CN109735770B

CN109735770B - 含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢及其制备方法

Info

Publication number: CN109735770B
Application number: CN201910189025.3A
Authority: CN
Inventors: 卢现稳; 潘庆; 郑昊; 金学军
Original assignee: JIANGXI NAIPU MINING MACHINERY AND NEW MATERIALS CO Ltd
Current assignee: Jiangxi Naipu Mining Machinery Co., Ltd
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN109735770A

Abstract

本发明提供了含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢，以质量分数计，其化学组成包括：C 0.8～1.5％，Si 2.0～3.5％，Mn 0.6～1.5％，Cr 1.2～2％，P≤0.015％，S≤0.01％，Mo 0.2～0.7％，Nb 0.01～0.05％，Cu 0.1～0.5％，Ni 0.1～0.5％，RE 0.01～0.2％，余量为Fe和不可避免的微量杂质。还提供了制备方法：按设计成分熔炼锻造或轧制成板材并球化退火，经热处理后制备的耐磨钢微观组织为：基体为相间分布的微/纳米级的贝氏体铁素体和薄膜状奥氏体，在此基体上均匀分布着直径为10～20um的球状石墨，性能优良。

Description

含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢及其制备方法

技术领域

本发明属于耐磨钢技术领域，尤其涉及含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢及其制备方法。

背景技术

耐磨衬板是一种广泛应用于冶金、矿山等行业的破碎设备的主要备件，它在工作时受到钢球及矿料的反复冲击、磨剥作用、矿浆的腐蚀以及磨损和腐蚀的交互作用，从而造成衬板表面材料的不断迁移，甚至有时会造成衬板断裂失效。目前使用的金属衬板材质均为铸造材料，有高锰钢、高铬铸铁、CADI、低合金钢等。高锰钢是单相奥氏体组织，其屈服强度低，在使用过程中易发生塑性变形，以致维修拆卸非常困难。高硬度的耐磨铸铁(如高铬铸铁、CADI等)制造球磨机衬板冲击韧性低，在较大的冲击载荷下由于韧性不足而易出现断裂，影响球磨机的安全运行。用低合金钢制造衬板磨机衬板，也存在强度和硬度低，耐磨性差的不足。

含碳化物的奥氏体-贝氏体球墨铸铁(CADI)材质由奥氏体-贝氏体球墨铸铁(ADI)发展而来，ADI的组织为贝氏体+奥氏体的基体上分布着大量的球状石墨，石墨的存在可以起到阻碍裂纹扩展、摩擦润滑、减轻重量的作用，大大提高了铸铁类材料的断裂韧性，同时存在的奥氏体由于可以起到相变增塑的作用，也可以提高此类材料的塑性，所以ADI是铸钢里强塑性综合性能最好的材料。CADI在ADI基础上增加碳化物，牺牲了一定的塑韧性，增加了硬度和耐磨性，所以CADI在耐磨衬板类领域得到广泛应用。但是CADI材料包含大量的碳化物以及铸造材质本身的致密性低等原因，此类材料不适用于受冲击较大的工况。

近年来Bhadeshia等通过组织成分设计，获得了超强纳米贝氏体钢，其抗拉强度可达2.5GPa。纳米贝氏体中的残余奥氏体薄膜富集了较高的碳含量，从而这种富碳的残余奥氏体薄膜将有助于阻止裂纹的萌生和扩展，而且其显微组织结构为纳米级，所以其具有很高的塑性。但是纳米贝氏体钢在硬度高于50HRC时，冲击韧性较低。

本发明综合奥贝球铁(ADI)和纳米贝氏体钢的的组织设计思路，设计一种包含石墨的超细组织贝氏体钢，以期望进一步同时提高材料的强度和塑韧性，制备出强度高、耐磨性好、韧性高的耐磨衬板。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种成份、组织、性能均一的含石墨高强韧贝氏体耐磨钢及其制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

