CN112853201A - 一种超高强高硬耐磨抗冲击耐蚀的合金钢及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高强高硬耐磨抗冲击耐蚀的合金钢及制造工艺。主要用于制造世界一流水平的时速80KM/h高速野战重型坦克履带传动齿轮、承重滚轮、盾构机装备的关键部件环形滚刀和滚压破碎的核心件辊轴或辊套及重载高强挤压、强磨损、强冲击等属世界各国都没有完全解决而又急需的高难装备件；本发明的主要性能：Бb＝2320‑2600N/mm²，HRC＝57.6‑60，αku＝30‑40J/cm²；任一截面内外组织和性能相同，金相组织为韧性马氏体，晶粒(8‑10)级；较德国同用途产品，强度提高了17.42％，硬度提高了3.16％，韧性提高了215％；较美国同类产品强度提高11.3％，硬度提高了5％，韧性提高了94.4％。

Description

一种超高强高硬耐磨抗冲击耐蚀的合金钢及制造工艺

技术领域

本发明属金属材料特殊合金钢领域，更具体涉及一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀特殊合金钢，同时还涉及一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀特殊合金钢的制造工艺，主要用于制造设备工温在280℃和-50℃之间，在强烈的动态重载下要求其强度超高、韧性好、耐冲击、无断裂、耐磨、使用寿命长的高速重载坦克履带传动齿轮、承重滚轮及大型盾构机刀盘上固锁的环形滚刀以及滚压破碎的耐磨辊套等。

技术背景

在现有技术领域中，国外野战坦克行驶速度已由(50-60)公里/时，发展到70公里/时(德国豹式-2A6和美国M1A1即是实例)，而且正向时速80公里挺进，坦克的提速，并以高速持续行驶时，履带和传动齿轮、承重滚轮的摩擦热其温升就可能达150℃-230℃；这样就会使得制造齿轮或滚轮应用最多的42CrMo或40Cr1Ni2Mo(本体调质：Бb＝980N/mm²，αku＝98J/cm²)在表面中频淬火后于200℃回火所获硬度(HRC＝54)产生过热失效降硬的效应；这两材质中的碳元素和合金元素(Cr、Mo)结合之最多为碳含总量的15％，而85％的碳和高温中的Fe结合，开成Fe3C；而淬火加回火后的马氏体应为：含碳0.35％的中碳马氏体，其内含有质点状的Cr₂₃C₆、(Fe·Cr)₃C以及Mo₂C和(Fe·Mo)₂₃C₆这种马氏体实属硬脆无韧的马氏体，若遇碰击随即会破损、脱落……；显然这两种材料仅适合制造调质轴件；而根本无法达到用于制造重载强挤压、强磨损和强冲击下且要求超高强(Бb＝2300N/mm²)、高硬(HRC≥57)耐磨、耐冲击的坦克外传动齿轮……。

中国很多隧道采用引进德国海瑞克或维尔特公司的盾构装备和技术至今已有十年了，但在某些特硬岩或地况岩硬变化复杂隧道的挖掘中，即使是由德国进口的盾构环形刀圈仍表现出缺乏对中国部份隧道掘进的适应性，如秦岭某隧道在掘进不足8000米，更换20英寸刀片1930件(附：每套161kg/套，进口价7万元/套；仅环形刀圈约：4.5万元/件；另18寸：157kg/套，进口价5.4万元/套，而纯刀圈价：3.6万元/件)。至于中国国内众多民企，多采用H13钢或65Nb钢或W18Cr4V3或55Si2Mn·B弹簧钢去制做盾构环形刀圈，多以硬度低不耐磨或以硬而脆不能用或不耐冲击使用寿命极短，竟以每件2000-3000元而便卖……乃至不要钱而弃之现场。曾有人以42CrMo或45CrNiMoV经调质加工后表面渗C或渗N或以边缘淬火加低温回火，但在掘进硬岩或邱陵地域隧道时根本不能用……，一上去，便发生边缘硬脆层的破裂；所以对于邱丘或山区或过江长隧道，中铁隧道集团仍以进口德国、美国的盾构刀具为主。

