專利名稱：一種中碳多元低合金耐磨鑄鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料領域一種適用于受中等沖擊的中碳多元低合金高強度耐磨鋼。
目前，火電廠球磨機襯板，包括水泥磨、礦石磨的襯板等所用材料大多是高錳鋼和中鉻鋼，高錳鋼主要化學成分(％)為C0.9-1.4，Mn10-14，其余為Fe，這種鋼一般經水韌處理后組織為單一奧氏體，原始硬度HB≤229，αk≥147J/cm2。在受到強烈的沖擊作用下，表面發生加工硬化，表層硬度HB≥450，具有較好的耐磨性，故這種高錳鋼是用于受沖擊載荷較強烈，對韌性要求又很高的工況條件下一種理想的耐磨材料。在球磨機里，特別是火電廠球磨機，襯板只受到中小能量的沖擊作用，不存在大能量的沖擊力，這時Mn13襯板的加工硬化能力得不到充分發揮而不耐磨(加工硬化不顯著)。未經沖擊的襯板表面硬度只有HB190-220，經過沖擊的表面硬度約為30-35HRC，都遠低于磨料(水泥、礦石、煤石)及研磨介質(磨球HRC≥45)的硬度，其表面被磨球和磨料磨成條條深溝或深坑，在短時間內就報廢。另外由于高錳鋼的基體較軟，在長期使用過程中發生塑性變形，使拆換非常困難。最短的使用壽命僅半年左右，當磨球硬度較高時，這種現象更嚴重。頻繁更換和長時間停機，給生產帶來諸多不便和很大損失，并造成鋼材的極大浪費。
為解決上述問題，國外從60年代研制新的耐磨襯板材料，國內70年代也開始研究。現常用的有高鉻鑄鐵(如GB8263-87中KmTBCr15Mo2)、鎳硬鑄鐵(KmTBCr9Ni5Si2)、高鉻鋼、超錳鋼、中錳鋼、高碳多元低合金鋼(ZG55CrMnSiMoRe)、中鉻鋼(ZG70Cr7MoRe等)以及高鉻鑄鐵-低碳鋼雙金屬復合襯板。高鉻鑄鐵、Ni-hard4及高鉻鋼因含鉻量高、貴重金屬Cr、Mo、Ni加入量大、成本高、淬透性好，采用奧氏體化保溫空冷，再經低溫(260-280℃)回火，金相組織為回火馬氏體+M7C3碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體，這組織種HRC≥60，耐磨性好，但韌性低(αk≈4-7J/cm2)，故主要用于直徑較小沖擊不大的球磨機襯板。隨著電廠大型機組的投產，高鉻鑄鐵襯板的可靠性差，不宜采用。
發明專利(公開號CN1137069A，申請號96118610.0)高碳中鉻合金耐磨鋼C0.5-0.75，Mn0.6-1.5，Si0.4-1.0，Cr4.5-7.5，P、S≤0.04，Mo0.3-0.6，其中合金鋼元素Cr較高(4.5-7.5)，C0.65-0.75亦較高。在實際鑄造中易產生熱裂和冷裂，另外熱處理需采用油淬，工藝較復雜，成本仍偏高。
發明專利(公開號CN1132263A)一種中碳多元低合金貝氏體耐磨鋼，其添加元素中增加Cu0.3-0.4，鉻含量相應下降，金相為馬氏體和下貝氏體組織，σb＝1450Mpa，αk＝38J/cm2強度塑性較高，但熱處理需油淬+回火，熱處理工藝復雜，成本較高，油淬時易產生裂紋，難于控制。
高鉻鑄鐵-低碳鋼雙金屬復合襯板，抗耐磨性與韌性良好，但由于合金含量高，生產工藝復雜仍使成本較高，且高鉻鑄鐵與低碳鋼的結合質量難穩定地得到保證。
