專利名稱：高硬度高韌性耐磨鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金組合物，特別是一種具有較高硬度和韌性的耐磨鋼合金組合物。
背景技術(shù)：
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦山、電力、水泥、工程機(jī)械等行業(yè)每年消耗的金屬耐磨材料約300萬噸以上。目前，常用的耐磨材料主要是鑄鐵類和耐磨鋼系列。在耐磨鋼系列中，它可分為高錳鋼和高、中、低碳合金鋼類。
高錳鋼的沖擊韌性高(ak≥147J/cm2)，但其耐磨性只有在大沖擊工況下通過加工硬化才能實(shí)現(xiàn)，而沖擊較小時(shí)不足以使高錳鋼產(chǎn)生加工硬化，易被磨損。耐磨合金鋼是近20年來國內(nèi)外根據(jù)各自的用途和資源狀況發(fā)展起來的，其綜合性能較好，生產(chǎn)成本低，應(yīng)用于中等沖擊又要求有一定耐磨性的工況下，并且可通過調(diào)整成分和熱處理工藝，滿足不同的工況要求。
目前，耐磨合金鋼的研制與應(yīng)用，大部分是通過熱處理方法來獲得高硬度、高韌性和高耐磨性，如專利號(hào)為95103150.3的文獻(xiàn)公開了一種低合金耐磨鋼，其具體的化學(xué)成分為C0.25～0.50，Si1.0～1.5，Mn1.5～1.9，Cr1.0～1.40，Mo0.2～0.4，V0.05～0.10，B0.001～0.003，Re0.02～0.05，P≤0.04，S≤0.04，其余為Fe，該材料主要用于礦山、煤炭、建材等工業(yè)領(lǐng)域用的耐磨易損件，如筒體襯板、端襯板等，但該種材料必須通過高溫?zé)崽幚恚拍苁褂捕冗_(dá)到HRC50，沖擊韌性ak為58J/cm2，組織為回火馬氏體M+少量貝氏體B+少量殘余奧氏體A，由于增加了一道熱處理工序，延長了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)成本。專利號(hào)98100966的文獻(xiàn)公開了一種火力發(fā)電廠用的鑄態(tài)耐磨鋼，其具體化學(xué)成分為C0.30～0.45，Si1.5～2.5，Mn1.5～2.5，Cr1.0～2.0，Mo1.0～3.0，Ni0.3～1.0，P、S≤0.04，Mg0.01-0.06，Ca0.01-0.06，Re0.01-0.06，Zr0.01～0.05，Nb0.01～0.1，Ta0.01～0.05，其余為鐵。在該材質(zhì)的實(shí)施例中，雖然鑄件在鑄態(tài)下就可使用，但鑄件必須在900～950℃打箱空冷，在300～350℃埋入砂中緩冷，操作過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，再加上溫度不易控制，工廠中實(shí)際操作較困難；另外，添加元素種類過多，生產(chǎn)中熔煉不易控制，且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種耐磨鋼合金組合物，這種新的耐磨鋼在鑄態(tài)下組織為馬氏體、貝氏體和少量殘余奧氏體，具有較高的耐磨性和沖擊韌性，在鑄態(tài)下不需經(jīng)過熱處理就可直接投入生產(chǎn)使用。
本發(fā)明主要是通過控制加入合金元素的含量及控制Mn/C值在4.8～8.2之間，來提高材料的淬硬性、淬透性和機(jī)械性能，使得用該材質(zhì)所澆注的鑄件在鑄態(tài)下就能夠得到硬度較高的馬氏體組織和綜合性能較好的貝氏體組織，既具有較高的強(qiáng)度，又具有優(yōu)異的耐磨性，且制造工藝簡單，生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)效益高。對(duì)于硬度要求較高且壁厚較薄的鑄件，可選擇Mn/C值偏下限；對(duì)于硬度、沖擊韌性要求較高且壁厚較厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，Mn/C值可選擇上限。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，耐磨鋼，其組成的重量百分比如下C0.25～0.55，Si0.3～1.5，Mn1.2～4.5， Cr0.8～2.5，Mo0.4～1.5， Ni0.3～1.0，P、S≤0.06， 其余為Fe，同時(shí)控制Mn/C值在4.8～8.2之間。
以上所述組合物中包括不可避免的雜質(zhì)。所說的“同時(shí)控制Mn/C值在4.8～8.2之間”是指MN和C在上述比例范圍內(nèi)取值時(shí)，要同時(shí)滿足兩者的比例要求。
本發(fā)明耐磨鋼的化學(xué)成分限定范圍理由如下C鋼中的基本元素，對(duì)鋼的硬度影響較大，為保證獲得較高的硬度，提高耐磨性，將碳含量范圍定在0.25～0.55％之間，在此范圍內(nèi)隨C含量的增加，硬度增高，耐磨性也相應(yīng)的增加。