中国在市镇建设项目中为获取瓜米石或在冶金矿山开采中为获取≤8mm粒度的Few、FeNb、FeV或FeCr、FeMn……；多采用滚压细化破碎方式；这是一种环保、低电耗、微噪声的进口生产设备。特别是细化滚压破碎、筛选(磁刷吸Fe)所获各类合金矿，不仅提高了纯度，可熔均化性，而售价每吨可提高500-1600元；但现采用55CrMnMoV经调质后对辊面进行中频淬火加低回火工艺，虽有HRC＝56-58但耐磨相不足，耐磨力足不够；造成辊子滚压外圆表面不耐磨并常出现(2-6)mm×(10-20)mm左右属挤压磨损或变形类深浅不一的凹坑……；依照不同物料，大约8-12天就要更换修复一次。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀特殊合金钢，超高强度Бb＝(2320-2600)N/mm²，高硬度HRC＝57.6-60，耐冲击韧性αku＝30-40J/cm²耐磨损并对酸、盐和大气具有良好耐蚀的多功能特殊合金钢，已充分满足工温在280℃以下，于动态重载下工作的世界一流技术水平的高速野战坦克的履带传动齿轮、承重滚轮及盾构机环形滚刀(或刀圈)等所需的强度、硬度、冲击韧性及耐磨、耐蚀等全部使用要求，使用寿命长，成本低。

本发明的另一个目的是在于提供了一种超高强高硬耐磨耐冲击耐蚀的多功能特殊合金钢的制造工艺，方法易行，操作简便，解决了世界各国正在开发重载强冲击、强挤压传动件所需超高强度、高硬度、耐磨损、耐冲击，其内外金相组织和性能必须完全一致属世界金属材料学中的尖端技术难题。从而为高速重型野战坦克之履带传动齿轮、承重滚轮、盾构机环形刀圈、强挤压破碎的辊套及冷轧辊套等提供了所急迫需要的属于韧性马氏体的新型多功能特钢。

为了达上述目的，本发明采用以下技术措施：

本发明的构思是：申请人于2007年3-6月多次去武钢冷轧现场及湖北孝感孝南开发区属福建人开办的轧钢生产现场并拍照，2012年9月随湖北襄钢原总工程师陆德辉开车去江苏溧阳和安徽马鞍山钢厂；2012年10月多次去武汉中铁科工集团总部(李玲总工程师、法人代表)及江夏庙山盾构机生产现场(负责人：李桐副总)，2016年8月15日去西安隧道盾构施工现场(项目总经理赵毅)；并深入、全面地研究了德国坦克(豹-2A6)、美国坦克(M1A1)、俄罗斯坦克(T-90C)等；并于2013年4月、10月和2016年5月、2017年3月、2018年10月、2019年4-9月先后分别试产了9炉，计61吨属于本发明钢，所有军检数据十分稳定即：Бb＝2320-2600N/mm²，HRC＝57.6-60，αku＝30.9-40J/cm²，金相组织内外完全一致(韧性马氏体、耐磨相为质点均布、晶粒8-10级)于280℃以下不产生回火降硬的效应，并具有良好的耐蚀性。于2014年、2019年分别查新(属世界领先水平)、2016年12月，由国家重点实验室认可：达超德国技术性能水平。

一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀合金钢，由以下元素重量百分比构成：碳(C)：0.47-0.7；硅(Si)：0.3-0.65；锰(Mn)：0.4-0.8；铬(Cr)：1.8-2.7；镍(Ni)：1.7-2.5；钼(Mo)：1.2-1.65；钨(W)：0.3-0.8；钒(V)：0.45-0.75；铌(Nb)：0.2-0.5；锆(Zr)：≤0.15；稀土元素(RE)≤0.15；磷(P)≤0.02；硫(S)≤0.02；Fe：92.84-88.61，以及上述成份中的钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、稀土元素(RE)四种元素含量至少有一种不为零的配比组合，其余为铁(Fe)。

