CN105886896A - 一种中碳合金钢耐磨材料及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗磨铸钢领域，具体说是一种中碳合金钢耐磨材料及其加工工艺，该耐磨铸钢的组分按以下质量百分比组成：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%，余量为铁；本发明加入了Ti元素，使钢液生成足够多的形核质点TiC，使其颗粒数量大大增加；可使抗磨材料中碳化物颗粒形态更加团球化，分布更加均匀，克服现有技术中碳化物存在大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种不太理想的形态以及颗粒分布存在菊花状分布等形态和分布的不足，提高材料的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及抗磨铸钢材料领域，具体说是锰钨钛耐磨铸钢及其加工工艺。
背景技术
目前在耐磨材料领域大都是应用具有马氏体或者贝氏体基体组织的耐磨材料或者除马氏体和贝氏体、残余奥氏体基体以外还具有颗粒增强相的第三代耐磨材料-高铬铸钢开发耐磨零部件，由于在高铬铸钢中还有高硬度的增强相Cr7C3，其碳化物显微硬度达到了HV1300～1600，故其比前两代耐磨材料-白口铸钢和高锰钢性能有了较大幅度提升，硬度可以达到HRC60～65，但是由于其碳化物通常呈现长条形且比较粗大，故其冲击韧性一般都在3～7J/cm2之间，有些还有低于3J/cm2，普遍比较低，材料相对较脆，耐冲击性比较差，因而其综合耐磨性能仍然不是特别理想。
随着某些工程机械、矿山机械、冶金机械等工况进一步恶劣以及装备大型化，例如在制砂机设备、热轧辊等装备市场，对具有更高耐磨性的耐磨材料需求越来越迫切。在这种情况下，前人经过大量实验研究，开发了多种耐磨材料来制造耐磨关键零部件，以满足在恶劣工况下提高工件实际使用寿命的服役要求。
在我国已经起步研究开发基于铬、锰、硅等复合耐磨材料，并且成功地开始应用于热轧辊耐磨件。虽然目前使用铸造工艺开发的复合耐磨材料的凝固特性、变质机理和热处理工艺特征等方面的研究基本趋于成熟。在耐磨材料中碳化物颗粒形态有很多种，呈现团球状、大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种形态；其中边界比较圆滑的团球状初生相是最理想的形态，有利于性能提升。因此，通过进一步优化碳化物颗粒形态和分布，对提高耐磨材料的耐磨性能和其性能稳定性是十分有利的。
现有技术对耐磨材料采用的变质处理方法主要是使用稀土硅镁或者（含B、含Zr）钾盐作为孕育变质剂，使用量均在0.5～1.0﹪之间。使用常用的稀土硅、镁作为变质剂，稀土一方面有净化钢液的作用，能与钢液中的氧、氮等生成化合物，同时这些化合物还可以作为形核质点起到细化碳化物的作用；另一方面稀土是一种表面活性元素，在凝固过程中可以富集在碳化物的表面，从而抑制碳化物沿晶界长大，使碳化物细化。
现有技术中常采用稀土作为变质剂，利用稀土净化钢液时产生大量稀土氧化物、氮化物等作为碳化物的形核质点；然而这些稀土氧化物、氮化物的晶格类型不同于碳化物的晶格类型。所以这些稀土氧化物、氮化物并不能作为碳化物碳化物的有效异质形核核心，其效果十分有限。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种性能可靠的中碳合金钢耐磨材料，该材料的组分按以下质量百分比组成：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%，余量为铁；本发明中加入了Ti元素，使钢液生成足够多的形核质点TiC，使其颗粒数量大大增加。
本发明还提供一种中碳合金钢耐磨材料的加工工艺，按以下步骤进行：
1）将废钢、硼铁、锰铁、钼铁、钛铁和铬铁清理干净，按上述质量百分比要求进行配料，分类放置，并将硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁烘干后待用，烘干是为了避免钢液中带入气体；
2）然后向炉内加入废钢，再加入锰铁、钼铁和铬铁进行熔炼；在熔炼后期加入硼铁，待熔清后进行等温处理，再加入铝丝或铝粒进行预脱氧；
3）预脱氧后向炉中加入钛铁，然后加入铝丝或铝粒终脱氧处理后出炉；
4）然后向出炉后的钢液中加入变质剂，采用包底冲入法对钢液进行孕育和变质处理；
5）将孕育和变质处理的钢液进行浇注，然后进行热处理。
作为优选，熔炼温度为1550～1650℃，等温处理温度为1600℃，等温处理时间为5-8min。
作为优选，预脱氧和终脱氧采用的铝丝或铝粒的质量分数均占钢液质量的0.1%-0.15%。
作为优选，所述变质剂的组分占钢液质量百分比为：0.10﹪Ti 、0.25﹪RE、0.15﹪Mg、0.15﹪Zn。
作为优选，将上述组分的复合孕育变质剂破碎至1-5mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，然后将浇包中的钢液孕育和变质处理后静置2-3min，再进行浇注，浇注温度为1500℃。
作为优选，热处理时，先在1090℃淬火30min，再溶于水中冷却。
