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CN109440001B - 一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢及其制备方法 - Google Patents

一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢及其制备方法 Download PDF

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CN109440001B CN201811288307.0A CN201811288307A CN109440001B CN 109440001 B CN109440001 B CN 109440001B CN 201811288307 A CN201811288307 A CN 201811288307A CN 109440001 B CN109440001 B CN 109440001B
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Abstract

本发明公开了一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，熔炼中碳低合金钢，熔炼过程中进行多元微合金复合处理，浇注得到多元低合金耐磨铸钢；然后对其进行超高温、高温、中高温的变温淬火处理，即得到含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。本发明多元低合金耐磨铸钢经多元微合金复合处理后，凝固组织明显细化，经进一步超高温、高温和中高温的变温淬火处理后，获得了马氏体加纳米晶奥氏体的复相组织，具有硬度高、耐磨性好和强韧性好等特点，具有很好的使用效果，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Description

一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨材料技术领域，涉及一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，本发明还涉及上述含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法。
背景技术
低合金耐磨铸钢具有生产工艺简便，生产成本低廉等优势，在耐磨材料领域有广泛的应用前景。
为了提高低合金耐磨铸钢的综合性能，中国发明专利《一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法》(申请号CN201410241277.3，公开号CN103981449A，公开日2014.08.13)公开了一种利用电弧炉制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，选用低硫磷炉料、利用酸性电弧炉冶炼钢液、炉外精炼，高温退火、一次淬火+回火的制备低合金高韧耐磨铸钢的方法，该方法工序少，效率高，成本低，制备的低合金铸钢硬度高、耐磨性好，同时韧性好，可用于水泥建材、矿山和燃煤电力等领域中使用的工件，如磨机衬板、篦板和盲板等。这些工件不仅受磨料的冲击力作用，而且受磨料的摩擦力，经常因为韧性不足而断裂，由于耐磨性不足而快速磨损失效现象。该方法制备的高韧耐磨低合金钢材料，可有效预防工件的断裂和快速磨损失效问题，且制备工序少，效率高，成本低，具有较好的推广应用前景。中国发明专利《一种低合金高耐磨铸钢板的制备方法》(申请号CN201310040622.2，公开号CN103266276A，公开日2013.08.28)还公开了一种低合金高耐磨铸钢板的制备方法，包含以下组分：C：0.25-0.35wt.％；Si：0.9-1.6wt.％；Mn：0.3-1.8wt.％；Cr：0.7-1.0wt.％；Mo：0.15-0.3wt.％；Ti：0.05-0.35wt.％；Nb：0.01-0.05wt.％；V：0.05-0.25wt.％；RE：0.01-0.1wt.％；P、S≤0.03wt.％，其余为Fe；将各组分熔融后铸造成型，再将处理后的铸锭放入其中进行升温，当温度到达1050～1070℃时保温，保温完成后再将铸锭放入240～245℃盐浴炉中进行保温，最后出炉空冷。该发明铸造和热处理工艺较简单易控制、成本低，制得的材料具有良好的强韧性配合。中国发明专利《低合金耐磨铸钢热处理工艺》(申请号CN201310536283.7，公开号CN104611524A，公开日2015.05.13)还公开了一种低合金耐磨铸钢热处理工艺，包括以下步骤：(1)选取废钢(以及回炉废铸钢件)将其切割成适宜的块度，块度大小根据炉子的容量而定，一般情况下，炉料的最大尺寸应不超过炉膛直径的三分之一，在0.5t中频感应电炉中进行熔炼；(2)其中锰铁、铬铁、硅铁、和金属锰等材料，应在800℃(烧红状态下)烘烤，烘烤时间应不少于3小时，硅铁粉和硅钙粉等材料，应在200℃～300℃温度下加热干燥，干燥时间应不少于3小时，新型的耐磨铸钢优化后的成分组成：加入不超过2.3％的Cr，碳的成分范围确定为0.25％～0.35％，硅的成分范围确定为1.50％～2.50％，Mn的含量确定为0.80％～1.20％，铬的含量确定为1.5％～2.5％，炉温度要严格控制在1580～1600℃，采用蜡模和树脂砂铸造成型，浇注温度大于1480℃；(3)将步骤(2)中的材料加热到临界温度(Ac3)以上，一般为Ac3+75℃～Ac3+100℃，保温30min～60min，使碳化物溶解并使奥氏体均匀化，并以大于临界冷却速度进行空气冷却；(4)将步骤(3)中的材料在Ac1以下的温度加热、保温，一般为200℃～300℃回火2h并以适当速度冷却。中国发明专利《一种低合金耐磨铸钢材料及其制备方法》(申请号CN201410271029.3，公开号CN104046893A，公开日2014.09.17)还公开了一种低合金耐磨铸钢材料及其制备方法，该材料具有如下的合金元素及质量百分比：C：0.2-0.4％，Si：0.4-1.0％，Mn：0.8-1.3％，Ni：0.3-0.7％，Mo：0.3％-0.5％，Nb：0.03％-0.06％，其余为Fe。