CN112680661B

CN112680661B - 一种合金钢及其制备方法

Info

Publication number: CN112680661B
Application number: CN202011443132.3A
Authority: CN
Inventors: 郑志斌; 黄勇; 龙骏; 邓超; 郑开宏; 王海艳
Original assignee: Xinfeng Wear Resistant Alloy Material Co ltd; Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: Guangzhou Nonferrous Metals Research Institute Xinfeng wear resistant alloy material Co., Ltd; Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-12-08
Also published as: CN112680661A

Abstract

本发明公开了一种合金钢及其制备方法，属于合金钢技术领域。该合金钢的化学成分包括：0.4‑0.48％的C、1.3‑1.6％的Mn、1.8‑2.5％的Cr、1.2‑1.5％的Si、0.08‑0.12％的V、0.2‑0.5％的Cu、0.021‑0.08％的Zr、0.002‑0.004％的B、0.003‑0.011％的N、0.01‑0.03％的稀土Re、≤0.04％的S、≤0.04％的P，余量为铁以及不可避免的杂质。该合金钢具有优良且稳定的抗冲击磨损性能、硬度及韧性较高。其制备方法可按上述化学成分制备即可，制备工艺较为简单，成本较低。

Description

一种合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金钢技术领域，具体而言，涉及一种合金钢及其制备方法。

背景技术

耐磨钢被广泛应用于矿山、水泥、电力、煤矿、海工、石化等关系国家经济命脉的关键行业构件上。经历一百多年的发展，耐磨钢铁材料已经形成了高锰钢、白口铸铁、高铬铸铁、合金钢等几大类体系。

针对矿山湿式半自磨机衬板、海洋疏浚挖泥船铲齿等需求量较大的构件，仅仅具有较好的耐磨性能还不足以满足服役要求。由于工况的特殊性，这些构件往往还遭受到强烈的冲击作用，因此，需要选用兼具较好韧性和硬度的抗冲击磨损材料。

铸铁材料由于韧性较差，易破碎断裂，往往难以胜任该环境；高锰钢作为耐磨领域使用最广泛的钢种之一，一直以来是冲击磨损工况下的重要备选材料。然而，在实际使用过程中发现，对于冲击作用较低的工况（如小尺寸球磨机作业工况），高锰钢的加工硬化效果难以被激发，其初始耐磨性能较差，磨损消耗快；而对于冲击作用较高的工况（如铲齿作业工况或大尺寸球磨机作业工况），高锰钢易变形、硬化后易断裂等缺点明显。因此，一般的高锰钢仅适用于冲击程度适中的磨损工况。

耐磨合金钢是近年来研究者们关注较多的一类钢铁，目前，抗冲击磨损合金钢存在如下共性问题，例如成本高，韧性和硬度不能兼具，性能不稳定等。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合金钢及其制备方法，以克服上述技术问题。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种合金钢，按质量百分比计，其化学成分包括：0.4-0.48%的C、1.3-1.6%的Mn、 1.8-2.5%的Cr、1.2-1.5%的Si、0.08-0.12%的V、0.2-0.5%的Cu、0.021-0.08%的Zr、0.002-0.004%的B、0.003-0.011%的N、0.01-0.03%的稀土Re、≤0.04%的S、≤0.04%的P，余量为铁以及不可避免的杂质。

在可选的实施方式中，合金钢的化学成分包括：0.45-0.48%的C、1.3-1.5%的Mn、1.8-2.2%的Cr、1.3-1.5%的Si、0.1-0.12%的V、0.4-0.5%的Cu、0.05-0.08%的Zr、0.002-0.004%的B、0.005-0.011%的N、0.01-0.03%的稀土Re、≤0.04%的S、≤0.04%的P，余量为铁以及不可避免的杂质。