Mn降低臨界冷卻速度，顯著推遲奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，大大提高淬透性，同時(shí)錳具有很好的固溶強(qiáng)化作用，能夠提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。但錳含量不能太高，以免Ms點(diǎn)下降太多，室溫時(shí)殘余奧氏體量增加。本發(fā)明通過控制Mn/C值至4.8～8.2，在保證材料具有優(yōu)異淬透性時(shí)，控制室溫時(shí)殘余奧氏體量在10％以下，在鑄態(tài)下得到以馬氏體、貝氏體為主的組織。合適的錳含量范圍定為1.2～4.5％。
Si降低臨界冷卻速度，對(duì)淬透性提高的影響比錳、鉻?。坏枘軓?qiáng)化鐵素體，降低回火脆性，當(dāng)其含量適當(dāng)時(shí)，使鋼具有良好的綜合性能，為此將硅含量控制在0.3～1.5％。
Cr降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，且能使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域分離，在低合金范圍內(nèi)，對(duì)鋼具有很大的強(qiáng)化作用，Cr不僅推遲奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，且同基體中的C結(jié)合形成碳化物，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但由于其價(jià)格較貴，加入量較Mn含量少，其含量范圍定為0.8～2.5％。
Mo降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，顯著推遲奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，并使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變曲線發(fā)生分離，但對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變曲線右移影響較小，冷卻時(shí)易獲得貝氏體組織。同時(shí)鉬能固溶強(qiáng)化基體，降低回火脆性，限于生產(chǎn)成本的因素，故選定鉬含量為0.4～1.5％。
Ni降低臨界冷卻速度，促使鋼生成馬氏體，具有固溶強(qiáng)化作用；提高鋼的強(qiáng)度，而不降低鋼的塑性；由于鎳的原料價(jià)格昂貴，且若含量過高，使殘余奧氏體量增加，故將其含量范圍定為0.3～1.0％。
P鋼中含P量較高(≥0.1％)時(shí)，形成Fe2P在晶粒周圍析出，降低鋼的塑性和韌性，故其含量越低越好，一般為≤0.06％。
S在鋼中以FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周圍，降低鋼的力學(xué)性能，其含量也應(yīng)越低越好，一般為≤0.06％。
本發(fā)明的優(yōu)化方案是，耐磨鋼組合物組成的重量百分比如下C0.35～0.45， Si0.6～1.2，Mn2.5～3.5， Cr1.2～2.0，Mo0.8～1.2， Ni0.6～0.8，Mn/C為7.2～7.8， P、S≤0.06，其余為Fe，再進(jìn)一步優(yōu)化，本申請(qǐng)推薦以下最佳組合C0.4， Si1.0，Mn3.0， Cr1.8，Mo1.0， Ni0.7，Mn/C為7.5，P、S≤0.06，其余為Fe，同樣，所述組合物中包括不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的工藝流程為配料→熔煉→調(diào)整成分→出爐→澆注。
本發(fā)明的耐磨鋼合具有較高的耐磨性和沖擊韌性，且在鑄態(tài)下不需經(jīng)過熱處理就可直接投入生產(chǎn)使用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，用中頻爐(150kg)熔煉，化學(xué)成分(重量百分比)如下C0.35，Si0.9，Mn1.8，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.3，P、S≤0.06(Mn/C為5.1)。加入廢鋼，通電熔化，待爐料全熔后插鋁脫氧；再加入預(yù)熱過的鉻鐵、鉬鐵、鎳板，取樣分析C、Mn，加生鐵調(diào)C；加Mn-Fe、Si-Fe，插鋁終脫氧，將爐內(nèi)鋼液的溫度升至1650～1670℃出鋼，澆注溫度1500～1530℃，澆注破碎機(jī)襯板(砂型鑄造)，每塊重約10kg，澆注二十分鐘后打箱，經(jīng)檢測(cè)鑄態(tài)硬度為HRC＝45～50，ak≥33J/cm2，金相組織為M+B+少量殘余奧氏體。
裝機(jī)考核證明，本發(fā)明材質(zhì)的襯板的使用壽命是原ZGMn13襯板的2.1倍。