该方法具有如下的过程和步骤：a.将原料利用电弧熔炼制备合金的方法制备合金，经高温扩散退火；合金组织为铁素体和珠光体及少量粒状贝氏体；b.将经高温扩散退火后的试样正火，正火后布氏硬度达到220～290HBS；正火后的试样在590℃回火，回火后得到布氏硬度≥200HBS，抗拉强度≥550MPa，伸长率≥15％，摩擦率为≤2.7×10-5mg/Nm的低合金耐磨铸钢材料。该发明材料适用于矿山机械耐磨零部件，具有较优的综合力学性能，使用范围较广，成本低廉等经济优势。中国发明专利《一种经济型低合金耐磨铸钢及其热处理工艺》(申请号CN201310568551.3，公开号CN103556053A，公开日2014.02.05)还公开了一种经济型低合金耐磨铸钢，具有如下的成分及质量百分比：C：0.10-0.30％，Mn：0.5-1.5％，Ni：0.3-1.0％，Nb：0.01-0.05％，Si≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。其室温组织为铁素体和珠光体，且珠光体的含量为20-30％。其室温抗拉强度为540-580MPa，伸长率在20％以上。通过采用传统常规的熔炼工艺方法，经配料熔炼，浇铸成型后，再经850-900℃正火和560-620℃回火处理得到。中国发明专利《多元低合金耐磨铸钢及其制备方法》(申请号CN201310271443.X，公开号CN103397278A，公开日2013.11.20)还公开了一种多元低合金耐磨铸钢，铸钢的化学成分及其质量百分比为：碳0.20-0.26、锰1.15-1.35、硅1.75-1.90、磷≤0.040、硫≤0.040、镍0.60-0.75、钒0.25-0.35、Mo0.03-0.05、Zn0.58-0.91、In0.2-0.3、As0.15-0.18、Sb0.05-0.06、Bi0.09-0.12，基质为铁。该发明具有较好的机械力学性能，以低价硅、锰为主要合金元素，可制造球磨机衬板、挖掘机斗齿等抗磨部件。中国发明专利《一种低合金高耐磨铸钢》(申请号CN201310040624.1，公开号CN103060705A，公开日2013.04.24)还公开了一种低合金高耐磨铸钢，包含以下组分：C：0.25-0.35wt.％；Si：0.9-1.6wt.％；Mn：0.3-1.8wt.％；Cr：0.7-1.0wt.％；Mo：0.15-0.3wt.％；Ti：0.05-0.35wt.％；Nb：0.01-0.05wt.％；V：0.05-0.25wt.％；RE：0.01-0.1wt.％；P、S≤0.03wt.％，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明制备简单，并且具有良好的强韧性配合。
中国发明专利《一种低合金高耐磨铸钢的制备方法》(申请号CN201310040604.4，公开号CN103060704A，公开日2013.04.24)还公开了一种低合金高耐磨铸钢的制备方法，包含以下组分：C：0.25-0.35wt.％；Si：0.9-1.6wt.％；Mn：0.3-1.8wt.％；Cr：0.7-1.0wt.％；Mo：0.15-0.3wt.％；Ti：0.05-0.35wt.％；Nb：0.01-0.05wt.％；V：0.05-0.25wt.％；RE：0.01-0.1wt.％；P、S≤0.03wt.％，其余为Fe；将各组分熔融后铸造成型，再将处理后的铸件放入其中进行升温，当温度到达1050～1070℃时保温，保温完成后再将铸件放入240～245℃盐浴炉中进行保温，最后出炉空冷。该发明铸造和热处理工艺较简单易控制、成本低，制得的材料具有良好的强韧性配合。中国发明专利《一种高强度廉价低合金耐磨铸钢》(申请号CN201110425482.1，公开号CN102517499A，公开日2012.06.27)还公开了一种以硅、锰为主要合金元素，可制造球磨机衬板、挖掘机斗齿等抗磨部件的低成本高强度耐磨铸钢，其所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.2-0.6；Si：0.5-1.5；Mn：0.5-1.5；Cr：0.5-1.5；Ti：＜0.20；RE：＜0.20；B：＜0.015；Ca：＜0.15；Al：＜0.15，所述铸钢先在950±10℃下进行淬火，再在200±10℃下进行回火处理，其抗拉强度大于1550MPa，冲击韧性大于90J/cm2，断裂韧性大于80Mpa.m1/2，硬度大于52HRC。中国发明专利《一种泵用含硼低合金耐磨钢》(申请号CN201110324456.X，公开号CN102367558A，公开日2012.03.07)还公开了一种泵用含硼低合金耐磨钢，按重量百分比的化学成分(wt.％)为：C，0.33；Mn，1.20；Si，1.30；Cr，1.35；Mo，0.30；Ni，0.40；N，0.05；B，0.002～0.0025；Y，0.002～0.003；其余为Fe和不可避免的杂质，该发明泵用含硼低合金耐磨铸钢件用树脂砂造型，铸件经淬火+回火的热处理后得到强度、硬度高，组织和性能优良的泵用含硼多元低合金耐磨铸钢。该发明具有硬度高，韧性效果好、耐磨性高，且兼有一定的耐腐蚀性，生产工艺简单，生产成本低等优点。中国发明专利《一种低合金Mn系贝氏体耐磨铸钢》(申请号CN201110424710.3，公开号CN102517505A，公开日2012.06.27)还公开了一种低合金Mn系贝氏体耐磨铸钢，其所述铸钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.32-0.41；Si：0.22-0.23；Mn：0.46-0.62；Cr：0.99-1.03；Mo：0.49-0.54；B：0.0024-0.0040，所述铸钢在900℃奥氏体化后空冷，再在220℃低温回火，其抗拉强度≥2020MPa，硬度：51-54HRC，延伸率≥5.2％，无缺口冲击韧性：80-160J/cm2，该铸钢可用于制造各种矿山、建材、发电等行业的粉碎于制粉设备的耐磨件，如洗煤机齿板、齿棍、冲击锤等产品，以及上述行业中所使用的各种大口径传输耐磨管。中国发明专利《一种低合金锰系回火马氏体耐磨铸钢的制备方法》(申请号CN201010228506.X，公开号CN101880828A，公开日2010.11.10)还公开了一种低合金锰系回火马氏体耐磨铸钢的制备方法，属于低合金耐磨铸钢制备技术领域。