在可选的实施方式中，稀土Re为钇基稀土。

在可选的实施方式中，Zr与N的质量比不低于7。

在可选的实施方式中，合金钢中含有回火马氏体以及弥散分布的纳米析出锆化物。

在可选的实施方式中，合金钢中含有纳米级ZrN硬质相颗粒。

在可选的实施方式中，合金钢中含有Zr-O-Mn-S复合夹杂物。

在可选的实施方式中，合金钢的硬度≥56HRC。

在可选的实施方式中，合金钢的表面与合金钢的中心的硬度差不超过1HRC。

在可选的实施方式中，合金钢的室温冲击吸收功≥80J/cm²。

第二方面，本申请还提供如前述实施方式任一项的合金钢的制备方法，包括以下步骤：按化学成分制备合金钢。

在可选的实施方式中，制备包括将浇包中含有上述化学成分的钢水进行浇注。

在可选的实施方式中，浇注于1520-1570℃的条件下进行。

在可选的实施方式中，浇注前，用复合变质剂对钢水进行复合变质处理，其中钢水由用于提供化学成分中部分化学成分的铬源、硅源、锰源、氮源、钒源以及铜源熔炼而得。复合变质剂含有用于提供化学成分中Zr、B以及稀土Re的锆铁、硼铁以及稀土化合物。

在可选的实施方式中，复合变质剂中锆铁、硼铁以及稀土化合物的粒径均不高于10mm。

在可选的实施方式中，复合变质剂经150-180℃干燥至少2h而得。

在可选的实施方式中，熔炼的温度为1580-1650℃。

在可选的实施方式中，复合变质处理是在钢水倒入浇包的过程中进行。

在可选的实施方式中，复合变质处理是在钢水倒入浇包的过程中，将复合变质剂分批加入浇包中。

在可选的实施方式中，复合变质剂至少分成三次加入浇包中。

在可选的实施方式中，钢水倒入经预热处理后的浇包中。

在可选的实施方式中，预热处理是于至少600℃的条件下预热至少2h。

在可选的实施方式中，倒入浇包前，还包括对钢水进行脱氧处理。

在可选的实施方式中，倒入浇包前，还包括将脱氧处理后的钢水的温度调节至1570-1590℃。

在可选的实施方式中，倒入浇包后，将倒入浇包中的钢水进行静置处理。

在可选的实施方式中，还包括将浇注所得的铸件进行退火处理。

在可选的实施方式中，退火处理是将铸件以速率≤60℃/h的方式升温至600-650℃，保温3-5h，之后以60-80℃/h的速率升温至950-1050℃，保温5-8h后冷却。可选地，退火处理中的冷却为随炉空冷。

在可选的实施方式中，还包括在退火处理后进行淬火处理。

在可选的实施方式中，淬火处理是将经退火处理后的铸件先以≤60℃/h的方式升温至600-650℃，保温3-5h，之后以80-100℃/h的速率升温至920-980℃，保温3-5h后冷却。可选地，淬火处理中的冷却为油冷。

在可选的实施方式中，还包括在淬火处理后进行回火处理。

在可选的实施方式中，回火处理是将经淬火处理后的铸件以速率≤60℃/h的方式升温至180-250℃，保温5-8h后冷却。可选地，回火处理中的冷却为空冷。

本申请的以下有益效果包括：

本申请相比目前领域常用的耐磨合金钢取消了贵金属元素如Mo和Ni的添加，以加入极微量元素B、Zr、N来替代，保证了合金钢原料成本相对较低。极微量的Zr、B、N元素可对耐磨钢起到复合变质的作用。通过各化学成分相互配合，不仅能有效增强合金钢的耐磨性能，而且还能提升合金钢的硬度和韧性。其制备方法可按上述化学成分制备即可，制备工艺较为简单，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1提供的锆硼氮复合强化抗冲击磨损合金钢的高倍数扫描电镜组织图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的合金钢及其制备方法进行具体说明。

本申请提出一种合金钢，按质量百分比计，其化学成分包括：0.4-0.48%的C、1.3-1.6%的Mn、 1.8-2.5%的Cr、1.2-1.5%的Si、0.08-0.12%的V、0.2-0.5%的Cu、0.021-0.08%的Zr、0.002-0.004%的B、0.003-0.011%的N、0.01-0.03%的稀土Re、≤0.04%的S、≤0.04%的P，余量为铁以及不可避免的杂质。

可参考地，C的质量百分含量可以为0.4%、0.41%、0.42%、0.43%、0.44%、0.45%、0.46%、0.47或0.48%等，也可以为0.4-0.48%范围内的其它任一含量值。

