耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法
2023-05-16 22:03:31 2
耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法
【專利摘要】本發明為一種耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法，其化學成分按重量百分比為：0.10～0.5％C，3～26％Cr，0.5～4％W，0.5～1.2％Si，0.5～1.5％Mn，0.7～3.5％B，0.3～2.6％Cu，1.5％～2.4％Al，0.8～1.6％Ti，0.02～0.15％Ca，0.03～0.25％Ce，0.02～0.18％N，0.05～0.3％Nb，0.12～0.25％Mg，0.04～0.13％K，0.05～0.12Ca，0.06～0.15Ba，S＜0.03％，P＜0.04％，餘量為Fe和不可避免的雜質元素。廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化後加入銅板、矽鐵、錳鐵，爐前調整成分合格後，將熔體溫度升高至1560-1620℃，加入矽鈣合金和鋁脫氧，然後加入鈦鐵、硼鐵和金屬鋁熔化出爐；將小於12mm的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4、VN、Nb和K所組成的複合變質孕育劑經烘烤後放在鋼水包底部，用包內衝入法對冶煉好的鋼水進行變質孕育處理，鋼水澆注溫度為1400～1450℃；鑄件經920～1150℃保溫2-4小時後空冷。
【專利說明】耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法【技術領域】
[0001]本發明屬於鋼鐵材料【技術領域】，涉及一種鑄造耐磨模具鋼及其製備方法，特別是一種高耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法。
【背景技術】
[0002]現代科技的發展對材料的要求越來越高，磨損是礦山、冶金、機械、電力、煤炭、石油、建材、交通等工業部門普遍存在並成為引起設備損壞或材料失效和能源消耗的一個重要原因，也是機械零件三種主要的失效形式之一，研究和發展新一代耐磨材料，減少金屬磨損，對國民經濟具有重要的意義。目前廣泛應用的金屬耐磨材料主要有合金鋼和鑄鐵基耐磨材料，前者韌性好，但存在硬度低和耐磨性差的不足。鐵基耐磨材料可分為兩大類，一類是組織中含有大量地、粗大地、高硬度地硬質相(> 5% vol.);另一類是組織中沒有或只含有少量地硬質相。由於硬質相的耐磨性高於基體，所以硬質相自然成為耐磨材料的耐磨骨架。傳統的白口鑄鐵是這一類耐磨材料的典型代表。在白口鑄鐵中，組織中含有約10%vol.的M3C型或M7C型碳化物。因為M3C型或M7C型碳化物具有高硬度，因而，白口鑄鐵具有高耐磨性。在鐵基耐磨材料中，目前發現的可以作為耐磨骨架的硬質相主要有兩大類，一類為碳化物；另一類為硼化物。目前，人們對以碳化物作為耐磨骨架的鐵基耐磨材料研究的較多，而對於以具有更高硬度的硼化物作為耐磨骨架的鐵基耐磨材料卻研究的很少。由於白口鑄鐵具有高硬度和高耐磨性，因而目前在金屬耐磨材料領域仍然大量使用該類材料，但該類材料存在脆性大，使用中易剝落甚至開裂的不足，因而無法滿足現代工業發展對高性能耐磨材料的要求。因此，開發生產工藝簡單、生產成本低廉、強度和韌性高、淬透性和淬硬性好的新一代鋼鐵耐磨材料，在磨料磨損工況下取代目前廣泛使用的普通耐磨材料，無疑具有十分重要的意義。
[0003]為提高金屬耐磨材料的抗磨性能，滿足應用要求，近年來，國內外開展了大量的研究，開發出了大量的新型高性能耐磨材料。中國發明專利CN1039267公開了一種耐磨高鉻鑄鐵的組成及其製備工藝，該材料的化學成分(按重量百分比)為:2.9~3.2% C，0.4~0.8% Si,0.4 ~1.0% Mn, 1.2 ~2.0% Mo, 18.0 ~20.0% Cr,4.0 ~5.0% V,0.8 ~1.2%Cu,0.05~0.5% RE，P〈0.08%, S〈0.05%，其餘為鐵。該耐磨高鉻鑄鐵與普通耐磨材料相t匕，具有耐磨損，機械性能好，熱處理工藝簡單，能耗低等優點，適合於製作工作環境苛刻的耐磨零部件。但該種耐磨鑄鐵中含有較多的釩、鑰等合金元素，生產成本高，且還存在著高溫熱處理時易開裂，材料的脆性大，使用中易剝落甚至開裂等不足。