强韧高硅铸钢及其制造方法

1、一种强韧高硅铸钢，其特征在于强韧高硅铸钢的成分是：0.5～1.5wt％C， 2.0～3.8wt％Si，0.6～1.2wt％Cr，0.3～1.0wt％Mn，0.002～0.02wt％B，0.025～0.085wt％Ca， 0.03～0.12wt％Y，0.02～0.12wt％Ti，0.05～0.14wt％V，余量为Fe和不可避免的微量杂 质，其中微量杂质P的含量低于0.05wt％，微量杂质S的含量低于0.04wt％。
2、根据权利要求1所述的强韧高硅铸钢，其特征在于所述强韧高硅铸钢中C的 含量为0.63～1.27wt％，Si的含量为2.28～3.54wt％，Cr的含量为0.68～1.07wt％，Mn的含量为0.44～0.84wt％，B的含量为0.003～0.017wt％，Ca的含量为0.027～0.073wt％， Y的含量为0.04～0.11wt％，Ti的含量为0.03～0.10wt％，V的含量为0.06～0.12wt％。
3、一种制造如权利要求1所述的强韧高硅铸钢的方法，采用电炉熔炼，其制造 工艺步骤是：首先用钢、硅铁、铬铁、锰铁配料并进行增碳，待钢水熔化、炉前调 整成分合格后，将温度升至1600～1650℃，加入占钢水重量0.12％～0.25％的铝脱氧， 出炉前加入硅钙合金，而后出炉；将钇基稀土、硼铁、钛铁和钒铁破碎至粒度小于 15mm的小块并烘干，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理；变质处 理后，对钢水进行吹氩净化处理，氩气流量15～25L/min，氩气压力10～15MPa，吹 氩时间5～8min，吹氩后钢水的静置时间为5～8min，然后将钢水浇注成铸件；铸件经 800～820℃条件下退火1～3小时及850～950℃条件下奥氏体化0.5～2小时后，直接在 温度为260～380℃条件下进行等温淬火，等温时间为1～3小时，随后空冷即获得强 韧高硅铸钢。
4、根据权利要求3所述的强韧高硅铸钢的制造方法，其特征在于所述增碳步骤 所使用的材料为废石墨电极或生铁。
5、根据权利要求3所述的强韧高硅铸钢的制造方法，其特征在于所述小块的烘 干温度为160～200℃。
6、根据权利要求3所述的强韧高硅铸钢的制造方法，其特征在于所述奥氏体化 步骤的温度条件为875～935℃。
7、根据权利要求3所述的强韧高硅铸钢的制造方法，其特征在于所述等温淬火 步骤的温度条件为278～360℃。
8、根据权利要求3所述的强韧高硅铸钢的制造方法，其特征在于所述等温淬火 在等温盐浴炉中完成。

技术领域\n本发明属于钢铁材料技术领域，涉及一种硅含量较高、其它合金元素较少的具 有高强度、高韧性和高耐磨性的强韧高硅铸钢及其制造方法。\n背景技术\n钢铁材料的品种、产量和质量是一个国家工业发展水平的最重要的标志之一， 是国民经济持续稳定发展的物质保证。因此，大幅度提高钢材质量，研制和开发高 性能钢铁材料，对于加速我国由钢铁工业大国向钢铁工业强国转变具有重要战略意 义，也符合21世纪国民经济可持续发展战略。随着我国钢铁工业的飞速发展，钢产 量不断攀升，继1996年我国钢产量首次突破1亿吨后，2003年钢产量达到2.3亿吨。 随着钢产量的不断增加，资源日益紧缺，环境污染严重，原材料价格飞速上涨，因 此，开发低成本高性能的钢铁材料已引起了广泛关注。\n硅是钢中最廉价的合金元素之一。但是在普通生产条件下，钢中的硅含量超过 一定量后，会使钢的基体变脆，对钢的力学性能尤其是钢的韧性和塑性产生有害作 用，中国发明专利CN1182142公开了一种耐磨铸钢，要求钢中的Si≤0.50％。硅的 质量分数高达1.8％～2.5％的钢种只在仅要求材料电磁性能的硅钢中应用。近年来， 以硅为主要合金元素，利用硅在等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点进行等 温淬火，得到由贝氏体和被碳、硅稳定化了的奥氏体组成的奥-贝双相组织的研究， 受到了国内外的广泛重视。