CN105018853B - 一种用于湿式磨损的低合金耐磨钢及其热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种用于湿式磨损的低合金耐磨钢及其热处理工艺。元素重量比为：C:0.28‑0.32％、Cr:1.3‑1.7％、Cu:0.3‑0.5％、Mo:0.3‑0.6％、Mn:1.0‑1.5％、Ni:0.7‑1.0％、Si:0.5‑0.8％、Nb:0.04‑0.08％、V:0.06‑0.1％、余量的Fe和不可避免的杂质。退火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，700℃下保温，保温后随炉冷却至250℃，出炉空冷；再进行淬火热处理：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，900℃下保温，后油淬；回火热处理：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，300℃下保温，后出炉空冷。本发明的合金钢不仅具有高强度、高硬度、良好的韧性和优异耐磨性，还具有一定的耐腐蚀性能。本发明的退火热处理工艺，能改善该合金钢的加工性能，以使材料获得符合要求的性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种耐磨钢，具体地说是一种用于湿式磨损的低合金耐磨钢。本发明也涉及一种低合金耐磨钢的热处理工艺方法。
背景技术
湿式低合金耐磨钢可以用于采矿业中常用的湿式球磨机的衬板材料或挖掘机的锯齿材料等。在采矿、电站、港口建设和航道疏浚等湿磨工况领域中，磨损一直都给实际工程应用带来极其巨大的损失。机器中的耐磨部件，除了受到磨损外，还要受到湿式环境下腐蚀作用，在腐蚀磨损交互作用下，磨损量更会提高数倍，大大降低了设备中耐磨材料甚至整台设备的使用寿命，降低生产效率。
目前，在合金耐磨钢方面，主要以C、Mn、Cr等为主要添加元素的高锰钢为主，如公开号为CN 101886225 B的专利文献中公开的“一种耐蚀耐磨钢及其制备方法”等，其钢以C、Mn、Mo和Cr为主要合金元素，锰的百分含量在14％～16％，属于高锰钢。主要制备工序为1590℃浇铸成形，在1050～1080℃奥氏体化后水韧处理，由于Pr、Nd、Gd和Dy等微合金元素的加入，在提高材料的综合力学性能和耐蚀耐磨性的同时也大大提高了生产成本。公开号为CN 103114252 B的专利文件中公开了“一种衬板用低合金耐磨钢的方法”，该方法大大提高了低合金耐磨钢的强度、硬度及冲击性能，同时具有较高的耐磨性，但是熔炼和冶炼工艺工序较多，降低了工业化生产的效率。公开号为CN101397632 B的专利文件中公开了“一种多元素低合金水淬耐磨钢C30CrMn2SiMoTiV”，该材料是一种多元素低合金钢，可用于破碎机锤头、牙板和铲车铲齿等方面。
目前，尽管现有不少耐磨合金钢的性能比较优良，但是其所含有的合金元素如Ni、Cr的含量相对较高，成本较高，增加了资金投入，不利于工程推广和提高企业效益，因此，研制能更好的适应诸多恶劣工况的高性能低成本的新型耐磨合金钢是本领域发展的重要方向，本发明正是针对这一情况研制出的新型低合金耐磨钢及其热处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不仅具有高强度、高硬度、良好的韧性和优异耐磨性，而且还具有一定的耐腐蚀性能的用于湿式磨损的低合金耐磨钢。本发明的目的还在于提供一种可以改善合金钢的加工性能，能使材料获得符合要求的性能指标的用于湿式磨损的低合金耐磨钢的热处理工艺。
本发明的用于湿式磨损的低合金耐磨钢的元素重量比为：C:0.28-0.32％、Cr:1.3-1.7％、Cu:0.3-0.5％、Mo:0.3-0.6％、Mn:1.0-1.5％、Ni:0.7-1.0％、Si:0.5-0.8％、Nb:0.04-0.08％、V:0.06-0.1％、余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明的用于湿式磨损的低合金耐磨钢的优选元素重量比为：C：0.30％、Cr：1.50％、Cu：0.45％、Mo：0.50％、Mn：1.20％、Ni：0.95％、Si：0.70％、Nb：0.04％、V：0.08％、余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明的用于湿式磨损的低合金耐磨钢的热处理工艺为：采用退火工艺对铸态合金钢进行热处理，所述退火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，700℃下保温，保温后随炉冷却至250℃，出炉空冷；对加工后的零件进行淬火热处理，淬火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，900℃下保温，后油淬；最后进行回火热处理，回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，300℃下保温，后出炉空冷。