含石墨高强韧贝氏体耐磨钢，化学组成包括：C 0.8～1.5wt％，Si 2.0～3.5wt％，Mn 0.6～1.5wt％，Cr 1.2～2wt％，P≤0.015wt％，S≤0.01wt％，Mo 0.2～0.7wt％，Nb0.01～0.05wt％，Cu 0.1～0.5wt％，Ni 0.1～0.5wt％，RE 0.01～0.2wt％，余量为Fe和不可避免的微量杂质。

作为优选，所述含石墨高强韧贝氏体耐磨钢的化学组成包括：C 1.0～1.5wt％，Si2.5～3.0wt％，Mn 0.6～1.2wt％，Cr 1.5～1.8wt％，Mo 0.3～0.5wt％，Nb 0.02～0.04wt％，Cu 0.2～0.5％，Ni0.2～0.5wt％，RE 0.01～0.1％，余量为Fe和不可避免的微量杂质。

优选地，所述含石墨高强韧贝氏体耐磨钢组织特征为：基体为微/纳米级的相间分布的贝氏体铁素体和薄膜状奥氏体，在此基体上均分分着布直径为10～20um的细小球状石墨。

优选地，所述含石墨高强韧贝氏体耐磨钢的硬度为50～63HRC，抗拉强度1700～2200MPa，延伸率为10～30％，V缺口冲击韧性12～25J/cm²。

优选地，所述含石墨高强韧贝氏体耐磨钢的淬硬深度可达150mm，该淬硬深度可保证耐钢板的组织性能均一，且韧性高。

含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，包括如下步骤：

(1)熔炼及锻压：

根据上述含石墨高强韧贝氏体耐磨钢的化学成分比例计算称取原材料，采用电炉或者转炉冶炼成符合设计成份的钢水，钢水需经过常规炉外精炼和常规真空脱气处理，并在脱气后加入RE，随后浇铸成电极棒并进行电渣重熔，得到均质、致密的电渣锭。

电渣锭经轧制或锻造成板材，保证锻造比为6～10，随后进行球化退火，退火工艺为加热至870～900℃后以10℃/h的速度冷却至400℃，出炉空冷至室温，得到包含直径为10～20um的球状石墨+球化珠光体组织的板材用于后续热处理；

(2)热处理：将步骤1)得到的板材进行先以<100℃/h升温至600℃保温4～6h，随后加热至900～1050℃并保温2～6h完成奥氏体化，然后以足以避开珠光体相变的冷速快速降温至220～350℃淬火等温，随后放入相同温度的空气炉中等温2～48h，最后空冷至室温。

优选地，步骤1)所述的常规精炼及脱气过程使用硅铁脱气。硅铁可以有效脱氧，同时避免形成脆性夹杂。

优选地，步骤1)所述的加入RE，在精炼和脱气后加入，进一步净化钢水改善夹杂物形态。

优选地，步骤1)所述电渣重熔渣系采用三元碱渣性系，所述电渣重熔产生的电渣锭经退火处理去除应力，得到均质铸坯。

优选地，步骤1)所述的锻造处理条件为：加热温度1130～1170℃，始锻温度1120℃，终锻温度900℃，锻造比为6～10，锻后缓冷至室温。

优选地，步骤1)球化退火的工艺为加热至890℃后以10℃/h的速度冷却至400℃，出炉空冷至室温。

更优选地，步骤1)中球化退火后得到包含大量10～20um的球状石墨和球化珠光体组织的板材用于后续热处理。

优选地，步骤1)中球化退火后得到包括球状石墨和球化珠光体组织的板材。

优选地，步骤2)所述的快速降温方式为水空循环工艺。

本发明的成份设计与冷却工艺配合，保证了淬透深度，Cr、Mn、Mo、RE、Cu增加了合金钢的淬透性，同时采用水空循环冷却工艺既起到了环保的作用，也保证增加了合金的淬透深度。电渣重熔避免了宏观成份偏析，Mo、Nb、RE等微合金化元素起到细化晶粒的效果，也改善了元素的微观偏析，保证了成份的均一性。电渣重熔和锻造或轧制减小了铸造缺陷，使材料致密。合理的等温淬火工艺结合成份设计，使组织为微/纳米级的相间分布的贝氏体铁素体和薄膜状奥氏体的基体上均分分着布直径为10～20um的细小球状石墨，保证了其较高的性能。所以本发明从成份组织设计、制造工艺、热处理工艺三个过程相辅相成，最终制造出了成份、组织、性能均一而且性能优异的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：