这种组织具有优异的综合机械性能，即高的强度、硬度 以及良好的冲击韧性，是一种在耐磨领域极具研究和开发价值的新材料。同时，高 硅铸钢是一种廉价的新型材料，所需添加的合金元素仅有约2.0％～3.8％左右的硅， 其它合金元素很少，因而具有极高的性能价格比。中国发明专利CN1232884A公开 了一种高硅耐磨铸钢，其成分配方是：0.6～1.2％C，1.8～3.0％Si，0.4～0.6％Mn， 0.2～0.5％Mo，P＜0.04％，S＜0.04％，这种合金等温淬火处理后具有较高的硬度和较好的 耐磨性。但是，普通高硅铸钢组织粗大，而且冶炼过程中易吸气和产生非金属夹杂 物，钢水中的气体和非金属夹杂物导致产品性能恶化、内在品质下降，同时非金属 夹杂物有助于气孔的形成，降低铸件的致密度，因此，普通高硅铸钢韧性低，无法 在重载、高可靠性的磨损领域应用。国外文献也报道了高硅铸钢的成分和性能， Putatunda(S.K.Putatunda，Fracture toughness of a high carbon and high silicon steel， Materials Science and Engineering A，2001，297A(1～2)：31～43)对一种含1.0％C和 2.5％Si的高硅铸钢的断裂韧性进行了研究，发现当钢经等温淬火获得贝氏体且残留 奥氏体35％左右时，可以获得最高的断裂韧性，但其断裂韧性值(K1c)不超过 65MPa.m1/2。为了使高硅铸钢能在重载、高可靠性的磨损领域应用，进一步提高其 强度和韧性是极其重要的。\n发明内容\n本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而设计一种强韧高硅铸 钢，考虑到我国镍、钼资源紧缺，价格昂贵，高硅铸钢中不含镍、钼元素，加入少 量的铬和微量的硼用于改善合金淬透性，同时采用炉内加少量硅-钙合金结合炉外吹 氩气净化钢液，采用炉外加微量稀土、钛铁和钒铁复合变质处理细化凝固组织，随 后利用硅在等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点进行等温淬火，得到由无碳 化物贝氏体和被碳、硅稳定化了的奥氏体组成的奥-贝双相组织，获得硬度大于 50HRC，抗拉强度σb≥1800～2000MPa，延伸率δ≥5～10％，冲击韧性AkV≥30～40J，断 裂韧性KIC≥80MPa.m1/2的强韧高硅铸钢，以实现高硅铸钢应用于重载、高可靠性的 磨损领域。\n本发明所要解决的另一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种制造上 述强韧高硅铸钢的方法。\n本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该发明强韧高硅铸钢的化学组 成成分是：0.5～1.5wt％C，2.0～3.8wt％Si，0.6～1.2wt％Cr，0.3～1.0wt％Mn， 0.002～0.02wt％B，0.025～0.085wt％Ca，0.03～0.12wt％Y，0.02～0.12wt％Ti， 0.05～0.14wt％V，余量为Fe和不可避免的微量杂质，其中微量杂质P的含量低于 0.05wt％，微量杂质S的含量低于0.04wt％。\n所述强韧高硅铸钢中各成分的优选含量为：C为0.63～1.27wt％，Si为 2.28～3.54wt％，Cr为0.68～1.07wt％，Mn为0.44～0.84wt％，B为0.003～0.017wt％， Ca为0.027～0.073wt％，Y为0.04～0.11wt％，Ti为0.03～0.10wt％，V为0.06～0.12wt％。