一種中碳合金鋼耐磨材料及其加工工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及抗磨鑄鋼領(lǐng)域，具體說是一種中碳合金鋼耐磨材料及其加工工藝，該耐磨鑄鋼的組分按以下質(zhì)量百分比組成：C：0.25?0.45%、Si：0.5?1.5%、Mn：0.5?1.0%、Cr：1.0?2.0%、Ti：1.0?2.0%、B：1.0??1.5%、Mo：0.1??0.3%、S：≤0.04%、P：≤0.04%，余量為鐵；本發(fā)明加入了Ti元素，使鋼液生成足夠多的形核質(zhì)點TiC，使其顆粒數(shù)量大大增加；可使抗磨材料中碳化物顆粒形態(tài)更加團(tuán)球化，分布更加均勻，克服現(xiàn)有技術(shù)中碳化物存在大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等幾種不太理想的形態(tài)以及顆粒分布存在菊花狀分布等形態(tài)和分布的不足，提高材料的綜合性能。
【專利說明】
一種中碳合金鋼耐磨材料及其加工工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及抗磨鑄鋼材料領(lǐng)域，具體說是錳鎢鈦耐磨鑄鋼及其加工工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在耐磨材料領(lǐng)域大都是應(yīng)用具有馬氏體或者貝氏體基體組織的耐磨材料或者除馬氏體和貝氏體、殘余奧氏體基體以外還具有顆粒增強(qiáng)相的第三代耐磨材料-高鉻鑄鋼開發(fā)耐磨零部件，由于在高鉻鑄鋼中還有高硬度的增強(qiáng)相Cr7C3，其碳化物顯微硬度達(dá)到了 HV1300?1600，故其比前兩代耐磨材料-白口鑄鋼和高錳鋼性能有了較大幅度提升，硬度可以達(dá)到HRC60?65，但是由于其碳化物通常呈現(xiàn)長條形且比較粗大，故其沖擊韌性一般都在3?7 J/cm2之間，有些還有低于3 J/cm2，普遍比較低，材料相對較脆，耐沖擊性比較差，因而其綜合耐磨性能仍然不是特別理想。
[0003]隨著某些工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械等工況進(jìn)一步惡劣以及裝備大型化，例如在制砂機(jī)設(shè)備、熱乳棍等裝備市場，對具有更高耐磨性的耐磨材料需求越來越迫切。在這種情況下，前人經(jīng)過大量實驗研究，開發(fā)了多種耐磨材料來制造耐磨關(guān)鍵零部件，以滿足在惡劣工況下提高工件實際使用壽命的服役要求。
[0004]在我國已經(jīng)起步研究開發(fā)基于鉻、錳、硅等復(fù)合耐磨材料，并且成功地開始應(yīng)用于熱乳輥耐磨件。雖然目前使用鑄造工藝開發(fā)的復(fù)合耐磨材料的凝固特性、變質(zhì)機(jī)理和熱處理工藝特征等方面的研究基本趨于成熟。在耐磨材料中碳化物顆粒形態(tài)有很多種，呈現(xiàn)團(tuán)球狀、大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等幾種形態(tài);其中邊界比較圓滑的團(tuán)球狀初生相是最理想的形態(tài)，有利于性能提升。因此，通過進(jìn)一步優(yōu)化碳化物顆粒形態(tài)和分布，對提高耐磨材料的耐磨性能和其性能穩(wěn)定性是十分有利的。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)對耐磨材料采用的變質(zhì)處理方法主要是使用稀土硅鎂或者(含B、含Zr)鉀鹽作為孕育變質(zhì)劑，使用量均在0.5?1.0%之間。使用常用的稀土硅、鎂作為變質(zhì)劑，稀土一方面有凈化鋼液的作用，能與鋼液中的氧、氮等生成化合物，同時這些化合物還可以作為形核質(zhì)點起到細(xì)化碳化物的作用；另一方面稀土是一種表面活性元素，在凝固過程中可以富集在碳化物的表面，從而抑制碳化物沿晶界長大，使碳化物細(xì)化。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中常采用稀土作為變質(zhì)劑，利用稀土凈化鋼液時產(chǎn)生大量稀土氧化物、氮化物等作為碳化物的形核質(zhì)點；然而這些稀土氧化物、氮化物的晶格類型不同于碳化物的晶格類型。