Mn的质量百分含量可以为1.3%、1.4%、1.5%或1.6%等，也可以为1.3-1.6%范围内的其它任一含量值。

Cr的质量百分含量可以为1.8%、1.9%、2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%或2.5%等，也可以为1.8-2.5%范围内的其它任一含量值。

Si的质量百分含量可以为1.2%、1.3%、1.4%或1.5%等，也可以为1.2-1.5%范围内的其它任一含量值。

V的质量百分含量可以为0.08%、0.09%、0.1%、0.11%或0.12%等，也可为0.08-0.12%范围内的其它任一含量值。

Cu的质量百分含量可以为0.2%、0.3%、0.4%或0.5%等，也可以为0.2-0.5%范围内的其它任一含量值。

Zr的质量百分含量可以为0.021%、0.025%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%或0.08%等，也可以为0.021-0.08%范围内的其它任一含量值。

B的质量百分含量可以为0.002%、0.0025%、0.003%、0.0035%或0.004%等，也可以为0.002-0.004%范围内的其它任一含量值。

N的质量百分含量可以为0.003%、0.005%、0.008%、0.01%或0.011%等，也可以为0.003-0.011%范围内的其它任一含量值。

稀土Re的质量百分含量可以为0.01%、0.015%、0.02%、0.025%或0.03%等，也可以为0.01-0.03%范围内的其它任一含量值。

值得说明的是，在具体设置中，可参照上述各化学成分的用量范围自行组合。

在可选的实施方式中，合金钢的化学成分可包括：0.45-0.48%的C、1.3-1.5%的Mn、1.8-2.2%的Cr、1.3-1.5%的Si、0.1-0.12%的V、0.4-0.5%的Cu、0.05-0.08%的Zr、0.002-0.004%的B、0.005-0.011%的N、0.01-0.03%的稀土Re、≤0.04%的S、≤0.04%的P，余量为铁以及不可避免的杂质。

其中，C元素是钢铁中最基本的元素之一，其含量极大地影响钢铁的组织及力学性能，对于抗冲击磨损合金钢来说，需要兼顾硬度及韧性。随着C含量的增多，钢铁的硬度提升，韧性下降。综合考虑，本申请中将C的含量范围控制为0.4-0.48%。

Mn元素是奥氏体稳定元素和强化关键元素之一，也是良好的脱氧剂和脱硫剂，但过多添加会影响焊接性和韧性。本申请为了保证最终合金钢中较低的氧含量和足够的淬透性，将Mn含量控制在1.3-1.6%。

Cr元素是提高钢铁耐磨、耐蚀性能最重要的元素之一，同时能提高钢铁淬透性，也是影响钢铁成本高低的重要元素，适量铬的添加能够在提升钢耐磨性能的同时，不降低其韧性。本申请将Cr含量控制为1.8-2.5%。

Si元素是钢的脱氧元素之一，同时适量添加能够在保证钢韧性无明细恶化的同时增强钢的强度，本申请将其含量控制为1.2-1.5%。

V是强碳化物形成元素，能够显著细化晶粒，但其为高成本元素，本申请将其含量范围控制为0.08-0.12%。

Cu适量加入钢中能够提高钢的耐腐蚀性能，考虑到本申请中的钢可能应用在具有弱腐蚀环境中，故本申请适量加入铜元素并控制其含量范围为0.2-0.5%。

Zr元素是强脱氧元素和亲碳、氮元素，直接加入钢液中只能起到脱氧的效果。将其与其它元素，如N和B等匹配添加，能够在钢中形成复合硬质相，并优化钢中夹杂物尺寸与分布，合理地微量添加即能提高钢的耐磨性能、耐蚀性能及韧性，但过量添加会导致夹杂物增多，影响钢的各种性能。故本申请中将其含量范围控制为0.015-0.08%。

B具有极强的提高钢淬透性的能力，且对钢淬硬性提升有积极作用，但由于易与钢中N等发生反应而难以发挥其作用。本申请通过其与锆、稀土的复合添加，利用锆、稀土的强脱氧效果和锆的亲碳、亲氮性，保证硼元素向钢中的有效固溶，以发挥其重要作用。本申请中将其含量控制为0.002-0.004%。