本发明中的碳(C)一部份在固溶于α-Fe中形成铁素固溶体并和Fe形成渗碳体(Fe₃C)，C还和固溶于铁素体中的多余合金元素分别形成合金碳化物：VC、ZrC、NbC、Mo₂C、Mn₇C₃、Cr₇C₃；同时还和溶于渗碳体(Fe₃C)合金元素共同形成晶格复杂的合金渗碳体：(Fe.Cr)₃C、(Fe.Mn)₃C、(Fe.Mo)₃C、(Cr.Fe)₂₃C₆、(MO.Fe)₂₃C₆等；它们强烈地阻碍着高温奥氏体晶粒的长大，并促使热处理后晶粒最细：晶粒度≤30μm2，为既要有超高的强度和硬度又要有良好的耐磨耐热性及抗冲击韧性，其含碳量在本发明中控制在0.47-0.7之间。

硅(Si)当Si含量≤0.85％时，全部固溶于铁素体内，强烈地提高铁素体之强度，其韧性变化甚小；当含量≥0.85％时，其韧性显著下降；Si提高回火稳定性外，并有增加钢水流动性，改善铸造性能的作用。故本明中Si之含量控制在0.3-0.65％之间。

锰(Mn)是提高强度、韧性、耐低温韧性并有增加钢水流动性的重要无素，此外，Mn能和杂质S开成MnS以熔渣形成自除，故Mn有净化钢水和自动除杂之功能。在铁素体中，当Mn含量>0.9％时，其抗冲击韧性急剧下降。为既达到强化效果，又不使韧性下降，故本发明中含Mn量控制在0.4-0.8之间。

铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)，它们一部份溶于铁素体，形成合金铁素体α-Fe(Cr)、α-Fe(Mo)、α-Fe(W)；另一部份形成细粒、分散的稳定合金碳化物：Cr₇C₃、Mo₂C、WC；还有一部份溶于渗碳体(Fe₃C)内，同样地以细微、分散、弥漫稳定合金渗碳体：(Fe.Cr)₃C、(Fe.Mo)₃C、(Cr.Fe)₂₃C₆、(Fe.W)₃C、(Fe.W)₂₃C₆等状态，存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，除阻碍高温奥氏体晶粒长大之外，并为淬火后获取细晶粒马氏体和低温回火后获取均匀细晶粒马氏体组织奠定了良好的基础，所以Cr、Mo、W适量的组配极大地提高了回火稳定性、强度、硬度及耐磨性，而Mo、W又降低了回火脆性。Cr元素含量在≤1％时，其强度和冲击韧性是随含Cr的增加而增大，当Cr>3％时强度增加缓慢，而韧性即急骤下降；故本发明中Cr含量控制在1.8-2.7％之间。Mo在α-Fe和γ-Fe中之总溶量可高41.5％，当Mo元素含量≤7％时，钢的强度和硬度随含Mo量的增加而增大，但钢的韧性却随含Mo量的增加而由245J/cm²急剧下降到58.8J/cm²，特别是当钢中的含钽(Mo)量1.7％时，其韧性下降特别著显；而Mo和Zr、RE的加入，不仅提高了可锻性而且也提升锻钢的耐热强度；所以，Mo之含量应控制在1.2-1.65％之间。

钨(W)，W元素含量≤3％时，钢的强度和硬度降W量的增加而增大，但其韧性却随W量的增加而由245J/cm²下降到49J/cm²，特别当钢中含W量>1.2％时，韧性下降更为显著，故本发明中W的含量确认为：0.3-0.8％。

镍(Ni)当含Ni<3％时，其钢之强度、韧性及耐低温韧性均随含Ni量的增加而增大。当其含量超过3％时，钢之常温韧性有下降趋势，既要达到强化效果，又要统筹各元素的有机组配，同时还要考虑到成本，本发明中含Ni量控制在1.7-2.5％范围内。

钒(V)，V和C形成分散、细小且硬度极高的碳化钒(VC)和(V₂C)，它存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，强烈地阻碍着晶粒的长大；当V含量为0.04％-0.1％时，且温度为912℃-960℃，其奥氏体晶粒变化甚微，因此V的配入能显著地细化淬火后所获马氏体及低温回火后之回火马氏体的晶粒或高温回火后的索氏体组织。极大地提高了钢的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐热性。本发明中兼故其它各合金元素的有机组配，V之含量确定为0.45-0.75％。