所以這些稀土氧化物、氮化物并不能作為碳化物碳化物的有效異質(zhì)形核核心，其效果十分有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種性能可靠的中碳合金鋼耐磨材料，該材料的組分按以下質(zhì)量百分比組成:C: 0.25-0.45%、S1: 0.5-1.5%、Mn: 0.5-1.0%、Cr:1.0-2.0%、T1:1.0-2.0%、B:1.0—1.5%、Mo: 0.1—0.3%、S:彡0.04%、P:彡0.04%，余量為鐵；本發(fā)明中加入了Ti元素，使鋼液生成足夠多的形核質(zhì)點TiC，使其顆粒數(shù)量大大增加。
[0008]本發(fā)明還提供一種中碳合金鋼耐磨材料的加工工藝，按以下步驟進(jìn)行:
I)將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鉬鐵、鈦鐵和鉻鐵清理干凈，按上述質(zhì)量百分比要求進(jìn)行配料，分類放置，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后待用，烘干是為了避免鋼液中帶入氣體；
2)然后向爐內(nèi)加入廢鋼，再加入錳鐵、鉬鐵和鉻鐵進(jìn)行熔煉;在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后進(jìn)行等溫處理，再加入鋁絲或鋁粒進(jìn)行預(yù)脫氧；
3)預(yù)脫氧后向爐中加入鈦鐵，然后加入鋁絲或鋁粒終脫氧處理后出爐；
4)然后向出爐后的鋼液中加入變質(zhì)劑，采用包底沖入法對鋼液進(jìn)行孕育和變質(zhì)處理；
5)將孕育和變質(zhì)處理的鋼液進(jìn)行澆注，然后進(jìn)行熱處理。
[0009]作為優(yōu)選，熔煉溫度為1550?1650°C，等溫處理溫度為1600°C，等溫處理時間為5-8min0
[0010]作為優(yōu)選，預(yù)脫氧和終脫氧采用的鋁絲或鋁粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均占鋼液質(zhì)量的0.1%-
0.15%o
[0011 ]作為優(yōu)選，所述變質(zhì)劑的組分占鋼液質(zhì)量百分比為:0.10 % Ti ,0.25% RE,0.15%Mg、0.15 % Zn ο
[0012]作為優(yōu)選，將上述組分的復(fù)合孕育變質(zhì)劑破碎至l-5mm的小顆粒，經(jīng)200°C烘干后，預(yù)置于澆包底部，然后將澆包中的鋼液孕育和變質(zhì)處理后靜置2-3min，再進(jìn)行澆注，澆注溫度為 1500 °C。
[0013]作為優(yōu)選，熱處理時，先在1090 0C淬火30min，再溶于水中冷卻。
[0014]從以上技術(shù)方案可知，上述加工工藝可使抗磨材料中碳化物顆粒形態(tài)更加團(tuán)球化，分布更加均勻，克服現(xiàn)有技術(shù)中碳化物存在大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等幾種不太理想的形態(tài)以及顆粒分布存在菊花狀分布等形態(tài)和分布的不足，提高材料的綜合性會K。
【具體實施方式】
[0015]下面將詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0016]本發(fā)明的錳鎢鈦耐磨鑄鋼按以下質(zhì)量百分比組成:C:0.25-0.45%,S1:0.5-1.5%、Mn: 0.8-1.5%、Cr:1.0-2.0%、T1:1.0-2.0%、B:1.0—1.5%、Mo: 0.1—0.3%、S:彡0.04%、P:(
0.04%，余量為鐵;其中，
碳C對復(fù)合耐磨材料的組織與性能來說至關(guān)重要，它既可以固溶于基體中起固溶強(qiáng)化作用，又是形成碳化物增強(qiáng)相的基本元素，還能促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，提高復(fù)合耐磨材料的淬硬性。碳含量太多會增加材料脆性，太少則減少碳化物增強(qiáng)相的數(shù)量致使其耐磨性降低。因此，本材料中控制C含量在0.20-0.35%%。
