一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼及其製備方法
2023-08-06 23:38:31 1
專利名稱：一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼及其製備方法
技術領域：
本發明屬於抗磨金屬材料技術領域，涉及一種高硼鑄鋼，特別是一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼及其製備方法。
背景技術：
磨損是冶金、礦山、機械、電力、煤炭、石油、交通、軍工等許多工業部門普遍存在並成為引起設備失效或材料破壞的一個重要原因，也是造成經濟損失最多的問題之一，開發新型抗磨材料，減少金屬磨損，對國民經濟具有重要的意義。目前廣泛應用的抗磨材料主要有合金鋼和白口鑄鐵，前者韌性好，但存在硬度低和耐磨性差的不足，後者具有高硬度和高抗磨性，但存在脆性大，使用中易剝落甚至開裂的不足。為了提高白口鑄鐵韌性，中國發明專利CN111339公開了鉻系白口鑄鐵複合孕育劑，其主要技術特徵是，採用了孕育與變質相結合的技術路線。即在選用對鉻系白口鑄鐵凝固起孕育作用的C、Cr、Fe三元素的同時，添加Si、Mg、RE合金元素，用以改變第二相形態和分布，並起變質作用。應用本發明可使鉻系白口鐵衝擊性能提高60％，斷裂韌性提高30％，裂紋擴展門坎值提高100％，其中鉻鑄鐵的衝擊功達到4.5J，斷裂韌性達到32MPa.m1/2，抗拉強度達到668MPa。但脆性仍能較大，在重載、衝擊磨損工況下使用，安全可靠性低。
為了克服白口鑄鐵脆性大的不足，中國發明專利CN86106682公開了白口鑄鐵與鑄鋼雙金屬複合鑄造方法，其特徵是採用「鑲鑄」和「雙液」兩種複合鑄造工藝方法，使白口鑄鐵與鑄鋼雙金屬複合鑄造成一體，用本工藝可生產既要求較高衝擊性能，同時還具有抗磨性好或者同時具有耐熱性好、耐蝕性好等特殊性能要求的各種零件。這種工藝方法操作麻煩，雙金屬結合部位易出現鑄造缺陷，影響材料的使用性能。為了降低白口鑄鐵脆性，提高並改善其韌性，中國發明專利CN1104562公開了軋制白口鑄鐵並用於製造拋丸機葉片方法，該發明的白口鑄鐵葉片成分為C，2.1～3.0％；Si，＜1.0％；Mn，0.8～1.5％；Cr，1.0％；Mo，0.3～0.8％；Cu，0.5～1.0％；P，＜0.05％；S，＜0.05％；可用連鑄生產白口鑄鐵鑄坯，軋制溫度為750-1100℃，軋制變形率≤80％。其最佳的軋制溫度為850-1000℃，最佳軋制變形率為50～60％。本發明軋制過程中保證碳化物充分破碎，組織緻密，具有高強度、韌性和抗磨性，與鑄造葉片相比，衝擊韌性提高1.85～2.66倍，硬度平均達HRC60，抗磨性提高3～5倍。但這種方法工藝複雜，生產效率低，且只適合形狀簡單的工件。
為了獲得兼有良好強韌性和耐磨性的抗磨材料，中國發明專利CN1624180公開了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，其特徵在於高硼鑄造鐵基耐磨合金的主要化學成分是(重量％)C，0.15～0.70；B，0.3～1.9；Cr，0.3～0.8；Si，0.4～0.8；Mn，0.6～1.3；Ce，0.05～0.20；La，0.02～0.10；Ca，0.005～0.018；K，0.04～0.18；Al，0.08～0.25；S，＜0.04；P，＜0.04；其餘為Fe。熱處理後可以獲得板條馬氏體加高硬度硼化物組成的複合組織，使材料具有較好的綜合性能。但硼化物呈連續網狀分布，使材料的脆性較大。為了提高高硼鑄造合金韌性，中國發明專利CN1804091公開了鑄造高硼耐磨合金的韌化方法，其特徵在於鑄造高硼耐磨合金的化學成分是C，0.30～0.35％；B，1.0～1.5％；Si，0.6～0.8％；Mn，0.8～1.0％；S，＜0.04％；P，＜0.04％；其餘為Fe、Ti和不可避免的雜質元素，其中Ti是由變質劑鈦鐵帶入的。