一种高强度耐磨损耐冲击的合金铸钢及制造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种高强度耐磨损耐冲击的合金铸钢及制造工艺。以Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ为主要元素，辅加少量Ｍｏ、Ｖ元素，其余为Ｆｅ。这种铸钢经实施本发明专利技术提供的制造工艺后，其组织为细晶粒均匀奥氏体，晶内和晶界间有少量微小弥漫型碳化物；它表现出极高的强度和抗冲击韧性，比现有高锰钢ＺＧＭｎ１３－４的强度提高２４％，抗冲击韧性提高５６．５％；工作表面的奥氏体受到剧烈冲击和磨损后转变成高硬度马氏体（＊≥６９）；使用寿命为进口产品的２．８倍以上，价格为进口均价的３５％。无疑它具有广泛的实用推广价值。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属金属材料领域，主要涉及矿山、冶金、建材、电力、机械、凿岩、军械等行业，它是一种可广泛用于制造在强烈碰撞性冲击和强烈磨损条件下而工作要求其强度高、韧性好、耐磨损、无断裂、寿命长的零部件之新型合金铸钢。本专利技术还涉及一种高强度耐磨损耐冲击的合金铸钢的制造工艺。
技术介绍
在现有
中不论是抗中低冲击强烈磨损还是抗胜似爆炸性剧烈冲击中的强烈磨损的合金铸钢，普遍存在着易断裂、不耐磨、寿命短、更换频繁、成本高的现象。多年来它一直是一项急需解决而始终末能从根本上全面彻底解决的技术经济难题。造成上述结果的原因多而复杂，由于破碎、研磨工况中的变化过程是一个涉及诸多因素复杂的物理变化过程，它需要力学、运动学、金属材料学、热处理学等多方面的学科知识和丰富的实践经验相结合才有可能解决实际问题。但目前尚缺乏对这些复杂应用工况作全面、科学的具体分析，更缺乏对满足这些特殊工况要求的金属材料、成份的科学配制与合理、经济的热处理工艺相结合的实际性研究及对应用市场的正确指导，这是造成上述结果的重要原因。例如在深层钻井凿岩中，不同区域其岩层硬度不一样，即使是同一岩井，不同深度，其岩石硬度也不一样，从而使得凿岩机钻头所受凿岩力和磨损程度随岩井深度变化而变化。所以对不同的井层硬度应采用不同性能的钻头。而水泥磨机衬板所承受的旋转振荡性冲击和磨损是由其所容装的主研磨体钢球及被磨体物料之重量、硬度及磨机转速所共同决定的。对同一工况下，磨机衬板所承受的冲击和磨损在磨机旋转中呈周期性变化。由于衬板和磨机筒体壁为弧形板式固定联接，且同步转速不高，所以对衬板的硬度和耐磨性选择十分重要，主研磨体钢球之硬度比物料硬度要高，而比衬板硬度要低，否则不仅会影响到水泥产量和质量，而且还会大大降低衬板使用寿命。高速旋转的破碎机锤头特别是进行大规模生产的重型破碎机锤头，它们在破碎过程中由于被破碎物料之大小、形状、重量、硬度都是无规律变化的，致使其所受的冲击和反冲力的大小、方向、作用点及所受磨损程度随时间变化而急剧变化，从而大大地增加了破碎机锤头或板锤能完全满足耐磨、耐冲击、破碎比大、破碎率高、破碎产量高、使用寿命长的技术难度。目前国内为达到耐磨损耐冲击之目的，根据应用情况不同，有的采用耐磨铸铁；有的采用昂贵的高强度马氏体或奥氏体不锈钢；有的采用45#钢或低合金钢锻件，经整体调质，其工作部位表淬；而更多的则是采用高锰钢。现将它们的化学成份、机械性能、金相组织及适用工况列表如下关于国内目前主要采用的耐磨耐冲击材料有关成份、性能、组织、用途的统计表表(1)-1国内目前主要采用的耐磨、耐冲击材料的化学成份(％) 表(1)-2 国内目前主要采用的耐磨、耐冲击材料的性能、组织及用途 从表中标准或实践数据结果显见耐磨合金白口铸铁虽有很高的硬度而表现出良好的耐磨性，但其抗冲击韧性和抗拉强度很低，显然不能作为强冲击和剧烈磨损场合的选用材料；两种耐磨合金白口铸铁含贵重元素(Cr、Mo、Ni)总量分别高达17.5％、26％；无疑致使其生产成本剧增；为减少耐磨铸件的重量误差，实现高速旋转破碎和磨损的自身动量平衡，这种耐磨件又必须进行加工前的退火软化热处理，待加工后为提高其综合机械性能又必需进行淬火和回火热处理，这样就进一步增加了这种耐磨零件的生产成本。就用途而言，它只能制作负载不大，低微冲击的耐磨件，因其成本高，所以它必将失去使用价值。