一種含N、Al高強低合金耐磨鋼的製作方法

2023-05-15 07:07:50

本發明屬於合金鋼技術領域，涉及一種新型高強度、高硬度、高耐磨性的經濟型含N、Al的低合金耐磨鋼及製備方法相關領域。

背景技術：

我國是鋼鐵生產大國，隨著經濟技術的發展以及礦物資源的日益匱乏，現有的耐磨鋼種在價格和資源方面已經無法滿足多元化生產的需求。開發高性能經濟型耐磨鋼已成為當務之急。在眾多耐磨鋼種類中，低合金高強度耐磨鋼具有硬度高（≥360HB）、加工性能好、生產工藝簡單、經濟等特點，在電力、礦山、建材和機械等領域具有無法替代的作用。多年來，以瑞典、德國、日本為代表的世界主要耐磨鋼生產廠商相繼研發了不同超高強耐磨鋼系列，他們採用添加少量多種合金元素，並通過嚴格控制冶煉、軋制及熱處理生產工藝獲得了性能穩定適合不同場合需求的超高強度耐磨鋼種。我國近年來在報導的文獻以及公開的專利中主要添加Mo、Nb、V、Ti 等元素在鋼中提高耐磨性。李衛申請的專利「高硬韌低合金耐磨鋼及其應用」，專利號為L200910037500.1，利用加入Nb、B、RE元素，提高了高硬低合金耐磨鋼的淬透性、韌性、加工硬化程度以及耐磨性能，但明顯增加了鋼的成本。胡筱旋在2014年10期《鋼鐵》發表「釩，氮含量對耐磨鋼NM400組織及性能的影響」一文，指出添加質量分數0.089%V、0.029%N鋼板-20℃衝擊功提高至42 J，且細化了馬氏體板條束，但硬度沒有變化。目前較多專利中，Al通常作為脫氧劑加入鋼液之中，在一些專利中（一種超高強度耐磨鋼及其生產方法，公開號CN101250673A）、（一種調質型耐磨鋼及其熱處理方法，公開號CN101451218A）也涉及實驗鋼中含有Al元素，此類專利中Al在鋼液脫氧之後組織中形成了Al氧化物，當鋼液中的氧含量降低至一定程度後，在鋼液中N含量較高條件下也可能形成些許AlN，並且對AlN相與耐磨性之間的研發不多。此類專利與此發明專利有目的在鋼中添加Al與N形成AlN化合物以改善其耐磨性能，並在Al、N成分、AlN生成含量精確調控，以及分析了所加入合金元素的作用，AlN對奧氏體晶粒尺寸的影響，通過綜合成分設計匹配適宜熱處理工藝獲得了優質的耐磨鋼。此發明專利在成分設計、性能和組織調控的根本目的及實驗方法上與目前並存專利存在顯著的差異。

本發明涉及的含N、Al高強低合金耐磨鋼中，析出的AlN增強相具有高的熱分解溫度、高的熱導率和低的熱膨脹係數，因此材料的綜合性能優異，可廣泛用作高性能結構件。目前，研究增強相AlN主要用於基體以鋁合金、鎂合金，及少量的鈦合金和矽鐵/鉬鐵合金，而在鋼基耐磨材料領域（特別增強相AlN對耐磨性的影響）迄今無人問津。因此，為優化現有耐磨材料體系，本發明通過首次在鋼基耐磨材料中添加廉價元素N、Al新型增強相的應用基礎研究，以此得出適宜的製備技術和材料配組來提高耐磨件的性能，有效降低了生產成本，這是一個具有重大技術意義和經濟價值的研究開發領域。

技術實現要素：

為了減少成本並進一步提高材料的耐磨性，本發明涉及一種含N、Al高強低合金耐磨鋼。基於N、Al對鋼的強韌化作用以及AlN顆粒進一步彌散強化鋼的原理，通過適宜成分設計，在中碳Mn-Si-Cr低合金鋼中加入些許的N、Al元素生成AlN相及合金碳化物相，藉助熱處理手段控制得到具有高強度、高硬度、高耐磨性的經濟實用型低合金耐磨鋼，從而滿足耐磨構件生產企業需求，為耐磨鋼相關領域提供技術參考。