為了提高高鉻白口鑄鐵的韌性，中國發明專利CN1115339公開了鉻系白口鑄鐵複合孕育劑，該孕育劑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，通過添加S1、Mg、RE合金元素，以改變第二相形態和分布，起到對金屬熔體的變質作用，在工藝上採用了孕育與變質相結合的技術路線。採用該發明可以使鉻系白口鑄鐵的衝擊功達到4.5J，使衝擊韌性提高60%，斷裂韌性達到32MPa.m1/2，提高30%，抗拉強度達到668MPa。但該材料的脆性仍然較大，在重載、衝擊磨損工況下使用，安全可靠性較低。[0004]硼是我國富產元素，總貯量佔世界第五位。大量研究表明，在鋼中加入適量硼，通過調節合金中硼含量和碳含量可以實現對硼化物體積百分數及基體含碳量的控制，使材料具有優異的耐磨性和強韌性。在白口鑄鐵中加入微量硼還可以細化共晶碳化物，改善碳化物的形態和分布，提高白口鑄鐵力學性能。在工程應用中已經證實，硼加入結構鋼中可以代替一部分或全部鎳、鉻、錳、鑰等，在汽車工業中用硼鋼代替40Cr鋼，其使用壽命不低於鉻鋼。開發以硼為主要合金元素的金屬耐磨材料，使其具有良好的淬硬性和淬透性，貴重合金元素加入量少，生產成本低廉，熔煉工藝簡單，成形性好，無汙染，同時採用金屬熔體淨化和變質處理工藝，改善含硼合金材料的組織形態，使其具有良好的強韌性和耐磨性，在耐磨材料領域將具有廣泛的應用前景。為此中國發明專利CN1624180公開了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，該高硼鑄造鐵基耐磨合金的主要化學成分(重量％ )為:0.15~0.70% C，0.3 ~1.9% B，0.4 ~0.8% Si，0.6 ~1.3% Mn，0.3 ~0.80% Cr,0.05 ~0.25%Ce，0.02 ~0.10% La，0.005 ~0.018% Ca，0.04 ~0.18% K,0.08 ~0.25% A1，P〈0.04%,SC0.04%，其餘為Fe。該合金經熱處理後可以獲得板條狀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。為提高高硼合金韌性，國內外進行了大量的研究。中國發明專利CN1804091公開了鑄造高硼耐磨合金的韌化方法，該方法是將化學成分為:0.30~0.35% C，1.0~1.5% B，0.6~0.8%Si，0.8~1.0% Mn，P〈0.04%, S〈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。其韌化方法為:先將鋼液熔煉並用鋁脫氧後，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°C~1050°C，保溫時間為2~3小時，然後進行淬火或正火，最後回火:變質劑鈦鐵合金用量為鑄造高硼耐磨合金的0.75~1.0%。經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在基體中。由於該工藝沒有將硼化物變成顆粒狀，僅僅是大塊狀分布，因此仍然存在材料的脆性大，韌性不太高，僅為12.5J，無法滿足在重載、衝擊磨損工況下的安全使用。
[0005]前蘇聯專利號SU1，447，926公開的一種「高強度和高衝擊韌性高硼合金製造方法」，該高硼合金的化學成分為:0.2~0.50% C，2.1~3.5% B，0.15~0.6% Si，0.25~0.80% Mn，0.2~0.80% Sb，該合金組成中含有較多的銻，將顯著增加高硼合金的生產成本，且含硼量較高，合金組織中硼化`物數量增加，不利於高硼合金韌性的改善。
[0006]為提高高鉻鑄鐵的耐磨性能，降低高鉻鑄鐵的生產成本，日本專利JP3150334-A、JP93041691-B公開了一種含硼高鉻鑄鐵，其主要化學成分為:2.7~3.5% C，0.2~1.0%Si，0.5 ~1.5% Mn, 27 ~34% Cr,0.5 ~2.0% Mo，0.5 ~2.0% K 0.1% B，該高硼高鉻鑄鐵經過950~1100°C正火和200~500°C回火後，硬度達到62HRC以上，衝擊強度超過
0.23。由於硼含量較少，為了提高淬透性，因此在合金中加入了 0.5~2.0% Mo,且含鉻量較高，增加了生產成本。
[0007]為降低生產成本，提高高鉻鑄鐵的性能，中國發明專利CN101260497A公開了含硼高鉻耐磨鑄鐵及其製造方法，其特徵在於含硼高鉻耐磨鑄鐵的化學成分為(重量％):