高强度(马氏体和奥氏体)不锈钢，虽有较高的抗拉强度，但其硬度和抗冲击韧性仍然较低，也不能满足强冲击和剧烈磨损的场合；又因其贵重金属元素(Cr、Mo、Ni、V及Mn等)之含量总和分别高达22.11％，34.75％；再加上热处理费用，无疑用这两种材料制作中等级的耐磨、耐冲击的锤头等确实不合算。我国对高锰钢制定了GB5680-86之标准，就标准而言并不苛刻，但我国多数企业都不能生产出完全符合标准的高锰钢；还有的企业生产的高锰钢布满了气孔、夹砂甚至裂纹。即使是完全符合要求经水韧处理后金相组织为均匀奥氏体的高锰钢，因其工作表面奥氏体组织只有在足够量的冲击、耐损下方才转变成高硬度的马氏体，达到耐磨的目的。所以在碰撞冲击和磨损较为平缓的工况条件下，高锰钢表现出严重地耐磨性不足；而在大、重、硬物的碰撞性破碎的剧烈冲击和强烈磨损下它却又表现出严重的强度、韧性之不足而经常断裂。采用低合金钢锻件，经调质后有较好的综合机械性能，对工作面表淬后硬度也尚好；但淬硬层深度较浅，被磨损后需重新退火，预热补焊，回火；再重新加工、表淬并整体低温回火，故其费用很高；另其抗冲击韧性也不高；所以它只能适于中等冲击和磨损的工况场合。为满足现实生产中耐磨、耐冲击的技术经济要求，有的厂家引进国外的技术和设备，有的直接购买国外的产品部件。现将国内外技术和设备比较先进的企业，用它们最好的耐磨、耐冲击之材料制造的最能代表材料性能的产品——破碎机锤头的主要情况列表如下目前国内外主要厂家所制造锤头的性能、价格统计一栏表表(2) 从总体情况看来，目前国内采用耐磨、耐冲击材料所制造的破碎机锤头均属于一般轻型锤头，锤头本身重量在8kg～50kg之间；所以仅用于一般小规模生产，所破物料粒度不大且较松软，如孔雀石、石灰石、玻璃等的低微冲击。其使用寿命总体来说一般在1～3个月，由于使用中陆续断裂时常发生，导致不少厂家一个月需停产高达5～6次去更换断裂锤头。北京重型机器厂从丹麦引进技术制造的合金钢锤头，不仅价格高，且综合机械性能并不理想，其使用期根据所破物料不同一般亦只有3～5个月。广西柳州水泥厂在引进丹麦破碎设备的同时先后购买了丹麦、澳大利亚、日本的耐磨耐冲击材料产品——锤头。其价格昂贵6.5万元～12万元(含关税、运费)；其使用期也只不过在8～10个月，周期内碎石产量为90～110万元。其耐磨和抗冲击韧性仍不能完全满足生产要求。经检索中国专利，发现两个专利，其专利号和专利名分别为95118510(一种中锰奥氏体耐磨铸钢)；96119545(一种耐磨铸钢)。现将这两者声称的化学成份、性能数据等分别列表如下表(3)-1 表(3)-2 经反复研读95118510专利技术专利，了解到专利技术者的意图是解决高锰钢在水韧处理后的单一奥氏体组织在非强烈冲击和磨损下其工作表面之奥氏体不能迅速转变成马氏体组织，其表面硬度和耐磨性呈现出欠佳的状态缺陷；专利技术者通过降低高锰钢中的C、Mn之含量以提高Ms、Md转变温度，辅加Cr、Mo以提高渗透性；再加少量稀土元素Re以净化钢水减少钢中的P、S之含量，并增加钢水的流动性提高其铸造性能；使得专利技术者声称的中锰耐磨钢经水韧处理后获得单相不稳定奥氏体组织，在多次非强烈冲击、磨损下因塑变在其表面之不稳定奥氏体诱发大量形变马氏体组织；而形变马氏体之强化远高于高锰钢的堆垛错层和固溶元素交互作用的硬化方式，从而提高在非强冲击磨损状态下的耐磨性，以降低制造成本和使用成本的目的；并声称其两实例比普通高锰钢有提高使用寿命1～1.5倍的效果。经反复研究95118510专利技术专利全文，说明该专利专利技术条件尚不成熟，并缺乏实际使用价值之理由如下(1)该中锰钢中显示材料抗冲击性能的重要数据指标抗拉强度(Бb＝45kg/mm2)和抗冲击韧性(αk＝30～40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度耐磨损耐冲击的合金铸钢，其组配元素重量百分比为： Ｃ：０．８５～１．２５； Ｓｉ：０．４５～０．７５； Ｍｎ：１０～１２．５； Ｃｒ：１～２； Ｍｏ：０．１５～０．４； Ｖ：０．０３５～０．０９５； Ｐ：≤０．０３５； Ｓ：≤０．０３５； Ｆｅ：８２．９３５～８７．５１５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘承刚，
申请(专利权)人：刘承刚，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]