本發明實現上述目的採取的技術方案如下：

本發明成分設計的主要思路是在確保基體具有足夠強度，一定韌性的前提下，增加顯著提高耐磨性的細小尺度彌散分布的硬質AlN粒子，從而獲得具有高強度、高硬度以及高耐磨性的經濟型含N、Al耐磨鋼。因此，本發明以工業常用的B3鋼為基礎，添加一定含量的N、Al製備出一種高強低合金耐磨鋼，所述鋼的化學成分及其質量百分比為：C：0.4~0.6 %；Mn：1.2~1.8%；Si：0.7~1.0%；Cr：0.5~1.2%；Ni：0.01~0.1%；Cu：0.005~0.015%；B：＜0.0005% ；P＜0.0075%；S＜0.0075%；RE：0.01~0.02%；Al：0.005~0.15%；N：0.005~0.05%；要求：Al/N（原子比）=0.5~4；其餘為Fe及不可避免雜質，質量百分數總計100％。在本發明中，C、Mn、Si元素是獲得適宜強度馬氏體基體、合金碳化物以及殘留奧氏體的必要元素，Mo元素對於細化馬氏體組織，能夠在一定程度上改善耐磨鋼強韌性。Al和N是鋼中生成AlN相的必要元素，N與Al形成增強相AlN。Al在鋼中可改善初生共晶碳化物形態、細化晶粒、提高強度和抗氧化能力，少量Al還能降低韌－脆轉變溫度。Ni對穩定奧氏體、鋼的強韌化及耐蝕性具有積極的作用，N在鋼中可以起到部分代替鎳的作用。在本發明中，N與Al形成增強相AlN。AlN為具有六方晶系纖鋅礦型晶體結構的Ⅲ-Ⅴ族共價鍵化合物，單晶體的密度和導熱率的理論值分別為3260kg/m3和319w/(m·K)，其熔點高，氧化時可生成一種氧化保護膜層，即使在高達1450℃的溫度下其氧化速度也相當低，AlN材料具有良好的熱穩定性。並且AlN是唯一具有優良綜合性能的材料，具有高熱導率和相當低的熱膨脹係數，抗熱衝擊性能也很好，在鋼中以細小的質點存在時起到彌散強化作用。Al細化奧氏體晶粒直接與微細的AlN粒子拖曳奧氏體晶界遷移阻礙奧氏體晶粒長大有關，但這與AlN相的尺寸和含量直接相關，本發明專利中獲得的納米級AlN顆粒在晶粒細化方面起到了積極作用。若鋼中N含量較高，能夠獲得適宜的NB相。

將配好的材料按難燒損至易燒損順序熔化，造渣、澆鑄模型後撒覆蓋劑空冷至室溫，冶煉溫度1400~1700℃，澆鑄溫度1300~1600℃。對鑄坯鍛造成具有規則形狀的棒材或塊材，熱鍛溫度1000~1200℃，終鍛溫度850~1000℃，再數次鐓拔後空冷至室溫。熱處理工藝為：經過球化退火後，淬火溫度760~860℃，油淬至室溫，經150~300℃回火後空冷。淬火要求儘量保持晶粒細小，得到馬氏體及部分殘留化合物；回火目的是穩定鋼的性能，產生沉澱強化。回火後得到的組織為：具有孿晶和位錯亞結構的回火板條馬氏體、殘餘奧氏體、尺寸為0.5~2.5mm的殘留Mn23C6及Cr7C3相、50~250nm的ε相以及200nm左右的AlN。其中，殘餘奧氏體是鋼磨損過程中產生應變硬化的主要原因，微米級碳化物可提高鋼的耐磨性，納米級化合物能起到彌散強化作用。

本發明提供的技術方案的有益效果：（1）本發明公布的一種含N、Al高強低合金耐磨鋼合金度低，加工性能好，具有抗拉強度為1700MPa以上，硬度為HRC58.5（HB620）以上，耐磨性能優異的耐磨鋼材料，可應用於廣泛領域。（2）N、Al高強度低合金耐磨鋼極大程度地節省了稀有金屬資源，經濟效益顯著。（3）本耐磨鋼熱處理工藝過程簡單，性能穩定，便於操作。（4）在中碳Mn-Si-Cr低合金鋼中加入N、Al取得良好的效果，為高強度以及超高強度低合金鋼的進一步研究開闢了新的空間，其意義重大。