具體製備步驟為先進行鋼液熔煉，鋼液熔煉完成並插鋁終脫氧後，加入變質劑鈦鐵合金進行變質處理，待化清扒渣後進行澆注，澆注完成後進行韌化熱處理，韌化熱處理溫度為1020-1050℃，保溫時間為2-3小時，然後進行淬火或正火，最後回火；變質劑鈦的用量為鑄造高硼耐磨合金的0.75～1.0％。經過韌化處理後的砂型鑄造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立狀分布於基體中。由於硼化物沒有變成顆粒狀，僅僅是大塊狀分布，因此脆性較大，韌性不太高，僅為12.5J，導致材料在重載、衝擊磨損工況下使用，安全可靠性差。
發明內容
本發明目的在於，提供一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼及其製備方法，製備的該高硼鑄鋼中的硼化物變成顆粒狀後，可以降低高硼鑄鋼脆性，提高其強度和韌性，有利於高硼鑄鋼在重載、衝擊磨損工況下的安全使用。其主要特點是在高硼鑄鋼中加入適量的鈦，並加入少量Ce、Al、Ca和N，使其組織細化，特別是使共晶硼化物變成顆粒狀，有利於高硼鑄鋼力學性能尤其是韌性大幅度提高，最終將導致高硼鑄鋼使用性能的提高。
為了實現上述任務，本發明採取如下的技術措施來實現一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼，其特徵在於製得該高硼鑄鋼的化學組成成分及其重量百分比為C，0.15％～0.45％；B，0.75％～2.70％；Ti，0.34％～1.50％；Cr，0.80％～1.20％；Si，0.50％～1.50％；Mn，0.50％～1.50％；Ce，0.04％～0.1 2％；Al，0.08％～0.20％；Ca，0.03％～0.10％；N，0.01％～0.06；P＜0.05％，S＜0.05％，餘量為Fe；其中，B/C＝5.0～6.0，B/Ti＝1.8～2.2。
本發明的含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼採用電爐熔煉，其製造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵，出爐前加入硼鐵和鈦鐵；②爐前調整成分合格後將溫度升至1580℃～1640℃，加入矽—鈣合金預脫氧，而後用鋁終脫氧和微合金化，然後出爐；③將鈰基稀土和含氮物質破碎至粒度小於12mm的小塊，經200℃以下烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④鋼水直接澆入鑄型，鋼水澆注溫度1450℃～1480℃；⑤鑄件經880℃～920℃保溫1h～3h後，在油溫低於150℃的油池內淬火，而後在180℃～250℃保溫3h～8h，空冷或爐冷至室溫。
本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼與現有技術相比具有如下優點本發明高硼鑄鋼是由顆粒狀硼化物均勻分布在馬氏體基體上，具有硬度和強度高，韌性好，耐磨性優良，使用過程中不斷裂，使用性能明顯優於高錳鋼和鉻鉬銅合金鋼，生產工藝簡單，淬火溫度低，不含貴重合金元素，生產成本低。使用本發明的含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼可以顯著提高抗磨部件的使用壽命，延長抗磨部件使用周期，減輕工人勞動強度，具有很好的經濟和社會效益。
圖1是本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼顯微組織圖片。
下面結合原理和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