该发明采用Mn为主要合金元素，添加少量的Si、Cr、Cu、B和稀土元素(La，Ce，Nb，Pr)等合金元素，其余为Fe。采用常规炼钢工艺冶炼，铸造成型后，经奥氏体化后水淬，再加热、保温，进行低温回火处理。该发明生产的耐磨铸钢，水淬回火后组织为回火马氏体。铸钢的抗拉强度Rm＞1800MPa，规定非比例延伸强度Rp0.2＞1600MPa，断后延伸率A＞5％，无缺口冲击韧度ak＞150J/cm2，U型缺口冲击功aKU＞20J/cm2。该耐磨铸钢合金元素含量少，强韧性配合和耐磨性能优良，工艺简单，成本低廉，可用于制造斗齿、锤头、齿板、衬板、履带板等耐磨铸钢件。中国发明专利《免高温热处理低合金耐磨铸钢的制备工艺》(申请号CN200510018473.5，公开号CN1667136A，公开日2005.09.14)还公开了一种免高温热处理低合金耐磨铸钢的制备工艺，它是一种能耗低、机械性能高的低合金耐磨铸钢。该发明在合金配料中加入微量或少量能使热处理C曲线大大右移的元素。将熔炼合格的钢水注入铸型中，控制铸件的凝固温度，当铸件的温度降至一定值时，从铸型中取出铸件，淬入水中；温度降至100℃以下时，将铸件从水中取出；在200～300℃温度下回火。该发明去掉了高温热处理，可以大量节约电能或燃油；可以省去高温热处理设备；大大改善工人的劳动条件；避免合金材料在高温热处理过程中的氧化烧损；大大缩短铸件的生产周期，大幅度提高劳动生产率。可以减少金属材料的损耗；减少热处理对环境的污染。
但是，目前开发成功的各种低合金耐磨铸钢，基体组织多数以马氏体基体为主，具有硬度高和耐磨性好等特点，但是马氏体存在脆性大，导致低合金耐磨铸钢塑性低、韧性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，解决了现有以马氏体基体为主的低合金耐磨铸钢，塑性低、韧性差的问题。
本发明的另一目的是提供采用上述含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法制得的含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
本发明所采用的技术方案是，一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，熔炼中碳低合金，熔炼过程中进行多元微合金复合处理，浇注得到多元低合金耐磨铸钢；然后对其进行超高温、高温、中高温的变温淬火处理，即得到含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
本发明的特点还在于，
一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，在电炉内熔炼中碳低合金钢，然后将熔炼得到的钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了多元合金颗粒；
步骤2，钢包内的钢水经扒渣、静置后，降温，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，取出铸件，经打磨、清砂，得到多元低合金耐磨铸钢铸件；
步骤3，对步骤2得到的多元低合金耐磨铸钢铸件依次进行超高温、高温、中高温的变温淬火处理，即得到含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
其中步骤1中电炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.28-0.37％C，0.54-0.71％Mn，1.55-1.74％Si，1.04-1.28％Cr，＜0.032％P，＜0.027％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％。
步骤1中钢水出炉到钢包前将钢水升温至1658-1674℃。
步骤1中多元合金颗粒的尺寸为3.5-6.3mm。
步骤1中多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.1-3.4％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.57-6.22％Ce，3.85-4.39％Ti，2.83-3.17％N，2.04-2.65％V，1.68-1.87％Ta，12.06-12.71％Ba，5.14-5.68％Ca，18.33-19.27％Al，1.62-1.85％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％。
步骤2中当钢水温度降至1502-1527℃时，将钢水浇入铸型。
步骤3中超高温温度为1050-1065℃，高温温度为900-915℃，中高温温度为195-210℃。
步骤3中变温淬火处理，具体为：将经步骤2得到多元低合金耐磨铸钢铸件，随炉加热至1050-1065℃，保温15-18分钟后，炉冷至温度为980-995℃，保温25-30分钟后，出炉入水温为20-32℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到550-630℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度大于500℃的加热炉内重新加热至900-915℃，保温100-120分钟后，出炉入水温为25-35℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为190-210℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至195-210℃，保温240-300分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温。
本发明所采用的另一技术方案是，采用上述方法制备得到的含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
本发明的有益效果是：
1、本发明多元低合金耐磨铸钢不含镍、钼、铜等昂贵合金元素，生产成本较低；
