一種襯板用低合金耐磨鋼及其製備方法
2023-06-20 16:23:21
專利名稱：一種襯板用低合金耐磨鋼及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種低合金耐磨鋼，具體的涉及一種襯板用低合金耐磨鋼及其製備方法。
背景技術：
耐磨材料是一類較為特殊的材料，它多用於存在磨損的場合，如礦山機械、工程機械、粉末設備中與土砂、礦石、巖石、水泥等物料相互作用的機械零件；糧油加工、耕作收割等農業機械；水利和火力發電設備中許多機械零部件；人體的牙齒、鞋底、筆尖以及多種生活品等。可以說，耐磨材料在冶金、建材、礦山、港口、石油、電力、煤炭、化工以及軍事等各個工業領域中普遍存在，和每個人的生活息息相關。
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耐磨材料的工作環境非常複雜，有些耐磨材料需要在重載、衝擊、腐蝕、粉塵、蒸汽、渣滓等惡劣工況條件下工作，常常用於礦山、機械、水電、煤炭、港口、冶金等場合，這些環境會造成耐磨材料的巨大損耗和能源浪費，這部分耐磨材料佔具著耐磨材料的主體，包括耐磨鑄鐵和耐磨鑄鋼兩大部分。據統計，75%以上的耐磨工件是在中、低應力衝擊情況下使用的，而低合金耐磨鋼的性能恰恰能滿足這種工況條件，因此，作為耐磨材料，低合金耐磨鋼引起了中外科研人員的廣泛重視。低合金鋼主要含有鉻、鑰、鎳、錳、矽元素，同時添加少量的硼、釩、稀土、鈦等元素細化晶粒，通過調整成分與熱處理工藝.能在較大範圍內控制低合金鋼硬度和韌性的合理匹配，使其滿足不同磨損工況的需要。CN 1033845A公開了一種高強韌性低碳微合金化鑄鋼，它以碳、錳、鈦、鈮等為合金元素，其熱處理採用正火-回火或均勻退火-正火-回火工藝，這種微合金化材料具有較高的韌性和塑性，但是由於含碳量較低，只有0.06 0.18 ( on.%)，其屈服強度< 650Mpa，抗拉強度< 750Mpa，相對而言，硬度和強度較低，耐磨性不足。CN 1618541A公開了一種耐磨的複合襯板材料及其製造方法，這種材料的含碳量在0.6 1.0 ( ω t.%)較高，除了常見的S1、Mn、Cr之外，同時還含有N1、Mo、B、Y、K、Na等多種微量元素，由於K、Na含量較少，並且極易氧化，因此冶煉較為困難。從手冊和相關資料中，可以了解一些常見的低合金耐磨鋼，但這些常見的低合金耐磨鋼應用場合比較有限，不能滿足特定工況的技術要求，新型的低合金耐磨鋼研製，需要充分考慮各種元素的影響，只有這樣，才能充分挖掘材料潛力，獲得優良綜合力學性能的材料。
發明內容
本發明的目的是提供一種硬度高、韌性佳、淬透性好、耐磨性強、綜合性能優良的低合金耐磨鋼。本發明可通過以下技術措施來實現:一種多元素低合金耐磨鋼，包括下述質量百分比的元素:C 0.32-0.38%, Cr 1.5-1.8%, Si 1-1.3%, Mn 1-1.5%, Ni 0.3-0.7%, V0.2-0.4%, Cu 0.2-0.4%, Ti 0.02-0.04%, Y 0.002-0.003%, P 彡 0.035%, S 彡 0.035%，餘量為Fe和不可避免的雜質，以下就本發明中各個元素的作用做進一步的闡述。碳(C):是最重要的固溶強化元素，對鋼的硬度、韌性、耐磨性具有至關重要的影響；含碳量越高，硬度越高，但衝擊韌性越低，使用時候容易斷裂，含碳量越低，則韌性高，硬度低，不利於在耐磨工況下使用，綜合考慮，含碳量控制在0.32-0.38%，屬於中碳鋼範疇，既兼顧了耐磨性，也考慮了衝擊韌性。