N为钢的固溶元素之一，扩大奥氏体相区，能与铬、铝、钒，尤其是锆元素生成极稳定的氮化物，从而达到硬化和强化的效果。但是过量的氮会引起钢的脆化。本申请将其含量范围控制为0.003~0.01%。

本申请中的稀土Re指混合稀土。在可选的实施方式中，稀土Re为钇基稀土。稀土元素能起到很好的钢中脱硫、脱氧效果，净化钢质，改变钢中夹杂物的形态和分布。尤其是稀土元素中的Y，能够和Zr共同作用，使钢中夹杂物Y-Zr复合化，这类夹杂物更加均匀弥散，且电导率低，对钢的力学性能和耐腐蚀性能提升有重要作用。本申请中将其含量范围控制为0.01-0.03%。

P、S作为杂质元素严重损害钢的韧塑性，含量均控制在≤0 .04％。

在一些优选的实施方式中，Zr与N的质量比不低于7，可使锆元素能发挥除纳米析出ZrN的关键作用外的其它效果，如夹杂物改性及细化晶粒等。

在可选的实施方式中，合金钢中含有纳米级ZrN硬质相颗粒。

在可选的实施方式中，合金钢中含有Zr-O-Mn-S复合夹杂物。

承上，本申请相比目前领域常用的耐磨合金钢取消了贵金属元素如Mo和Ni的添加，以加入极微量元素B、Zr、N来替代，保证了合金钢原料成本相对较低。极微量的Zr、B、N元素可对耐磨钢起到复合变质的作用。通过各化学成分相互配合，不仅能有效增强合金钢的耐磨性能，而且还能提升合金钢的硬度和韧性。

在可选的实施方式中，合金钢的硬度≥56HRC，如56.5HRC、57.5HRC 或58.4HRC等。

在可选的实施方式中，合金钢的表面与合金钢的中心的硬度差不超过1HRC，如硬度差为0.5HRC、0.8HRC或1HRC等。

在可选的实施方式中，合金钢的室温冲击吸收功（冲击韧性）≥80J/cm²，如81.5J/cm²、85.6J/cm²或91.2J/cm²等。

此外，本申请还提供了上述合金钢的制备方法，例如可包括以下步骤：按化学成分制备合金钢。

在可选的实施方式中，制备包括将浇包中含有上述化学成分的钢水进行浇注以得到铸件。

在可选的实施方式中，浇注可以于1520-1570℃（如1520℃、1530℃、1550℃或1570℃等）的条件下进行。

在可选的实施方式中，浇注前，用复合变质剂对钢水进行复合变质处理。其中钢水由用于提供化学成分中部分化学成分的铬源、硅源、锰源、氮源、钒源以及铜源熔炼而得。复合变质剂含有用于提供化学成分中Zr、B以及稀土Re的锆铁、硼铁以及稀土化合物。

在可选的实施方式中，复合变质剂中锆铁、硼铁以及稀土化合物的粒径均不高于10mm。值得说明的是，该临界粒径值有利于三者的充分混合及分散，粒径大分散混合效果一般，最终易出现锆、稀土的偏聚。

在可选的实施方式中，复合变质剂经150-180℃（如150℃、160℃、170℃或180℃等）干燥至少2h而得。若不干燥或不充分干燥，易造成变质剂偏聚，变质效果不明显且不均匀。干燥温度低会导致干燥效果不佳，温度高则耗费电能，意义不大。

在实际操作中，可用铁皮将含有锆铁、硼铁以及稀土化合物的复合变质剂进行包裹。

在可选的实施方式中，熔炼的温度可以为1580-1650℃，如1580℃、1600℃或1650℃等。可参考地，熔炼可以于中频感应熔炼炉中进行，既便于操作，又降低加工成本。此处“中频”指频率在150-10000Hz范围内的感应炉。

