中碳合金鋼耐磨材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及抗磨鑄鋼材料領域，具體說是錳鎢鈦耐磨鑄鋼及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前在耐磨材料領域大都是應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相的第三代耐磨材料-高鉻鑄鋼開發耐磨零部件，由于在高鉻鑄鋼中還有高硬度的增強相Cr7C3，其碳化物顯微硬度達到了 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，硬度可以達到HRC60?65，但是由于其碳化物通常呈現長條形且比較粗大，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]隨著某些工程機械、礦山機械、冶金機械等工況進一步惡劣以及裝備大型化，例如在制砂機設備、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，前人經過大量實驗研究，開發了多種耐磨材料來制造耐磨關鍵零部件，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]在我國已經起步研究開發基于鉻、錳、硅等復合耐磨材料，并且成功地開始應用于熱乳輥耐磨件。雖然目前使用鑄造工藝開發的復合耐磨材料的凝固特性、變質機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有很多種，呈現團球狀、大塊狀、開花狀、條狀、桿狀和蠕蟲狀等幾種形態;其中邊界比較圓滑的團球狀初生相是最理想的形態，有利于性能提升。因此，通過進一步優化碳化物顆粒形態和分布，對提高耐磨材料的耐磨性能和其性能穩定性是十分有利的。
[0005]現有技術對耐磨材料采用的變質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點起到細化碳化物的作用；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，使碳化物細化。
[0006]現有技術中常采用稀土作為變質劑，利用稀土凈化鋼液時產生大量稀土氧化物、氮化物等作為碳化物的形核質點；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形核核心，其效果十分有限。
【發明內容】
[0007]針對上述技術問題，本發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: < 0.04%、P: < 0.04%，余量為鐵；本發明中加入了Ti元素，使鋼液生成足夠多的形核質點TiC，使其顆粒數量大大增加。
[0008]本發明還提供一種中碳合金鋼耐磨材料的制備方法，按以下步驟進行:
I)將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鉬鐵、鈦鐵和鉻鐵清理干凈，按上述質量百分比要求進行配料，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)然后向爐內加入廢鋼，再加入錳鐵、鉬鐵和鉻鐵進行熔煉；
3)在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后向爐中加入鈦鐵；
4)然后加入鋁粒脫氧后出爐；
5)出爐后的鋼液進行澆注，然后進行熱處理。
[0009]作為優選，熔煉溫度為1550?1650°C。
[0010]作為優選，脫氧采用的鋁粒質量分數占鋼液質量的0.l%-0.15%。
[0011]作為優選，饒注溫度為1500°C。
[0012]作為優選，熱處理采用三次淬火一次回火。
[0013]作為優選，先以950?1000°C淬火30min，然后采用空氣冷卻，再以900?950°C淬火30min后進行水冷，接著以600?800°C淬火5min后進行水冷，最后以200?300°C回火2h后進行空氣冷卻。
[0014]從以上技術方案可知，上述制備方法可使抗磨材料中碳化物顆粒形態更加團球化，分布更加均勻，克服現有技術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以及顆粒分布存在菊花狀分布等形態和分布的不足，提高材料的綜合性會K。
【具體實施方式】
[0015]下面將詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例以及說明用來解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。
[0016]本發明的錳鎢鈦耐磨鑄鋼按以下質量百分比組成: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: <0.04%、P: <0.04%，余量為鐵;其中，
碳C對復合耐磨材料的組織與性能來說至關重要，它既可以固溶于基體中起固溶強化作用，又是形成碳化物增強相的基本元素，還能促進馬氏體轉變，提高復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相的數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致其韌性較差，在基體組織凝固過程中優先形成；因此，本發明中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元素反應形成大量呈現網狀的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Cr和鉬Mo，通過添加Cr和Mo可起到穩定Fe2B的作用，Cr能降低Fe2B相本質脆性；Cr也可與C反應形成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能起到穩定Fe2B的作用。
[0020]鈦Ti是強碳化物形成元素，與鋼液中的C元素反應形成大量細小、彌散分布的TiC質點，可以細化奧氏體枝晶，改善共晶碳化物的形態與分布。故在成分設計中，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熔煉爐電磁場攪拌作用使其產生大量相對均勻的TiC質點。但是，鋼液中Ti元素含量過少或過多都不利于達到實際效果，過少則不利于使基體產生足夠多的結晶核心質點和共晶碳化物來細化碳化物，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，對耐磨性能有負面影響，所以在其成分設計中控制其上限為2.0%。
[0021]本發明的熱處理采用三次淬火一次回火，即先以950?1000°C淬火30min，然后采用空氣冷卻，再以900?950 0C淬火30min后進行水冷，接著以600?800 V淬火5min后進行水冷，最后以200?300 °C回火2h后進行空氣冷卻;這種方式不僅可獲得較多的奧氏體，而且可增加組織回火過程中形成的碳化物硬質點，以提高硬度。