2.5 ~3.5% C，15 ~28% Cr，0.5 ~1.2% Si，0.5 ~1.2 % Mn，0.15 ~0.3 % B，0.008 ~
0.03 % Ca, 0,03 ~0.08 % Ba,0.02 ~0.05 % Sr,0.03 ~0.08 % A1,0.20 ~0.50 %Ti，0.02 ~0.06 % La，0.02 ~0.06 % Ce, P〈0.04 %, S〈0.04 %，其餘為 Fe，且 0.05 %≤La+Ce ≤ 0.10%,6.0≤ Cr+C ( 8.0。該硼高鉻耐磨鑄鐵的製造方法為:將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鐵水熔清後加入矽鐵和錳鐵調整成分合格後將溫度升至1560~160(TC，加入矽鈣合金預脫氧，預脫氧I~2分鐘後，加入鋁終脫氧，終脫氧I~2分鐘後，加入鈦鐵，鈦鐵加入I~2分鐘後，加入硼鐵，硼鐵加入I~2分鐘後出爐；將鋇矽合金、鍶矽合金、鋁、鈦鐵、硼鐵和鑭鈰混合稀土破碎至粒度為4~IOmm的小塊，經150~180°C烘乾後，置於澆包底部，用包內衝入法對鐵水進行變質處理，然後將變質處理後的鐵水溫度在1420~1480°C澆注成鑄件；將所澆注的鑄件在980~1050°C經4~6小時保溫後進行正火處理，然後在250~500°C進行回火處理，回火保溫時間8~10小時，製得含硼高鉻耐磨鑄鐵。該發明與已有技術相比具有以下優點:①採用廉價硼取代昂貴的鑰、鎳等合金元素，改善高鉻鑄鐵的淬透性，降低高鉻鑄鐵生產成本30~50%。②採用鑭鈰混合稀土、鈦、鈣、鍶、鋇、鋁等元素細化凝固組織，減輕元素偏析，改善碳化物形態和分布，提高含硼高鉻耐磨鑄鐵的強度和韌性，其中抗拉強度超過580MPa，衝擊韌性大於IOJ / cm2，硬度大於62HRC。③採用矽-鈣合金脫氧，鋁終脫氧，同時採用鈦固定鐵液中的氮，穩定並提高了硼元素的收的率，硼的收的率大於92%，比普通方法提高硼收的率10%以上，使含硼高鉻鑄鐵性能穩定。④該含硼高鉻鑄鐵具有優異的耐磨性，達到甚至超過了含鑰、鎳高鉻白口鑄鐵水平。但該含硼高鉻耐磨鑄鐵由於含硼量小(0.15~0.3%)，合金中的硼化物含量少，使其耐磨性能仍然較低；由於含硼高鉻耐磨鑄鐵中的碳含量高(2.5~3.5% C)，使其韌性較低，在重載、大衝擊磨損工況下使用其安全性能差；由於採用較多的合金進行變質處理，造成變質處理工藝複雜,成本增加。
[0008]中國發明專利CN101660097B公開了高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法，其特徵在於高硼高鉻低碳耐磨合金鋼的化學成分為(重量％):0.10~0.5% C，3~26% Cr，
0.5 ~1.2% Si,0.5 ~1.5% Mn,0.3 ~2.8% B,0.3-2.6% Cu,0.2-0.6% Ti,0.02-0.15%Ca,0.03-0.25 % Ce,0.02-0.18% N,0.05 ~0.3 % Nb,0.04 ~0.09 % Al,0.02 ~0.15%Mg,0.04-0.13% K，S〈0.03%，P〈0.04%，餘量為Fe和不可避免的雜質元素。該專利雖然經營硬度高、耐磨性和熱穩定好的高含量的硼化物和高含量的具有高硬度的鉻及鉻的碳化物作為耐磨合金的硬質相，硼化物鑲嵌在高韌性的馬氏體基體上，獲得具有高強韌性、高耐磨性，不含鎳和鑰元素的低成本高硼高鉻低碳耐磨合金鋼。但是該材料的高溫抗氧化性較差，且高溫下基體硬度明顯下降，導致高溫磨損下金屬基體不能對硬質相(碳化物、硼化物)提高良好的支撐，基體易優選磨損，硬質相在磨料的作用下易出現脆斷和剝落，其優異的抗磨性能得不到充分發揮。因此提高含硼合金抗高溫性能，對於擴大含硼合金材料在高溫磨損環境下的應用，具有非常重要的作用。高溫下鋁元素形成的A12O3氧化膜緻密堅固，不具有揮發性，與Cr2O3氧化膜緊密結合，大大增加了鐵基合金的高溫抗氧化性。此外，鋁是非碳化物形成元素，溶於高速工具鋼合金中，可提高高速工具鋼的回火穩定性、室溫硬度和高溫硬度，對改善高速工具鋼的高溫耐磨性有利。鑑於鋁元素的上述獨特作用，在含硼合金中加入適量鋁元素，對於改善含硼合金的高溫耐磨性是有益的。使其應用在高溫工況條件。