\n本发明制造上述强韧高硅铸钢采用用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先用钢、 硅铁、铬铁、锰铁配料并增碳，待钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至 1600～1650℃，加入占钢水重量0.12％～0.25％的铝脱氧，出炉前加入硅钙合金，而后 出炉；将钇基稀土、硼铁、钛铁和钒铁破碎至粒度小于15mm的小块并烘干，置于 浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理；变质处理后，对钢水进行吹氩净化 处理，氩气流量15～25L/min，氩气压力10～15MPa，吹氩时间5～8min，吹氩后钢水 的静置时间为5～8min，然后将钢水浇注成铸件；铸件经800～820℃条件下退火1～3 小时及850～950℃条件下奥氏体化0.5～2小时后，直接在温度为260～380℃条件下进 行等温淬火，等温时间为1～3小时，随后空冷即获得强韧高硅铸钢。\n所述增碳步骤所使用的材料为废石墨电极或生铁。\n所述小块的烘干温度为160～200℃。\n所述奥氏体化步骤的优选温度条件为875～935℃。\n所述等温淬火步骤的优选温度条件为278～360℃。\n所述等温淬火在等温盐浴炉中完成。\n合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理 工艺，本发明化学成分是这样确定的：\n碳：碳是决定钢强度、硬度和韧性的主要元素。在一定的范围内，碳量越高， 淬透性越好，等温淬火后的强度也越高。但碳量过高也会严重地降低钢的韧性，为 了保证材料的强度不低于1800MPa和冲击韧性Akv不小于30J，选择碳含量为 0.5％～1.5％。\n硅：硅是高硅铸钢中的主要合金元素，而且是非碳化物形成元素，可增加碳在 奥氏体中的活度，在贝氏体铁素体生长过程中，多余的碳会排向界面一侧的邻近奥 氏体中，由于硅阻碍渗碳体析出，造成周围奥氏体富碳，使贝氏体铁素体片条间或 片条内的富碳残留奥氏体稳定化，形成无碳化物贝氏体。硅也使钢的第一类回火脆 性出现的温度范围升高，使钢可以在较高温度下回火，更多地消除淬火应力。另外， 硅还可使钢的TTT或CCT曲线向右下方移动和提高钢的贝氏体淬透性和韧性。硅 含量较低(＜2.0％)时，由于硅抑制碳化物析出的作用较弱，促进贝氏体转变的作用也 不强烈，在等温转变过程中，首先在奥氏体晶界析出贝氏体，而未转变的奥氏体在 随后的冷却过程中转变为马氏体，其显微组织由贝氏体铁素体、马氏体和少量残余 奥氏体组成，具有高的强度、硬度，而冲击韧性和断裂韧性较低；当硅含量提高到 2.0％～3.8％时，硅抑制碳化物析出作用显著增强，使贝氏体成长时排出的碳富集到奥 氏体中，提高了过冷奥氏体的稳定性，其显微组织为典型的奥-贝组织，即由板条状 的贝氏体铁素体和其间分布的富碳的残余奥氏体组成，材料具很好的强韧性。当钢 中的硅含量提高到3.8％以上时，组织中出现了大量的未转变奥氏体组织，导致材料 的强度下降。综合考虑，选择硅含量为2.0％～3.8％。\n铬：高硅铸钢中加入适量的铬，主要是为了提高钢的淬透性，细化钢的组织， 铬加入量过少，钢的淬透性提高不明显，铬加入量过多，钢中将出现含铬的碳化物， 使钢的韧性大幅度下降。综合考虑，将其含量控制在0.6％～1.2％。\n锰：高硅铸钢中加入适量的锰，主要是为了提高钢的淬透性，加入量过多，将 会粗化钢的组织，增大高硅铸钢的热裂倾向，综合考虑，将其含量控制在0.3％～1.0％。\n硼：钢中加入微量硼主要是为了提高材料的淬透性。硼加入量太少，对淬透性 影响不明显，加入量过多，将在晶界产生脆性的硼化物，使高硅铸钢的强度和韧性 明显降低，综合考虑，将其含量控制在0.002％～0.02％。\n钙：钙与氧有很大的亲合力，钙的脱氧能力很强，钙对钢水有很好的除气效果。 钙还对铸钢中夹杂物的变质具有显著作用，加入适量钙可将高硅铸钢中的长条状硫 化物夹杂转变为球状的CaS或(Ca，Mn)S夹杂，适量钙还显著降低硫在晶界的偏 聚，钙对降低高硅铸钢脆性和提高高硅铸钢铸造时抗热裂性是十分有益的。