CN102925819A - 高韧性耐磨复相钢截齿及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高韧性耐磨复相钢截齿及制造工艺，其组成质量百分比为：C 0.30～0.55，Mn 1.5～2.5，Si 0.5～2.0，Cr 1.0～2.0，Ni 0.1～0.25，V 0.05～0.15，Ti 0.05～0.1，Al 0.05～0.1，B 0.003～0.007，RE：0.02～0.07，S≤0.02，P≤0.04，其余为Fe。通过对合金元素的合理设计，对熔炼、淬火、回火温度等工艺参数控制，获得一种具有高淬透性的制造厚壁件截齿材料。制备的挖泥船绞刀齿和矿山机械电铲斗齿等具有优异的强韧性和耐磨性能，使用寿命比42CrMoA钢提高了1.5倍以上。

Description

高韧性耐磨复相钢截齿及制造工艺

技术领域：

本发明涉及耐磨低合金钢领域，尤其是高韧性耐磨复相钢截齿及其制造工艺，适用于中、高冲击载荷作用下，绞吸式、耙吸式等挖泥船的绞刀齿、耙头、齿座和矿山机械中的电铲斗齿、铲刃板、破碎机齿板等制造。

背景技术：

我国已有数百条大型挖沙船用于沿海、江、湖泊的吹填造陆、采沙、清淤疏浚等，挖沙船刀齿受复杂的环境(如海水腐蚀与粗沙、砾石、珊瑚礁等的复杂土质)并承受周期性的拉应力、压应力和冲击载荷作用。矿山斗齿装在挖掘机械和电铲铲斗前端，系悬臂梁构件，直接与矿石、砂土等物料接触，既承受冲击作用，又承受弯曲作用。在服役过程中，挖沙船绞刀齿和矿山斗齿的主要失效形式为刀体磨损、折断及刀齿脱落。由于齿体材料的使用寿命短，工作中刀齿的频繁更换降低了作业效率，同时也增加了工人的劳动强度，造成的经济损失不可估量。因此开发低成本、高性能、长寿命的耐磨钢齿体材料已引起广泛关注，对于装备的安全、稳定和可靠运行也有着十分重要的意义。

目前使用的耐磨齿体材料主要为高锰钢和各种低合金钢。高锰钢常温下为奥氏体组织，韧性好且在使用中加工硬化作用强。在强烈冲击载荷及高挤压应力下，高锰钢工件表面可实现α马氏体相变而得到充分强化，但高锰钢起始硬度低(约220HB)，使用时也远未发挥其性能潜力，故耐磨性能较差。低合金钢经过热处理后，可获得高强度、高硬度与一定的韧性配合，具有优良的耐磨性能，正逐步取代传统的高锰钢而成为广泛使用的一种耐磨材料。其中中国发明专利CN101906588A、CN1477225A、CN1042950A等涉及到中高碳锰系空冷贝氏体钢，以Mn、Cr、Si为主要合金元素，经过空冷、雾化水冷条件下得到均匀复相贝氏体/马氏体组织，具有高强度和高硬度组织。国内外常用的截齿材料为35CrMnNi、42CrMoA和55SiMnMo等，使用中易出现折弯、脆断、磨损快等缺点。康沫狂等通过多年的研究提出了Si-Mn-Mo系中碳贝氏体钢，其组织为贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的准贝氏体钢，具有良好的强韧性和耐磨性，但该贝氏体钢中贵重元素Mo的含量通常在0.5％以上，加大了合金钢的成本。

传统的贝氏体钢存在如下问题：以C、Si、Mn和Cr为主要元素，经空冷生成贝氏体等组织结构，还不能很好满足齿体在使用中承受较大的冲击载荷和磨损性能要求；由于齿体的结构厚度大于60mm以上，芯部难以淬透，存在大量的铁素体和珠光体组织，严重降低了齿体材料的韧性和耐磨性能。

发明主要内容：

本发明针对合金钢在截齿应用领域中存在的问题，通过对合金元素的合理设计，对熔炼、淬火、回火温度等工艺参数控制，获得一种具有高淬透性的能够制造厚壁件截齿材料，获得一种强韧性和耐磨性能优异的复相钢。

技术方案：高韧性耐磨复相钢截齿及制造工艺，其化学成分和组成质量百分比为：C 0.30～0.55 Mn 1.5～2.5 Si 0.5～2.0 Cr 1.0～2.0 Ni 0.1～0.25 V0.05～0.15 Ti 0.05～0.1 Al 0.05～0.1 B 0.003～0.007 Re：0.02～0.07 S≤0.02P≤0.04，其余为Fe。上述RE是Ce和La，其中Ce≤0.06 La≤0.04。

制造本发明的高韧性耐磨复相钢，其制造工艺如下：

(1)熔炼：在500Kg中频感应电炉加入20-40mm废钢板，以尽快形成熔池；大块钢板沿炉壁四周加入，FeCr、NiFe、MnFe直接加到熔化的钢液中，待钢水熔清后加入FeSi；搅动钢液，待炉前成分调整合格后，温度升至1600～1630℃；加入硅钙合金、铝棒进行脱氧；将FeV分断成10～20mm左右小块加入。

(2)浇注：钢液出炉温度约为1530～1550℃；将RESiFe、TiFe和BFe分断成10mm左右的小块并烘烤至300℃，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合处理。钢液出完炉后立即搅拌，快速扒净熔渣，然后用珍珠岩覆盖表面。钢水镇静2～3分钟后，以1480℃～1500℃将熔化钢水浇注到抽真空状态下EPS截齿模具中，并充满EPS模具热解消失后的空间而获得截齿浇铸件，浇注后维持负压真空度为0.04MPa，并保持8～12min。