本申请中，复合变质处理是在钢水倒入浇包（以下也称钢包）的过程中进行。

在可选的实施方式中，复合变质处理是在钢水倒入浇包的过程中，将复合变质剂分批加入浇包中。优选地，复合变质剂至少分成三次加入浇包中。

该加入方式保护了锆元素、硼元素顺利进入钢铁内部，减少关键元素烧损，进一步发挥各自作用。具体的，通过锆铁、稀土和硼铁充分混合后在钢水倒入钢包的过程中分多次添加，保证了复合变质剂在钢水中的均匀性，使得变质处理更加充分。而且，三者混合添加，一方面稀土能够充分脱氧，减少锆元素的脱氧消耗，保证锆元素的加入效果；另一方面，锆元素优先与钢水中的氮进行反应，极大降低了硼元素与氮的相互作用几率，使得硼元素能够固溶如入钢中，发挥其强烈的促进淬透性及淬硬性能力。提高钢铁产品性能的稳定性，保证服役寿命。

并且，Zr、N同时加入可在耐磨钢中形成纳米级ZrN硬质相颗粒，一方面有效增强耐磨钢耐磨性能，另一方面起到弥散析出强化作用提升其强韧性；通过控制Zr/N质量比不低于7，在保证足够ZrN析出强化的同时，使额外的Zr元素能参与到夹杂物变质过程中，形成弥散细小分布的低电导率Zr-O-Mn-S（-Y）复合夹杂物，既能作为增强相提高合金钢耐磨性能，又能削减夹杂物对合金钢韧性的恶化。由此得到相比现有技术耐磨钢更高的耐磨性能及抗冲击性能。

在可选的实施方式中，钢水倒入经预热处理后的浇包中。

可参考地，预热处理可以是于至少600℃的条件下预热至少2h。通过预热处理，可防止钢水倒入浇包后局部冷却过快不利于温度控制。

在可选的实施方式中，倒入浇包前，还包括对钢水进行脱氧处理，以去除钢水中的氧。随后，将脱氧处理后的钢水的温度调节至1570-1590℃。

进一步地，还包括将浇注所得的铸件进行退火处理。

在可选的实施方式中，退火处理可以是将铸件以速率≤60℃/h的方式升温至600-650℃，保温3-5h，之后以60-80℃/h的速率升温至950-1050℃，保温5-8h后冷却。可选地，退火处理中的冷却为随炉空冷。

进一步地，在退火处理后进行淬火处理。

进一步地，在淬火处理后进行回火处理。

值得说明的是，通过上述特定的退火-淬火-回火处理，获得了Zr-B-N复合变质的均匀效果，同时保证了基体组织为低应力的回火马氏体及纳米析出ZrN颗粒组织，兼具高硬度及韧性。

承上所述，本申请中的合金钢降低了贵金属元素的添加量，控制合金钢成本；通过锆硼氮复合变质，形成纳米级ZrN增强相，起到合金钢增硬增韧效果；同时由于夹杂物易依托先析出弥散分布锆化物生长，使得夹杂物弥散均匀化，合金钢韧性得到进一步改善；由于存在大量弥散分布的细微颗粒，阻碍合金钢晶粒长大，起到细化晶粒的作用；复合添加稀土、锆、硼可以保护硼元素不被碳化或氮化，使得其能够充分溶入合金钢基体，起到强烈的淬透性及淬硬性效果，保证了合金钢组织与性能的均匀性，进而保障产品的服役稳定性。经过上述设计，显著提高了合金钢抗冲击磨损性能。在保持生产制备成本相当或更低的情况下，本申请合金钢的抗冲击磨损性能较目前常用耐磨钢ZG42Cr2MnSi2MoCe提高30%以上。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例中合金钢的化学成分的质量百分比为：C：0.45%、Mn：1.5%、Cr：2.2%、Si：1.5%、V：0.12%、Cu：0.4%、Zr：0.05%、B：0.004%、N：0.005%、Y：0.03%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为铁和不可避免的杂质。其中Zr/N质量比为10。

其制备方法具体为：

将钢源、铬源、硅源、锰源、氮源、钒源及铜源在中频感应熔炼炉中熔炼，所用熔炼温度为1590℃，经脱氧剂处理并调节炉前成分后得到合格钢水，将熔液温度调节至1570℃；预先将锆铁、硼铁和稀土化合物混合后破碎至粒径10 mm以下，且用铁皮包裹后在180℃烘干4小时，分三批次随1570℃的钢水一同倒入经800℃预热4个小时的钢包，充分静置；待上述钢水降温到1540℃后进行浇注，得到铸件。