[0009]因此，含硼高鉻鑄鐵雖然在國內外均進行了研究，但由於其強度和韌性及紅硬性未有得到解決，致使其一直未能得到廣泛推廣和應用。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在於解決現有技術中的不足，提供一種以硬度高、耐磨性和耐高溫性能好的高含量的硼化物和高含量的具有高硬度的鉻及鉻的碳化物作為耐磨合金的硬質相，硼化物鑲嵌在高韌性的馬氏體基體上，獲得具有高強韌性、高耐磨性，不含鎳和鑰元素的低成本耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法。
[0011]為實現上述目的，本發明可以通過以下基本化學成分的設計和技術方案來實現:
[0012]本發明所提供的一種耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼化學成分及其質量百分比為；0.10 ~0.5 % C，3 ~26 % Cr，0.5 ~4 % W，0.5 ~1.2 % Si，0.5 ~1.5 % Mn，0.7 ~3.5 % B，0.3-2.6 % Cu, All.5 % ~2.4 %，0.8-1.6 % Ti，0.02-0.15 % Ca，0.03-0.25 %Ce，0.02-0.18 % N，0.05 ~0.3 % Nb，0.12 ~0.25 % Mg，0.04-0.13 % K，0.05-0.12Ca,0.06-0.15Ba, S〈0.03%, P<0.04%，餘量為Fe和不可避免的雜質元素。
[0013]本發明所提供的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法，其製造工藝步驟是:
[0014](I)將廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清後加入銅板、矽鐵、錳鐵，控制碳含量達到要求，爐前調整成分合格後，將熔體溫度升高至1560~1620°C，加入矽鈣合金進行預脫氧，加入鋁終脫氧，然後依序加入鈦鐵、硼鐵和金屬鋁熔化；
[0015](2)當鈦鐵和硼鐵全部熔化後，將小於12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4^Nb和K所組成的複合變質孕育劑用薄鐵皮包好，經160~200°C的溫度烘烤後放在鋼水包的底部，用包內衝入法對冶煉好的鋼水進行變質孕育處理；
[0016](3)將經過包內變質孕育處理過的鋼水在砂型或金屬型內澆注成鑄件，或在離心機上採用離心複合鑄造法澆注成外層為高硼高鉻低碳耐磨合金鋼，內層為鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵或低合金鋼的雙金屬複合材料，熔體澆注溫度1400~1450°C ；
`[0017](4)鑄件清理後，在700~750°C溫度下保溫4_6小時進行亞臨界退火，將基質分解成鐵素體和碳化物的混合體，使其硬度降低到30~35HRC，以便於進行機械加工；
[0018](5)鑄件清理後，或經機械加工後，將鑄件或加工件在920~1150°C保溫2_4小時進行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然後進行空冷到室溫，以便在合金基質中形成馬氏體顯微組織，經過該熱處理工藝處理後的材料的硬度可以達到HRC50~65。如果需要，可以將熱處理後的材料在150~200°C進行回火處理，回火保溫時間2-4小時，隨爐空冷至室溫，以進一步調整硬度。
[0019]合金材質的性能是由金屬材料的金相組織決定的，而一定的材料組織取決於材料的化學成分及其熱處理工藝，本發明的化學成分的確定依據為:
[0020]C:C是影響金屬材料硬度和韌性和抗疲勞性能的主要元素。在鑄造合金中，材料的斷裂韌性、抗衝擊性、耐疲勞性和耐磨性在很大程度上取決於各硬質相的體積百分率，而硬質相的量又與碳、硼含量以及碳化物形成元素和硼化物形成元素的含量有關，同時還與基體的填隙碳和硼的含量有關。隨著材料中碳含量的增加，碳化物顯著增加，且分布在晶界上，故韌性下降。由於本發明採用部分高硬度的硼化物代替碳化物，因而在本發明的合金組分設計中，最重要的是使基體的碳含量保持在足夠低的水平，這樣才能使材料獲得足夠的斷裂韌性或抗熱衝擊性，故本發明將碳含量控制在0.10~0.5%。