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，本發明的含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼，製得該高硼鑄鋼的化學成分組成及其重量百分比為C，0.15％～0.45％；B，0.75％～2.70％；Ti，0.34％～1.50％；Cr，0.80％～1.20％；Si，0.50％～1.50％；Mn，0.50％～1.50％；Ce，0.04％～0.12％；Al，0.08％～0.20％；Ca，0.03％～0.10％；N，0.01％～0.06；P＜0.05％，S＜0.05％，餘量為Fe；其中，B/C＝5.0～6.0，B/Ti＝1.8～2.2。
該含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼化學成分的理論依據是這樣確定的CC在高硼鑄鋼中的主要作用是固溶於基體，提高基體的淬硬性、淬透性，改善鑄鋼的耐磨性。C含量過低，淬火組織中易出現低硬度的珠光體和鐵素體，C含量過高，易出現脆性較大的高碳馬氏體，選擇C含量0.15％～0.45％，淬火後易獲得強韌性和耐磨性好的板條馬氏體組織。因此鑄鋼中C含量控制在0.15％～0.45％。
BB是高硼鑄鋼中的主要合金元素，主要是為了得到高硬度的硼化物，改善鑄鋼耐磨性。另外，少量B固溶於基體，可以改善鑄鋼的淬硬性和淬透性。B加入量過少，鑄鋼中硼化物數量少，耐磨性差，加入量過多，硼化物數量明顯增加，鑄鋼脆性增大，綜合考慮將B含量控制在0.75％～2.70％。
TiTi加入高硼鑄鋼中，發生Ti+2B＝TiB2反應，形成塊狀的TiB2，對促進鐵硼化合物形態和分布的改善具有明顯的效果，有利於改善高硼鑄鋼的力學性能。Ti加入量過多，將出現粗大的塊狀TiB2，反而降低高硼鑄鋼的強度和韌性，綜合考慮將Ti含量控制在0.34％～1.50％。
CrCr在高硼鑄鋼中部分進入硼化物，部分進入基體，改善鑄鋼的淬透性和回火穩定性，Cr加入量太少，對高硼鑄鋼影響不明顯，加入量過多，會出現含Cr碳化物，使基體C含量降低，降低基體的淬透性和淬硬性，綜合考慮，將Cr含量控制在0.8％～1.2％。
SiSi是非碳化物和硼化物形成元素，在高硼鑄鋼中主要溶入基體，具有強化基體作用，Si加入量過多，易使基體變脆，因此將其含量控制在0.50％～1.50％。
MnMn是擴大γ相區的元素，Mn在高硼鑄鋼中除了部分進入硼化物外，主要溶於基體，明顯改善高硼鑄鋼淬透性，Mn加入量過多時，淬火組織中殘留奧氏體明顯增加，反而降低高硼鑄鋼耐磨性，綜合考慮，將Mn含量控制在0.50％～1.50％。
CeCe易與鋼水中殘存的氧反應，形成CeO2，CeO2熔點高達2397℃，(001)γ-Fe在(001)CeO2面上形核點陣錯配度低，CeO2作為奧氏體結晶時的異質核心有效，促進奧氏體形核，細化初生奧氏體和共晶奧氏體。導致共晶反應時，硼化物的生長受到抑制，促進硼化物的斷網和孤立。另外，Ce是表面活性元素，凝固過程中易富集在硼化物的周圍，阻止硼化物沿晶界長大，使硼化物細化，合適的加入量是0.04％～0.12％。
AlAl是一種活潑元素，易與Ce和氧反應，生成CeAlO3。CeAlO3熔點高達2050℃，(001)γ-Fe在(0001)CeAlO3面上形核點陣錯配度低，CeAlO3作為奧氏體結晶時的異質核心有效，促進奧氏體形核，細化初生奧氏體和共晶奧氏體。導致共晶反應時，硼化物的生長受到抑制，促進硼化物的斷網和孤立，合適的加入量是0.08％～0.20％。
CaCa易與鋼中殘存的硫結合，生成CaS。CaS熔點高達2525℃，CaS作為共晶硼化物的異質核心有效，硼化物依附於CaS共生生長，促進硼化物顆粒的形成。合適的加入量是0.03％～0.10％。