鉻(Cr):是耐磨材料的基本元素之一，可以固溶強化基體，提高鋼的淬透性、耐磨性和耐腐蝕性，鉻可以使鋼的珠光體轉變和貝氏體轉變分開，能與碳形成多種化合物(Fe, Cr) 3C，提高硬度和強度的同時不降低衝擊韌度，具有較高的回火抵抗能力，含鉻量控制在 1.5-1.8%。矽(Si):是常見的合金元素之一，矽溶於鐵素體之後，具有很強的固溶強化作用，同時顯著提高鋼的強度和硬度，提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈服比，增加鋼的回火穩定性，隨著矽含量的增加，碳化物的析出被抑制或延緩，易於形成貝氏體組織，含矽量控制在1-1.3%。錳(Mn):對鋼的機械性能有著良好的影響，能提高鋼的強度和硬度，同時不降低鋼的塑性和韌性，能溶入鐵素體，從而引起固溶強化，錳可以降低鋼的臨界轉變溫度，從而細化珠光體組織；錳還可以與鋼液中的硫化合，形成MnS，從而消除S在鋼中的有害影響，是很好的脫氧劑和脫硫劑，含錳量控制在1-1.5%。
鎳(Ni):可以增強鋼的淬透性，提高鋼的衝擊韌性尤其是低溫韌性，增加抗腐蝕性能，但鎳是一種貴重金屬，同時鎳元素含量的增加容易引起P、Pb、Sn等有害元素在晶界處的偏聚，綜合考慮，含鎳量控制在0.3-0.7%。釩(V):能細化晶粒，提高鋼的基體強度和衝擊韌性，釩的碳化物VC、V4C3等都具有較高的硬度，可以顯著提高材料的耐磨性能，同時，釩固溶於鋼中能夠明顯提高淬透性，還有一定的沉澱硬化作用，但是過高的釩則強化效果飽和，因此，含釩量控制在0.2-0.4%。銅(Cu):能增加鋼的淬透性，細化基體組織，時效析出的納米級Cu相粒子具有較強的沉澱強化作用，銅能提高電極電位和增強材料的耐腐蝕性能(與磷共存時效果尤其顯著)，這對溼式磨料磨損工況條件下的耐磨件尤為重要，含銅量控制在0.2-0.4%。鈦(Ti):可以細化晶粒，消除顯微裂紋，鈦和氮作用，形成TiN，在加熱過程中，納米級尺寸的TiN粒子可以有效地抑制奧氏體晶粒的長大，鈦含量過少，細化作用不明顯，鈦含量過高，會降低鋼的衝擊韌性，綜合考慮，含鈦量控制在0.02-0.04%。釔(Y):具有很強的固溶強化作用，是一種重稀土元素，能抑制P、Pb等雜質原子在晶界處的偏聚，釔在高溫的鋼液中，與氧和硫反應，生產球狀的Y2O2S, Y2O3等稀土硫氧化物，從而除去鋼液中的氧和硫，因此具有較強的脫氧脫硫能力；此外，釔還可以形成非自發形核中心，從而細化晶粒，增加顯微組織中板條狀馬氏體的比例，提高材料的綜合力學性能和耐磨性，但過多的釔會降低鋼的塑性，因此，本發明中釔的含量控制在0.002-0.003%。硫(S):是鋼中的有害元素，是在煉鋼時由礦石和燃料帶到鋼中的雜質，硫只能溶於高溫的鋼液中，在固態鐵中幾乎不能溶解，以FeS夾雜物的形式存在於固態鋼中的晶界處，容易引起熱加工時的開裂，稱為熱脆，其含量應該嚴格控制在< 0.035%的水平。磷(P):有固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度，但是會急劇降低鋼的衝擊韌性，尤其是低溫韌性，磷會在晶界處積聚，形成嚴重的偏析，造成回火脆性，因此，其含量應該嚴格控制在≤0.035%的水平。