[0021]Cr:Cr是本發明合金中的主要元素。在高硼鋼中加入適量的Cr可以提高鋼的淬透性，細化鋼的組織，有利於降低硼化物的脆性。當鋼中Cr的含量大於12%時，碳化物主要為高硬度的(Cr，Fe) 7C3型碳化物，從而使合金具有良好的抗磨性，同時Cr還具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性能。在含硼模具鋼中加鉻一方面可以固溶於基體，提高基體淬透性，另一方面鉻還有固溶於硼化物並降低硼化物脆性的作用，鉻還促進硼元素在基體中固溶量的增加，具有間接提高鑄鋼淬透性，提高回火穩定性的作用。但當Cr含量過高時，材料的冶煉困難，鑄造性能惡化，成本增加。綜合以上因素，本發明將Cr含量控制在3~26%。
[0022]B:B是一種特殊的元素，原子序數為5，介於金屬與非金屬之間，既能與金屬化合又能與非金屬化合。硼是高鉻鑄鋼中的主要合金元素，在高硼高鉻鑄鋼中加入適量的B，即可以置換碳化物中的部分碳原子，形成含硼的合金碳化物，並使碳化物體積分數隨著硼含量的增大而增加。而且含硼碳化物平均硬度比(Cr，Fe)7C3型碳化物提高，含硼高鉻鋼更易於摩擦誘發馬氏體相變，產生加工硬化，其抗磨性也較無硼高鉻鋼高。同時，由於原子尺寸的差異，造成晶格扭曲，使基體組織的顯微硬度提高。再者，由於硼原子半徑較小，極易在晶界產生偏聚。偏聚在晶界上的硼可以抑制鐵素體新相形核，有利於提高高鉻鑄鋼的淬透性和淬硬性。硼的這些作用對提高高鉻鑄鋼抗磨性能是有利的。但是硼元素加入量過多，將造成脆性硼化物數量增加，引起高鉻鑄鋼韌性的下降，損害鑄鋼的強度和韌性，當硼元素加入量較少，鑄鋼中硼化物數量較少，對改善鑄鋼的耐磨性作用不明顯。綜合以上原因，本發明將B含量控制在0.3~2.8%
[0023]Cu:Cu是非碳化物和硼化物形成元素，主要溶於基體，可以明顯提高基體的淬透性，溶於基體中的銅還有改善高硼鑄鋼耐腐蝕性的作用。銅加入量過少，對改善高硼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，反而降低高硼鑄鋼的耐磨性，綜合考慮，將銅含量控制在0.3~2.6%。
[0024]Si:Si也是高硼高鉻低碳耐磨鋼中的主要合金元素，而且是非碳化物形成元素，可以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餘奧氏體穩定化，形成無碳化物貝氏體。娃固溶與鐵素體和奧氏體中，有明顯的強化作用，矽能降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，提高強度和硬度。矽也使鋼的第一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。矽和氧的親和力僅次於鋁和鈦，而強於猛、鉻、釩等，是很好的還原劑和脫氧劑，可以提高鑄鋼的緻密度，但矽量過高將顯著降低鋼的塑性和韌性。綜合考慮，將矽含量控制在
0.5 ~1.2%。
[0025]Al:A1在高溫下鋁元素形成的A12O3氧化膜緻密堅固，不具有揮發性，與Cr2O3氧化膜緊密結合，可以改善含硼合金的高溫抗氧化和磨損性能，此外，鋁是非碳化物形成元素，溶於含硼合金中，可提高高硼鋼的回火穩定性、室溫硬度和高溫硬度，對改善高硼鋼的高溫耐磨性有利。
[0026]Mn:Mn能強烈增加鋼的淬透性，淬火後易得到馬氏體組織。錳還能起到脫氧劑和脫硫劑的作用，可以淨化鋼液。高硼鋼中加入適量的錳，主要是為了提高鋼的淬透性，加入量過多，將會粗化鋼的組織，增大高硼鋼的熱裂傾向。綜合考慮，錳控制在0.5~1.5% Mn。
[0027]T1:在高硼中加入適量的鈦，可以細化凝固組織，還可以細化硼化物，促進硼化物網絡的斷網和孤立分布。鈦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，有利於改善含硼鑄鋼的力學性能。高硼鑄鋼熔體在加硼之前先加入鈦元素固定氮，可以穩定和提高硼收得率。另外，鈦是強碳、氮化合物形成元素，鈦的碳化物、氮化物和碳氮化合物會在凝固過程中作為先析出相而析出，促進凝固組織的細化，並減輕硼元素的偏析，有利於改善和提高高鉻鑄鋼的強度和韌性。鈦加入量過多，導致鈦的化合物數量增加，將出現粗大的塊狀TiB2,反而降低鑄鋼的強度和韌性，綜合考慮，將鈦含量控制在0.2~0.6%。
[0028]Ca =Ca與氧有很大的親和力，鈣的脫硫能力很強，易於鋼中殘存的硫結合，可將高硼鋼中的長條狀硫化物夾雜轉變為球狀的CaS夾雜，可作為共晶硼化物的異質核心，促進硼化物顆粒的形成和奧氏體形核，並可顯著降低硫在晶界的偏聚，細化初生奧氏體和共晶奧氏體。高硼鋼中加入適量的鈣可增強脫氧能力，鈣對鋼鐵溶液中夾雜物的變質具有顯著作用，對提高高硼鑄鋼鑄造時抗熱烈性是十分有利的，可改善高硼鑄鋼的強度和韌性。合適的鈣加入量為0.02~0.15%。