[0017]鉻Cr也可與C反應(yīng)形成Cr6CXr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于鉻的碳化物顯微硬度低，且其形貌由于呈長條形而導(dǎo)致其韌性較差，在基體組織凝固過程中優(yōu)先形成；因此，本發(fā)明中Cr元素的加入量較少，少量的Cr還可以使其固溶于奧氏體中，主要起提高基體的淬硬性和淬透性作用。
[0018]硼B(yǎng)是Fe2B顆粒的主要形成元素，容易在鋼液凝固過程中與Fe元素反應(yīng)形成大量呈現(xiàn)網(wǎng)狀的Fe2B顆粒，分布在高硼耐磨合金材料中起到耐磨骨架作用。
[0019]絡(luò)Cr和鉬Mo，通過添加Cr和Mo可起到穩(wěn)定Fe2B的作用，Cr能降低Fe2B相本質(zhì)脆性；Cr也可與C反應(yīng)形成Cr6C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于Cr元素加入量較少，只能固溶于奧氏體中，主要提高基體的淬硬性和淬透性以及起到穩(wěn)定Fe2B的作用。Mo也能形成M02C碳化物，但由于加入量很少，只能夠固溶于基體中。因此，基體中加入Cr和Mo能起到穩(wěn)定Fe2B的作用。
[0020]鈦Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，與鋼液中的C元素反應(yīng)形成大量細(xì)小、彌散分布的TiC質(zhì)點，可以細(xì)化奧氏體枝晶，改善共晶碳化物的形態(tài)與分布。故在成分設(shè)計中，直接將Ti含量控制在1.0-2.0%，直接將合金加入鋼液中，以便易于熔化，通過所采用的中頻感應(yīng)熔煉爐電磁場攪拌作用使其產(chǎn)生大量相對均勻的TiC質(zhì)點。但是，鋼液中Ti元素含量過少或過多都不利于達(dá)到實際效果，過少則不利于使基體產(chǎn)生足夠多的結(jié)晶核心質(zhì)點和共晶碳化物來細(xì)化碳化物，過多則使鋼液的流動性和充型能力降低，不利于提高工件致密性，對耐磨性能有負(fù)面影響，所以在其成分設(shè)計中控制其上限為2.0%。
[0021 ]在生產(chǎn)本發(fā)明的耐磨合金材料過程中，熔煉是采用中頻感應(yīng)電爐實現(xiàn)。在本發(fā)明中，變質(zhì)劑的組分設(shè)計為:0.10 % Ti +0.25% RE+0.15% Mg+0.15% Zn。在鋼液澆包中加入變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，其中含有一定量的稀土鎂和鋅，一方面稀土具有脫氧脫硫作用，所生成的稀土硫化物、稀土氧化物和稀土硫氧化物能夠被排除，能對鋼液作進(jìn)一步的凈化，稀土和鎂元素能夠在奧氏體枝晶結(jié)晶前沿的熔體中富集，形成成分過冷區(qū)，有利于奧氏體枝晶向多晶發(fā)展并且縮小了枝晶間距。另一方面稀土和鎂元素是表面活性元素，易在碳化物某晶面被選擇吸附，從而抑制碳化物晶面的擇優(yōu)長大。變質(zhì)劑中的鎂和鋅元素沸點低，加入鋼液后迅速汽化并產(chǎn)生大量的原子集團(tuán)而造成碳化物點陣上的空位，空位的存在加速了碳化物的溶解和擴(kuò)散，有利于促進(jìn)碳化物呈現(xiàn)團(tuán)球化，均勻分布。大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等形態(tài)的碳化物以及菊花狀分布的情形大大減少，使抗磨材料的性能更加穩(wěn)定可靠。
[0022]孕育和變質(zhì)處理的鋼液澆注后在1090°C淬火30min，再溶于水中冷卻。由于抗磨材料在高溫?zé)崽幚磉^程中氧化十分嚴(yán)重，需要在熱處理爐中嵌入木炭或者在待熱處理工件表面涂覆抗氧化涂料，以消除或者減輕工件表面高溫氧化和脫碳現(xiàn)象。
[0023]實施例1