所述低合金耐磨鋼的製備過程如下:①將按照上述百分比配料的廢鋼、電解鎳、增碳劑放入中頻熔煉爐中進行熔煉，開始通電時，以50%功率加熱，當電流較為穩定時，以95%功率加熱；②隨著熔煉過程的進行，當爐中的鋼料約有一半熔化時，依次加入鉻鐵、錳鐵和矽鐵當大部分鋼料熔化時，加入1%的造渣劑，待爐料完全熔化後扒渣，然後取鋼液進行化驗，根據化驗結果對鋼液成分進行適當調整；④出鋼溫度控制在1560-1600°C，向爐中加Λ 0.1%的鋁進行脫氧處理，脫氧的同時把釩鐵、銅鐵加入到熔煉爐中，2-3min後準備出鋼；⑤把鈦、釔合金變質劑放在澆包的底部，鋼水衝入澆包時候進行變質處理，細化晶粒；⑥在1480-1520°C進行澆注； 熱處理工藝為900-920°C，保溫2_3h，出爐後油冷淬火，回火溫度200-240°C，回火時間 2-4h。合適的澆注溫度可以控制鋼水的流動性，提高充型能力，避免因溫度過低產生表面皺皮、冷隔或鑄件不完整等鑄造缺陷，因此，澆注溫度控制在1480-1520°C。材料的鑄態是珠光體組織，熱處理後是馬氏體+貝氏體組織，熱處理工藝為900-920°C，保溫2-3h，(根據工件大小不同保溫時間不同，可根據裝爐係數X有效厚度X 1.5min/mm計算)，出爐後油冷淬火，回火溫度200_240°C，回火時間2_4h (根據工件大小不同回火時間不同，可根據裝爐係數X有效厚度X2.0min/mm計算)。本發明的低合金耐磨鋼，除了具有中碳鋼的含碳量之外，由於含有Cr、Mn、S1、V合金元素，因此其硬度高、耐磨性強；由於含有N1、T1、Y合金元素，因此晶粒細密、組織均勻、淬透性好、韌性佳；由於含有銅元素，因此在溼式磨料磨損工況條件下具有較好的耐腐蝕性，綜合力學性能表現優良。經過熱處理後，金相組織為馬氏體+貝氏體，其硬度值在51-56HRC，衝擊韌性值可達40-80J / cm2，抗拉強度為1650_1800MPa。可廣泛用於球磨機的襯板，碾磨機碾底、拋丸機的襯板、混砂機的刮板等多種場合，具有良好的耐磨性能。採用本發明生產的024OOmmx75OOmm溼式球磨機系列襯板，襯板最大厚度160mm，最小厚度120mm，在中州鋁廠的球磨機上進行試用，其耐磨性比原來提高了 2.5倍；生產的400mmX 400mmX IOmm和240mmX240mmX IOmm拋丸機襯板,經在林州重機試用，其更換時間由原來的3個月延長到8個月左右，具有顯著的經濟效益。
圖1:低合金鋼鑄態下放大200倍的顯微組織。圖2:淬火態放大400倍的顯微組織。圖3:高錳鋼ZGMnl3的摩擦磨損形貌。圖4:低合金耐磨鋼的摩擦磨損形貌。
具體實施例方式本發明涉及一種襯板用低合金耐磨鋼，該低合金耐磨鋼的化學成分按質量百分比計為:C 0.32-0.38%, Cr 1.5-1.8%, Si 1-1.3%, Mn 1-1.5%, Ni 0.3-0.7%, V 0.2-0.4%, Cu0.2-0.4%, Ti 0.02-0.04%, Y 0.002-0.003%, P 彡 0.035%, S 彡 0.035%，餘量為 Fe。另外，本發明還提供了一種製備上述襯板用低合金耐磨鋼的方法，該方法包括如下步驟:(1)將按照上述百分比配料的廢鋼、電解鎳、增碳劑放入中頻熔煉爐中進行熔煉，開始通電時，以50%功率加熱，當電流較為穩定時，以95%功率加熱；(2)隨著熔煉過程的進行，當爐中的鋼料約有一半熔化時，依次加入鉻鐵、錳鐵和娃鐵；(3)當大部分鋼料熔化時，加入1%的造渣劑，待爐料完全熔化後扒渣，然後取鋼液進行化驗，根據化驗結果對鋼液成分進行適當調整；(4)出鋼溫度控制在1560_1600°C，向爐中加入0.1%的鋁進行脫氧處理，脫氧的同時把釩鐵、銅鐵加入到熔煉爐中，2-3min後準備出鋼；(5)把鈦、釔合金變質劑放在澆包的底部，鋼水衝入澆包時候進行變質處理，細化晶粒;(6)在 1480_1520°C進行澆注；(7)熱處理工藝為900-920°C，保溫2_3h，出爐後油冷淬火，回火溫度200_240°C，回火時間2-4h。