但加入 过多的钙将使高硅铸钢中夹杂物增多，对高硅铸钢韧性的提高不利，合适的钙含量 为0.025％～0.085％。\n钇：稀土加入钢中具有脱硫、除气的作用，同时稀土与液态金属反应生成的细 小粒子，具有加速凝固的形核作用，稀土元素的这些特性能细化高硅铸钢晶粒，限 制树枝晶偏析，提高机械性能和耐磨性。加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发 挥稀土的有益作用，克服其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重 稀土可获得密度较小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物 以Ce2O2S计，其密度为6.00g/cm3，钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y2O2S计，密度为 4.25g/cm3，按Stokes公式(Ladenburg R.W，Physical Measurements in Gas Dynamics and in Combustion，New York：Prince-ton University Press，1964，137～144.)计算夹杂 物的上浮速度V为：\n\n式中：V-夹杂物上浮速度，m/sec；r-夹杂物半径，m；ρ液-金属液体的密度， N/m3；ρ杂-夹杂物的密度，N/m3；η-液体的动力粘度，N.s/m2。可见后者的上浮 速度较前者增大1倍，这是使用钇稀土获得洁净组织对钢污染少的重要原因。综合 考虑，将钇含量控制在0.03％～0.12％。\n钛和钒：在高硅铸钢中加入微量钛和钒，可以明显细化铸钢晶粒，减少枝晶偏 析，提高高硅铸钢的强度和韧性。主要原因是钛与铸钢中的N、C形成高熔点化合 物Ti(C，N)，这种化合物有助于铸钢的晶粒细化，使枝晶间和枝晶内的碳和合金元素 分布均匀。钒是强碳化物形成元素，能强化基体，增加淬透性、淬硬性、回火稳定 性、细化晶粒，促使碳化物弥散分布，起到增加材料的强度、韧性和耐磨性等作用。 加入量过多，含钛、钒的化合物数量增加且粗化，反而导致高硅铸钢的强度和韧性 下降。综合考虑，将钛含量控制在0.02％～0.12％，钒含量控制在0.05％～0.14％。\n不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素，为了高 硅铸钢的强度、韧性和耐磨性，将磷含量控制在0.05％以下，硫含量控制在0.04％ 以下。\n高硅铸钢的性能还与钢水净化和热处理工艺有直接关系，其制订依据是：\n高硅铸钢的净化采用炉内加入硅钙脱氧和炉后吹氩复合处理工艺，钢水吹氩净 化处理时，氩气流量若小于15L/min，则钢水中的气体和夹杂物不能充分向钢包顶部 富集，钢水中残留的气体和夹杂物多，氩气流量超过25L/min后，钢包顶部的钢水 翻腾，反而卷入气体，污染钢水。吹氩时间小于5min时，钢水中的夹杂物和气体残 留量多，而吹氩时间超过8min后，钢水降温过多，不利于随后的铸件浇注。氩气压 力小于10MPa时，钢水中残留的气体和夹杂物多，氩气压力超过15MPa后，氩气 对钢水的搅拌加剧，易卷入气体和钢包顶部富集的夹杂物，污染钢液。选择氩气流 量15～25L/min，氩气压力10～15MPa，吹氩时间5～8min，吹氩后钢水的静置时间 5～8min的吹氩净化处理工艺，钢水净化效果好。\n高硅铸钢的奥氏体化温度过低，高温奥氏体中溶解的碳和合金元素较少，高温 奥氏体稳定性差，等温淬火组织中易出现珠光体和铁素体组织，降低铸钢的强度、 韧性和耐磨性。高硅铸钢的奥氏体化温度过高，高温奥氏体中溶解的碳和合金元素 过多，高温奥氏体稳定性高，等温淬火组织中易出现大量奥氏体，而且奥氏体化温 度过高，还使组织显著粗化，降低铸钢的强度、韧性和耐磨性。