專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種耐磨鑄鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種耐磨鑄鋼及其制備方法，特別涉及一種錳含量較高的耐磨鑄鋼及其制備方法，屬于耐磨材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：材料的破壞有3種形式即斷裂、腐蝕和磨損。材料磨損盡管不像另外兩種形式，很少引起金屬工件災(zāi)難性的危害，但其造成的經(jīng)濟(jì)損失卻是相當(dāng)驚人的。中國(guó)工程院組織的調(diào)查顯示，2006年我國(guó)消耗在磨損、摩擦和潤(rùn)滑方面的資金估計(jì)為9500億元，約占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP的4.5%。因此，研究新型耐磨材料，減輕材料磨損，將具有極其重要的意義。在耐磨材料應(yīng)用領(lǐng)域，主要有奧氏體高錳鋼和高鉻白口鑄鐵，前者只有在高沖擊下才發(fā)生加工硬化，顯示出優(yōu)異耐磨性，后者含有25%以上的高硬度碳化物，具有硬度高和耐磨性好等特點(diǎn)，但脆性大，只適合于低應(yīng)力磨損條件下使用。中錳鋼經(jīng)水韌處理后，也可轉(zhuǎn)變成奧氏體，具有較好的強(qiáng)韌性，且因錳含量的下降，具有更好的加工硬化效果，是替代高錳鋼的理想材質(zhì)。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN101182617公開(kāi)了一種采用中錳鋼制作石料分級(jí)用的篩板及其制造方法，首先制作中錳鋼篩板型砂成型模或消失模，將86.692.5%鐵、510.9%錳、0.81.3%碳和0.41.2%硅熔化為溫度為1350160(TC的中錳鋼鋼水，然后注入到中錳鋼篩板型砂成型?；蛳Ｖ校匀焕鋮s后，由型腔中取出鑄件并打磨掉毛剌，再以每小時(shí)升溫50°C60°C的幅度連續(xù)升溫到650°C700°C后，保溫12小時(shí)，然后再以每小時(shí)升溫50°C6(TC的幅度升溫至950120(TC，保溫12小時(shí)，出爐后的鑄件立即用強(qiáng)吹風(fēng)加噴水霧快速冷卻，冷卻后的鑄件用滾壓設(shè)備壓平，即得石料分級(jí)用篩板。采用本發(fā)明制造的中錳鋼，奧氏體基體中易析出碳化物，脆性較大。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN101100724公開(kāi)了一種環(huán)錘式碎煤機(jī)的錘頭材料，主要是一種耐磨、耐沖擊鋼，所述耐磨、耐沖擊鋼的化學(xué)成分包括C、Si、Mn、Mo、Cr、V、P和S，各化學(xué)成分的重量百分比含量分別是:C:0.81.0、Si:0.20.4、Mn:8.010.0、Mo:0.20.5、Cr:3.04.0、V:0.050.1、P《0.045、S《0.045。本發(fā)明是采用中錳鋼作為材質(zhì)，并經(jīng)熱處理所得，其室溫組織為奧氏體，該奧氏體組織具有較好的韌性；同時(shí)，又因其含有Cr、Mo、V、Re多種合金元素，具有好的耐磨性。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN86107760公開(kāi)了一種鑄造中錳鋼，屬于鐵基合金。其成分為(按重量)O.60.8%C，<0.5%Si，810%Mn，O.20.4%Mo，O.20.4%V，O.40.6%Cu，23%Cr，《0.04%S，《0.04%P，其余為Fe。優(yōu)先選擇的成分是(按重量)O.7%C，<0.5%Si，9%Mn，O.3%Mo，O.3%V，O.4%Cu，3%Cr，其余為Fe。