2、本发明多元低合金耐磨铸钢经多元微合金复合处理后，凝固组织明显细化，经进一步超高温、高温和中高温变温淬火处理后，可以获得马氏体加纳米晶奥氏体的复相组织；
3、本发明多元低合金耐磨铸钢具有硬度高、耐磨性好和强韧性好等特点，其中抗拉强度达到2190-2240Mpa，硬度大于52HRC，冲击韧性aku大于120J/cm2，延伸率大于35％，且本发明材料具有良好的加工硬化效果，用于生产
Figure BDA0001849559240000091
球磨机衬板用于研磨铁矿石，使用后硬度提高4-6HRC。
附图说明
图1是本发明制备的含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的金相显微组织，其中图a为低倍组织图，图b为高倍组织图；
图2是本发明制备的含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，在电炉内熔炼，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.28-0.37％C，0.54-0.71％Mn，1.55-1.74％Si，1.04-1.28％Cr，＜0.032％P，＜0.027％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％；然后将炉内钢水升温至1658-1674℃，并将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒。
多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.1-3.4％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.57-6.22％Ce，3.85-4.39％Ti，2.83-3.17％N，2.04-2.65％V，1.68-1.87％Ta，12.06-12.71％Ba，5.14-5.68％Ca，18.33-19.27％Al，1.62-1.85％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％。
步骤2，钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1502-1527℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂，得到多元低合金耐磨铸钢。
步骤3，热处理：
将经步骤2打磨、清砂得到多元低合金耐磨铸钢铸件，随炉加热至1050-1065℃，保温15-18分钟后，炉冷至温度为980-995℃，保温25-30分钟后，出炉入水温为20-32℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到550-630℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度大于500℃的加热炉内重新加热至900-915℃，保温100-120分钟后，出炉入水温为25-35℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为190-210℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至195-210℃，保温240-300分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
本发明一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，采用电炉熔炼，效率高，操作简便。钢水冶炼过程中，以廉价的废钢、硅铁、锰铁和铬铁为主要原料，其中加入0.54-0.71％Mn，1.55-1.74％Si，1.04-1.28％Cr，是利用硅、锰、铬固溶于基体，可以提高基体固溶强化能力，便于水冷淬火后获得马氏体组织。为了获得强韧性好的板条马氏体组织，将钢水中的碳含量控制在0.28-0.37％C。此外，为了提高铸钢韧性，严格限制磷、硫的含量，其中P<0.032％，S<0.027％。然后将炉内钢水升温至1658-1674℃，可以进一步减少钢水中的有害气体和夹杂物。另外，当钢水进入钢包前，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.1-3.4％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.57-6.22％Ce，3.85-4.39％Ti，2.83-3.17％N，2.04-2.65％V，1.68-1.87％Ta，12.06-12.71％Ba，5.14-5.68％Ca，18.33-19.27％Al，1.62-1.85％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％。加入上述多元合金颗粒，可以明显细化凝固组织，有利于获得铸态细晶组织，促进热处理后获得纳米晶奥氏体。钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1502-1527℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂后，进行热处理。
在此基础上，将经过打磨、清砂后的铸件，随炉加热至1050-1065℃，保温15-18分钟后，实现高温奥氏体稳定性的提高。炉冷至温度980-995℃，保温25-30分钟后，出炉入水温为20-32℃的水池内进行水冷，当铸件表面温度达到550-630℃后，从水池中取出铸件，获得马氏体加残留奥氏体的复相组织；为了细化奥氏体组织，本发明需要将铸件表面温度达到550-630℃后，从水池中取出铸件，并立即进入炉内温度大于500℃的加热炉内重新加热至900-915℃，保温100-120分钟后，出炉入水温为25-35℃的水池内进行水冷，获得马氏体加纳米晶奥氏体的复相组织，从而可以在保持多元低合金铸钢高硬度和优异耐磨性前提下，具有良好的强韧性和较高的抗疲劳性能。此外，当铸件表面温度为190-210℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至195-210℃，进行回火处理，可以稳定组织，消除内应力，使多元低合金耐磨铸钢的综合性能进一步提高。保温240-300分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得具有优异的综合性能的含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，采用500公斤中频感应电炉熔炼，具体工艺步骤是：