NN加入高硼鑄鋼中易與鋼中的Ti化合生成高熔點的TiN，且TiN與γ-Fe晶格間具有很低的錯配度，因此強烈的促進形核，可成為結晶核心，使鑄態晶粒細化，有利於硼化物的細化和分布均勻化，合適的加入量是0.01％～0.06％。
不可避免的微量雜質是原料中帶入的，其中有P和S，均是有害元素，為了保證高硼鑄鋼的強度、韌性和耐磨性，將P含量控制在0.05％以下，S含量控制在0.05％以下。
高硼鑄鋼的熱處理主要是為了獲得耐磨性好的馬氏體基體，高溫熱處理也有利於促進硼化物的顆粒化。
本發明高硼鑄鋼的淬火加熱溫度選擇在880℃～920℃。淬火溫度過低，高溫奧氏體中溶解的硼、鉻等元素少以及碳、錳、鉻等元素在奧氏體中分布的均勻性較差，奧氏體的整體淬透性低，淬火組織中存在部分低硬度的珠光體組織，降低高硼鑄鋼耐磨性。淬火溫度過高，高溫奧氏體粗化，導致淬火組織粗大。而且淬火溫度過高，淬火組織中還易出現低硬度的殘留奧氏體。此外，淬火溫度過高，熱處理能耗增加，熱處理周期延長，熱處理加熱爐壽命縮短，導致高硼鑄鋼的熱處理成本增加。高硼鑄鋼選擇880℃～920℃保溫1-3h後，在油溫低於150℃的油池內淬火，可以獲得馬氏體基體上鑲嵌顆粒狀硼化物的複合組織，使材料具有良好的強韌性和耐磨性。高硼鑄鋼淬火後，隨後在180-250℃保溫3-8h，空冷或爐冷至室溫，主要是為了穩定組織，消除淬火應力。
以下是發明人給出的具體實施例實施例1本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼用500公斤酸性中頻感應電爐熔煉，其製造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵，出爐前加入硼鐵和鈦鐵；②爐前調整成分合格後將溫度升至1620℃，加入矽一鈣合金預脫氧，而後用鋁終脫氧和微合金化，然後出爐；③將鈰基稀土和含氮物質破碎至粒度小於12mm的小塊，經200℃以下烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④鋼水直接澆入鑄型，鋼水澆注溫度1465℃；⑤鑄件經900℃保溫2h後，在油溫低於150℃的油池內淬火，而後在230℃保溫5h，空冷至室溫。
本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼的化學組成成分見表1，其力學性能見表2。
表1高硼鑄鋼化學成分(重量％)
表2高硼鑄鋼力學性能
實施例2本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼用1000公斤鹼性中頻感應電爐熔煉，其製造工藝步驟是①將普通廢鋼、生鐵和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵，出爐前加入硼鐵和鈦鐵；②爐前調整成分合格後將溫度升至1593℃，加入矽—鈣合金預脫氧，而後用鋁終脫氧和微合金化，然後出爐；③將鈰基稀土和含氮物質破碎至粒度小於12mm的小塊，經200℃以下烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④鋼水直接澆入鑄型，鋼水澆注溫度1458℃；⑤鑄件經890℃保溫2.5h後，在油溫低於150℃的油池內淬火，而後在190℃保溫7h，爐冷至室溫。
本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼的化學組成成分見表3，其力學性能見表4。
表3高硼鑄鋼化學成分(重量％)
表4高硼鑄鋼力學性能
本發明含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼的顯微組織見圖1，其顆粒狀硼化物均勻分布在馬氏體基體上。用本發明製作了PEL1000反擊式破碎機打擊板和Ф3.8m球磨機襯板，前者用於破碎水泥生料，後者用於研磨火電廠煤粉，使用安全、可靠，使用壽命比高錳鋼打擊板提高3-5倍，比鉻鉬銅合金鋼襯板提高2-3倍。