从以上技术方案可知，上述加工工艺可使抗磨材料中碳化物颗粒形态更加团球化，分布更加均匀，克服现有技术中碳化物存在大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种不太理想的形态以及颗粒分布存在菊花状分布等形态和分布的不足，提高材料的综合性能。
具体实施方式
下面将详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明的锰钨钛耐磨铸钢按以下质量百分比组成：C：0.25-0.45%、Si：0.5-1.5%、Mn：0.8-1.5%、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%，余量为铁；其中，
碳C对复合耐磨材料的组织与性能来说至关重要，它既可以固溶于基体中起固溶强化作用，又是形成碳化物增强相的基本元素，还能促进马氏体转变，提高复合耐磨材料的淬硬性。碳含量太多会增加材料脆性，太少则减少碳化物增强相的数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%%。
铬Cr也可与C反应形成Cr6C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于铬的碳化物显微硬度低，且其形貌由于呈长条形而导致其韧性较差，在基体组织凝固过程中优先形成；因此，本发明中Cr元素的加入量较少，少量的Cr还可以使其固溶于奥氏体中，主要起提高基体的淬硬性和淬透性作用。
硼B是Fe2B颗粒的主要形成元素，容易在钢液凝固过程中与Fe元素反应形成大量呈现网状的Fe2B颗粒，分布在高硼耐磨合金材料中起到耐磨骨架作用。
铬Cr和钼Mo，通过添加Cr和Mo可起到稳定Fe2B的作用， Cr能降低Fe2B相本质脆性；Cr也可与C反应形成Cr6C、Cr7C3和Cr23C6等碳化物，但由于Cr元素加入量较少，只能固溶于奥氏体中，主要提高基体的淬硬性和淬透性以及起到稳定Fe2B的作用。Mo也能形成Mo2C碳化物，但由于加入量很少，只能够固溶于基体中。因此，基体中加入Cr和Mo能起到稳定Fe2B的作用。
钛Ti是强碳化物形成元素，与钢液中的C元素反应形成大量细小、弥散分布的TiC质点，可以细化奥氏体枝晶，改善共晶碳化物的形态与分布。故在成分设计中，直接将Ti含量控制在1.0-2.0%，直接将合金加入钢液中，以便易于熔化，通过所采用的中频感应熔炼炉电磁场搅拌作用使其产生大量相对均匀的TiC质点。但是，钢液中Ti元素含量过少或过多都不利于达到实际效果，过少则不利于使基体产生足够多的结晶核心质点和共晶碳化物来细化碳化物，过多则使钢液的流动性和充型能力降低，不利于提高工件致密性，对耐磨性能有负面影响，所以在其成分设计中控制其上限为2.0%。
在生产本发明的耐磨合金材料过程中，熔炼是采用中频感应电炉实现。在本发明中，变质剂的组分设计为：0.10﹪Ti
+0.25﹪RE+0.15﹪Mg+0.15﹪Zn。在钢液浇包中加入变质剂进行变质处理，其中含有一定量的稀土镁和锌，一方面稀土具有脱氧脱硫作用，所生成的稀土硫化物、稀土氧化物和稀土硫氧化物能够被排除，能对钢液作进一步的净化，稀土和镁元素能够在奥氏体枝晶结晶前沿的熔体中富集，形成成分过冷区，有利于奥氏体枝晶向多晶发展并且缩小了枝晶间距。另一方面稀土和镁元素是表面活性元素，易在碳化物某晶面被选择吸附，从而抑制碳化物晶面的择优长大。变质剂中的镁和锌元素沸点低，加入钢液后迅速汽化并产生大量的原子集团而造成碳化物点阵上的空位，空位的存在加速了碳化物的溶解和扩散，有利于促进碳化物呈现团球化，均匀分布。大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等形态的碳化物以及菊花状分布的情形大大减少，使抗磨材料的性能更加稳定可靠。
孕育和变质处理的钢液浇注后在1090℃淬火30min，再溶于水中冷却。由于抗磨材料在高温热处理过程中氧化十分严重，需要在热处理炉中嵌入木炭或者在待热处理工件表面涂覆抗氧化涂料，以消除或者减轻工件表面高温氧化和脱碳现象。
实施例1
将废钢、硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁清理干净，按质量分数为0.25% C、1.5% Si、1.0% Mn、1.0% Cr、1.0% Ti、1.0% B、0.1% Mo、0.04% S、0.04% P、余量为铁的化学配比进行配料，并将硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁烘干后分类放置待用；再按顺序将上述配置好的废钢、锰铁、铬铁、钼铁配料放入炉中加热，在熔炼后期加入硼铁，待熔清后进行等温处理，熔炼温度为1550℃，等温处理温度为1600℃，等温处理时间为8min；然后加入钢液质量分数0.1%的铝丝进行预脱氧，预脱氧后向炉中加入钛铁，约2min后加入0.1%的铝粒终脱氧出炉；再将占钢液质量0.10﹪Ti 、0.25﹪稀土元素、0.15﹪Mg和0.15﹪Zn配制的变质剂统一破碎至1mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，采用包底冲入法对钢液进行孕育和变质处理；浇包中钢液变质后静置2min，再进行浇注，浇注温度为1500℃，然后在1090℃淬火30min，再溶于水中冷却，获得中碳合金钢。对该中碳合金钢进行性能测试得到：硬度49.2HRC，屈服极限为1730MPa，强度极限为1815 MPa，冲击韧度为53J/cm2，拉伸率为5.1%。