這種材料不僅具有較高的耐磨性，而且具有良好的焊接性，冶煉工藝和熱處理工藝簡(jiǎn)單，適用于制造制磚攪拌機(jī)上的合泥攪刀。上述中錳鋼中含有較多價(jià)格昂貴的鉬、釩、銅元素，增加了材料的生產(chǎn)成本。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN1424159還公開(kāi)了一種共晶體增強(qiáng)奧氏體中錳鋼電磁場(chǎng)制備方法，取材料成分為1.2%-1.55%C，6.8%-7.5%Mn，1.0%-1.8%Si，<0.038%P，<0.025%S，<0.025%O，其余為Fe，在氬氣保護(hù)下，將材料在感應(yīng)線圈中加熱熔化，當(dāng)合金液過(guò)熱IO(TC后，控制合金的溫度與磁感應(yīng)強(qiáng)度，使合金液在1500140(TC之間于磁場(chǎng)中作用510分鐘，斷電隨爐冷卻。該發(fā)明利用電磁場(chǎng)的加熱攪拌作用，影響合金元素在凝固過(guò)程中的偏析及相的生成，從而改變奧氏體中錳鋼中團(tuán)球共晶體數(shù)量、形態(tài)與分布，提高共晶體顆粒增強(qiáng)奧氏體中錳鋼的綜合性能。該發(fā)明材料中含有較多的硅，導(dǎo)致組織粗大，且易形成夾雜物，降低材料性能。另外，采用電磁場(chǎng)制備，存在效率低、能耗高等不足。此外，鑄造中錳鋼還存在鑄造性能差和鑄件落砂清理過(guò)程中易斷裂等不足，因此國(guó)內(nèi)外的推廣應(yīng)用緩慢。為了改善中錳鋼耐磨性，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN1089531還公開(kāi)了耐磨表面復(fù)合材料及其制作工藝，該發(fā)明涉及在奧氏體中錳鋼表面形成耐磨表面復(fù)合材料及其制作工藝。其特點(diǎn)是以高碳鉻鐵及稀土合金作為改善浸滲性及基體性能的添加劑，在奧氏體中錳鋼表面復(fù)合鑄造碳化鎢顆粒，形成以鑄造碳化鎢顆粒為抗磨骨干相，以合金碳化物及含鉻、鎢、錳、稀土元素的馬氏體為基體的耐磨性十分優(yōu)異的表面復(fù)合層。其制作方法是將鑄造碳化鎢顆粒，高碳鉻鐵、稀土合金均勻混合后，然后澆注過(guò)熱度為50-10(TC的中錳鋼于鑄型中。但復(fù)合層易出現(xiàn)夾雜、氣孔和裂紋等缺陷，使用穩(wěn)定性較差。國(guó)外專(zhuān)利SU1444389-A報(bào)道了在含0.9-1.3%C，O.4-0.9%Si，8.0-12.0%Mn和1.0-2.3%Cr錳鋼中，加入O.008-0.03%Ti，0.0005-0.005%Ca，O.21-0.50%Cu和0.001-0.003%B，可以明顯提高錳鋼性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在中錳鑄鋼中，加入少量的鈦、釩、鈮、鋇、鈣、硼、稀土等元素，細(xì)化和凈化其凝固組織，改善其鑄造性能和耐磨性性能。本發(fā)明目的可通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)本發(fā)明材料的化學(xué)組成成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)是0.701.10C，6.08.OMn，0.30.8Si，2.53.OCr，O.030.08V，0.0080.015B，0.030.08Ce，0.020.10Ti，0.020.10Nb，0.100.25Sb，0.010.03Ca，0.010.03Ba，<0.04S，<0.06P，余量Fe，其中0.08<Ti+Nb<0.18，0.035<Ca+Ba<0.045。本發(fā)明耐磨鑄鋼用電爐熔煉，其制造工藝步驟是(1)首先用廢鋼、錳鐵、鉻鐵和硅鐵配料，用石墨或生鐵增碳，鋼水熔化、爐前調(diào)整成分合格后，將溫度升至1500158(TC，加入硅鈣鋇合金，然后加入占鋼水重量0.05%0.10%的鋁脫氧，出爐前加入鈮鐵、鈦鐵和釩鐵，而后出爐。