[0029]Ce =Ce易於鋼水中殘存的氧反應，形成Ce02，CeO2作為奧氏體結晶的異質核心有效，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。在高硼鋼中加入微量鈰元素可以作為結晶核心來細化晶粒，有利於改善鑄態結晶組織，阻止硼化物沿晶界長大，淨化晶界，去除有害雜質，提高鑄鋼的韌性。合適的加入量是0.03~0.25%。
[0030]N:N加入高硼鋼中易與鋼中的T1、B化合生成高熔點的TiN和BN，且TiN與Y-Te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，使鑄態金屬晶粒細化，有利於硼化物的細化和均勻分布。在鋼中加入微量氮，除了形成高熔點化合物Ti (C，N)提高鋼的強度和硬度外，部分氮固溶於基體中，明顯改善鋼的淬透性和淬硬性，提高鋼的耐磨性。加入量過多，鑄鋼中易出現氣孔，反而降低鑄鋼的性能。因而，本發明將氮的加入量控制在 0.02 ~0.18%。
[0031]Nb =Nb是強碳氮化物合成元素，通過在鋼中加入微量的鈮，可以在鋼中形成穩定性很高的NbC、NbN和Nb(CN)，NbC的熔點為3513°C，其穩定性在碳化物形成元素中次於TaC,可以「釘扎」.，阻止晶粒長大，有細化晶粒的作用。由於NbC是MC型，其硬度高達2000HV,因而可以增加鋼的耐磨性。在鋼中加入鈮可以抑制再結晶過程，提高材料的再結晶溫度，延遲回復再結晶溫度，鈮的碳氮化物可以有效制約鋼的結晶粒度長大。此外，鋼中加入鈮在於補充析出強化，無異常晶粒長大現象，可提高熱強性和高韌性，且耐疲勞性能顯著提高。Nb有強烈的孕育作用，可促進球化，促進球光體形成，細化白口組織，因而可以提高鋼的強度和硬度。鈮在鋼中具有較高的強化效果，其強化作用為矽的35~78倍、錳的41~87倍、鉻的50~117倍、鎳的87~175倍，可以代替2倍的釩或3倍的鈦。鈮的Nb (CN)的析出強化效果與Nb含量的I / 3次方成正比。由於鈮屬於貴重合金，價格高，加入量大將增加成本。所以作為微量合金元素，在鋼中鈮含量一般不大於0.3%。綜合考慮，將鈮的含量控制在0.05~0.3%。
[0032]Al:A1是一種活潑元素，在高硼高鉻鋼中加入鋁主要是為了脫氧，殘留在鋼液中的鋁幾乎不溶於碳化物，共晶反應時它富集在碳化物的前沿，導致成分過冷，阻止碳化物尖端生長，使其邊緣鈍化，有利於改善碳化物形態和分布，提高高鉻鑄鋼的力學性能和耐磨性。
[0033]Ce:當鋼中加入Ce時，Al易於Ce氧化反應，生成CeAlO3，可促進奧氏體形核，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。
[0034]Mg:Mg是表面活性元素，與硫、氧有極大的親和力，可發生劇烈的冶金反應，具有良好的脫氧、脫硫、淨化鋼液並改善夾雜物形態的作用，鋼中加入適量的鎂為形成細小均勻分布的複合型球狀夾雜物創造了熱力學和動力學條件，鋼液在凝固時，首先形成MgO，它可以作為隨後凝固的MgS、MnS和其它夾雜的核心。由於MgO在鋼液中特別分散，因此鎂可以改變鋼中夾雜物的類型、數量、大小、形態和分布，可以明顯改善鋼的韌性。適量的鎂還可以使鑄鋼中Al2O3夾雜物變得細小，同時被尺寸小、呈圓形的MgO和MgO的複合夾雜所取代，原尺寸大、長條狀的MgS夾雜物被尺寸小、近球形的MgO和MgO的複合夾雜和MgS、MgO複合夾雜物所取代，因而提高了夾雜物與基體抵抗裂紋形成與擴展的能力，改善了鑄鋼的韌性。鋼中加入鎂後，鋼液在共晶結晶時選擇性地吸附在共晶硼化物擇優生長方向的表面上，形成吸附薄膜，阻礙鋼液中的B、Fe、Cr等原子長入共晶硼化物晶體，降低了共晶硼化物擇優方向的長大速度，導致擇優方向長大減慢，而其他方向長大速度增大，促使共晶硼化物由網狀向斷網狀、團塊狀轉變。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MgS、MgO等夾雜重新捲入鋼液中，對高硼鑄鋼性能產生不利的影響。因此，本發明將含鎂量控制在0.02~0.15%。
[0035]K ;K可以明顯降低高硼鑄鋼的初晶結晶溫度和共晶結晶溫度，有助於鋼水在液相線和共晶區過冷，使形核率大大增加。因此，鉀使初晶組織細化，導致共晶反應時殘留鋼液相互被隔開的趨勢增強，進而導致共晶組織的細化，有助於硼化物的細小，使網狀硼化物出現許多薄弱的連接部位。在共晶硼化物的薄弱部位，高溫熱處理時易於斷開甚至孤立化，導致含硼鑄鋼韌性的明顯提高。鉀加入量過多，將使鋼中夾雜物數量增多，反而降低鋼的強度和韌性。因而，綜合考慮，本發明將鉀含量控制在0.04~0.13%。