本發明的含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼和現有的高硼鑄鋼相比有以下的技術效果①本發明的含顆粒狀硼化物高硼鑄鋼中的硼化物呈顆粒狀均勻分布在強韌性好的馬氏體基體上，使高硼鑄鋼不僅強度和硬度高，而且具有良好的韌性和耐磨性。
②本發明的含顆粒狀硼化物高硼鑄鋼由於硼化物變成顆粒狀分布，導致高硼鑄鋼力學性能大幅度提高，硬度保持在56～59HRC基礎上，抗拉強度達到1050MPa～1130MPa，衝擊韌性達到250～280kJ/m2，斷裂韌性達到38～42MPa.m1/2。
③本發明的含顆粒狀硼化物高硼鑄鋼淬火加熱溫度低，可以降低熱處理能耗，縮短熱處理周期。
④本發明的含顆粒狀硼化物高硼鑄鋼不含貴重合金元素，熔煉、鑄造和熱處理工藝簡便，生產成本低廉，用於製造抗衝擊磨損部件，如反擊式破碎機打擊板、球磨機襯板等，使用安全可靠，使用壽命比常用高錳鋼、低合金鋼等材料明顯提高。
權利要求
1.一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼，其特徵在於製得該高硼鑄鋼的化學成分組成及其重量百分比為C，0.15％～0.45％；B，0.75％～2.70％；Ti，0.34％～1.50％；Cr，0.80％～1.20％；Si，0.50％～1.50％；Mn，0.50％～1.50％；Ce，0.04％～0.12％；Al，0.08％～0.20％；Ca，0.03％～0.10％；N，0.01％～0.06；P＜0.05％，S＜0.05％，餘量為Fe；其中，B/C＝5.0～6.0，B/Ti＝1.8～2.2。
2.權利要求1所述的含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼的製造方法，採用電爐生產，其特徵在於，其工藝步驟包括①將普通廢鋼、生鐵和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清後加入矽鐵和錳鐵，出爐前加入硼鐵和鈦鐵；②爐前調整成分合格後將溫度升至1580℃～1640℃，加入矽-鈣合金預脫氧，而後用鋁終脫氧和微合金化，然後出爐；③將鈰基稀土和含氮物質破碎至粒度小於12mm的小塊，經200℃以下烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鋼水進行複合變質處理；④鋼水直接澆入鑄型，鋼水澆注溫度為1450℃～1480℃；⑤鑄件經880℃～920℃保溫1h～3h後，在油溫低於150℃的油池內淬火，而後在180℃～250℃保溫3h～8h，空冷或爐冷至室溫即可。
全文摘要
本發明公開了一種含顆粒狀硼化物的高硼鑄鋼及製備方法，其化學成分及重量百分比為C0.15％～0.45％；B0.75％～2.70％；Ti0.34％～1.50％；Cr0.80％～1.20％；Si0.50％～1.50％；Mn0.50％～1.50％；Ce0.04％～0.12％；Al0.08％～0.20％；Ca0.03％～0.10％；N0.01％～0.06；P＜0.05％，S＜0.05％，餘量為Fe；其中，B/C＝5.0～6.0，B/Ti＝1.8～2.2。製備採用電爐熔煉，先將普通廢鋼、生鐵和鉻鐵混合加熱熔化，然後加入矽鐵和錳鐵，出爐前加入硼鐵和鈦鐵，爐前調整成分合格後升溫，加入矽－鈣合金預脫氧，而後用鋁終脫氧和微合金化，用鈰和氮進行爐外複合變質處理。經保溫後油冷淬火、低溫回火即可。本發明的高硼鑄鋼具有硬度和強度高、韌性和耐磨性好等優點，可顯著提高抗磨部件使用壽命。
文檔編號B22D27/04GK101016603SQ200610105250
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者符寒光, 邢建東, 高義民, 皇志富 申請人:西安交通大學