本發明的目的是提供一種從材質化學成分到熱處理工藝即滿足耐磨又有較高沖擊韌性和強度，鑄件初始硬度高，屈服強度高、不易變形斷裂的新型中碳多元低合金耐磨鋼。本發明所述的這種中碳多元低合金耐磨鋼其材質化學成份及含量如下(重量％)C0.38-0.45 Si0.90-1.30Mn1.2-2.0Cr1.0-1.7Mo0.3-0.5V0.1-0.2B0.001-0.003 Re0.01-0.03S≤0.04 P≤0.045其余為鐵(1)碳碳高則碳化物數量多、硬度高、但韌性低，使用時易斷裂，碳低則韌性高、硬度低，不利于耐磨，因此碳含量控制在0.38-0.45％；(2)硅硅能增加鋼的回火穩定性，提高強度和淬透性，硅量過高，對沖擊韌性不利，故選擇硅含量為0.90-1.30％；(3)錳強烈穩定奧氏體的元素，顯著提高鋼的淬透性，有使珠光體轉變和貝氏體轉變分開的作用，增加耐磨性，降低鋼的韌脆性轉變溫度。但錳過高對鋼的沖擊韌性不利，故錳含量控制在1.2-2.0％；(4)鉻鉻可顯著提高鋼的淬透性、耐磨性，能使鋼的珠光體轉變和貝氏體轉變分開，通過適當的熱處理獲得貝氏體組織，考慮鉻過高對鋼的沖擊韌性不利，故選擇鉻含量1.0-1.7％(5)鉬鉬可顯著提高鋼的淬透性，特別是空淬時淬透性上升，與鉻配合使用可抑制低溫回火脆性，使鋼的珠光體轉變和貝氏體轉變分開，鉬屬貴重金屬，故選擇在0.3-0.5％；(6)硼硼顯著提高淬透性，強烈穩定奧氏體中的合金元素，可代替Ni、Cr、Mo提高淬透性，加入微量的硼就可大幅度提高鋼的淬透性，保證在空冷條件下得到貝殼氏體，硼含量選擇0.001-0.003％，這是本發明不用油淬采用空淬的主要依據；(7)稀土強脫氧劑、脫硫劑，改善鑄態組織，細化晶粒，改善碳化物的形態和分布，促使碳化物呈孤立狀均勻分布，顯著減少夾雜物、除氣、提高冶金質量，從而顯著提高抗沖擊疲勞和沖擊韌性、硬度，提高耐磨性，但過量則惡化鋼水質量，降低韌性，故選擇稀土在0.01-0.03％；(8)釩微量合金元素V、Ti、B、Re復合變質處理能細化晶粒，改善碳化物的形狀和分布，進而提高基體的強度和沖擊韌性，對消除顯微裂紋也有好處。釩的碳化物V4C3硬質點(硬度為HV1200-1800)彌散分布，故V含量控制在0.1-0.2％；(9)硫、磷含量分別控制在0.04％、0.045％以下。按上述組成值配料，用中頻爐或電弧爐熔煉，先加廢鋼、鉻鐵及回爐料，加熱至1550℃時，再加鉬鐵，加入錳鐵預脫氧，再加硅鐵，最后插Al終脫氧，鋼包內放釩鐵、硼鐵、稀土硅變質劑，沖入法進行合金化和變質處理。
將上述經冶煉鑄造的鑄件，進行空淬+回火熱處理，具體方法是將鑄件加熱至910-930℃后保溫2-2.5小時，然后空冷或風冷至室溫，再加熱至320-360℃保溫1.5-2小時，然后空冷或風冷至室溫。
本發明所述的中碳多元低合金耐磨充分發揮我國稀土、硼及釩的資源優勢，利用Re-B-V復合變質劑作用，提高沖擊韌性(αk)和斷裂韌性(Kic)值。為保證較大斷面襯板能誘發馬氏體相變，在鋼中加入了提高淬透性的元素Si、Mn、Cr、Mo，并充分利用廉價的Mn、Si元素進行合金化。加入少量的Cr、Mo、V、B，除進行微合金化，提高耐磨性外，亦有一定的抗腐蝕性。該合金鋼成本與ZGMnB相當，耐磨性比GMnB提高2倍。
