一种耐磨铸钢 本发明属于金属材料领域，特别涉及冶金、矿山、电力、机械等行业用于制造在撞击研磨磨损条件下工作备件的耐磨铸钢。
目前，冶金、矿山、电力等设备中的耐磨备件大多采用传统的高锰钢等材料制造。然而，近年来的研究表明：在许多工况条件下，尤其是在中小能量冲击磨料磨损条件下，高锰钢并不耐磨。其原因是，高锰钢为奥氏体钢，初始硬度较低，在没有受到剧烈冲击的情况下，短时间内得不到充分的加工硬化。因此，在研磨初期，磨损速度较快。由于工作层的不断消失，始终得不到有效的加工硬化，致使高锰钢的耐磨特性得不到充分发挥，因而使用寿命较短。表1及表2分别列出高锰钢的化学成份及力学性能。从表2中可以看出，高锰钢经水韧处理后的硬度仅为HB220，而从报废的球磨机衬板上取样分析(衬板剩余厚度仅为原始厚度的三分之一)可知，其硬度仅为HRC38-42。由此可见冲击硬化效果并不很好，故耐磨性较差，平均使用寿命只有四个月左右，在现有技术中，中锰钢和高锰钢及其它奥氏体铸钢都不同程度地存在上述问题。
表1 高锰钢的化学成份(GB5680-85)化学元素 C Si Mn S P Fe百分含量 0.9/1.5 0.3/1.0 11.0/14.0 ＜0.05 ＜0.09 余量
表2 高锰钢的力学性能(GB5680-85) σ0 (MPa) ψ (％) AK(J) 硬度 (HBS) 735 35 147 229
专利号为SU170087文献中公开了一种铸铁材料，其化学成份列入表3。在该铸铁组织中由于存在大量粗大的共晶碳化物及网状碳化物，因此韧性较差。与此耐磨铸铁相似的还有普通白口铁、高铬铸铁、马氏体、贝氏体球墨铸铁及镍硬铸铁等材料，虽然具有较高的硬度，良好的耐磨性，但冲击韧性较差，一般仅在1～10J/cm2之间，故只能用于制造小能量冲击磨损条件下工作地零部件。
表3 耐磨铸铁(SU1700087)的化学成份化学元素 C Si Mn Cr Mo V Ti Nb Al B百分含量 2.2/ 3.2 1.2/ 1.6 1.5/ 2.7 2.1/ 3.5 0.13/ 0.70 0.6/ 1.2 0.1/ 0.3 0.08/ 0.70 0.01/ 0.03 0.14/ 0.20
再如专利号为SU1650759文献中公开的一种铸钢，其化学成份列入表4。该铸钢的抗拉强度为710～750MPa，冲击韧性为12.5～13.8J/cm2。这种铸钢硬度较高，耐磨性较好，但强度较低，只能在中小冲击载荷下工作。此外，在熔炼中Ca、Ce、Ba等元素很难控制，且合金含量如Cr等元素较高，其价格也比较昂贵。
表4 耐磨铸钢(SU1650759)的化学成份化学元素 C Si Mn Cr V Ti B Ca Al Ce Ba百分含量 0.5/ 0.9 0.5/ 1.0 1.5/ 2.5 2.5/ 3.5 0.1/ 0.5 0.05/ 0.15 0.002/ 0.008 0.01/ 0.02 0.01/ 0.05 0.05/ 0.20 0.002/ 0.006
本发明的目的是针对现有铸钢材料强韧性低，耐磨性差，使用寿命短等不足，提供了一种低合金多元素的新型马氏体、贝氏体耐磨铸钢材料。该种材料不仅能承受较大的冲击载荷，而且还具有优良的抗磨料磨损的性能，用以取代高锰奥氏体铸钢，是目前制造在有较大的撞击性接触负载时的剧烈撞击研磨磨损条件下工作零部件的理想原材料。
本发明在借鉴国内外先进技术基础上，采用低合金多元素的技术路线，其特征是以C、Cr、Mo为主要合金元素，辅加少量的V、Ti元素以及微量的B及RE元素。该种成份的铸钢经热处理后，其显微组织为回火马氏体加下贝氏体及少量的残余奥氏体，使钢具有很高的强韧性及优良的耐磨性，综合机械性能优于高锰奥氏体铸钢。
表5 本发明铸钢的化学成份(wt％)化学元素 C Si Mn Cr Mo V Ti B S、P百分含量 0.15/ 0.50 ≤0.50 ≤1.00 1.00/ 2.00 0.20/ 0.50 0.02/ 0.10 0.02/ 0.10 0.005/ 0.10 ≤0.04
本发明的耐磨铸钢中碳含量选择在0.15～0.50％之间，其目的是在保证铸钢具有一定硬度的前提下，兼有较高的强韧性。对铸钢来讲，碳含量过高，组织中必将产生网状碳化物，而导致脆性增加；碳含量低于0.15％，铸钢的硬度会大幅度下降，从而降低耐磨性。
铬是提高淬透性最有效的合金元素之一，铸钢中含有1.0～2.0％铬，可有效地提高铸钢的淬透性，强化基体。