\n等温淬火温度对高硅铸钢组织和性能影响明显。在不同等温淬火处理条件下得 到的显微组织均为典型的无碳化物奥-贝组织。当等温温度较低时，贝氏体铁素体板 条较为细小，取向十分杂乱。随着等温温度的提高，贝氏体铁素体板条加宽，其间 的富碳残余奥氏体薄膜加厚。这是因为等温温度较高时，贝氏体铁素体转变的孕育 期缩短，碳原子的扩散能力增强，贝氏体铁素体的生长速度加快，富碳的稳定奥氏 体量也增加。同时贝氏体铁素体板条的取向也逐渐变得一致，在一个原奥氏体晶粒 内部生成不同取向的相互成一定交角的贝氏体铁素体板条束。当转变温度高于380 ℃时，组织发生明显变化，贝氏体铁素体变得粗大而且出现分枝，奥氏体薄膜加厚。 对高硅铸钢采用经800～820℃条件下退火1～3小时、850～950℃条件下奥氏体化0.5～2 小时后，直接在温度为260～380℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温时间1～3h， 随后空冷即可获得高强度和高韧性。\n本发明与现有技术相比具有以下特点：\n①本发明强韧高硅铸钢以廉价的硅为主要合金元素，原材料来源丰富，不加钼、 镍等昂贵合金，加少量铬、锰和微量硼改善淬透性，使合金性能明显提高。\n②本发明强韧高硅铸钢利用硅在等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点 进行等温淬火，得到由无碳化物贝氏体和被碳、硅稳定化了的奥氏体组成的奥-贝双 相组织，这种复相组织具有较高的强度、硬度和优异的耐磨性。\n③本发明采用炉内加硅钙脱氧和炉外吹氩除气去渣工艺，使钢水中气体和夹杂 物大幅度减少，夹杂物含量由普通高硅铸钢0.5％以上降至0.1％以下。\n④本发明采用钇、钒、钛对钢水复合变质处理，可以明显细化钢的显微组织， 强韧高硅铸钢的晶粒度稳定在8级以上。\n⑤本发明高硅铸钢由于钢水的净化和凝固组织的细化，力学性能明显提高，获 得了硬度大于50HRC，抗拉强度σb≥180～2000MPa，延伸率δ≥5～10％，冲击韧性 AkV≥30～40J，断裂韧性KIC≥80MPa.m1/2的强韧高硅铸钢，完全可应用于重载、高可 靠性的磨损领域。\n具体实施方式\n以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。\n实施例1：\n强韧高硅铸钢用350公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先用废钢、 硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将 温度升至1645℃，加入占钢水重量0.23％的铝脱氧，出炉前加入硅钙合金，而后出 炉。将钇基稀土、硼铁、钛铁和钒铁破碎至粒度小于15mm的小块，经195℃烘干 后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理。钢水成分见表1。变质处 理后，对钢水进行吹氩净化处理，氩气流量23L/min，氩气压力10.8MPa，吹氩时间 5.6min，吹氩后钢水的静置时间6min，然后将钢水浇注成挖掘机斗齿。斗齿经815 ℃×2.5h退火、935℃×1h奥氏体化后，直接在温度为330℃的等温盐浴炉中进行等 温淬火，保温时间1.5h，随后空冷即可获得了强韧高硅铸钢，其主要性能指标如下： 硬度51.8HRC，抗拉强度σb＝1860MPa，延伸率δ＝8％，冲击韧性AkV＝35J，断裂韧 性KIC＝85MPa.m1/2。强韧高硅铸钢斗齿用于挖掘风化沙石，其寿命比进口高镍铬钼 合金钢斗齿提高20％，而且斗齿的强度高、韧性好，使用中没有断裂、剥落现象出 现，但价格却只是进口斗齿的1/10。