实施例2
将废钢、硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁清理干净，按质量分数为0.35% C、1% Si、0.8% Mn、1.5% Cr、1.5% Ti、1.2% B、0.2% Mo、0.03% S、0.03% P、余量为铁的化学配比进行配料，并将硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁烘干后分类放置待用；再按顺序将上述配置好的废钢、锰铁、铬铁、钼铁配料放入炉中加热，在熔炼后期加入硼铁，待熔清后进行等温处理，熔炼温度为1600℃，等温处理温度为1600℃，等温处理时间为7min；然后加入钢液质量分数0.15%的铝丝进行预脱氧，预脱氧后向炉中加入钛铁，约2min后加入0.15%的铝粒终脱氧出炉；再将占钢液质量0.10﹪Ti 、0.25﹪稀土元素、0.15﹪Mg和0.15﹪Zn配制的变质剂统一破碎至2mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，采用包底冲入法对钢液进行孕育和变质处理；浇包中钢液变质后静置2min，再进行浇注，浇注温度为1500℃，然后在1090℃淬火30min，再溶于水中冷却，获得中碳合金钢。对该中碳合金钢进行性能测试得到：硬度54.6HRC，屈服极限为1793MPa，强度极限为1835 MPa，冲击韧度为51.1J/cm2，拉伸率为5.4%。
实施例3
将废钢、硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁清理干净，按质量分数为0.45% C、0.5% Si、0.5% Mn、2.0% Cr、2.0% Ti、1.5% B、0.3% Mo、0.02% S、0.03% P、余量为铁的化学配比进行配料，并将硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁烘干后分类放置待用；再按顺序将上述配置好的废钢、锰铁、铬铁、钼铁配料放入炉中加热，在熔炼后期加入硼铁，待熔清后进行等温处理，熔炼温度为1650℃，等温处理温度为1600℃，等温处理时间为5min；然后加入钢液质量分数0.1%的铝粒进行预脱氧，预脱氧后向炉中加入钛铁，约2min后加入0.15%的铝丝终脱氧出炉；再将占钢液质量0.10﹪Ti 、0.25﹪稀土元素、0.15﹪Mg和0.15﹪Zn配制的变质剂统一破碎至1mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，采用包底冲入法对钢液进行孕育和变质处理；浇包中钢液变质后静置2min，再进行浇注，浇注温度为1500℃，然后在1090℃淬火30min，再溶于水中冷却，获得中碳合金钢。对该中碳合金钢进行性能测试得到：硬度49.1HRC，屈服极限为1710MPa，强度极限为1790 MPa，冲击韧度为46J/cm2，拉伸率为4.3%。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种中碳合金钢耐磨材料，其组分按以下质量百分比组成：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%，余量为铁。
2.一种权利要求1所述中碳合金钢耐磨材料的加工工艺，按以下步骤进行：
1）将废钢、硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁清理干净，按上述质量百分比要求进行配料，分类放置，并将硼铁、锰铁、钛铁、钼铁和铬铁烘干后待用；
2）然后向炉内加入废钢，再加入锰铁、钼铁和铬铁进行熔炼；在熔炼后期加入硼铁，待熔清后进行等温处理，再加入铝丝或铝粒进行预脱氧；
3）预脱氧后向炉中加入钛铁，然后加入铝丝或铝粒终脱氧处理后出炉；
4）然后向出炉后的钢液中加入变质剂，采用包底冲入法对钢液进行孕育和变质处理；
5）将孕育和变质处理的钢液进行浇注，然后进行热处理。
3.如权利要求2所述加工工艺，其特征在于：熔炼温度为1550～1650℃，等温处理温度为1600℃，等温处理时间为5-8min。
4.如权利要求2所述加工工艺，其特征在于：预脱氧和终脱氧采用的铝丝或铝粒的质量分数均占钢液质量的0.1%-0.15%。
5.如权利要求2所述加工工艺，其特征在于：所述变质剂的组分占钢液质量百分比为：0.10﹪Ti 、0.25﹪RE、0.15﹪Mg、0.15﹪Zn。
6.如权利要求5所述加工工艺，其特征在于：将上述组分的复合孕育变质剂破碎至1-5mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，然后将浇包中的钢液孕育和变质处理后静置2-3min，再进行浇注，浇注温度为1500℃。
7.如权利要求2所述加工工艺，其特征在于：热处理时，先在1090℃淬火30min，再溶于水中冷却。
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