钢中加入0.2～0.5％的钼，不仅可以提高淬透性，促进贝氏体转变，还可以改善铸钢的凝固特性。
钒、钛均为强碳化物形成元素，可与碳形成高熔点的TiC、VC等细小分散的化合物，起弥散强化作用，从而提高钢的强度和韧性。
硼可与铁、铬、钼及其它金属形成高熔点的硼化物，析集或吸附在晶界上，起弥散强化作用。钢中加入微量的硼能提高铸钢的淬透性和细化钢的铸态组织，并有利于贝氏体的形成。
稀土可有效地提高钢水的纯净度，促进微合金化，本发明铸钢中加入微量的稀土元素，不仅可以除磷除硫，减少夹杂物，净化钢液，改善铸态组织，而且它可以与V、Ti、Mo等金属元素形成高熔点的金属间化合物，弥散分布于铸钢的基体中，起到强烈的弥散强化作用，显著地提高铸钢的塑性和冲击韧性。但加入量过多，会使钢脆化。
本发明提供的耐磨铸钢用已知的方法，在碱性中频炉内冶炼，用2∶1的石灰粉和氟化粉造渣，用铝脱氧，炼钢原料为废钢和铁合金，炉料的加入顺序是：废钢，铬铁及回炉料；熔化后加入钼铁及锰铁；脱氧后加入硅铁、钒铁、钛铁及硼铁；稀土是采用冲入法在包内加入。
为了更确切地应用本发明，特推荐出在不同承载工况下工作的两种铸钢的成份及热处理工艺制度。
I.当铸件在强烈的冲击磨料磨损条件下工作时，建议采用表6化学成份的铸钢。该种铸钢经880～890℃保温2～3小时水淬和220～230℃保温2～3小时水冷的热处理工艺处理后，由于碳含量较低，其组织为板条马氏体加下贝氏体，因而具有较高的抗拉强度及韧性；况且硬度适中，可以用于制造冶金矿山设备中承受强烈冲击磨损的零部件。如：电铲铲齿、齿座及球磨机衬板等。
表6 推荐I号铸钢的化学成份(wt％)化学元素 C Si Mn Cr Mo V Ti B RE S、P百分含量 0.15/ 0.35 ≤0.5 ≤1.0 1.5/ 2.0 0.2/ 0.5 0.05/ 0.10 0.05/ 0.10 0.005/ 0.10 0.10/ 0.50 ≤0.04
II.当铸件在中小能量冲击载荷磨料磨损条件下工作时，可适当提高铸件的硬度，以提高耐磨性。为此，建议采用表7化学成份的铸钢。该种成份的铸钢经860～870℃保温2～3小时油淬和220～230℃保温2～3小时水冷的热处理工艺处理后，虽然抗拉强度及韧性有所下降，但硬度较高，具有优良的耐磨性。
表7 推荐II号铸钢的化学成份(wt％)化学元素 C Si Mn Cr Mo V Ti B RE S、P百分含量 0.35/ 0.50 ≤0.5 ≤1.0 1.0/ 1.5 0.2/ 0.5 0.02/ 0.05 0.02/ 0.05 0.005/ 0.10 0.05/ 0.10 ≤0.04
本发明提供的耐磨铸钢克服了现有技术存在的不足，具有化学成份配方合理，浇铸工艺易控制，综合性能好，经济效益显著等优点。该铸钢同现有技术相比具有如下特点：
1.综合力学性能明显优于耐磨铸钢SU1650759和高锰钢以及耐磨铸铁SU1700087。其冲击韧性可与高锰钢相媲美，尤其是抗拉强度要比上述材料高出50～100％，耐磨性比高锰钢提高一倍以上。因此，它可以完全取代高锰钢，在那些既要承受强烈的冲击磨损，又要承受较大的载荷条件下使用，更能充分发挥其综合优势；
2.本发明耐磨铸钢在成份上选取我国富有的稀土元素进行微合金化，是降低成本，提高铸钢强韧性的有效措施；
3.本发明成份的铸钢经热处理后，能够获得板条马氏体加下贝氏体双相组织。因而该种组织铸钢的综合性能要比单一马氏体或单一贝氏体组织的铸钢优越得多；
4.将本发明用于制造在有大的撞击性接触负载时的剧烈撞击研磨磨损条件下工作的备件，必将为企业创造巨大的经济效益。仅以鞍钢矿山公司为例，每年要消耗各类高锰钢衬板3000多吨。若采用本发明铸钢制作备件，使用寿命按提高一倍计算，则每年就可节约原材料费近千万元。
为了进一步解释本发明，现按照本发明的成份配方及热处理工艺给出以下三个实施例。表8为实施例的化学成份，表9为实施例的力学性能。
表8 实施例的化学成份
表9 实施例的力学性能 性能指标 σb (MPa) σ1 (MPa) ψ (％) δ6 (％) 硬度 (HRC) AK (J) 线收缩 (％)相对耐磨 性※实施例1 1356 1198 21.6 9.85 45 76.5 1.86 2.28实施例2 1385 1206 17.8 8.40 48 72.4 1.83 2.56实施例3 1243 1201 12.4 6.30 54 65.8 1.79 3.12
※以高锰钢的耐磨性为1计算而得。