①采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，先在电炉内熔炼中碳低合金耐磨铸钢，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.28％C，0.71％Mn，1.55％Si，1.28％Cr，0.030％P，0.021％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％，然后将炉内钢水升温至1658℃，并将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.1％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.57％Ce，4.39％Ti，2.83％N，2.65％V，1.68％Ta，12.71％Ba，5.14％Ca，19.27％Al，1.62％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％；钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1502℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂后，准备进行热处理；
②将步骤①中经打磨、清砂后的铸件，随炉加热至1065℃，保温15分钟后，炉冷至温度995℃，保温25分钟后，出炉入水温为29-32℃的水池内进行水冷，当铸件表面温度达到595-630℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度556-564℃的加热炉内重新加热至915℃，保温100分钟后，出炉入水温为34-35℃的水池内进行水冷，当铸件表面温度为205-210℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至210℃，保温240分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，其力学性能见表1。
实施例2：
一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，采用1500公斤中频感应电炉熔炼，具体工艺步骤是：
①采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，先在电炉内熔炼中碳低合金耐磨铸钢，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.37％C，0.54％Mn，1.74％Si，1.04％Cr，0.025％P，0.020％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％，然后将炉内钢水升温至1674℃，并将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.4％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是6.22％Ce，3.85％Ti，3.17％N，2.04％V，1.87％Ta，12.06％Ba，5.68％Ca，18.33％Al，1.85％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％；钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1527℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂后，准备进行热处理；
②将步骤①中经打磨、清砂后的铸件，随炉加热至1050℃，保温18分钟后，炉冷至温度为980℃，保温30分钟后，出炉入水温为20-24℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到550-590℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度522-527℃的加热炉内重新加热至900℃，保温120分钟后，出炉入水温为25-28℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为195-203℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至205℃，保温300分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，其力学性能见表1。
实施例3：
一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢及其制备方法，采用1000公斤中频感应电炉熔炼，具体工艺步骤是：
①采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，先在电炉内熔炼中碳低合金耐磨铸钢，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.33％C，0.59％Mn，1.63％Si，1.19％Cr，0.029％P，0.025％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％，然后将炉内钢水升温至1666℃，并将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.2％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.93％Ce，4.18％Ti，2.96％N，2.51％V，1.80％Ta，12.57％Ba，5.42％Ca，18.71％Al，1.76％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％；钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1516℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂后，准备进行热处理；