(2)將鈰基稀土、硼鐵、金屬銻破碎至粒度小于12mm的小塊，經(jīng)12015(TC烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，然后將鋼水澆注成鑄件。(3)鑄件加熱至(10501100)°CX(26)h后，直接在溫度低于5(TC的水中進(jìn)行水韌處理。合金材質(zhì)的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學(xué)成分及熱處理工藝，本發(fā)明化學(xué)成分是這樣確定的碳和錳在Mnl3基礎(chǔ)上，使錳含量適當(dāng)降低，在保證獲得高強(qiáng)韌性?shī)W氏體的前提下，使鋼的Ms點(diǎn)提高，從而有利于使用過(guò)程中形變誘發(fā)馬氏體的產(chǎn)生，使鋼抵抗磨料壓入犁溝和切削的能力增強(qiáng)，從而可改善鋼的耐磨性，合適的錳含量宜控制在6.08.0%。耐磨鑄鋼中適當(dāng)提高含碳量，可提高其耐磨性，但含碳量太高時(shí)，水韌處理難以消除網(wǎng)狀碳化物，在鑄造和水韌處理過(guò)程中，工件容易開(kāi)裂，沖擊磨損條件下表面層因晶界開(kāi)裂而剝落，故含碳量宜控制在0.701.10%。鉻鉻加入耐磨鑄鋼中，固溶于基體后能夠提高基體強(qiáng)度，有利于改善鑄鋼耐磨性，加鉻錳鋼鑄件因鋼中含鉻奧氏體穩(wěn)定性降低，碳化物更容易析出，鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量增多，從而使鑄件脆性增加，鑄造和熱處理加熱過(guò)程中易開(kāi)裂，因此鉻的合適加入量宜控制在2.53.0%。鈮、鈦和釩鈮、鈦和釩可與鋼液中的碳形成高熔點(diǎn)NbC、TiC、VC，優(yōu)先析出作為奧氏體結(jié)晶核心，能顯著細(xì)化奧氏體晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。但加入量過(guò)多，NbC、TiC、VC數(shù)量多且尺寸粗大，反而損害鋼的強(qiáng)度和韌性。因此，釩含量控制在0.030.08%，鈮含量控制在0.020.10%，鈦含量控制在0.020.10%，且0.08%<Ti+Nb<0.18%。硼和銻硼對(duì)Fe-C平衡圖的作用是降低A4、提高A3、縮小Y區(qū)。硼在鐵素體中形成置換式固溶體，在奧氏體中既可形成置換式，又可形成間隙式固溶體。硼溶于奧氏體中后使穩(wěn)定性提高，硼在奧氏體中的溶解度約為O.02%。硼可以提高錳鋼的耐磨性，這和硼的細(xì)化組織和強(qiáng)化晶界有關(guān)，但是硼含量較高時(shí)，由于硼的偏析，局部區(qū)域易析出硼化物，反而損害鋼的強(qiáng)度和韌性，合適的硼含量宜控制在0.0080.015%。在中錳鋼中加入0.050.15%的銻，能細(xì)化中錳鋼的晶粒，可提高其加工硬化能力，有利于改善鑄鋼的耐磨性。鈣和鋇鈣和鋇與氧有很大的親合力，鈣和鋇的脫氧能力很強(qiáng)，鈣和鋇對(duì)鋼水有很好的除氣效果。鈣和鋇還對(duì)鑄鋼中夾雜物的變質(zhì)具有顯著的作用，加入適量鈣和鋇可將耐磨鑄鋼中的長(zhǎng)條狀硫化物夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹腃aS、(Ca，Mn)S或BaS、(Ba，Mn)S夾雜，適量鈣和鋇還顯著降低硫在晶界的偏聚，鈣和鋇對(duì)降低耐磨鑄鋼脆性和提高耐磨鑄鋼鑄造時(shí)抗熱裂性是十分有益的。但加入過(guò)多的鈣和鋇將使耐磨鑄鋼中夾雜物增多，對(duì)耐磨鑄鋼韌性的提高不利，合適的鈣含量為0.010.03%，合適的鋇含量為0.010.03%，且0.035%<Ca+Ba<0.045%。