實(shí)施例2熔煉條件與例1相同，化學(xué)成分(重量百分比)為C0.44，Si0.9，Mn3.5，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.5，P、S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為8.0)，熔煉過程與例1基本相同。
澆注破碎機(jī)錘頭，每塊重約15kg，澆注后半小時(shí)打箱，鑄態(tài)硬度為HRC＝50～58，ak＝50J/cm2，金相組織為M+B+少量殘余奧氏體。
裝機(jī)考核證明，本發(fā)明材質(zhì)的錘頭使用壽命與原高鉻鑄鐵材質(zhì)錘頭的壽命基本相當(dāng)，是ZGMn13材質(zhì)的3.0倍，但成本只有高鉻鑄鐵材質(zhì)的一半。
實(shí)施例3各組分重量百分比如下C0.40，Si0.9，Mn2.4，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.5，P，S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為6.0)。
熔煉過程與例1基本相同。
裝機(jī)使用證明，本發(fā)明材質(zhì)所生產(chǎn)的破碎機(jī)顎板，其使用壽命是ZGMn13材質(zhì)的1.8倍。
實(shí)施例4與實(shí)施例1基本相同，但各組分重量百分比如下C0.25，Si0.3，Mn1.2，Cr0.8，Mo0.4，Ni0.3，P，S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為4.8)。
實(shí)施例5與實(shí)施例1基本相同，但各組分重量百分比如下
C0.55，Si1.5，Mn4.5，Cr2.5，Mo1.5，Ni1.0，P，S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為8.2)。
實(shí)施例6與實(shí)施例1基本相同，但各組分重量百分比如下C0.35，Si0.6，Mn2.5，Cr1.2，Mo0.8，Ni0.6，P，S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為7.2)。
實(shí)施例7與實(shí)施例1基本相同，但各組分重量百分比如下C0.45，Si0.9，Mn3.5，Cr2.0，Mo1.2，Ni0.8，P，S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為7.8)。
實(shí)施例8與實(shí)施例1基本相同，但各組分重量百分比如下C0.40，Si1.0，Mn3.0，Cr1.8，Mo1.0，Ni0.7，P，S≤0.06，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)(Mn/C為7.5)。
本發(fā)明不限于這些公開的實(shí)施方案，本發(fā)明將覆蓋在專利權(quán)利要求書中所描述的范圍，以及權(quán)利要求范圍的各種變型和等效變化。
權(quán)利要求
1.一種高硬度高韌性耐磨鋼，其特征在于，其組成的重量百分比如下C0.25～0.55，Si0.3～1.5，Mn1.2～4.5， Cr0.8～2.5，Mo0.4～1.5， Ni0.3～1.0，P、S≤0.06， 其余為Fe，同時(shí)控制Mn/C值在4.8～8.2之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的高硬度高韌性耐磨鋼，其特征在于，其組成的重量百分比限制為C0.35～0.45，Si0.6～1.2，Mn2.5～3.5， Cr1.2～2.0，Mo0.8～1.2， Ni0.6～0.8，Mn/C為7.2～7.8， P、S≤0.06，其余為Fe。
3.按照權(quán)利要求1所述的高硬度高韌性耐磨鋼，其特征在于，其組成的重量百分比限制為C 0.4， Si1.0，Mn3.0， Cr1.8，Mo1.0， Ni0.7，Mn/C為7.5，P、S≤0.06，其余為Fe。
全文摘要
高硬度高韌性耐磨鋼，其特征在于，其組成的重量百分比如下C0.25～0.55，Si0.3～1.5，Mn1.2～4.5，Cr0.8～2.5，Mo0.4～1.5，Ni0.3～1.0，P、S≤0.06，其余為Fe，同時(shí)控制Mn/C值在4.8～8.2之間。本發(fā)明通過控制加入合金元素的含量及控制Mn/C值在4.8～8.2之間，提高了材料的淬硬性、淬透性和機(jī)械性能，使得用該材質(zhì)所澆注的鑄件在鑄態(tài)下就能夠得到硬度較高的馬氏體組織和綜合性能較好的貝氏體組織，既具有較高的強(qiáng)度，又具有優(yōu)異的耐磨性，且制造工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C22C38/44GK1557984SQ20041001394
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月18日
發(fā)明者王祥東, 沈衛(wèi)東, 王超, 單恩長, 程紅曉, 徐傳江, 宋潤澤 申請(qǐng)人:江蘇省機(jī)電研究所有限公司