②将步骤①中经打磨、清砂后的铸件，随炉加热至1060℃，保温16分钟后，炉冷至温度为990℃，保温28分钟后，出炉入水温为25-28℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到575-592℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度538-549℃的加热炉内重新加热至910℃，保温110分钟后，出炉入水温为29-31℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为190-195℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至195℃，保温280分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，其力学性能见表1。
实施例4：
一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢及其制备方法，采用500公斤中频感应电炉熔炼，具体工艺步骤是：
①采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，先在电炉内熔炼中碳低合金耐磨铸钢，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.30％C，0.56％Mn，1.60％Si，1.10％Cr，0.031％P，0.022％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％，然后将炉内钢水升温至1660℃，并将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.3％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.72％Ce，3.96％Ti，2.90％N，2.17％V，1.73％Ta，12.26％Ba，5.29％Ca，18.54％Al，1.70％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％；钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1510℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂后，准备进行热处理；
②将步骤①中经打磨、清砂后的铸件，随炉加热至1055℃，保温17分钟后，炉冷至温度为985℃，保温29分钟后，出炉入水温为22-25℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到567-579℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度525-537℃的加热炉内重新加热至905℃，保温117分钟后，出炉入水温为27-29℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为191-199℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至200℃，保温290分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，其力学性能见表1。
实施例5：
一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢及其制备方法，采用1500公斤中频感应电炉熔炼，具体工艺步骤是：
①采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，先在电炉内熔炼中碳低合金耐磨铸钢，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在0.35％C，0.65％Mn，1.70％Si，1.25％Cr，0.027％P，0.024％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％，然后将炉内钢水升温至1670℃，并将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了颗粒尺寸3.5-6.3mm的多元合金颗粒，多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.25％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是6.05％Ce，4.23％Ti，3.08％N，2.35％V，1.85％Ta，12.38％Ba，5.50％Ca，18.93％Al，1.81％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％；钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至1520℃时，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，开箱取出铸件，经打磨、清砂后，准备进行热处理；
