团球状共晶体奥氏体－贝氏体钢基自生复合材料

摘要

一种团球状共晶体奥氏体－贝氏体钢基自生复合材料,采用镁稀土硅铁合金、硅钙稀土合金、钛铁、电解铜、纯铝、硼铁等合金配制的变质剂,控制含碳0.8－1.5%,锰3.5－7.5%,硅0.5－2.0%,铬0.0－1.2%,硫0.01－0.19%,磷0.02－0.10%钢液的凝固过程,获得团球状共晶体增强相,通过正火处理获得具有奥氏体－贝氏体基体的新型复合材料。这种新型复合材料具有优异的强韧性和耐磨性,可用于制造在中低应力冲击磨粒磨损工况下使用的易磨件。

说明书

本发明涉及一种新型团球状共晶体增强奥氏体-贝氏体钢基自生复合材料及其制备工艺，可应用于制造在中低应力冲击磨粒磨损工况下使用的易磨件，属于冶金、抗磨材料及其制备技术领域。

目前，国内外使用的抗磨材料主要有：奥氏体锰钢、低合金钢、合金白口铸铁等。文献《磨机衬板的磨损和衬板用钢的发展》(张清，《钢铁》88年第5期)介绍了奥氏体锰钢在中低冲击应力磨料磨损工况下奥氏体锰钢不能充分发挥其加工硬化能力，抗磨性低，又因单一奥氏体基体而具有初始硬度低等缺点；在中低冲击应力磨料磨损工况下，淬火-回火的低合金马氏体抗磨钢比奥氏体锰钢有高的抗磨性，但主要靠马氏体基体的硬度来抗磨，基体中没有高硬度的增强相，因而抗磨性的提高是有限的，而这种钢缺点是淬火工艺执行不当或化学成分矢控或断面尺寸过大与结构复杂的抗磨件淬火时易开裂；文献《改善高铬白口铸铁件使用性能的新工艺》(朴东学等，《铸造》94年第2期)介绍了各类合金白口铸铁因其含有大量高抗磨的碳化物，所以具有高的抗磨性，但其最突出的缺点是易脆断，因而其应用范围有限。需开发一种在奥氏体锰钢韧性有余，抗磨性不足，而白口铸铁使用又不可靠的工况下使用的抗磨材料。

本发明的目的是针对现有技术的上述问题，提供一种新的团球状共晶体奥氏体-贝氏体钢基自生复合材料及其制备方法，用较低的成本获得具有很好强韧性和抗磨性的复合材料，以满足实际需要。

为了实现这样的目的，本发明综合现有抗磨材料的优点，通过变质剂对钢液进行变质处理，在凝固时获得团球状共晶体增强相，通过正火处理获得团球状共晶体奥氏体-贝氏体钢基自生新型复合材料。

本发明的具体技术方案为：采用我国资源丰富、价格低廉的锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)合金元素进行合金化，采用变质处理方法控制钢液的凝固组织，在凝固条件下直接获得团球状共晶体增强相((Fe、Mn、Cr)₃C和奥氏体，共晶体显微硬度(HV)为：800-1200，然后通过正火处理获得奥氏体-贝氏体基体组织。

本发明钢液的成分配比为：碳0.8-1.5％，锰3.5-7.5％，硅0.5-2.0％，铬0.0-1.2％，硫0.01-0.19％，磷0.02-0.10％，余铁。采用生铁、废钢、锰铁、硅铁、铬铁配制。

本发明采用变质剂的成分(重量百分比)为：镁0.00-0.09％，钙0.00-0.30％，稀土(铈，镧)0.02-0.09％，硅0.4-1.0％，铝0.2-1.0％，铜0.0-1.0％，钛0.0-0.5％，硼0.000-0.005％，余铁。采用镁稀土硅铁合金、硅钙合金、钛铁、电解铜、纯铝、硼铁等合金配制变质剂。

本发明采用中频或高频感应电炉，不氧化法熔炼工艺。生铁和废钢熔化后，加入锰铁、硅铁、铬铁，当温度达到1500℃-1600℃时，插铝脱氧出钢。在包中加入变质剂(或采用冲入法)进行处理，搅拌，在1450℃-1500℃时在砂型或金属型中进行浇铸。在铸态下直接获得团球状共晶体增强相。

