一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用 (Bainite wear-resistant cast steel with strong wear hardening capacity and preparation method and application thereof ) 是由 李�杰 李卫 涂小慧 武兆洋 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于耐磨铸钢技术领域,具体涉及一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用。本发明提供的强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为,C：0.45％-0.60％、Si：2.0-3.0％、Mn：1.5-2.5％、Cr：0.8-1.2％、Mo：0.4-0.8％、Cu：0.4-0.7％、RE：0.03-0.06％、P≤0.040％、S≤0.040％、余量为铁和不可避免的杂质。本发明强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢在中、高应力下具备极强的耐磨损能力,本发明强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢在大型破碎机锤头等大冲击磨料磨损工况的耐磨损件上具有很好的应用前景。(The invention belongs to the technical field of wear-resistant cast steel, and particularly relates to bainite wear-resistant cast steel with strong wear hardening capacity, and a preparation method and application thereof. The bainite wear-resistant cast steel with strong wear hardening capacity provided by the invention comprises the following chemical components in percentage by mass: 0.45% -0.60%, Si: 2.0-3.0%, Mn: 1.5-2.5%, Cr: 0.8-1.2%, Mo: 0.4-0.8%, Cu: 0.4-0.7%, RE: 0.03-0.06%, P is less than or equal to 0.040%, S is less than or equal to 0.040%, and the balance is iron and inevitable impurities. The bainite wear-resistant cast steel with strong wear hardening capacity has strong wear resistance under medium and high stress, and has good application prospect on wear-resistant parts with large impact abrasive wear working conditions such as large crusher hammers and the like.)
技术领域
本发明属于耐磨铸钢技术领域，具体涉及一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用。
背景技术
磨损是材料失效的主要形式之一。磨损不仅消耗材料，造成重大经济损失，而且严重增加设备维修频次，大幅降低生产效率，限制现代工业的发展。粘着磨损、磨料磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损是材料磨损几种基本类型。其中，磨料磨损最为常见，广泛存在于冶金、选矿、水泥、化工、电力磨煤等领域。因此，如何提高材料耐磨料磨损性能成为人们关注的焦点。
研究表明，金属材料耐磨料磨损性能受材料硬度和韧性综合作用的影响。因此，兼具高硬韧性的贝氏体钢引起了人们的注意。
中国专利CN102877008B公开了一种贝氏体耐磨铸钢的制备方法，制得的贝氏体耐磨铸钢HRC为46.2，V型缺口冲击吸收能量为25.6J，能够适用于常见的耐磨损部件，但是该方法所得的贝氏体耐磨铸钢在硬度较高的同时，韧性较低，在大冲击的工作环境下，使用寿命相对较低。
目前，高硬韧性贝氏体耐磨铸钢已逐渐取代高锰钢、马氏体耐磨钢，被应用于破碎机锤头、破碎机颚板以及球磨机衬板。然而，由于一般情况下金属材料的强度与其韧性成反比，基于强度、韧性一体化调控的贝氏体耐磨钢已出现瓶颈。进一步提升贝氏体耐磨钢耐冲击磨料磨损性能，需要组织调控机制。近年来，磨料磨损过程中，尤其是中、高应力状态下，人们发现金属材料磨损面的组织会发生一定程度的硬化。事实上，高应力下高锰钢的优异耐磨性能就是因其优异的冲击韧性和高应力下的显著硬化能力(基体组织的200-260HV上升至硬化组织的580-620HV)。然而，高锰钢屈服强度低，用作磨机衬板等复杂耐磨件时，受冲击作用易发生塑性变形，以致早期报废且维修拆卸非常困难。基于高锰钢的耐磨机理，材料的韧性和磨损过程中的硬化能力不成反比，即可以借鉴高锰钢的磨损过程中的硬化机制，开发强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢。
发明内容