[0036]S和P:磷和硫均是有害元素，是由原料中帶入的不可避免的微量雜質，為了保證高鉻高硼耐磨合金鋼的強度、韌性 和耐磨性，將硫控制在s<0.03%，將磷控制在〈0.04%。
[0037]有益效果
[0038]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0039]1、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼由於採用廉價的硼取代昂貴的鎳、鑰等合金，生產成本低，可比高鉻鑄鐵降低生產成本30~50%。
[0040]2、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼由於基體中含碳量極低，因而具有較高的耐冷熱疲勞性、抗斷裂韌性和抗熱衝擊性能，可以滿足熱作工況對模具材料的要求。
[0041]3、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼由於含有大量的高硬度硼化物，除了改善淬透性外，可以大幅度的提高耐磨性能，可比高鉻白口鑄鐵提高30~50%。
[0042]4、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼由於含有大量的鉻，具有良好的抗氧化性能、耐腐蝕性能。
[0043]5、本發明的高硼鋼由於加入了一定含量的AL元素，大大增加了鐵基合金的高溫抗氧化性，並可提高高硼鋼的回火穩定性、室溫硬度和高溫硬度，對改善高速工具鋼的高溫耐磨性有利。
[0044]6、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼可以採用普通電爐熔煉，原料選用普通廢鋼、鉻鐵、銅板、錳鐵、矽鐵、硼鐵直接生產，採用鈦鐵、鈮鐵、鈰基稀土鎂合金和含氮物質及鹼金屬鉀進行包內衝入法複合變質孕育處理。經變質處理後的合金中的硼化物呈孤立的團球狀均勻地分布在強韌性好的馬氏體基體上，使衝擊韌性得到明顯的改善，衝擊韌性ak達到10~12J / cm2，較之變質處理前提高約30%，生產工藝簡便。
[0045]7、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼具有很好的流動性和鑄造成性能，可以採用普通砂型鑄造、消失模鑄造、失蠟精密鑄造、金屬型鑄造和樹脂砂型鑄造、離心複合鑄造等方法成型，鑄件不易沾砂，澆冒口易於清理，可以直接鑄造成各種形狀的產品。
[0046]8、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼可以在700~750°C下進行退火，使合金硬度降低到30~35HRC以下，以便於進行機械加工；可以在920~1150°C範圍內的溫度下進行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然後採用空冷硬化，以便在合金基體中形成馬氏體組織，還可以將熱處理後的材料在150~200°C進行回火處理，使合金硬化後的硬度達到HRC50~65，硬度變化範圍大，可以滿足不同工況的使用要求，熱處理工藝簡單，成本低廉。
[0047]9、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼淬透性能優異。即使在爐冷條件下直徑0 400_的式樣心部也能夠轉變成馬氏體。
[0048]10、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼具有良好的可焊接性、可氣割性能。
[0049]11、本發明的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼適用範圍廣，可以廣泛應用汽車、摩託車、農機和機械製造等工業生產中的壓力鑄造、擠壓鑄造、重力鑄造、鍛造成型等所需的熱作模具；應用於冶金軋輥、玻璃成型模具、泥漿泵泵殼和葉輪、焊管擠壓輥、銅精鍛模具、熱鐓模具和銅壓鑄模具、鋁壓鑄模具、耐火磚成型模具、破碎機錘頭、磨輥、球磨機襯板等領域。抗高溫性能好，高溫工況下使用不軟化。
【具體實施方式】
[0050]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步詳述。