正火工艺为：Acm(加热过程中钢的奥氏体化温度)+100℃奥氏体化后，保温0.5-5小时(根据铸件的厚度来确定保温时间)，空冷获得奥氏体-贝氏体基体。

以下通过具体的实施例来进一步描述本发明的技术方案。

实施例1：

钢液的成分配比为：碳1.04％，锰5.86％，硅1.42％，铬0.5％，硫0.025％，磷0.020％，余铁。采用生铁、废钢、锰铁、硅铁、铬铁配制。

采用变质剂的成分(重量百分比)为：镁0.09％，稀土(铈，镧)0.09％，硅0.8％，铝0.5％，铜0.5％，钛0.2％，硼0.003％，余铁。采用镁稀土硅铁合金、钛铁、电解铜、纯铝、硼铁配制变质剂。

采用5kg中频感应电炉，不氧化法熔炼工艺。生铁和废钢熔化后，加入锰铁、硅铁、铬铁，当温度达到1600℃时，插铝脱氧出钢。在包中加入变质剂进行处理，搅拌，在1480℃，进行浇铸。在砂型中铸出12×12×60mm试样，800℃奥氏体化后，保温40分钟，空冷，获得团球状共晶体增强奥氏体-贝氏体钢基复合材料。将12×12×60mm试样磨成10×10×55mm无缺口冲击试样进行冲击韧性和硬度的检测和金相组织观察，其组织为团球状共晶体均匀分布在奥氏体-贝氏体基体上，共晶体尺寸为10μm-20μm。冲击韧性(冲击试样为无缺口试样)22.0(J/cm²)，硬度HRC 37.5。实施例2：

钢液的成分配比为：碳1.05％，锰5.32％，硅132％，铬0.60％，硫0.022％，磷0.033％，余铁。采用生铁、废钢、锰铁、硅铁、铬铁配制。

钙硅铝钛变质剂，成分(重量百分比)为：镁0.02％，稀土(铈，镧)0.02％，钙0.15％，硅0.6％，铝0.5％，铜0.45％，钛0.5％，硼0.003％，余铁，采用镁稀土硅铁合金、硅钙合金、钛铁、电解铜、纯铝、硼铁配制变质剂。

采用5kg中频感应电炉，不氧化法熔炼工艺。生铁和废钢熔化后，加入锰铁、硅铁、铬铁，当温度达到1600℃时，插铝脱氧出钢。在包中加入变质剂进行处理，搅拌，在1500℃，进行浇铸。在砂型中铸出12×12×60mm试样，790℃保温40分钟空冷，获得团球状共晶体增强奥氏体-贝氏体钢基复合材料。将12×12×60mm试样磨成10×10×55mm无缺口冲击试样，进行冲击韧性和硬度的检测和金相组织观察，其组织为团球状共晶体均匀分布在奥氏体-贝氏体基体上，共晶体尺寸为10μm-20μm。冲击韧性(冲击试样为无缺口试样)20.0(J/cm²)，硬度HRC 38.0。

实施例3：

钢液的成分配比为：碳1.25％，锰6.12％，硅1.52％，铬0.80％，硫0.027％，磷0.030％，余铁。采用生铁、废钢、锰铁、硅铁、铬铁配制。

变质剂的成分(重量百分比)为：镁0.09％，稀土(铈，镧)0.09％，硅0.8％，铝0.5％，铜0.5％，钛0.2％，硼0.003％，余铁。采用镁稀土硅铁合金、钛铁、电解铜、纯铝、硼铁配制变质剂。

采用5kg中频感应电炉，不氧化法熔炼工艺。生铁和废钢熔化后，加入锰铁、硅铁、铬铁，当温度达到1600℃时，插铝脱氧出钢。在包中加入变质剂进行处理，搅拌，在1480℃时进行浇铸。在砂型中铸出12×12×60mm试样，800℃保温40分钟空冷，获得团球状共晶体增强奥氏体-贝氏体钢基复合材料。将12×12×60mm试样磨成10×10×55mm无缺口冲击试样进行冲击韧性和硬度的检测和金相组织观察，其组织为团球状共晶体均匀分布在奥氏体-贝氏体基体上，共晶体尺寸为10μm-20μm。冲击韧性(冲击试样为无缺口试样)15.0(J/cm²)，硬度HRC 40.0。

本发明的积极效果在于这种新型复合材料同抗磨钢比，克服了单一基体，没有增强相的缺点，而保留了强韧的基体组织；同合金铸铁比，克服了韧性不足的缺点，保留了具有强烈抵抗磨料磨损能力的团球状共晶体；同抗磨球铁比，由于高硬度的团球状共晶体代替了硬度极低以空洞存在的团球状石墨，而具有高的抗磨性，并克服了石墨在磨料磨损过程中由于变形而成为裂纹源对抗磨性带来的不利影响。本发明的复合材料可用于在中低应力冲击磨粒磨损工况下使用的易磨件。