鈰中錳鋼在鑄造凝固過(guò)程中形成的碳化物以網(wǎng)狀和短鏈狀分布于奧氏體晶界和晶內(nèi)，這種碳化物的分布形態(tài)嚴(yán)重惡化了鋼的性能，尤其是沖擊韌性，加入鈰元素后，由于鈰元素表面活性的作用，使其一方面富集于晶界，阻止碳化物沿晶界析出，晶界狀態(tài)得到改善。另一方面，鈰的晶界富集不僅能夠阻止結(jié)晶時(shí)晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化，而且能夠阻止熱處理溫度下奧氏體晶粒的粗化。同時(shí)鈰能凈化鋼液，改善夾雜物形態(tài)與分布，強(qiáng)化晶界，增加晶粒間的結(jié)合力，從而使鋼的性能得以改善，強(qiáng)度和韌性提高，合適的鈰加入量為0.030.08%。本發(fā)明效果①本發(fā)明鑄鋼的金相組織以?shī)W氏體為基體，在奧氏體基體中分布有35X的顆粒狀碳化物，本發(fā)明材料強(qiáng)度高、韌性好，其中屈服強(qiáng)度大于400Mpa，沖擊韌性大于50J/cm。②本發(fā)明材料具有良好的加工硬化性能，在中、小型球磨機(jī)襯板和破碎機(jī)錘頭上，用本發(fā)明材料取代含鉻高錳鋼(Mnl3Cr2)，使用壽命提高1.52.0倍。③本發(fā)明材料貴重合金加入量少，生產(chǎn)成本與Mnl3Cr2鋼相當(dāng)。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1:本發(fā)明材料采用500公斤電爐熔煉，其制造工藝步驟是(1)首先用廢鋼、錳鐵、鉻鐵和硅鐵配料，用石墨增碳，鋼水熔化、爐前調(diào)整成分合格后，將溫度升至1576t:，加入硅鈣鋇合金，然后加入占鋼水重量0.10%的鋁脫氧，出爐前加入鈮鐵、鈦鐵和釩鐵，而后出爐。(2)將鈰基稀土、硼鐵、金屬銻破碎至粒度為610mm的小塊，經(jīng)12(TC烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，然后將鋼水澆注成鑄件。(3)鑄件加熱至IIO(TCX2h后，直接在溫度低于50°C的水中進(jìn)行水韌處理。其材料的化學(xué)成分見(jiàn)表l，力學(xué)性能見(jiàn)表2。實(shí)施例2:本發(fā)明材料采用1000公斤電爐熔煉，其制造工藝步驟是(1)首先用廢鋼、錳鐵、鉻鐵和硅鐵配料，用生鐵增碳，鋼水熔化、爐前調(diào)整成分合格后，將溫度升至1502°C，加入硅鈣鋇合金，然后加入占鋼水重量0.05%的鋁脫氧，出爐前加入鈮鐵、鈦鐵和釩鐵，而后出爐。(2)將鈰基稀土、硼鐵、金屬銻破碎至粒度為7llmm的小塊，經(jīng)15(TC烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，然后將鋼水澆注成鑄件。(3)鑄件加熱至1050°CX6h后，直接在溫度低于5(TC的水中進(jìn)行水韌處理。其材料的化學(xué)成分見(jiàn)表l，力學(xué)性能見(jiàn)表2。實(shí)施例3:本發(fā)明材料采用1000公斤電爐熔煉，其制造工藝步驟是(1)首先用廢鋼、錳鐵、鉻鐵和硅鐵配料，用石墨增碳，鋼水熔化、爐前調(diào)整成分合格后，將溫度升至1557°C，加入硅鈣鋇合金，然后加入占鋼水重量0.08%的鋁脫氧，出爐前加入鈮鐵、鈦鐵和釩鐵，而后出爐。(2)將鈰基稀土、硼鐵、金屬銻破碎至粒度為610mm的小塊，經(jīng)14(TC烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，然后將鋼水澆注成鑄件。(3)鑄件加熱至1080°CX4h后，直接在溫度低于5(TC的水中進(jìn)行水韌處理。其材料的化學(xué)成分見(jiàn)表l，力學(xué)性能見(jiàn)表2。