結合以下3個實施例對本發明的襯板用低合金耐磨鋼做進一步的詳細描述。實施例1按照質量百分比取C 0.32%, Cr 1.5%, Si 1%，Mn 1%，Ni 0.3%, V 0.2%, Cu 0.2%,Ti 0.02%, Y 0.002%, P 0.035%，S 0.035%，餘量為Fe。將稱量好的廢鋼、電解鎳、增碳劑放入中頻感應熔煉爐；隨著熔煉過程的進行，依次加入鉻鐵、錳鐵、矽鐵；當大部分鋼料熔化時，加入1%的造渣劑，待爐料完全熔化後扒渣，然後取鋼液進行化驗，根據化驗結果適當調整鋼液成分；出鋼溫度控制在1560°C，向爐中加入0.1%的鋁進行脫氧，同時把釩鐵、銅鐵加入到熔煉爐中，2min後準備出鋼；把鈦、釔合金變質劑放在澆包的底部進行變質處理；澆注溫度1480°C。熱處理工藝為900°C加熱，保溫2h，出爐後油冷淬火，回火溫度210°C，回火時間2h，材料的鑄態組織是珠光體組織，熱處理後的組織是馬氏體+貝氏體組織，其硬度值為51HRC，衝擊韌性值可達80J / cm2，抗拉強度為1650MPa。實施例2按照質量百分比取C 0.35%, Cr 1.7%, Si 1.2%, Mn 1.2%, Ni 0.5%, V 0.3%, Cu0.3%，Ti 0.03%, Y 0.003%, P 0.035%, S 0.035%，餘量為Fe。將稱量好的廢鋼、電解鎳、增
碳劑放入中頻感應熔煉爐；隨著熔煉過程的進行，依次加入鉻鐵、錳鐵、矽鐵；當大部分鋼料熔化時，加入1%的造渣劑，待爐料完全熔化後扒渣，然後取鋼液進行化驗，根據化驗結果適當調整鋼液成分；出鋼溫度控制在1580°C，向爐中加入0.1%的鋁進行脫氧，同時把釩鐵、銅鐵加入到熔煉爐中，2.5min後準備出鋼；把鈦、釔合金變質劑放在澆包的底部進行變質處理；澆注溫度1490°C。熱處理工藝為910°C加熱，保溫2.5h，出爐後油冷淬火，回火溫度220°C，回火時間3h，材料的鑄態組織是珠光體組織，熱處理後的組織是馬氏體+貝氏體組織，其硬度值為53HRC，衝擊韌性值可達55J / cm2，抗拉強度為1750MPa。結合4幅附圖對本實施例的多元素低合金耐磨鋼的組織和摩擦磨損性能做進一步的詳細描述。利用OLYMPUS GX51金相顯微鏡，觀察多元素低合金耐磨鋼的鑄態和淬火態的顯微組織，腐蝕劑使用的是4%的硝酸酒精。圖1是低合金鋼鑄態下放大200倍的顯微組織，從圖中可以看出，低合金鋼的組織為珠光體與鐵素體組織，其中深色片狀為珠光體，白色針狀及塊狀為鐵素體。圖2是淬火態放大400倍的顯微組織，淬火馬氏體的特徵非常明顯，馬氏體的基體上面，分布著點狀的貝氏體組織。利用MMW-1型屏顯式摩擦磨損萬能試驗機測定低合金耐磨鋼的摩擦磨損性能，對比材料是ZGMnl3，在150N的正壓力、轉速300r/min、測試時間1200s的磨損條件下，用Sartorius電子天平稱量兩種材料的磨損失重,表I是稱量結果。從表I可以看出，低合金耐磨鋼的磨損失重是0.002g，高錳鋼的磨損失重是0.006g，低合金耐磨鋼在同等條件下的磨損失重只有高錳鋼的1/3，其相對耐磨性大約是高錳鋼的3倍。利用JSM-5610LV型掃描電鏡對上述工況條件下兩種材料摩擦磨損後的表面形貌進行掃描。圖3是ZGMnl3的摩擦磨損形貌，圖4是低合金耐磨鋼的摩擦磨損形貌。從圖3中可以看出，高錳鋼的表面磨損形貌是很深的犁溝，而圖4低合金耐磨鋼的表面劃痕較淺，說明在同樣磨損條件下，多元素低合金耐磨鋼的抗磨性能更優良。表I