锆(Zr)、铌(Nb)，Zr、Nb均和C以分散、细小碳化锆(ZrC)和碳化铌(NbC)存在于高温奥氏体的晶界内和晶界间，有力地阻碍着晶粒的长大，并增强了淬透性、回火稳定性、成材的可焊性和耐高温强度。为获取细晶粒高强度的索氏体并具有较高耐热性及冲击韧性，本发明确认Nb之含量为0.2-0.5％，Zr含量≤0.15％。

稀土元素(RE)的微量加入，可脱硫去气，消除有害杂质，同时还有降低回火确性，提高韧性及抗高温强度和可焊性。本发明中确认：RE含量为≤0.15％。

磷(P)，P使钢在常温下的塑性和韧性下降，并在钢的结晶过程中有促进C、Mn产生偏析的倾向，故本发明中P含量确定为≤0.02％。

硫(S)，S在钢中以FeS和MnS的形式存在。MnS进入熔渣，但FeS和Fe可生成低熔点的共晶体，分布在晶界上，削弱了晶界间的结合力，使钢在热态受力时，极易破裂，故发明S之含量控制在≤0.02％范围内。

本发明中由于S、P杂质量极少，Si、Mn、Mo、V、Nb之配选量是在既不使其韧性下降，又能提高其强度的范围内；而Cr、Ni、Mo、V、Zr、Nb、N、RE的配入量不仅提高了其强度，而且大大地提高了其抗冲击韧性和低温韧性，特别是多种合金碳化物和合金渗碳体：VC、ZrC、NbC、Mo₂C、Mn₃C、(Fe.Cr)₃C、(Fe.Mn)₃C、(Fe.Mo)₃C等均以细微、均匀、弥漫状分布于晶界内或晶界间，在提高其强度的同时也显著地提高了其耐热性能，所在它在280℃下仍保持着极高的耐热强度和极高的硬度；Mo、Zr、RE的加入极大地提高了钢的锻造性。

本发明特钢要求采用带温控器的真空电炉或电弧炉按化学成份规定进行配炉冶炼；炉前成份分析必须采用光谱直读分析仪，所需锭模应事先做好，并烘干；采用AL为最终脱氧处理。所需热处理电炉也必须带有温控器及工艺曲线自动扫描仪。

一种超高强高硬耐磨耐冲击耐蚀的多功能合金钢的制造工艺，其步骤是：

1、钢锭的浇铸：出钢温度为1560℃-1590℃，当确认化学成份合格，于1550℃-1490℃浇铸；钢坯应于240℃-350℃开箱并带温进行清理和切割浇冒口；

2、铸锭的退火：将锭坯加热到640℃-720℃，保温24-48小时，随炉冷至250℃后出炉空冷；

3、锭坯的加热锻造温度：1160℃-1230℃；始锻温度：≤1200℃；未锻温度≥900℃；

(4)锻造钢退火温度：650℃-740℃；保温时间：t＝(30-60)分钟+钢件直径mm×2.5分/mm；随炉冷到≤250℃时，出炉空冷；

5、调质：将粗加工半成品加热到960℃-1020℃保温时间：t＝(10-40)分钟+毛坯厚度或直径尺寸mm×1.5分/mm；迅速均冷；后加热到680℃-720℃回火，保温时间：t＝(20-50)分钟+毛坯厚度或直径尺寸mm×1.2分/mm，及时均冷；

6、淬火与回火：将半精加件加热到970℃-1050℃，保温时间t＝(10-40)分钟+产品厚度和直径尺寸mm×1.5分钟/mm；均冷后再将其重新加热到260℃-345℃，保温时间t＝(10-45)分钟+产品厚度或直径mm×1.5分钟/mm；出炉均冷后再精加工成形。

按照上述方法所生产的本发明钢达到了令人十分满意的技术、经济效果，Бb＝(2320-2600)N/mm²，HRC＝57.6-60，αku＝(30-40)J/cm²任一截面其金相组织为韧性马氏体，晶粒度8-10级，耐磨相为质点式均布；且具有耐酸耐盐和耐大气腐蚀的优良特性。