將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25% C、1.5% S1、1.0%Mn、1.0% Cr、1.0% T1、1.0% B、0.1% Mo^0.04% S、0.04% P、余量為鐵的化學(xué)配比進(jìn)行配料，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后分類放置待用;再按順序?qū)⑸鲜雠渲煤玫膹U鋼、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵配料放入爐中加熱，在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后進(jìn)行等溫處理，熔煉溫度為1550°C，等溫處理溫度為1600°C，等溫處理時間為8min;然后加入鋼液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的鋁絲進(jìn)行預(yù)脫氧，預(yù)脫氧后向爐中加入鈦鐵，約2min后加入0.1%的鋁粒終脫氧出爐;再將占鋼液質(zhì)量0.10 % T1、0.25 %稀土元素、0.15 %Mg和0.15 % Zn配制的變質(zhì)劑統(tǒng)一破碎至Imm的小顆粒，經(jīng)200°C烘干后，預(yù)置于澆包底部，采用包底沖入法對鋼液進(jìn)行孕育和變質(zhì)處理;澆包中鋼液變質(zhì)后靜置2min，再進(jìn)行澆注，澆注溫度為1500°C，然后在1090°C淬火30min，再溶于水中冷卻，獲得中碳合金鋼。對該中碳合金鋼進(jìn)行性能測試得到:硬度49.2HRC，屈服極限為1730MPa，強(qiáng)度極限為1815 MPa，沖擊韌度為53J/cm2，拉伸率為5.1%。
[0024]實施例2 將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35% C、1% Si,0.8%Mn、1.5% Cr、1.5% T1、1.2% B、0.2% Mo^0.03% S、0.03% P、余量為鐵的化學(xué)配比進(jìn)行配料，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后分類放置待用;再按順序?qū)⑸鲜雠渲煤玫膹U鋼、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵配料放入爐中加熱，在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后進(jìn)行等溫處理，熔煉溫度為1600°C，等溫處理溫度為1600°C，等溫處理時間為7min;然后加入鋼液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的鋁絲進(jìn)行預(yù)脫氧，預(yù)脫氧后向爐中加入鈦鐵，約2min后加入0.15%的鋁粒終脫氧出爐;再將占鋼液質(zhì)量0.10% Ti ,0.25%稀土元素、0.15 %Mg和0.15% Zn配制的變質(zhì)劑統(tǒng)一破碎至2_的小顆粒，經(jīng)200 0C烘干后，預(yù)置于澆包底部，采用包底沖入法對鋼液進(jìn)行孕育和變質(zhì)處理；澆包中鋼液變質(zhì)后靜置2min，再進(jìn)行澆注，澆注溫度為1500 °C，然后在1090 °C淬火30min，再溶于水中冷卻，獲得中碳合金鋼。對該中碳合金鋼進(jìn)行性能測試得到:硬度54.6HRC，屈服極限為1793MPa，強(qiáng)度極限為1835 MPa，沖擊韌度為51.1 J/cm2，拉伸率為5.4% ο
[0025]實施例3
將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45% C、0.5% S1、0.5%Mn^2.0% Cr^2.0% T1、1.5% Β、0.3% Mo^0.02% S、0.03% P、余量為鐵的化學(xué)配比進(jìn)行配料，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后分類放置待用;再按順序?qū)⑸鲜雠渲煤玫膹U鋼、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵配料放入爐中加熱，在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后進(jìn)行等溫處理，熔煉溫度為1650°C，等溫處理溫度為1600°C，等溫處理時間為5min;然后加入鋼液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的鋁粒進(jìn)行預(yù)脫氧，預(yù)脫氧后向爐中加入鈦鐵，約2min后加入0.15%的鋁絲終脫氧出爐;再將占鋼液質(zhì)量0.10 %T1、0.25 %稀土元素、0.15% Mg和0.15 % Zn配制的變質(zhì)劑統(tǒng)一破碎至Imm的小顆粒，經(jīng)200°C烘干后，預(yù)置于澆包底部，采用包底沖入法對鋼液進(jìn)行孕育和變質(zhì)處理；澆包中鋼液變質(zhì)后靜置2min，再進(jìn)行澆注，澆注溫度為1500°C，然后在1090°C淬火30min，再溶于水中冷卻，獲得中碳合金鋼。對該中碳合金鋼進(jìn)行性能測試得到:硬度49.1HRC，屈服極限為1710MPa，強(qiáng)度極限為1790 MPa，沖擊韌度為46J/cm2，拉伸率為4.3%。
[0026]以上對本發(fā)明實施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明實施例的原理以及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實施例的原理；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實施例，在【具體實施方式】以及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項】
1.一種中碳合金鋼耐磨材料，其組分按以下質(zhì)量百分比組成:C: 0.25-0.45%、S1: 0.5-1.5%、Mn:0.5-1.0%、Cr:1.0-2.0%、T1:1.0-2.0%、B:1.0—1.5%、Mo:0.1—0.3%、S:彡0.04%、P: <0.04%，余量為鐵。2.—種權(quán)利要求1所述中碳合金鋼耐磨材料的加工工藝，按以下步驟進(jìn)行: I)將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按上述質(zhì)量百分比要求進(jìn)行配料，分類放置，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后待用； 2)然后向爐內(nèi)加入廢鋼，再加入錳鐵、鉬鐵和鉻鐵進(jìn)行熔煉;在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后進(jìn)行等溫處理，再加入鋁絲或鋁粒進(jìn)行預(yù)脫氧； 3)預(yù)脫氧后向爐中加入鈦鐵，然后加入鋁絲或鋁粒終脫氧處理后出爐； 4)然后向出爐后的鋼液中加入變質(zhì)劑，采用包底沖入法對鋼液進(jìn)行孕育和變質(zhì)處理； 5)將孕育和變質(zhì)處理的鋼液進(jìn)行澆注，然后進(jìn)行熱處理。3.如權(quán)利要求2所述加工工藝，其特征在于:熔煉溫度為1550?1650°C，等溫處理溫度為1600°C，等溫處理時間為5-8min。4.如權(quán)利要求2所述加工工藝，其特征在于:預(yù)脫氧和終脫氧采用的鋁絲或鋁粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均占鋼液質(zhì)量的0.1%-0.15%。5.如權(quán)利要求2所述加工工藝，其特征在于:所述變質(zhì)劑的組分占鋼液質(zhì)量百分比為:0.10%T1、0.25%RE、0.15%Mg、0.15%Zn。6.如權(quán)利要求5所述加工工藝，其特征在于:將上述組分的復(fù)合孕育變質(zhì)劑破碎至1-5mm的小顆粒，經(jīng)200°C烘干后，預(yù)置于澆包底部，然后將澆包中的鋼液孕育和變質(zhì)處理后靜置2-3min，再進(jìn)行澆注，澆注溫度為1500°C。7.如權(quán)利要求2所述加工工藝，其特征在于:熱處理時，先在1090°C淬火30min，再溶于水中冷卻。
【文檔編號】C22C38/12GK105886896SQ201610253152
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】黎超英, 吳沛榮
【申請人】柳州凱通新材料科技有限公司