将得到的合金钢铸件以60℃/h的速率在热处理炉中升温至650℃，保温4h，之后以80℃/h的速率升温至1050℃，保温6h后随炉冷却至室温；再以60℃/h的速率升温至650℃，保温4h，之后以100℃/h的速率升温至980℃，保温5h后油冷至室温；最后将钢件以60℃/h的速率升温至250℃，保温6h后出炉空冷至室温。

由此得到的锆硼氮复合强化抗冲击磨损合金钢组织如图1所示，由图1可以看出，该合金钢由回火马氏体、锆复合变质夹杂物和纳米级ZrN析出物组成。该合金钢的洛氏硬度为58.4HRC，钢表面与中心硬度差0.5HRC，冲击韧性85.6J/cm²，抗冲击磨损性能较目前常用耐磨钢ZG42Cr2MnSi2MoCe提高52%。

实施例2

本实施例中合金钢的化学成分的质量百分比为：C：0.40%、Mn：1.6%、Cr：2.5%、Si：1.2%、V：0.08%、Cu：0.2%、Zr：0.021%、B：0.003%、N：0.003%、Re：0.03%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为铁和不可避免的杂质。其中Zr/N质量比7。

其制备方法具体为：

将钢源、铬源、硅源、锰源、氮源、钒源及铜源在中频感应熔炼炉中熔炼，所用熔炼温度为1650℃，经脱氧剂处理并调节炉前成分后得到合格钢水，将熔液温度调节至1590℃；预先将锆铁、硼铁和稀土化合物混合后破碎至粒径10 mm以下，且用铁皮包裹后在180℃烘干4小时，分三批次随1590℃的钢水一同倒入经800℃预热4个小时钢包，充分静置；待上述钢水降温到1570℃后进行浇注，得到铸件。

将得到的合金钢铸件以60℃/h的速率在热处理炉中升温至600℃，保温4h，之后以80℃/h的速率升温至950℃，保温6h后随炉冷却至室温；再以60℃/h的速率升温至600℃，保温4h，之后以100℃/h的速率升温至920℃，保温5h后油冷至室温；最后将钢件以60℃/h的速率升温至200℃，保温6h后出炉空冷至室温。

由此得到的锆硼氮复合强化抗冲击磨损合金钢的洛氏硬度为56.5HRC，钢表面与中心硬度差0.8HRC，冲击韧性91.2J/cm²，抗冲击磨损性能较目前常用耐磨钢ZG42Cr2MnSi2MoCe提高30%。

实施例3

本实施例中合金钢的化学成分的质量百分比为：C：0.48%、Mn：1.3%、Cr：1.8%、Si：1.3%、V：0.1%、Cu：0.5%、Zr：0.08%、B：0.002%、N：0.011%、Re：0.03%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为铁和不可避免的杂质。其中Zr/N质量比7.27。

其制备方法具体为：

将钢源、铬源、硅源、锰源、氮源、钒源及铜源在中频感应熔炼炉中熔炼，所用熔炼温度为1600℃，经脱氧剂处理并调节炉前成分后得到合格钢水，将熔液温度调节至1570℃；预先将锆铁、硼铁和稀土化合物混合后破碎至粒径10 mm以下，且用铁皮包裹后在180℃烘干4小时，分三批次随1570℃的钢水一同倒入经800℃预热4个小时的钢包，充分静置；待上述钢水降温到1520℃后进行浇注，得到铸件。

将得到的合金钢铸件以60℃/h的速率在热处理炉中升温至620℃，保温4h，之后以80℃/h的速率升温至1000℃，保温6h后随炉冷却至室温；再以60℃/h的速率升温至620℃，保温4h，之后以100℃/h的速率升温至960℃，保温4h后油冷至室温；最后将钢件以60℃/h的速率升温至180℃，保温5h后出炉空冷至室温。

由此得到的锆硼氮复合强化抗冲击磨损合金钢的洛氏硬度为57.5HRC，钢表面与中心硬度差1.0HRC，冲击韧性81.5J/cm²，抗冲击磨损性能较目前常用耐磨钢ZG42Cr2MnSi2MoCe提高42%。