(3)热处理：以消失模工艺生产出截齿坯件，经过去除冒口和清理后，按不高于80℃/h在电炉中升至900～950℃，保温4h，炉冷至室温；按不高于100℃/h升至850～900℃，保温2h，截齿出炉后直接喷水或在50～70℃水中，淬火至200～250℃以下；在电炉中升温至250～300℃进行低温回火处理，保温4h，出炉空冷。

在高韧性耐磨复相钢截齿的成分设计中：

Si在贝氏体转变过程中具有强烈抑制碳化物析出特点，并稳定和细化奥氏体，增加C、Mn的偏聚，使贝氏体的形核与长大均受限制，因此Si除了提高贝氏体钢的屈服强度、耐磨性和淬透性之外，还能保持高的冲击韧性和断裂韧性。在本发明中Si的加入量达到了0.9～2.0％。

Mn、Cr、Ni和B均为强增加淬透性元素，可充分提高厚件复相钢截齿淬透性及抗冲击韧性，同时Cr、Mn、Ni对贝氏体转变有较大的推迟作用，降低贝氏体转变温度。Mn对钢的硬度和冲击韧性影响程度最大，但Mn本身固溶强化作用不大，其固溶强化系数仅为24.5MPa，Mn对钢的强化作用是通过提高淬透性，从而提高合金钢中贝/马氏体含量和降低钢的相变点而使组织细化。当Mn含量过高时，组织大部分为板条马氏体，导致韧性恶化。在本发明中Mn的加入量为1.5～2.5％。Ni和C不形成碳化物，是形成和稳定奥氏体组织。Ni延缓奥氏体分解转变，对提高淬透性作用很大。另Ni在提高钢强度同时，还改善其韧性。在本发明中Ni的加入量为0.1～0.25％。B是表面活性元素，主要存在于奥氏体晶界缺陷处，可细化晶粒结构。微量B可极大提高钢的淬透性，每0.001％B相当于0.3％Mo。

微合金元素V、Ti、B在钢中主要是以其碳、氮化物形式存在于基体和晶界上，起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用。加入微量Ti即可有效抑制钢中奥氏体晶粒长大，尤其是对高温区奥氏体晶粒长大的抑制作用更为明显。V、Ti、B在晶体结构中形成弥散分布的第二相硬质点，减少碳化物的析出，提高在强烈冲击工况下的耐磨性能、屈服强度和韧性。

具体实施方式：

本发明中设计了3种典型的合金元素成分，但可扩展到在本发明中所披露的新组合、新特征和新工艺。用本发明制造的耐磨钢截齿的成分、机械性能和摩擦磨损性能对比分别见表1～3。三种典型配比的实施铸钢经热处理后，具备了高强度、高硬度和优异的抗冲击韧性。与ZGMn13、35SiMn和42CrMoA三种合金钢对比，在磨粒磨损工况下，耐磨性能提高了1倍以上。在干摩擦磨损工况下，耐磨性能提高了3倍以上。刀齿经矿山开采、挖泥船等使用证明，寿命比42CrMoA钢提高了1.5倍以上，并未出现刀齿折断现象。

表1  合金元素成分

表2  机械性能

本表数据的洛氏硬度、冲击功、拉伸强度等分别按GB/T230.1-2004、GB/T229-2007、GB/T228-2002的试验方法进行

表3  摩擦磨损性能

本表数据采用M2000摩擦磨损试验机进行试验，试验条件为：载荷200N，转数200转/分钟，磨损试验时间2h，磨料选用新石英砂，粒径200～300目，摩擦副为45钢环，直径40mm。

Claims (3)

1.高韧性耐磨复相钢截齿及制造工艺，其特征是除了C、Si、Mn、Cr化学成分之外，同时加入Ni、V、B、稀土等微合金元素，其加入的质量百分比为：C 0.30～0.55Mn 1.5～2.5 Si 0.5～2.0 Cr 1.0～2.0 Ni 0.1～0.25 V 0.05～0.15 Ti 0.05～0.1Al 0.05～0.1 B 0.003～0.007 RE：0.02～0.07 S≤0.02 P≤0.04，其余为Fe。所述的RE是Ce和La，其中Ce≤0.06 La≤0.04

2.根据权利1所述的复相钢截齿的成型工艺包括以下特征：

在中频感应电炉中分步加入废钢板、FeCr、NiFe、MnFe、SiFe等快速熔化，温度升至1600～1630℃，加入硅钙合金、铝棒脱氧后，将FeV分断成10～20mm左右小块加入。

将RESiFe、TiFe和BFe分断成10mm左右的小块并烘烤至300℃，置入浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合处理。

钢水镇静2～3分钟后，以1480℃～1500℃将熔化钢水浇注到抽真空状态下EPS截齿模具中，并充满EPS模具热解消失后的空间而获得截齿浇铸件，浇注后维持负压真空度为0.04MPa。

3.根据权利1所述的复相钢截齿热处理方法特征：按不高于80℃/h在电炉中升至900～950℃进行退火，保温3-5小时，炉冷至室温；再按不高于100℃/h升至850～900℃进行奥氏体化，保温1-3小时；空冷至200～250℃以下，在250～300℃电炉中进行低温回火处理，保温3-5小时，出炉空冷。