一種高溫耐磨合金鋼及其生產方法
2023-09-21 01:21:40 1
專利名稱：一種高溫耐磨合金鋼及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵基合金及其生產方法，特別是一種高溫耐磨合金鋼及其生產方法。
鋼鐵冶金行業中的軋鋼生產線所使用的軋輥、導衛輪及導衛板運行於十分惡劣的高溫和磨損工況環境中，如高速線材機其軋制速度超過100米/秒，受熱最高工作溫度達1000～1100℃。由於軋輥及導衛輪的磨損失效，造成更換頻繁，因此研究既耐高溫又耐磨損的材料，是軋鋼行業亟待解決的問題之一。目前，在國內由於沒有新型高溫耐磨材料的問世，而常使用純粹的耐高溫合金鋼和單純的耐磨材料。前者雖然具有良好的耐高溫性能，但耐磨性不夠；後者則雖然具有很高的室溫耐磨性能，但隨著工作溫度的提高，其耐磨性又迅速下降，從而導致材料的過早失效。在國際上，工業化國家非常重視鋼鐵材料的研究與開發，日本在1997年啟動的「超級鋼計劃」，就是開發相當於現有鋼鐵材料兩倍強度和壽命的STX-21新型鋼鐵材料和超高純度鐵；但目前，有關高溫耐磨材料的研究報導則很少，對該類材料的研究，往往採用高潔淨度、超微細化的優質合金鋼，通過對耐磨材料的微合金化、熱處理和特殊的表面處理技術來提高耐熱耐磨材料的綜合性能。通常採用的表面處理技術有噴塗、表面熱處理、表面化學處理、氣相沉積、雷射表面處理等，不一而足。總之，國外在軋輥、導衛輪材質的研究、開發與生產方面尚處在方興未艾階段。
本發明的目的，乃是提供一種特別適於用作製造軋輥、導衛輪等的材料的既耐高溫又耐磨損的合金鋼及其生產方法。
本發明的解決方案如下。這種高溫耐磨合金鋼是採用下述組分和重量百分含量的原料通過熔煉和其它工藝流程生產製得的77.5～79％的廢鋼，18.3～20.7％的高碳鉻鐵，0.67～1.0％的鉬鐵，0.33～0.5％的釩鐵，適量的矽、錳脫氧劑，0.05～0.1％的鈦鐵，0.02～0.05％的鋯，0.6～1.2％的鋁和0.12～0.5％的稀土元素，這樣製得的合金鋼含碳1.45～1.70％，含鉻11.0～12.5％，含鉬0.4～0.6％，含釩0.15～0.30％，含鈦0.02～0.05％，含鋯0.02～0.05％，含鋁0.6～1.2％，含稀土元素0.05～0.15％。
本發明高溫耐磨合金鋼的生產工藝方法是(1)熔煉先將按確定含量配製的廢鋼、高碳鉻鐵和鉬鐵裝入中頻爐中進行熔煉，然後在出爐前7～10分鐘在爐中加入確定含量的釩鐵以及適量的矽、錳脫氧劑，最後加入按確定含量配製的鈦鐵、鋯、鋁和稀土元素；(2)退火將熔煉後按工件造型進行砂型澆注所得的合金鋼件分兩次進行退火，第一次是在1050～1150℃進行擴散均勻化退火，保溫6～8小時，然後隨爐冷卻，其目的是消除化學偏析，即是使產品內部化學成分藉助擴散達到一定的均勻化，使奧氏體骨骼最大限度地消除，第二次退火為球化退火，合金鋼件隨爐升溫至850～870℃，保溫2～4小時後隨爐冷卻至720～750℃，再保溫6小時，隨爐冷至500℃出爐，空冷至室溫；(3)淬火將退火處理所得的合金鋼件經粗機加工後進行淬火處理，淬火溫度取980～1020℃，保溫時間視裝爐量及工件而定，小型工件採用空冷，大型工件可採用強制冷卻；(4)回火將經淬火處理後的合金鋼件進行兩次以上的回火處理，以消除淬火應力，溫度選擇在180～250℃之間，避開回火脆性區間，使處理後的產品綜合性能較好，硬度在HRC58～62之間。