关于一种世界领先水平的超高强高硬耐磨耐冲击、耐蚀的多功能特钢和国内外顶级同类产品的主要性能的类比(属非标特钢)：

说明：至于整体调质+边缘淬火+低回或表面渗C或渗N；或采用Si、Mn类合金钢等均不属此类多功能特钢范畴。

本发明和现有发达国家技术相比，具有无与伦比的性能优势，依照国际军事装备和经济建设发展模式，性能的优势是取得市场的关键因素，因而本发明钢必然重大的国防应用价值和显著的社会经济建设和发展而广泛应用重大进步价值。

1、本发明的技术性能优势

本发明较德国同用途产品之平均性能、强度提高了17.42％，硬度提高了3.16％，韧性提升了215％；较美国同类产品，强度提高了11.3％，硬度提高了5％，韧性提高了94.4％，所以它在国内、国外均具有广泛地、领先的市场先机。

2、广泛而巨大的应用市场

(1)以6000辆世界一流的高速野战坦克所及每辆滚轮12件、齿轮4件，需本发明钢13.5T/辆×6000辆＝8.1(万吨)

(2)就盾构项目而言，中国2019年市场投6600亿元，一路一带市场有4900亿元，合计11500亿元(RMB)，而各类刀具费占项目总投资的55％，而盾构环形滚刀却占各类刀具的60％以上；以德国维尔特公司和美国罗宾斯公司产20寸盾构刀具为例：161kg/套，价7.0万元/套，而仅环形刀圈1件重48.4kg，单价：4.5万元/件；故每件刀圈占成套刀具费(包括：心轴、端盖、刀座、轴承)的百分

64.285％；而刀圈重量占成套刀具的

30％，依此计算：近2-3年盾构环形滚刀圈市场用量及环形刀圈之采购费分别为：(11500亿元×55％)×0.6＝3795(亿元)，折合20寸进口盾构环形刀圈为3795亿元/7万＝5421429(套)，而20寸全套刀具之重为：5421429套×161kg/套＝872850(吨)；则20寸环形刀圈之重为5421429套×48.4kg/件×1件/套＝262397(吨)；20寸环形刀圈采购费用为：5421429套×1件/套×4.5万元/件＝2439.643(亿元)，若采用(09-77)发明钢制造20寸盾构刀具以单价：2万元/件，则可为国家节资：5421429套×1件/套×(4.5-2)万元/件＝1355.3573(亿元)RMB。并大幅提升掘进项目进度并减少人力劳务开支及更换废旧往返运输对环境大气的污染……。

(3)滚压破碎装备而言，每台3辊重3509kg，全国约600台，每月更换2次，则年市场量为：3.509T/台·次×600台×24次/年＝50530T，进口价：15万元/T左右，对广泛的私企而言，日产最大可达600T，若破碎FeV、FeW等，因提高了纯度和可溶均匀性，故每可多增(500-1600)元/T，以均值1050元/T计算，则每月可创收入为：600T/天×30天×1050元/T＝1890(万元)台，而其换辊每月2次，却只有：3.509万/台·次×2次/月×15万元/T＝105.27万元，除由费、人工这些私企业月净收入约1600万元；若采用本发明钢，产品价：8万元/T，而寿命比国外长，则企业老板会争相抢购，而发明钢企业大约每吨可获5万元。

具体实施方式

现将本发明钢在具体实施四例中对所做锻钢产品相应检测数据及工艺执行温度分别列表如下：

实施例1：

一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀合金钢，由以下元素重量百分比构成：碳：0.47；硅0.62；锰：0.45；铬：2.1；镍2.5；钼：1.21；钨：0.72；钒：0.48；铌：0.5；锆：≤0.14；稀土元素≤0.1；磷≤0.015；硫≤0.009；铁：90.686，以及上述成份中的W、Nb、Zr、RE四种元素含量至少有一种不为零的配比组合，其余为铁(Fe)。

一种超高强高硬耐磨耐冲击耐蚀的多功能合金钢的制造工艺，其过程是：按照本发明钢成份，采用3吨真空电炉冶炼了四炉本发明钢，出钢温度分别为：1580℃、1590℃、1570℃、1560℃；浇铸温度依次对应为：1500℃、1550℃、1490℃、1540℃；铸锭毛坯开箱温度对应为：290℃、280℃、270℃、300℃经带温切割浇冒口并进行打磨，每炉锭坯分别为：660℃、720℃、710℃、640℃进行了退火，其保温时间t＝36小时，随炉冷到250℃之后，出炉空冷。

