[发明专利]中碳合金钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗磨铸钢材料领域，具体说是一种中碳合金钢及其制备方法。

背景技术

目前在耐磨材料领域大都是应用具有马氏体或者贝氏体基体组织的耐磨材料或者除马氏体和贝氏体、残余奥氏体基体以外还具有颗粒增强相的第三代耐磨材料-高铬铸钢开发耐磨零部件，由于在高铬铸钢中还有高硬度的增强相Cr7C3，其碳化物显微硬度达到了HV1300～1600，故其比前两代耐磨材料-白口铸钢和高锰钢性能有了较大幅度提升，硬度可以达到HRC60～65，但是由于其碳化物通常呈现长条形且比较粗大，故其冲击韧性一般都在3～7J/cm2之间，有些还有低于3J/cm2，普遍比较低，材料相对较脆，耐冲击性比较差，因而其综合耐磨性能仍然不是特别理想。

随着某些工程机械、矿山机械、冶金机械等工况进一步恶劣以及装备大型化，例如在制砂机设备、热轧辊等装备市场，对具有更高耐磨性的耐磨材料需求越来越迫切。在这种情况下，前人经过大量实验研究，开发了多种耐磨材料来制造耐磨关键零部件，以满足在恶劣工况下提高工件实际使用寿命的服役要求。

在我国已经起步研究开发基于铬、锰、硅等复合耐磨材料，并且成功地开始应用于热轧辊耐磨件。虽然目前使用铸造工艺开发的复合耐磨材料的凝固特性、变质机理和热处理工艺特征等方面的研究基本趋于成熟。在耐磨材料中碳化物颗粒形态有很多种，呈现团球状、大块状、开花状、条状、杆状和蠕虫状等几种形态；其中边界比较圆滑的团球状初生相是最理想的形态，有利于性能提升。因此，通过进一步优化碳化物颗粒形态和分布，对提高耐磨材料的耐磨性能和其性能稳定性是十分有利的。

现有技术对耐磨材料采用的变质处理方法主要是使用稀土硅镁或者（含B、含Zr）钾盐作为孕育变质剂，使用量均在0.5～1.0﹪之间。使用常用的稀土硅、镁作为变质剂，稀土一方面有净化钢液的作用，能与钢液中的氧、氮等生成化合物，同时这些化合物还可以作为形核质点起到细化碳化物的作用；另一方面稀土是一种表面活性元素，在凝固过程中可以富集在碳化物的表面，从而抑制碳化物沿晶界长大，使碳化物细化。

现有技术中常采用稀土作为变质剂，利用稀土净化钢液时产生大量稀土氧化物、氮化物等作为碳化物的形核质点；然而这些稀土氧化物、氮化物的晶格类型不同于碳化物的晶格类型。所以这些稀土氧化物、氮化物并不能作为碳化物碳化物的有效异质形核核心，其效果十分有限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种性能可靠的中碳合金钢，该材料的组分按以下质量百分比组成：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%，余量为铁；本发明加入了Ti元素，使钢液生成足够多的形核质点TiC，使其颗粒数量大大增加。

本发明还提供一种锰钨钛合金钢的制备方法，按以下步骤进行：

1）将废钢、锰铁、钛铁、硼铁、钼铁和铬铁清理干净，按上述质量百分比要求进行配料，分类放置，并将锰铁、钛铁、硼铁、钼铁和铬铁烘干后待用，烘干是为了避免钢液中带入气体；

2）然后向炉内加入废钢，再加入锰铁、钼铁和铬铁进行熔炼，在熔炼后期加入硼铁，待熔清后进行等温处理，再加入铝丝或铝粒进行预脱氧；

3）预脱氧后向炉中加入钛铁，然后加入铝丝或铝粒终脱氧处理后出炉；

4）然后向出炉后的钢液中加入变质剂，采用包底冲入法对钢液进行孕育和变质处理；

5）将孕育和变质处理的钢液进行浇注，然后进行热处理。

作为优选，熔炼温度为1550～1650℃，等温处理温度为1600℃，等温处理时间为5-8min。

作为优选，预脱氧和终脱氧采用的铝丝或铝粒的质量分数均占钢液质量的0.1%-0.15%。

作为优选，所述变质剂的组分占钢液质量百分比为：0.10﹪Ti、0.25﹪RE、0.15﹪Mg、0.15﹪Zn。

作为优选，将上述组分的复合孕育变质剂破碎至1-5mm的小颗粒，经200℃烘干后，预置于浇包底部，然后将浇包中的钢液孕育和变质处理后静置2-3min，再进行浇注，浇注温度为1500℃。

作为优选，热处理采用三次淬火一次回火。

作为优选，先以950～1000℃淬火30min，然后采用空气冷却，再以900～950℃淬火30min后进行水冷，接着以600～800℃淬火5min后进行水冷，最后以200～300℃回火2h后进行空气冷却。