本發明生產的合金鋼是在耐磨性能優異、淬火變形小、淬透性好的Cr12MOV模具鋼的原型上，針對軋輥、導衛輪等的特殊要求，採用多元合金化途徑，適量添加鈦、鋯、鋁和稀土元素等微量合金元素，提高其熱穩定性和耐磨性能。該合金鋼所含合金元素的作用分別是鉻鉻在合金鋼中提高淬硬性和淬透性，該合金鋼含有大約12％Cr，含C約1.45～1.70％，按成分屬於萊氏體鋼，鋼中存在大量的M7Ca型碳化物，其耐磨性較M3C和M6C型碳化物量多，雖然對耐磨性能改善有好處，但由於碳化物分布不均勻性大，強度和韌性會略有降低，因此該合金鋼中含鉻量不應超過1 2.5％，碳含量以1.45～1.70％為宜，碳含量偏低，則硬度和耐磨性會降低。
鉬鉬在鋼中含量為0.4～0.6％，鉬可以細化碳化物，阻止晶體長大，能有效提高鋼的淬透性。
釩釩在鋼中含有0.1～0.2％時，可生成VC，在熱處理時，VC溶解很少，故釩比其它元素更能有效地阻止奧氏體晶粒長大，降低過熱敏感性，同時，還可增加其耐磨性，提高紅硬性，增加熱穩定性。
鈦在合金鋼中加入少量鈦(0.06～0.12％)可以細化晶粒，提高韌性並減少冷脆傾向，加熱時能阻止晶粒長大，同時鈦是碳化物形成元素，對提高硬度有良好作用，一般添加量以不大於0.05％為宜。
鋯鋯加入合金鋼中可細化晶粒，其作用與鈦相同。
鋁鋁元素在合金鋼中主要是改善耐磨鋼的高溫抗氧化能力，提高合金鋼的熱穩定性。鋁在鋼中是生成氮化物的元素，能提高合金鋼的紅硬性；鋁也是提高鋼的抗氧化性能有效的合金元素，通常是與Cr同時加入鋼中，在鋼表面形成一層穩定的氧化膜，其抗氧化性能更佳，因而可改善合金鋼的熱穩定性。鋁的添加量一般在0.6～1.0％的範圍。
稀土元素稀土元素具有強烈的脫氧能力，對氧的親和力也很大，同時有很強的去硫能力，還能改善非金屬夾雜物的形狀，使之球化，加入極少量的稀土金屬如鈰(Ce)、鑭(La)等於耐熱鋼中，可顯著提高其抗氧化性能。稀土元素的這些作用，可使合金鋼熔體得以淨化，改善鋼的韌性和力學性能，降低脆性轉變溫度。稀土元素的添加量一般小於0.2％。
總之，本發明通過多元少量合金化、熔體淨化、熱處理強化和組織細化，可顯著改善合金鋼的熱穩定性和耐磨性能，並使晶粒細化，晶粒度達9.5～10.5級，碳化物細小且分布均勻。本發明高溫耐磨合金鋼具有優良的綜合性能，其硬度為62.5HRC，抗拉強度σb為1962MPa，衝擊韌性ak為2.419J/cm2，在1000℃時，熱蝕失重速率為0.245g/m2.h，摩擦磨損失重在75N負荷下為30mg，表明該合金鋼在具有優異耐磨性能和耐高溫性能的同時，兼有良好的強度和韌性，因此它不失為高溫耐磨導衛輪和軋輥等的理想材料實施例將234.5kg廢鋼、60kg高碳鉻鐵和3kg鉬鐵裝入中頻爐中進行熔煉，然後在出爐前8分鐘在爐中加入1.5kg釩鐵以及適量的錳脫氧劑，最後加入0.3kg鈦鐵、0.3kg鋯、3kg鋁、0.75kg鈰和鑭；將熔煉後按導衛輪工件造型進行砂型澆注所得的導衛輪合金鋼件分兩次進行退火，第一次是在1100℃進行擴散均勻退火，保溫7小時，然後隨爐冷卻，第二次是球化退火，導衛輪合金鋼件隨爐升溫至860℃，保溫3小時後隨爐冷卻至730℃，再保溫6小時，隨爐冷至500℃出爐，空冷至室溫；淨退火處理所得的導衛輪合金鋼件經粗加工後進行淬火處理，淬火溫度取1000℃，保溫時間為0.5～1小時，空冷至室溫；將經淬火處理後的導衛輪合金鋼件進行兩次回火處理，溫度選為220℃；最後，通過精加工將導衛輪加工至符合圖紙要求。
權利要求
1.一種高溫耐磨合金鋼，其特徵在於，它是採用下述組分和重量百分含量的原料通過熔煉和其它工藝流程生產製得的77.5～79％的廢鋼，18.3～207％的高碳鉻鐵，0.67～1.0％的鉬鐵，0.33～0.5％的釩鐵，適量的矽、錳脫氧劑，0.05～0.1％的鈦鐵，0.02～0.05％的鋯，0.6～1.2％的鋁和0.12～0.5％的稀土元素，這樣製得的合金鋼含碳1.45～1.70％，含鉻11.0～12.5％，含鉬0.4～0.6％，含釩0.15～0.30％，含鈦0.02～0.05％，含鋯0.02～0.05％，含鋁0.6～1.2％，含稀土元素0.05～0.15％
2.一種根據權利要求1所述的高溫耐磨合金鋼的生產方法，其特徵在於(1)熔煉先將按確定含量配製的廢鋼、高碳鉻鐵和鉬鐵裝入中頻爐中進行熔煉，然後在出爐前7～10分鐘在爐中加入確定含量的釩鐵以及適量的矽、錳脫氧劑，最後加入按確定含量配製的鈦鐵、鋯、鋁和稀土元素；(2)退火將熔煉後按工件造型進行砂型澆注所得的合金鋼件分兩次進行退火，第一次是在1050～1150℃進行擴散均勻化退火，保溫6～8小時，然後隨爐冷卻，第二次退火為球化退火，合金鋼件隨爐升溫至850～870℃，保溫2～4小時後隨爐冷卻至720～750℃，再保溫6小時，隨爐冷至500℃出爐，空冷至室溫；(3)淬火將退火處理所得的合金鋼件經粗機加工後進行淬火處理，淬火溫度取980～1020℃，保溫時間視裝爐量及工件而定，小型工件採用空冷，大型工件可採用強制冷卻；(4)回火將經淬火處理後的合金鋼件進行兩次以上的回火處理，溫度選擇在180～250℃之間。
3.根據權利要求1所述的高溫耐磨合金鋼，其特徵在於，稀土元素選用鈰、鑭。
全文摘要
本發明高溫耐磨合金鋼由按比例配製的廢鋼、高碳鉻鐵、鉬鐵、釩鐵、鈦鐵、鋯、鋁、稀土元素和適量的矽、錳脫氧劑經熔煉、擴散均勻化退火與球化退火、淬火、兩次以上的回火等工藝流程生產而成。本發明通過多元少量合金化、熔體淨化、熱處理強化和組織細化,可顯著改變合金鋼的熱穩定性和耐磨性能,並使晶體細化、碳化物細小且分布均勻,同時還在硬度、抗拉強度、衝擊韌性、熱蝕失重速率、摩擦磨損失重等方面具有優良的綜合性能,因此它是鋼鐵冶金行業中製造高溫耐磨導衛輪和軋輥等的理想材料。
文檔編號C22C38/28GK1335417SQ0011355
公開日2002年2月13日 申請日期2000年7月21日 優先權日2000年7月21日
發明者陳曉青, 甘衛平, 周建明, 黃可龍, 陳為哲, 湛巍 申請人:湖南省高程科技有限公司