實施例1中頻爐(500Kg)冶煉本鋼種，化學成分(重量百分比)如下C Si Mn Cr MoVB ReS、 P0.38 1.01.61.20.250.120.0020.030.030.02冶煉用中頻爐按上述成分配料(考慮燒損)，鋼水包中加入Re-B-V復合變質劑，對鋼液進行變質處理。
用冶煉好的鋼水鑄造φ2.9×4.1m球磨機襯板，使用壽命是高錳鋼2的倍，機械性能如下HRC＝50，αk＝80J/cm，σb＝1650Mpa，σs＝1240Mpa。
經熱處理后所得金相組織為回火馬氏體+少量貝氏體+少量殘余奧氏體+二次碳化物。
實施例2按實施例1所述的方法冶煉本鋼種，化學成分按下面比例配比(重量百分比)，加入鋼水內。
CSi Mn Cr Mo VBRe S、 P0.45 121.61.3 0.3 0.12 0.003 0.03 0.04 0.04用該成分冶煉的鋼水鑄造中小型球磨機(φ1.83×6.3m)襯板，壽命是高錳鋼的2.5倍，綜合性能滿足中小型球磨機襯板的工況，成本與高錳鋼相當或略低，機械性能如下HRC≥54，αk＝23J/cm2，σb＝1700Mpa，σs＝1300Mpa。
經熱處理后所得金相組織為回火馬氏體少量+殘余奧氏體+二次碳化物。
實施例3按實施例1所述的方法冶煉本鋼種，化學成分按下面比例配比(重量百分比)，加入鋼水內。
CSi Mn Cr Mo VB Re S、 P0.45 1.0 1.45 1.35 0.35 0.15 0.003 0.02 0.04 0.045用該成分冶煉的鋼水鑄造顎式破碎機齒板及護板，使用壽命是高錳齒板的1.5倍，在發電廠粉碎煤矸石時ZGMn13的2倍，綜合機械性能好。機械性能如下HRC≥53，αk＝35J/cm2，σb＝1650Mpa，σs＝1200Mpa。經熱處理后得金相組織為回火馬氏體+少量貝氏體+少量殘余奧氏體+二次碳化物。
權利要求
1.一種中碳多元低合金耐磨鋼，其材質化學成份及含量為(重量百分比)C0.38-045 Si0.90-1.30Mn1.2-2.0 Cr1.0-1.7Mo0.3-0.5 V0.1-0.2B0.001-0.003Re0.01-0.03S≤0.04 P≤0.045 其余為鐵
2.一種中碳多元低合金耐磨鋼的制備方法是按上述組成經冶煉鑄造的鑄綱件的成型鋼，進行空淬+回火熱處理，其特征在于將鑄件加熱至910-930℃后保溫2-2.5小時，然后空冷或風冷至室溫，再加熱到320-360℃保溫1.5-2小時，然后空冷或風冷至室溫。
全文摘要
本發明公開了一種中碳多元低合金耐磨鋼材質化學成份及含量,其中:C0.38－0.45,Si0.90－1.30,Mn1.2－2.0,Cr1.0－1.7,Mo0.3－0.5,V0.1－0.2,B0.001－0.003,Re0.01－0.03,S≤0.04、P≤0.045,其余為Fe。最終金相組織為:回火馬氏體+貝氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。該鋼不僅具有較高的硬度,而且具有較好的韌性,合金加入量少,熱處理工藝簡單易于掌握,制造成本較低,可廣泛應用于球磨機襯板、破碎機齒板、護板、錘頭等耐磨件。
文檔編號C22C38/32GK1385549SQ0210193
公開日2002年12月18日 申請日期2002年1月15日 優先權日2002年1月15日
發明者劉懷鈞, 宋潤澤, 丁麗 申請人:江蘇省機電研究所