`[0051]實施例1
[0052](I)將廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清後加入銅板、矽鐵、錳鐵，控制碳含量達到要求，爐前調整成分合格後，將熔體溫度升高至1560~160(TC，加入矽鈣合金進行預脫氧，加入鋁終脫氧，然後依序加入鈦鐵、硼鐵和金屬鋁熔化；
[0053](2)當鈦鐵和硼鐵全部熔化後，將小於12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4^Nb和K所組成的複合變質孕育劑用薄鐵皮包好，經160~200°C的溫度烘烤後放在鋼水包的底部，用包內衝入法對冶煉好的鋼水進行變質孕育處理；
[0054](3)將經過包內變質孕育處理過的鋼水在砂型內澆注成鑄件，熔體澆注溫度1400 ~1430。。；
[0055](4)鑄件清理後，在700~750°C溫度下保溫4小時進行亞臨界退火，使其硬度降低到30~35HRC，以便於進行機械加工；
[0056](5)鑄件清理後，或鑄件經過機械加工後，將鑄件或加工件在980°C保溫4小時進行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然後進行空冷到室溫，可獲得強韌性和耐磨性較好的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼。化學成分見表1，鑄鋼的力學性能見表2。
[0057]表1耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼化學成分(重量百分比)
[0058]
【權利要求】
1.一種耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法，其特徵在於所屬的合金鋼的化學成分及其重量百分比為:0.10~0.5% C，3~26% Cr,0.5~4% ff,0.5~1.2% Si,0.5 ~1.5%Mn，0.7 ~3.5%B,0.3-2.6% Cu,All.5%~2.4%，0.8-1.6% Ti,0.02-0.15%Ca, 0.03-0.25 % Ce，0.02-0.18 % N，0.05 ~0.3 % Nb，0.12 ~0.25 % Mg, 0.04-0.13 % K，0.05-0.12Ca，0.06-0.15Ba, S〈0.03%, P<0.04%，餘量為 Fe 和不可避免的雜質元素。
2.根據權利要求1所述的耐高溫高硼高鉻低碳耐磨合金鋼及其製備方法，其特徵在於，包括以下工藝步驟: (1)將廢鋼、鉻鐵在電爐中熔化，鋼水熔清後加入銅板、矽鐵、錳鐵，控制碳含量達到要求，爐前調整成分合格後，將熔體溫度升高至1560~1620°C，加入矽鈣合金進行預脫氧，加入鋁終脫氧，；然後依序加入鈦鐵、硼鐵和金屬鋁熔化； (2)當鈦鐵和硼鐵全部熔化後，將小於12mm以下的顆粒狀稀土鎂合金和金屬鈰、Si3N4、Nb和K所組成的複合變質孕育劑用薄鐵皮包好，經160~200°C的溫度烘烤後放在鋼水包的底部，用包內衝入法對冶煉好的鋼水進行變質孕育處理； (3)將經過包內變質孕育處理過的鋼水在砂型或金屬型內澆注成鑄件，或在離心機上採用離心複合鑄造法澆注成外層為高硼高鉻低碳耐磨合金鋼，內層為鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵或低合金鋼的雙金屬 複合材料，熔體澆注溫度為1400~1450°C ； (4)鑄件清理後，在700~750°C溫度下保溫4-6小時進行亞臨界退火，將基質分解成鐵素體和碳化物的混合體，使其硬度降低到30~35HRC，以便於進行機械加工； (5)將鑄件或經加工後的工件在920~1150°C保溫2-4小時進行熱處理，使其硬化以形成奧氏體，然後進行空冷到室溫，以便在合金基質中形成馬氏體顯微組織，經過該熱處理工藝處理後的材料的硬度可以達到HRC50~65，如果需要，可以將熱處理後的材料在150~200°C進行回火處理，回火保溫時間2-4小時，隨爐空冷至室溫。
【文檔編號】C22C38/32GK103498107SQ201310495471
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】丁剛, 丁家偉, 耿德英, 符寒光, 張瑩, 謝宗翰, 王愛華, 郭洪才, 印傑, 孫健, 張寧, 強穎懷, 郭長慶 申請人:江蘇盛偉模具材料有限公司