本发明旨在提供一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢及其制备方法和应用，该耐磨铸钢以Si、Mn、Cr为主要合金元素，添加少量的Ni、Cu、Mo，适量RE等合金元素，经正火、盐浴等温淬火、回火热处理后，可以获得以贝氏体为主，辅以一定量片状、块状奥氏体的复相组织。该复相组织具有良好的冲击韧性，并在冲击磨损过程中呈现出较高的硬化能力，适用于制造大型锤式破碎机锤头、破碎机颚板、筒式磨机衬板等耐冲击磨损件。
本发明采用以下技术方案：
一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.45％-0.60％、Si：2.0-3.0％、Mn：1.5-2.5％、Cr：0.8-1.2％、Mo：0.4-0.8％、Cu：0.4-0.7％、RE：0.03-0.06％、P≤0.040％、S≤0.040％、余量为铁和不可避免的杂质。
进一步地，所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.60％、Si：3.0％、Mn：2.5％、Cr：0.8％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.04％、P：0.025％、S：0.035％、余量为铁和不可避免的杂质。
本发明还提供了一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的制备方法为：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热，保温后，空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热，保温，然后送入盐浴炉中等温淬火保温，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
进一步地，所述步骤S1所述稀土合金为稀土硅铁合金中的一种或多种。
进一步地，所述步骤S3加热到980-1020℃，保温时间为8-12h。
进一步地，所述步骤S4将步骤S3正火后的铸件重新加热到920-960℃，保温时间为4-8h。
进一步地，所述步骤S4送入盐浴炉中等温淬火的温度为280-360℃，保温时间为4-12h。
进一步地，所述步骤S4的盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成。
所述制备方法中用到的生铁、废钢、纯铁金属和铁合金等原材料均为公知的商品化普通原材料，均可从市场上购买获得。
本发明旨在提供所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢在制造大型破碎机锤头中的应用。
本发明的优点和积极效果：
(1)本发明制得的强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，成分设计合理，通过适当的调节碳、硅、锰、铬等合金元素的比例以及适当的热处理工艺，获得以贝氏体为主，辅以一定量片状、块状奥氏体的复相组织，该复相组织具有良好的冲击韧性，并在冲击磨损过程中呈现出较高的磨损硬化能力。
(2)本发明提供的制备方法采用热处理工艺的技术方案，制成的贝氏体耐磨铸钢具有优异的性能，其V型缺口冲击吸收能量可达到30-40J，基体组织硬度值为400-450HV，冲击磨损后磨损面硬化组织硬度达到580-620HV。高的硬化能力以及优异的冲击韧性，使得该贝氏体钢在中、高应力下具备极强的耐磨损能力。
(3)本发明制得的强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，尤其适用于制造大型破碎机锤头等耐冲击磨损件。
附图说明
图1为本发明所生产的实施例4耐磨铸钢材料的菊池带衬度像图。
图2为本发明所生产的实施例4耐磨铸钢材料的极图像，其中白色部分为无碳化物贝氏体组织，深黑色部分为残余奥氏体相，浅黑色部分为碳化物。
图3为冲击磨料磨损试验后，实施例4磨损面亚表层组织形貌。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，将本发明的所述内容做进一步解释。但本发明上述主题的范围不仅限于以下实施例。
实施例1、一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.45％、Si：2.1％、Mn：1.6％、Cr：1.2％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.03％、P：0.023％、S：0.038％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到1020℃，保温8h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到960℃，保温4h，然后送入360℃盐浴炉中等温淬火保温8h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
实施例2、一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.50％、Si：2.4％、Mn：2.0％、Cr：1.0％、Mo：0.4％、Cu：0.5％、RE：0.03％、P：0.026％、S：0.035％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到1000℃，保温12h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温8h，然后送入320℃盐浴炉中等温淬火保温8h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