[0022]實施例1
將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按質量分數為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、余量為鐵的化學配比進行配料，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后分類放置待用;再按順序將上述配置好的廢鋼、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵配料放入爐中加熱，在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后向爐中加入鈦鐵，熔煉溫度為1550°C，約2min后加入0.1%的鋁粒脫氧出爐;再進行澆注，澆注溫度為1500°C ；接著以950°C淬火30min，然后采用空氣冷卻，再以900°C淬火30min后進行水冷，接著以800°C淬火5min后進行水冷，再以300°C回火2h后進行空氣冷卻，獲得中碳合金鋼。對該中碳合金鋼進行性能測試得到:硬度50.3HRC，屈服極限為1710MPa，強度極限為1805 MPa，沖擊韌度為54了/0112，拉伸率為5.3%。
[0023]實施例2
將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按質量分數為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、余量為鐵的化學配比進行配料，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后分類放置待用;再按順序將上述配置好的廢鋼、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵配料放入爐中加熱，在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后向爐中加入鈦鐵，熔煉溫度為1600 °C，約2min后加入0.15%的鋁粒脫氧出爐;再進行澆注，澆注溫度為1500 °C ;接著以970°C淬火30min，然后采用空氣冷卻，再以940°C淬火30min后進行水冷，接著以700°C淬火5min后進行水冷，再以260°C回火2h后進行空氣冷卻，獲得中碳合金鋼。對該中碳合金鋼進行性能測試得到:硬度54.6HRC，屈服極限為1790MPa，強度極限為1830 MPa，沖擊韌度為51.11/0112，拉伸率為5.9%。
[0024]實施例3
將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按質量分數為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、余量為鐵的化學配比進行配料，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后分類放置待用;再按順序將上述配置好的廢鋼、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵配料放入爐中加熱，在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后向爐中加入鈦鐵，熔煉溫度為1650°C，約2min后加入0.1%的鋁粒脫氧出爐;再進行澆注，澆注溫度為1500°C ；接著以1000°C淬火30min，然后采用空氣冷卻，再以950°C淬火30min后進行水冷，接著以600°C淬火5min后進行水冷，再以200°C回火2h后進行空氣冷卻，獲得中碳合金鋼。對該中碳合金鋼進行性能測試得到:硬度49.3HRC，屈服極限為1650MPa，強度極限為1780 MPa，沖擊韌度為46了/0112，拉伸率為4.3%。
[0025]以上對本發明實施例所提供的技術方案進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明實施例的原理以及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只適用于幫助理解本發明實施例的原理；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明實施例，在【具體實施方式】以及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【主權項】
1.中碳合金鋼耐磨材料，其組分按以下質量百分比組成: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: <0.04%、P: <0.04%，余量為鐵。2.—種權利要求1所述中碳合金鋼耐磨材料的制備方法，按以下步驟進行: I)將廢鋼、硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵清理干凈，按上述質量百分比要求進行配料，分類放置，并將硼鐵、錳鐵、鈦鐵、鉬鐵和鉻鐵烘干后待用； 2)然后向爐內加入廢鋼，再加入錳鐵、鉬鐵和鉻鐵進行熔煉； 3)在熔煉后期加入硼鐵，待熔清后加入鈦鐵； 4)然后加入鋁粒脫氧后出爐； 5 )出爐后的鋼液進行澆注，然后進行熱處理。3.如權利要求2所述制備方法，其特征在于:熔煉溫度為1550?1650V。4.如權利要求2所述制備方法，其特征在于:脫氧采用的鋁粒的質量分數占鋼液質量的0.1%-0.15%o5.如權利要求2所述制備方法，其特征在于:澆注溫度為1500°C。6.如權利要求5所述制備方法，其特征在于:熱處理采用三次淬火一次回火。7.如權利要求6所述制備方法，其特征在于:先以950?1000°C淬火30min，然后采用空氣冷卻，再以900?950°C淬火30min后進行水冷，接著以600?800°C淬火5min后進行水冷，最后以200?300°C回火2h后進行空氣冷卻。
【專利摘要】本發明涉及抗磨鑄鋼領域，具體說是中碳合金鋼耐磨材料及其制備方法，該耐磨鑄鋼的組分按以下質量百分比組成：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；本發明加入了Ti元素，使鋼液生成足夠多的形核質點TiC，使其顆粒數量大大增加；可使抗磨材料中碳化物顆粒形態更加團球化，分布更加均勻，克服現有技術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以及顆粒分布存在菊花狀分布等形態和分布的不足，提高材料的綜合性能。
【IPC分類】C22C38/18, C22C38/12, C22C33/06, C21D1/18, C22C38/02, C22C38/32, C22C38/04, C22C38/14
【公開號】CN105714188
【申請號】CN201610253147
【發明人】黎超英, 吳沛榮
【申請人】柳州凱通新材料科技有限公司