对比例1

ZG42Cr2MnSi2MoCe耐磨合金钢、其化学成分的质量百分比为：C：0.45、Mn：1.0%、Cr：2.0%、Si：1.8%、Mo：0.8%、Re：0.05%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为铁和不可避免的杂质。

本对比例制备方法具体为：

将钢源、铬源、硅源、锰源、钼源在中频感应熔炼炉中熔炼，所用熔炼温度为1600℃，经脱氧剂处理并调节炉前成分后得到合格钢水，将熔液温度调节至1570℃；将钢水倒入经800℃预热4个小时的钢包，钢包底放置规定成分的稀土化合物，充分静置；待上述钢水降温到1520℃后进行浇注，得到铸件。

由此得到的耐磨合金钢ZG42Cr2MnSi2MoCe洛氏硬度为52.6HRC，钢表面与中心硬度差2.2HRC，冲击韧性33.3J/cm²，抗冲击磨损性能与实施例1-3对比如上述描述，也即实施例1-3中的常用耐磨钢ZG42Cr2MnSi2MoCe为本对比例中的耐磨钢。

对比例2

本对比例中合金钢的化学成分的质量百分比为：C：0.45%、Mn：1.5%、Cr：2.2%、Si：1.5%、V：0.12%、Cu：0.4%、Y：0.03%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为铁和不可避免的杂质。即相对于实施例1来说，对比例2未采用Zr-B-N复合变质。

本对比例制备方法具体为：

将钢源、铬源、硅源、锰源、氮源、钒源及铜源在中频感应熔炼炉中熔炼，所用熔炼温度为1590℃，经脱氧剂处理并调节炉前成分后得到合格钢水，将熔液温度调节至1570℃；将钢水倒入经800℃预热4个小时的钢包，钢包中提前放入钇基稀土，充分静置；待上述钢水降温到1540℃后进行浇注，得到铸件。

由此得到的对比例耐磨合金钢的洛氏硬度为52.3 HRC，钢表面与中心硬度差2.5HRC，冲击韧性20.8 J/cm²，抗冲击磨损性能不如对比例1。

对比例3

本对比例中合金钢的设计化学成分与实施例1一致。

本对比例制备方法具体为：

将钢源、铬源、硅源、锰源、氮源、钒源及铜源在中频感应熔炼炉中熔炼，所用熔炼温度为1590℃，经脱氧剂处理并调节炉前成分后得到合格钢水，将熔液温度调节至1570℃；分别将经破碎至粒径10 mm以下的硼铁和锆铁逐一加入熔炼炉中，静置后将钢水倒入经800℃预热4个小时钢包，钢包中预先放入钇基稀土化合物，充分静置；待上述钢水降温到1540℃后进行浇注，得到铸件。

对比例3合金钢的热处理方法与实施例1保持一致。

由此得到的对比例耐磨合金钢组织中出现了一定量BN，表明硼元素已经被钢水中的氮大量消耗，而且具有显著增强效应的ZrN极少。该合金钢的洛氏硬度为53.5HRC，钢表面与中心硬度差2.2HRC，冲击韧性35.6J/cm²，抗冲击磨损性能较目前常用耐磨钢ZG42Cr2MnSi2MoCe相当。

对比例4

本对比例中合金钢的化学成分的质量百分比为：C：0.45%、Mn：1.5%、Cr：2.2%、Si：1.5%、V：0.12%、Cu：0.4%、Zr：0.05%、B：0.004%、N：0.010%、Y：0.03%、S≤0.04%、P≤0.04%，其余为铁和不可避免的杂质。其中Zr/N质量比为5。

对比例4合金钢的制备方法与实施例1保持一致。

由此得到的对比例合金钢中存在明显的纳米析出ZrN相，且BN相也较为明显，因此合金钢的硬度强化明显，但其韧性较差，而且由于B元素被大量消耗于BN相的生成，其固溶程度不足，淬透性/淬硬性发挥不够，导致合金钢表面与中心硬度差较大，不利于材料的稳定服役。该合金钢的洛氏硬度为59.5HRC，钢表面与中心硬度差2.5HRC，冲击韧性22.5J/cm²，冲击磨损过程中表面易开裂。