实施例3、一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.55％、Si：2.6％、Mn：2.2％、Cr：0.8％、Mo：0.5％、Cu：0.6％、RE：0.04％、P：0.024％、S：0.032％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到980℃，保温12h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温8h，然后送入320℃盐浴炉中等温淬火保温12h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
实施例4、一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.60％、Si：3.0％、Mn：2.5％、Cr：0.8％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.04％、P：0.025％、S：0.035％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到980℃，保温12h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温8h，然后送入320℃盐浴炉中等温淬火保温6h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
图1为本发明所生产的实施例4耐磨铸钢材料的菊池带衬度像图。
图2为本发明所生产的实施例4耐磨铸钢材料的极图像，其中白色部分为无碳化物贝氏体组织，深黑色部分为残余奥氏体相，浅黑色部分为碳化物。
图3为冲击磨料磨损试验后，实施例4磨损面亚表层组织形貌。
实施例5、一种强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢的化学成分及其质量含量为，C：0.50％、Si：2.3％、Mn：2.1％、Cr：0.9％、Mo：0.4％、Cu：0.4％、RE：0.03％、P：0.022％、S：0.036％、余量为铁和不可避免的杂质。
所述强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，制备方法包括以下步骤：
S1)冶炼：将生铁、废钢、纯铁金属和铁合金加入电炉冶炼，将出炉钢液置于盛钢桶中，用稀土硅铁合金做孕育变质处理，得到待浇注钢液；
S2)铸造成型：通过浇口浇注步骤S1所得的待浇注钢液，凝固冷却得到铸件；
S3)正火：将步骤S2所得的铸件进行清砂处理，然后送入热处理炉，加热到1000℃，保温12h后空冷至室温，得正火后的铸件；
S4)等温淬火：将步骤S3正火后的铸件重新加热到940℃，保温8h，然后送入360℃盐浴炉中等温淬火保温4h，盐浴介质由45％NaNO2和55％KNO3组成，接着再次出炉空冷至室温，得到等温淬火后的铸件；
S5)回火：将步骤S4等温淬火后的铸件再次送入热处理炉，并加热到250℃保温12h，空冷至室温，即得。
对比例1、一种耐磨高锰钢
常用大型锤式破碎机锤头的制造方法包括以下步骤：
本对比例耐磨材料的化学成分及其含量为，C：1.2％，Si：0.6％，Mn：13％，Cr：2.0％，Mo：0.3％，V：0.1％，P：0.03％，S：0.03％，余量为铁和不可避免的杂质的质量百分比进行配料、中频电炉熔炼钢水，通过铸造成型，得锤头；
所得锤头置于温度为1100℃淬水处理，制得大型锤式破碎机锤头。
试验例1、性能测试
实验方法：冲击磨料磨损试验是在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行。磨损冲击功为3J，冲击频率为每分钟100次，下试样为45#钢，转速为每分钟100转，试验的磨料为粒度在60～80目之间的石英砂，磨料的流速控制在每小时50kg左右。各组试样在试验前需要先预磨30min。冲击磨损过程中，以30min为一个磨损周期称量一次失重，一共进行五个周期，共2.5h。
对实施例1-5和对比例1所制备的铸钢进行性能测试，测试结果列于表1中。
表1铸钢的性能测试
表1中强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢基体组织、硬化组织力学性能以及冲击磨料磨损失重，硬度为十个数值的平均值，V型缺口冲击值为三个数值的平均值。
由表1可以得出，本发明制得的强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢，其V型缺口冲击吸收能量可达到30-40J，基体组织硬度值为400-450HV，冲击磨损后磨损面硬化组织硬度达到580-620HV，具有较高的硬化能力以及优异的冲击韧性，使得该贝氏体钢在中、高应力下具有较好的耐磨料磨损的性能，具有显著的耐磨特点。
试验例2、寿命测试
对实施例4和对比例1所制得的铸钢用于大型锤式破碎机锤头，在相同的工矿条件下破碎厚度10mm以下废钢，分析其使用寿命，测试结果列于表2中。
表2寿命测试对照表
组别
破碎废钢处理量/吨
实施例4
7500
对比例1
3700
从表2可以看出，实施例4相较于对比例1使用寿命明显提高，在同样的用工条件下，使用寿命提高了1倍，进一步证实了本发明制得的强磨损硬化能力贝氏体耐磨铸钢具有极强的耐磨损能力，能够显著增强其使用寿命。
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