②将步骤①中经打磨、清砂后的铸件，随炉加热至1062℃，保温15分钟后，炉冷至温度为992℃，保温24分钟后，出炉入水温为29-31℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到605-625℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度545-555℃的加热炉内重新加热至912℃，保温105分钟后，出炉入水温为30-32℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为198-206℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至207℃，保温250分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，即可获得含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢，其力学性能见表1。
表1含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的力学性能
Figure BDA0001849559240000161
从上表中可以看出，本发明制备的多元低合金耐磨铸钢抗拉强度可达到2190-2240Mpa，硬度大于52HRC，冲击韧性aku大于120J/cm2，延伸率大于35％，塑性和韧性相对于现有低合金耐磨铸钢有了明显改善。
图1是本发明制备的多元低合金耐磨铸钢的金相显微组织(图a为低倍组织，图b为高倍组织)，从图中可以看出钢锭的主要组织是板条马氏体。
图2是本发明制备的多元低合金耐磨铸钢的透射电镜照片，从图中可以看出在马氏体间镶嵌有纳米奥氏体(箭头所示)，说明本发明方法成功的在马氏体组织中获得了纳米晶奥氏体。纳米晶奥氏体的存在，有利于提高铸钢的韧性，此外，磨损过程中纳米晶奥氏体在磨损载荷作用下，易转变成高硬度的马氏体，有利于促进铸钢耐磨性的进一步提高。
本发明多元低合金耐磨铸钢不含镍、钼、铜等昂贵合金元素，具有较低的生产成本。本发明多元低合金耐磨铸钢经多元微合金复合处理后，凝固组织明显细化，经进一步超高温、高温和中高温变温淬火处理后，可以获得马氏体加纳米晶奥氏体的复相组织。本发明多元低合金耐磨铸钢具有硬度高、耐磨性好和强韧性好等特点，其中抗拉强度达到2190-2240Mpa，硬度大于52HRC，冲击韧性aku大于120J/cm2，延伸率大于35％，本发明材料还具有良好的加工硬化效果，用于生产
Figure BDA0001849559240000171
球磨机衬板用于研磨铁矿石，使用后硬度提高4-6HRC，本发明材料用于球磨机衬板，破碎机锤头和破碎壁，使用寿命比高锰钢提高350-400％，使用中无断裂、变形现象出现，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (5)

1.一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，熔炼中碳低合金钢，熔炼过程中进行多元微合金复合处理，浇注得到多元低合金耐磨铸钢；然后对其进行超高温、高温、中高温的变温淬火处理，即得到含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢；
具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用废钢、硅铁、锰铁和铬铁为原料，在电炉内熔炼中碳低合金钢，然后将熔炼得到的钢水出炉到钢包，钢包内预先加入了多元合金颗粒；
电炉内所述钢水的化学组成及其质量分数控制在0.28-0.37％C，0.54-0.71％Mn，1.55-1.74％Si，1.04-1.28％Cr，＜0.032％P，＜0.027％S，余量Fe，以上化学组成质量分数之和为100％；
所述多元合金颗粒的尺寸为3.5-6.3mm，所述多元合金颗粒加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.1-3.4％，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数是5.57-6.22％Ce，3.85-4.39％Ti，2.83-3.17％N，2.04-2.65％V，1.68-1.87％Ta，12.06-12.71％Ba，5.14-5.68％Ca，18.33-19.27％Al，1.62-1.85％Mg，余量Si，以上化学组成质量分数之和为100％；
步骤2，钢包内的钢水经扒渣、静置后，降温，将钢水浇入铸型，当铸型内铸件温度低于400℃后，取出铸件，经打磨、清砂，得到多元低合金耐磨铸钢铸件；
步骤3，对步骤2得到的多元低合金耐磨铸钢铸件依次进行超高温、高温、中高温的变温淬火处理，即得到含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢 ；
所述变温淬火处理，具体为：将经步骤2得到多元低合金耐磨铸钢铸件，随炉加热至1050-1065℃，保温15-18分钟后，炉冷至温度为980-995℃，保温25-30分钟后，出炉入水温为20-32℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度达到550-630℃后，从水池中取出铸件，立即进入炉内温度大于500℃的加热炉内重新加热至900-915℃，保温100-120分钟后，出炉入水温为25-35℃的水池内进行水冷；当铸件表面温度为190-210℃，从水池中取出铸件，立即进入加热炉内重新加热至195-210℃，保温240-300分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1中钢水出炉到钢包前将钢水升温至1658-1674℃。
3.根据权利要求1所述的一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2中当钢水温度降至1502-1527℃时，将钢水浇入铸型。
4.根据权利要求1所述的一种含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中超高温温度为1050-1065℃，高温温度为900-915℃，中高温温度为195-210℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述方法得到的含纳米晶奥氏体的多元低合金耐磨铸钢。
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