權利要求
1.一種襯板用低合金耐磨鋼，其成分質量百分比如下:碳 0.32-0.38%,鉻 1.5-1.8%,矽 1-1.3%,錳 1-1.5%,鎳 0.3-0.7%,釩 0.2-0.4%,銅0.2-0.4%，鈦 0.02-0.04%，釔 0.002-0.003%，磷彡 0.035%，硫彡 0.035%，餘量為鐵。
2.根據權利要求1所述的襯板用低合金耐磨鋼，其中碳0.32%，鉻1.5%，矽1%，錳1%，鎳0.3%,釩 0.2%,銅 0.2%,鈦 0.02%,釔 0.002%,磷 0.035%,硫 0.035%,餘量為鐵。
3.根據權利要求1所述的襯板用低合金耐磨鋼，其中碳0.35%，鉻1.7%，矽1.2%，錳1.2%,鎳 0.5%,釩 0.3%,銅 0.3%,鈦 0.03%,釔 0.003%,磷 0.035%,硫 0.035%,餘量為鐵。
4.根據權利要求1所述的襯板用低合金耐磨鋼，其中碳0.38%，鉻1.8%，矽1.3%，錳1.5%,鎳 0.7%,釩 0.4%,銅 0.4%,鈦 0.04%,釔 0.003%,磷 0.035%,硫 0.035%,餘量為鐵。
5.一種製備權利要求1至4中任一所述的襯板用低合金耐磨鋼的方法，該方法包括如下步驟: (1)將按照上述百分比配料的廢鋼、電解鎳、增碳劑放入中頻熔煉爐中進行熔煉，開始通電時，以50%功率加熱，當電流較為穩定時，以95%功率加熱； (2)隨著熔煉過程的進行，當爐中的鋼料約有一半熔化時，依次加入鉻鐵、錳鐵和矽鐵； (3)當大部分鋼料熔化時，加入1%的造渣劑，待爐料完全熔化後扒渣，然後取鋼液進行化驗，根據化驗結果對鋼液成分進行適當調整； (4)出鋼溫度控制在1560-1600°C，向爐中加入0.1%的鋁進行脫氧處理，脫氧的同時把釩鐵、銅鐵加入到熔煉爐中，2-3min後準備出鋼； (5)把鈦、釔合金變質劑放在澆包的底部，鋼水衝入澆包時候進行變質處理，細化晶粒; (6)在1480-1520°C進行澆注； (7)熱處理工藝為900-920°C，保溫2-3h，出爐後油冷淬火，回火溫度200_240°C，回火時間2-4h。
全文摘要
本發明涉及一種襯板用低合金耐磨鋼及其製備方法，該低合金耐磨鋼的化學成分按質量百分比計為C 0.32-0.38%，Cr 1.5-1.8%，Si 1-1.3%，Mn 1-1.5%，Ni 0.3-0.7%，V 0.2-0.4%，Cu 0.2-0.4%，Ti 0.02-0.04%，Y 0.002-0.003%，P≤0.035%，S≤0.035%，餘量為Fe和不可避免的雜質。本發明提供的低合金耐磨鋼硬度高、耐磨性強；由於含有Ni、Ti、Y合金元素，因此晶粒細密、組織均勻、淬透性好、韌性佳；由於含有銅元素，因此在溼式磨料磨損工況條件下具有較好的耐腐蝕性，綜合力學性能表現優良。
文檔編號C22C38/50GK103114252SQ20131006613
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者徐冬霞, 楊莉, 王東斌, 牛濟泰, 胡佰林, 鄭喜平, 曹建彬, 崔秀芳, 趙利欣 申請人:河南理工大學