综上所述，本申请提供的抗冲击磨损合金钢经中频感应电炉熔炼，通过锆硼氮复合强化工艺铸造，以及退火-淬火-回火热处理工艺获得。其微观组织结构包括回火马氏体以及弥散分布的纳米析出锆化物等。该合金钢引入了Zr-B-N多元强化处理，表现出优良且稳定的抗冲击磨损性能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种合金钢，其特征在于，按质量百分比计，所述合金钢的化学成分为：0.4-0.48%的C、1.3-1.6%的Mn、 1.8-2.5%的Cr、1.2-1.5%的Si、0.08-0.12%的V、0.2-0.5%的Cu、0.021-0.08%的Zr、0.002-0.004%的B、0.003-0.011%的N、0.01-0.03%的稀土Re、≤0.04%的S、≤0.04%的P，余量为铁以及不可避免的杂质；

所述Zr与所述N的质量比不低于7；所述稀土Re为钇基稀土；

所述合金钢经以下方式制得：按所述化学成分制备合金钢；

制备包括将浇包中含有所述化学成分的钢水进行浇注；

浇注前，用复合变质剂对钢水进行复合变质处理，其中，所述钢水由用于提供所述化学成分中部分化学成分的铬源、硅源、锰源、氮源、钒源以及铜源熔炼而得；所述复合变质剂含有用于提供所述化学成分中所述Zr、所述B以及所述稀土Re的锆铁、硼铁以及稀土化合物；

所述复合变质处理是在所述钢水倒入浇包的过程中，将所述复合变质剂至少分成三次加入所述浇包中；

制备还包括将浇注所得的铸件进行退火处理；退火处理是将所述铸件以速率≤60℃/h的方式升温至600-650℃，保温3-5h，之后以60-80℃/h的速率升温至950-1050℃，保温5-8h后冷却；

制备还包括在退火处理后进行淬火处理；淬火处理是将经所述退火处理后的所述铸件先以≤60℃/h的方式升温至600-650℃，保温3-5h，之后以80-100℃/h的速率升温至920-980℃，保温3-5h后冷却；

制备还包括在淬火处理后进行回火处理；回火处理是将经所述淬火处理后的所述铸件以速率≤60℃/h的方式升温至180-250℃，保温5-8h后冷却；

所述复合变质剂中所述锆铁、所述硼铁以及所述稀土化合物的粒径均不高于10mm；所述复合变质剂经150-180℃干燥至少2h而得。

2.根据权利要求1所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢的化学成分为：0.45-0.48%的所述C、1.3-1.5%的所述Mn、 1.8-2.2%的所述Cr、1.3-1.5%的所述Si、0.1-0.12%的所述V、0.4-0.5%的所述Cu、0.05-0.08%的所述Zr、0.002-0.004%的所述B、0.005-0.011%的所述N、0.01-0.03%的所述稀土Re、≤0.04%的所述S、≤0.04%的所述P，余量为铁以及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢中含有回火马氏体以及弥散分布的纳米析出锆化物。

4.根据权利要求3所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢中含有纳米级ZrN硬质相颗粒。

5.根据权利要求3所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢中含有Zr-O-Mn-S复合夹杂物。

6.根据权利要求1或2所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢的硬度≥56HRC；

所述合金钢的表面与所述合金钢的中心的硬度差不超过1HRC；

所述合金钢的室温冲击吸收功≥80J/cm²。

7.如权利要求1-6任一项所述的合金钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按所述化学成分制备合金钢；

制备包括将浇包中含有所述化学成分的钢水进行浇注；

制备还包括在淬火处理后进行回火处理；回火处理是将经所述淬火处理后的所述铸件以速率≤60℃/h的方式升温至180-250℃，保温5-8h后冷却。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，浇注于1520-1570℃的条件下进行。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，熔炼的温度为1580-1650℃。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述钢水倒入经预热处理后的所述浇包中；

预热处理是于至少600℃的条件下预热至少2h；

倒入浇包前，还包括对所述钢水进行脱氧处理；

倒入浇包前，还包括将脱氧处理后的所述钢水的温度调节至1570-1590℃；

倒入浇包后，将倒入所述浇包中的所述钢水进行静置处理。

11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，退火处理中的冷却为随炉空冷；

淬火处理中的冷却为油冷；

回火处理中的冷却为空冷。