附圖說明

圖1是本發明含N、Al高強低合金耐磨鋼不同成分下的單位失重-磨損時間關係曲線，0#為未加N、Al低合金耐磨鋼，1#為Al/N（原子比）=0.5~1.5的低合金耐磨鋼，2#為Al/N（原子比）=1.5~4的低合金耐磨鋼。

圖2是本發明2#高強低合金耐磨鋼的SEM組織形貌。

圖3a為馬氏體板條中尺寸約200nm的六邊形AlN形貌，圖3b為馬氏體板條中尺寸約200nm的六邊形AlN的電子衍射花樣。

具體實施方式

實施例1

本實施例為1#高強低合金鋼的製備方法，其中Al/N（原子比）=0.5~1.5，包括以下步驟：用真空爐將配好的材料按順序熔化，澆鑄後進行鍛造處理。退火室將材料隨爐升溫，以一定速度升溫至750~810℃進行第一平臺保溫，再以一定速度降溫至600~650℃進行第二平臺保溫，隨即爐冷。淬火溫度760~860℃，油淬，回火溫度150~300℃，空冷。耐磨測試採用銷-盤磨損形式，上試樣為被測試樣，下試樣為H13作為對磨材料，試驗力80N，轉速200r/min，周期2.5h(即被測試樣滑移距離為1km)，磨損率和失重比作為摩擦磨損性能指標，磨損率即：（失重質量/試樣密度）/(試驗力·滑移距離)。實驗結果如下：洛氏硬度為58.78，抗拉強度為1812.6 MPa，衝擊韌性為12.45 J·cm2，失重比為0.215308，未添加N、Al同種鋼失重比是該試驗鋼的3.55倍，磨損率為7.48606×10-15，僅為未添加N、Al同種鋼的28%。表明N、Al的加入顯著提高了鋼耐磨性。另外，由圖1可以看出以上合金鋼均有應變硬化傾向。

實施例2

本實施例為2#高強低合金鋼的製備方法，其中Al/N（原子比）=1.5~4，包括以下步驟：用真空爐將配好的材料按順序熔化，澆鑄後進行鍛造處理。退火室將材料隨爐升溫，以一定速度升溫至750~810℃進行第一平臺保溫，再以一定速度降溫至600~650℃進行第二平臺保溫，隨即爐冷。淬火溫度760~860℃，油淬，回火溫度150~300℃，空冷。耐磨測試採用銷-盤磨損形式，上試樣為被測試樣，下試樣為H13作為對磨材料，試驗力80N，轉速200r/min，周期2.5h(即被測試樣滑移距離為1km)，磨損率和失重比作為摩擦磨損性能指標，磨損率即：（失重質量/試樣密度）/(試驗力·滑移距離)。實驗結果如下：洛氏硬度為58.9，抗拉強度為1732.0 MPa，衝擊韌性為13.68 J·cm2，失重比為0.238195，未添加N、Al同種鋼失重比是該試驗鋼的3.21倍，磨損率為8.21051×10-15，僅為未添加N、Al同種鋼的31%。表明N、Al的加入顯著提高了鋼耐磨性。另外，由圖1可以看出以上合金鋼均有應變硬化傾向。

如圖2所示為2#鋼的熱處理組織形貌，結合XRD、EDX、TEM組織分析表明：鋼的組織包括：具有孿晶和位錯亞結構的回火板條馬氏體、殘餘奧氏體、0.5~2.5mm尺寸的殘留Mn23C6及Cr7C3相、50~250nm的ε相以及200nm左右的AlN。其中，殘餘奧氏體能夠在鋼磨損過程中產生應變硬化提高韌性，納米級AlN及微米級合金碳化物能起到彌散強化作用顯著了提高鋼耐磨性。與無N、Al元素同時添加獲得的AlN相鋼相比，N、Al添加獲得AlN相能夠改善鋼耐磨性能主要原因是AlN能細化組織，能夠通過適宜的成分設計獲得細小彌散的合金碳化合物增加其耐磨性。因此AlN相對耐磨鋼性能改善起了關鍵的作用。如圖3a和圖3b所示。