表l材料的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本發(fā)明材料熔煉工藝簡(jiǎn)便，鑄造成形性能好，已用本發(fā)明材料澆注了cp2.4m球磨機(jī)襯板，用于磨鐵礦，還用本發(fā)明材料澆注了錘式破碎機(jī)錘頭，錘頭單重9.7公斤，用于破碎鐵礦石，本發(fā)明材料使用安全，使用中無(wú)斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)，本發(fā)明材料加工硬化能力強(qiáng)，加工硬度后表面硬度達(dá)到HB600以上，硬化層深度超過(guò)lOmm，本發(fā)明材料的耐磨性好，使用壽命比含鉻高錳鋼(Mnl3Cr2鋼)提高1.52.0倍，而生產(chǎn)成本相當(dāng)。使用本發(fā)明材料，可提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。權(quán)利要求一種耐磨鑄鋼，其特征在于，耐磨鑄鋼的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)％是0.70～1.10C，6.0～8.0Mn，0.3～0.8Si，2.5～3.0Cr，0.03～0.08V，0.008～0.015B，0.03～0.08Ce，0.02～0.10Ti，0.02～0.10Nb，0.10～0.25Sb，0.01～0.03Ca，0.01～0.03Ba，＜0.04S，＜0.06P，余量Fe，其中0.08＜Ti+Nb＜0.18，0.035＜Ca+Ba＜0.045。2.如權(quán)利要求1所述的鑄鋼的制造方法，其特征在于用電爐生產(chǎn)，其工藝步驟是(1)首先用廢鋼、錳鐵、鉻鐵和硅鐵配料，用石墨或生鐵增碳，鋼水熔化、爐前調(diào)整成分合格后，將溫度升至1500158(TC，加入硅鈣鋇合金，然后加入占鋼水重量0.05%·0.10%的鋁脫氧，出爐前加入鈮鐵、鈦鐵和釩鐵，而后出爐；(2)將鈰基稀土、硼鐵、金屬銻破碎至粒度小于12mm的小塊，經(jīng)12015(TC烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行變質(zhì)處理，然后將鋼水澆注成鑄件；(3)鑄件加熱至(10501100)°CX(26)h后，直接在溫度低于5(TC的水中進(jìn)行水韌處理。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種耐磨鑄鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)是0.70～1.10C，6.0～8.0Mn，0.3～0.8Si，2.5～3.0Cr，0.03～0.08V，0.008～0.015B，0.03～0.08Ce，0.02～0.10Ti，0.02～0.10Nb，0.10～0.25Sb，0.01～0.03Ca，0.01～0.03Ba，＜0.04S，＜0.06P，余量Fe，其中0.08＜Ti+Nb＜0.18，0.035＜Ca+Ba＜0.045。本發(fā)明還公開(kāi)了一種耐磨鑄鋼的制備方法，材料利用電爐便可生產(chǎn)，具有強(qiáng)度高、韌性好、加工硬化能力強(qiáng)、優(yōu)異的耐磨性和較低的生產(chǎn)成本，使用本發(fā)明材料具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。文檔編號(hào)B22D1/00GK101787496SQ201010033820公開(kāi)日2010年7月28日申請(qǐng)日期2010年1月8日優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日發(fā)明者符寒光,雷永平申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)