本发明提供了一种湿式工况下使用的高性能低合金耐磨钢，该合金钢不仅具有高强度、高硬度、良好的韧性和优异耐磨性，还具有一定的耐腐蚀性能。特别添加Nb、V两种元素，针对Nb、V在热处理过程中形成MC型碳化物，可产生弥散强化，大大提高马氏体耐磨钢性能。本发明还提供了一种适合于该合金钢生产的退火热处理工艺，以改善该合金钢的加工性能，随后进行淬火+回火热处理，以使材料获得符合要求的性能指标。
本发明是根据材料的使用工况和性能指标进行的材料设计，并对发明材料进行了实验测试和工艺优化，以获得马氏体组织为目标，具有优良的力学性能。碳含量选在中碳钢范围内，既保证了材料的强度，又兼顾材料的韧性，采用以Mn代Ni，以Cu代Cr的方法来降低材料的生产成本，采用Nb、V复合强化的方式，提高材料强度。
采用本发明优选的化学成分得到的耐磨钢，材料的铸态组织为珠光体和铁素体的混合组织，硬度约为38HRC。经热处理后，所得到耐磨合金钢回火组织主要是回火马氏体，硬度值在51～53HRC，抗拉强度达到1600MPa，冲击韧性为57.4J/cm2，具有良好的综合力学性能，并有良好的耐磨性和耐蚀性，满足材料在湿式球磨机衬底材料中的使用要求。
附图说明
图1是湿式磨损的低合金耐磨钢的制备及热处理工艺流程图。
图2是湿式磨损的低合金耐磨钢铸件图。
图3是湿式磨损的低合金耐磨钢的铸态组织。
图4是湿式磨损的低合金耐磨钢的退火态组织。
图5是湿式磨损的低合金耐磨钢的回火态组织。
图6是湿式磨损的低合金耐磨钢的磨损图。
图7是载荷为20N时的摩擦系数随时间变化。
图8是载荷为30N时的摩擦系数随时间变化。
图9是载荷为40N时的摩擦系数随时间变化。
图10是不同载荷下的平均摩擦系数。
图11是湿式磨损的低合金耐磨钢和ZGMn13钢的磨损质量损失。
图12是磨损率实验数据表。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
其合金元素重量比为：C:0.28-0.32％，Cr:1.3-1.7％，Cu:0.3-0.5％，Mo:0.3-0.6％，Mn:1.0-1.5％，Ni:0.7-1.0％，Si:0.5-0.8％，Nb:0.04-0.08％,V:0.06-0.1％，余量为Fe。优选地，本发明的合金耐磨钢，其合金元素重量比为：C为0.30％，Cr为1.50％，Cu为0.45％，Mo为0.50％，Mn为1.20％，Ni为0.95％，Si为0.70％，Nb为0.04％,V为0.08％，余量为Fe和不可避免的杂质。
按照上述合金钢成分进行配料，经过熔炼、铸造、退火热处理、机械加工和淬火+回火热处理工序，获得符合本材料使用工况背景的低合金耐磨钢。工艺流程图如图1所示。其制备方法具体按以下步骤实现：1)、按设计耐磨合金钢的优选化学成分选择配料；2)、将配比好的原料进行熔炼、铸造。其中熔炼设备可采用普通中频感应熔炼炉、真空感应熔炼炉或电弧熔炼炉进行熔炼，得到铸件如图2所示；3)、采用退火工艺对铸态合金钢进行热处理，目的是改善材料的机械加工性能。退火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，700℃下保温，保温后随炉冷却至250℃，出炉空冷，并根据零件的尺寸要求进行机械加工；4)、对加工后的合金钢进行淬火热处理，工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，900℃下保温，后油淬；5)、最后对材料进行回火热处理，回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，300℃下保温，后出炉空冷，最终获得符合本发明化学成分的湿磨工况要求下的合金耐磨钢。
选用炉料包括：生铁、废钢、硅铁、锰铁、微碳铬铁、铌铁、钒铁等。具体成分件表1，配料后各炉料构成及重量见表2。
表1炉料化学成分 (wt％)
表2炉料构成及重量 (kg)
(2)采用普通中频感应熔炼方法获得合金耐磨钢，用60kg钢水制成10件梅花试棒，采用SPECTRO-MAXX直读光谱仪对浇注后的梅花试棒进行了成品分析，结果如表3所示。
表3铸件及试棒实际化学成分含量 (wt％)
| C | Cr | Cu | Mo | Mn | Ni | Si | Nb | V |
| 0.305 | 1.504 | 0.45 | 0.479 | 1.111 | 0.944 | 0.695 | 0.045 | 0.092 |
(3)采用退火工艺对铸态合金钢进行热处理，目的是改善材料的机械加工性能。退火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，700℃下保温5h(保温时间根据试样尺寸和加热炉放样方式适当调整)，保温后随炉冷却至250℃，出炉空冷，并根据零件的尺寸要求进行机械加工。
(4)对加工后的合金钢进行淬火热处理，工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，900℃下保温一段时间，具体保温时间根据试样尺寸和加热炉放样方式适当调整，然后油淬。
(5)最后对材料进行回火热处理，回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，300℃下保温2h，后出炉空冷，最终获得符合本发明化学成分的湿磨工况要求下的合金耐磨钢。