实施本发明钢四炉的化学成份(％)

实施四炉本发明钢的炼钢到锻坯生产过程的工艺温度[单位：摄氏度(T℃)]

实施四炉发明钢锻造毛坯及加工和热处理的主要工艺及主要机械性能

对四炉四件需加热锤锻的铸锭[尺寸：Ф600×1100(mm)]每锭2440kg；

分别专炉锤锻，其加热温度分别对应为1230℃、1190℃、1180℃、1160℃；始锻温度依次对应为：1140℃、1130℃、1180℃、1170℃，锻坯均为Ф440×1960(mm)×1条，每条重2340kg；每炉锻坯的退火温度对应为：650℃、700℃、720℃、740℃，保温时间：均为19小时，随炉冷到250℃同炉空冷；再线切为：Ф440(外圆)×Ф278(内孔)×65(厚)mm；再粗车为Ф436(外圆)×Ф282(内孔)×61(厚)mm：再进入调质热处理：包括先淬火，淬火温度分别对应为：960℃、985℃、1020℃、1000℃，加热保温时间均为：120分钟；油冷后，再将其逐一专炉回火，回火温度依次为：680℃、700℃、695℃、720℃，保温时间均为100分钟，入油池冷却。再半精加工为：Ф433(外圆)×Ф285×58(厚)mm；又分别淬火和回火，淬火温度依次为：970℃、990℃、1030℃、1010℃，保温时间均100分钟，入油池冷却；后加热回火，回火温度分别对应为：340℃、320℃、290℃、305℃，保温时间均为2小时；最后按图精加工成形：Ф432(外圆)×Ф286×Ф57(厚)mm；并对同炉试件逐一进行了性能检测和金相分析，检测单位主要有：中船总公司武汉金属材料试验检测中心、武汉钢铁设计研究院试验检测中心等。

有关检测情况和证明请见其他证明文件：

1、武汉武船计量试验有限公司检测报告。

2、证明。

Claims (2)

1.一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀合金钢，其特征在于：由以下元素重量百分比构成：碳：0.47-0.7；硅：0.3-0.65；锰：0.4-0.8；铬：1.8-2.7；镍：1.7-2.5；钼：1.2-1.65；钨：0.3-0.8；钒：0.45-0.75；铌：0.2-0.5；锆：≤0.15；稀土元素≤0.15；磷≤0.02；硫≤0.02；铁：92.84-88.61，以及上述成份中的钨、铌、锆、稀土元素四种元素含量至少有一种不为零的配比组合，其余为铁。

2.实现权利要求1所述的一种超高强度高硬度耐磨耐冲击耐蚀的合金钢的制造工艺，它包括下列步骤：

(1)钢锭的浇铸：出钢温度为1560℃-1590℃，浇铸温度为1550℃-1490℃，铸锭坯在240℃-350℃开箱清理并切割浇冒口；

(2)铸锭的退火：将锭坯加热到640℃-720℃，保温24-48小时，随炉冷至250℃后出炉空冷；

(3)铸锭坯的加热和锻造温度：1160℃-1230℃；始锻温度：≤1200℃；未锻温度≥900℃；

(4)锻钢退火温度：650℃-740℃；保温时间：t＝(30-60)分钟+钢件直径或厚度mm×2.5分/mm；随炉冷到≤250时，出炉空冷；

(5)调质：将已粗加工的半成品件加热到960℃-1020℃，保温时间：t＝(10-40)分钟+毛坯厚度或直径尺寸mm×1.5分/mm，均冷后于680℃-720℃回火，保温时间t＝(20-50)分钟+厚度或直径尺寸mm×1.2分钟/mm均冷；

(6)淬火与回火：将半精加工件加热到970℃-1050℃，保温时间：t＝(10-40)分钟+产品厚度或直径尺寸mm×1.5分钟/mm；均冷处再将其加热到260℃-345℃，保温时间：t＝(10-45)分钟+产品厚度或直径尺寸mm×1.5分钟/mm；并出炉均冷后再精加工。