\n                                                  表1 高硅铸钢成分(重量％)   C   Si   Cr   Mn   B   Ca   Y   Ti   V   S   P   Fe   0.89   2.72   0.68   0.44   0.003   0.054   0.08   0.03   0.12   0.027   0.036   余量\n实施例2：\n强韧高硅铸钢用1.5吨碱性电弧炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先用废钢、硅 铁、铬铁、锰铁配料，用生铁增碳，钢水熔化、炉前调整成分合格后，将温度升至 1630℃，加入占钢水重量0.18％的铝脱氧，出炉前加入硅钙合金，而后出炉。将钇 基稀土、硼铁、钛铁和钒铁破碎至粒度小于15mm的小块，经175℃烘干后，置于 浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理。钢水成分见表2。变质处理后，对 钢水进行吹氩净化处理，氩气流量16L/min，氩气压力14.2MPa，吹氩时间7min， 吹氩后钢水的静置时间7min，然后将钢水浇注成履带板。铸件经805℃×2h退火、 875℃×1.5h奥氏体化后，直接在温度为278℃的等温盐浴炉中进行等温淬火，保温 时间2.5h，随后空冷即可获得强韧高硅铸钢。其主要性能指标如下：硬度52.5HRC， 抗拉强度σb＝1805MPa，延伸率δ＝9％，冲击韧性AkV＝34J，断裂韧性KIC＝81MPa.m1/2。 强韧高硅铸钢用于制造推土机履带板，其使用寿命比高锰钢提高4倍以上。\n                                            表2 高硅铸钢成分(重量％)   C   Si   Cr   Mn   B   Ca   Y   Ti   V   S   P   Fe   0.63   2.28   1.07   0.84   0.017   0.027   0.11   0.10   0.06   0.019   0.031   余量\n实施例3：\n本发明强韧高硅铸钢用350公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：首先 用废钢、硅铁、铬铁、锰铁配料，用废石墨电极增碳，钢水熔化、炉前调整成分合 格后，将温度升至1615℃，加入占钢水重量0.13％的铝脱氧，出炉前加入硅钙合金， 而后出炉。将钇基稀土、硼铁、钛铁和钒铁破碎至粒度小于15mm的小块，经180 ℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，钢水成分见表3。 变质处理后，对钢水进行吹氩净化处理，氩气流量20L/min，氩气压力12.7MPa，吹 氩时间7.5min，吹氩后钢水的静置时间5.5min，然后将钢水浇注成锤头。铸件经818 ℃×2h退火、900℃×1.2h奥氏体化后，直接在温度为360℃的等温盐浴炉中进行等 温淬火，保温时间1.8h，随后空冷即可获得强韧高硅铸钢。其主要性能指标如下： 硬度53.5HRC，抗拉强度σb＝1820MPa，延伸率δ＝7％，冲击韧性AkV＝30J，断裂韧 性KIC＝82MPa.m1/2。强韧高硅铸钢用于制造破碎石料用的锤式破碎机锤头，其使用 寿命比35CrMo钢锤头提高1倍以上，锤头使用中无断裂现象发生，生产成本比 35CrMo钢锤头低20％，具有很好的经济效益。\n                                                表3 高硅铸钢成分(重量％)   C   Si   Cr   Mn   B   Ca   Y   Ti   V   S   P   Fe   1.27   3.54   0.96   0.57   0.007   0.073   0.04   0.08   0.07   0.022   0.027   余量