对热处理后的力学性能进行分析，洛氏硬度测试选取6-8个点，取其均值；冲击拉伸，采用三拉三冲原则，取平均值。得到材料的铸态硬度为38.3HRC，退火态硬度为29.6HRC，最终回火后的力学性能如下：硬度为51.6HRC，抗拉强度为1600MPa，延伸率为5.2％，冲击韧性为57.4J/cm2。
利用ZEISS200MAT型金相显微镜，观察本发明低合金耐磨钢的铸态、退火态和回火态组织，腐蚀剂选用的是5％的硝酸酒精溶液。图3是低合金耐磨钢铸态下放大500倍的显微照片，从该图可以看出，合金钢的组态组织是珠光体和铁素体的混合组织，微观照片中深色为珠光体，白色块状为铁素体。图4为退火态放大500倍的显微组织，粒状珠光体的组织形貌非常明显，基体上析出了大量粒状碳化物，碳化物分布也很均匀。图5为回火态放大500倍的组织，回火得到的是回火马氏体组织，马氏体的板条和片状形态尚未完全消失。
利用MSE-S微粒冲蚀磨损试验机测定低合金耐磨钢在湿式冲蚀环境下的磨损率，实验条件为：WA#8000粒子，浆体浓度为3wt％，喷射角度为90°，标准磨损力，磨损面积为1mm2，试验温度为25℃，试验湿度为72％RH。磨损率(μm/g)＝磨损深度/粒子量，从而得到耐磨钢的磨损率为1.832μm/g，磨损率很小，说明合金耐磨钢在湿式环境下抗磨损性能优良。磨损率实验数据见图12的表4，相应的磨损率如图6所示。
在乌克兰低温物理研究所生产的YTN-TB100型摩擦磨损试验机上测试本发明低合金耐磨钢和对比材料ZGMn13钢的摩擦磨损性能。摩擦试样为Ф9mm×20mm的圆柱样，试验温度为室温，摩擦速度为0.8m/s，磨损距离为1000m，对磨材料为GCr15轴承钢，加载正压力分别为20N、30N和40N。图7、图8和图9为摩擦速度为0.8m/s，载荷分别为20N、30N和40N时，合金耐磨钢和ZGMn13钢的摩擦系数随磨损时间的变化，图10为剔除磨损前5分钟的摩擦系数以及磨损过程中的坏点，取平均值得到的其不同载荷下的摩擦系数。摩擦系数为摩擦力和正压力的比值，从图7、8和9，可以看出摩擦系数是一个波动值，特别是在前5min时间内，同时可见合金耐磨钢的摩擦系数略大于ZGMn13钢。从图10可以看出，合金耐磨钢和ZGMn13钢的摩擦系数都在0.400～0.600之间，属于正常范围内；合金耐磨钢摩擦系数在0.500～0.600之间，ZGMn13钢摩擦系数相对较小，在0.400～0.500之间。说明摩擦磨损过程中，同等正压力下，合金耐磨钢的摩擦力略大于ZGMn13钢，但在可接受范围内，完全满足工作的要求。图11为最终测得不同载荷下摩擦磨损质量损失，从图中可以看出，三个不同正压力下，合金钢和高锰钢的摩擦磨损失重有所变化，但是本发明低合金耐磨钢的磨损质量损失都是明显低于对比ZGMn13钢的磨损质量损失的，说明同等条件下，低合金耐磨钢的抗磨损性能更好，使用寿命更长。
Claims (3)
1.一种用于湿式磨损的低合金耐磨钢，其特征是经过下述热处理工艺得到的元素重量比为：C:0.28-0.32％、Cr:1.3-1.7％、Cu:0.3-0.5％、Mo:0.3-0.6％、Mn:1.0-1.5％、Ni:0.7-1.0％、Si:0.5-0.8％、Nb:0.04-0.08％、V:0.06-0.1％、余量的Fe和不可避免的杂质的低合金耐磨钢；所述热处理工艺为：采用退火工艺对铸态合金钢进行热处理，所述退火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，700℃下保温，保温后随炉冷却至250℃，出炉空冷；再淬火热处理，淬火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，900℃下保温，后油淬；最后进行回火热处理，回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，300℃下保温，后出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的用于湿式磨损的低合金耐磨钢，其特征是元素重量比为：C：0.30％、Cr：1.50％、Cu：0.45％、Mo：0.50％、Mn：1.20％、Ni：0.95％、Si：0.70％、Nb：0.04％、V：0.08％、余量的Fe和不可避免的杂质。
3.一种权利要求1所述的用于湿式磨损的低合金耐磨钢的热处理工艺，其特征是：采用退火工艺对铸态合金钢进行热处理，所述退火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，700℃下保温，保温后随炉冷却至250℃，出炉空冷；再淬火热处理，淬火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，900℃下保温，后油淬；最后进行回火热处理，回火工艺为：200℃以下装炉，升温速度≤80℃/h，300℃下保温，后出炉空冷。
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