(1～5)h奧氏體化後，空冷，隨後在180～220℃保溫(2～6)h後爐冷或空冷，可以得到強度及硬度高、韌性和耐磨性好的貝氏體組織。
本發明是採用矽、錳為主要合金元素的中高碳鑄鋼，在此基礎上，加入適量硼、鉻和銅改善淬透性和耐蝕性，在空冷條件下，獲得了機械性能優異的貝氏體鋼。另外，還加入少量少量釔、鋁和鈦，並加入鎂、鈣和鋅等微量元素一種或多種，改善鑄鋼組織，有利於貝氏體鋼力學性能尤其是韌性大幅度提高，最終將導致貝氏體鋼使用性能的提高。
本發明與現有技術相比，具有以下特點①本發明貝氏體鑄鋼，硬度和強度高，韌性和耐磨性好，硬度大於55HRC，抗拉強度大於2200MPa，衝擊韌性大於60J/cm2，斷裂韌性大於80MPa.m1/2，延伸率大於5％，斷面收縮率大於8％。
②本發明貝氏體鑄鋼以廉價的矽、錳為主要合金元素，不含價格昂貴的鎳、鉬元素，生產成本低。
③本發明貝氏體鑄鋼採用空冷淬火獲得，避免了等溫淬火效率低且汙染環境的不足，同時還避免了油冷和水冷淬火時工件易變形和開裂的不足。
④本發明貝氏體鑄鋼採用微合金化元素細化並淨化組織，在鑄態下空冷淬火後直接獲得，避免了通過鍛造或軋制獲得高強度耐磨貝氏體鋼，具有節能和工藝簡便等特點。
具體實施例下面結合實施例對本發明作進一步詳述實施例1本發明鑄鋼材料用1500kg中頻感應電爐熔煉，其製造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵、鉻鐵和銅板混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵預脫氧和合金化；②爐前調整成分合格後將溫度升至1650℃，加入佔鋼水重量0.50％的鋁終脫氧和合金化，而後出爐；③將含釔、硼、鈦、鎂和鋅等的複合變質劑破碎至粒度為18～22mm的小塊，經240℃烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④變質處理後，將鋼水在水玻璃砂鑄型中澆注成鑄件，鋼水澆注溫度1500℃。鑄件經940℃×2h奧氏體化後，空冷，隨後在200℃保溫4h後空冷，可以得到強度及硬度高、韌性和耐磨性好的貝氏體鋼。貝氏體鑄鋼的成分見表1，機械性能見表2。
表1貝氏體鑄鋼的成分(wt％)
表2貝氏體鑄鋼的機械性能
實施例2本發明鑄鋼材料用300kg中頻感應電爐熔煉，其製造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵、鉻鐵和銅板混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵預脫氧和合金化；②爐前調整成分合格後將溫度升至1620℃，加入佔鋼水重量0.30％的鋁終脫氧和微合金化，而後出爐；③將含釔、硼、鈦、鎂、鈣和鋅等的複合變質劑破碎至粒度18～20mm的小塊，經220℃烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④變質處理後，將鋼水在樹脂砂鑄型中澆注成鑄件，鋼水澆注溫度1460℃。鑄件經910℃×4.5h奧氏體化後，空冷，隨後在185℃保溫5.5h後爐冷，可以得到強度及硬度高、韌性和耐磨性好的貝氏體鋼。貝氏體鑄鋼的成分見表3，機械性能見表4。
表3貝氏體鑄鋼的成分(wt％)
表4貝氏體鑄鋼的機械性能
用本發明鑄造空冷貝氏體鋼製造的挖掘機鬥齒、破碎機鄂板、球磨機襯板和破碎機錘頭，已在實際生產中獲得了很好的效果。鑄造空冷貝氏體鋼鬥齒用於挖掘石英石時，具有強度高，韌性和耐磨性好的特點，使用中無斷齒現象出現，其使用壽命比含鎳鉬的高合金馬氏體鋼提高60％～80％。鑄造空冷貝氏體鋼用於製造600mm×900mm破碎機鄂板，破碎鐵礦石，其使用壽命比高錳鋼延長130％～160％，且無斷裂和剝落現象出現，使用中還出現加工硬化現象，使用後鄂板表面硬度提高5％～8％。鑄造空冷貝氏體鋼用於製造球磨機襯板研磨火電廠煤粉，使用壽命比鎳硬鑄鐵和高鉻白口鑄鐵提高20％～30％，生產成本降低30％～60％。鑄造空冷貝氏體鋼用於製造破碎機錘頭破碎石灰石，使用壽命比高錳鋼提高4～6倍，比高鎳鉻馬氏體合金鋼提高2～3倍，具有很好的經濟效益。
權利要求
1.一種高強度鑄造空冷貝氏體耐磨鋼，其特徵在於鑄鋼的化學成分是(重量％)0.32～0.65C，0.8～3.0Si，1.2～3.0Mn，0.5～0.8Cr，0.3～0.8Cu，0.001～0.008B，0.18～0.35Al，0.05～0.15Y，0.05～0.20Ti，0～0.12Mg，0～0.12Ca，0～0.15Zn，且0.10＜Mg+Ca+Zn＜0.25，其餘為Fe和不可避免的微量雜質。
2.一種如權利要求1所述的貝氏體耐磨鋼製備方法，其特徵在於用電爐熔煉，其鋼水製備工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵、鉻鐵和銅板混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵預脫氧和合金化；②爐前調整成分合格後將溫度升至1600～1660℃，加入佔鋼水重量0.25％～0.60％的鋁終脫氧和合金化，而後出爐；③將含釔、硼、鈦、鎂、鈣和鋅等的複合變質劑破碎至粒度小於25mm的小塊，經210～260℃烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理。
3.如權利要求2所述的貝氏體耐磨鋼製備方法，其特徵在於鋼水變質處理後，將鋼水在普通鑄型中澆注成鑄件，鋼水澆注溫度1450～1520℃，鑄件經900～950℃×(1～5)h奧氏體化後，空冷，隨後在180～220℃保溫(2～6)h後爐冷或空冷。
全文摘要
一種高強度鑄造空冷貝氏體耐磨鋼，其化學成分是(重量％)0.32～0.65C，0.8～3.0Si，1.2～3.0Mn，0.5～0.8Cr，0.3～0.8Cu，0.001～0.008B，0.18～0.35Al，0.05～0.15Y，0.05～0.20Ti，0～0.12Mg，0～0.12Ca，0～0.15Zn，且0.10＜Mg+Ca+Zn＜0.25，其餘為Fe和不可避免的微量雜質。其製造工藝步驟是將廢鋼、生鐵、鉻鐵和銅板混合加熱熔化，熔清後加入矽鐵和錳鐵預脫氧和合金化；爐前調整成分合格後將溫度升至1600～1660℃，加入鋁終脫氧和合金化，而後出爐；將含釔、硼、鈦、鎂、鈣和鋅等的複合變質劑破碎至粒度小於25mm的小塊，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；變質處理後，將鋼水在普通鑄型中澆注成鑄件。本發明的貝氏體耐磨鋼可明顯提高耐磨備件使用壽命，提高設備工作效率，降低生產成本，具有良好的經濟效益。
文檔編號C22C33/00GK1775983SQ20051003252
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月9日 優先權日2005年12月9日
發明者匡加才, 符寒光, 張世英, 葉昌, 劉其城, 符慧林 申請人:長沙理工大學