1、与其他衬板用铸钢相比，本发明的耐磨钢为锻造或轧制状态，组织致密且微观组织为微/纳米级，所以保持了较高的强塑性和硬度，冲击韧性远大于其他同种强度级别的铸造耐磨材料。

2、其组织特征是微/纳米级的贝氏体铁素体+薄膜状奥氏体+细小的球状石墨。超细化的组织使材料具有较高的强度和韧性，大量的薄膜奥氏体使材料保证较高的强度的同时保持较高的塑性；大量直径为10～20um的球状石墨在变形时也可以阻碍裂纹扩提高贝氏体钢的塑性和韧性、在磨损时充当润滑剂、降低了材料的密度、同时材料易于切削加工。

3、其具有优异的性能：硬度为50～63HRC，抗拉强度1700～2200MPa，延伸率为10～30％，V缺口冲击韧性12～25J/cm²。

4、采用了从成分设计入手通过细化晶粒减少成份微观偏析及夹杂，电渣重熔铸造保证了无宏观成份偏析，并采合适的水空冷却的热处理制度，保证了全厚度内组织及成份均匀、性能均一。

附图说明

图1为实施例1中锻造后球化退火态板材的组织图；

图2为实施例1中最终热处理后耐磨钢的组织图；

图3为实施例中，最终热处理后耐磨钢的组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，具体实施例的描述本质上仅仅是范例，以下实施例基于本发明技术方案进行实施。应注意的是，本领域技术人员基于本发明技术构思进行修改和等同替换，均落在本发明保护范围之内。

实施例1

1、熔炼：在电炉中熔化高品质废钢，添加硅铁、铬铁、添加电解锰、钼、铌、增碳剂调整至所需成分，随后转入精炼炉精炼，熔炼中采用硅铁脱氧，避免形成脆性夹杂，脱气后加入稀土，可以进一步净化成份。浇铸成电极棒，进行电渣重熔，采用三元高碱性渣系脱硫脱氧，随后对于Φ300的电渣锭采用退火工艺消除铸造应力。

所得电渣锭成份为C为0.9wt％，Si为3.0wt％，Mn为0.8wt％，Cr为1.6wt％，Mo为0.5wt％，Nb为0.02wt％，Cu 0.3wt％，Ni0.2wt％，P 0.016wt％，S 0.008wt％，RE为0.03wt％。

2、锻造：加热温度1130～1170℃，始锻温度1120℃，终锻温度900℃，锻造比8，锻成100mm厚的锻件后缓冷至室温，随后球化退火；组织为球状石墨和珠光体基体，如图1所示。

3、最终热处理：先以<100/h升温至600℃保温2.5h，随后加热至950℃度，保温200min，随后采用水空循环工艺快速冷却至270℃，平均冷却速率1.5℃/s，随后移入相同温度270℃的空气炉等温24h，缓冷至室温即得到产品。其组织特征是微/纳米级的贝氏体铁素体+薄膜状奥氏体+细小的球状石墨，其中从图2中可以看出该产品组织包含了球状石墨和贝氏体基体，从图3中可以更为清晰地看出，该组织基体还包含了相间分布的宽度约100nm级的贝氏体铁素体和薄膜奥氏体。

4、产品的性能为：产品的中心部位和表面部位组织、性能均匀一致，硬度为52HRC，抗拉强度2000MPa，延伸率为25％，V缺口冲击韧性23J/cm²。其耐冲击磨损性能与HARDOX550相当。

实施例2

所得电渣锭成份为C为0.8wt％，Si为2.5wt％，Mn为1.1wt％，Cr为1.5wt％，Mo为0.5wt％，Nb为0.03wt％，Cu 0.3wt％，Ni0.2wt％，P 0.015wt％，S 0.006wt％，RE为0.02wt％。

2、锻造：加热温度1130～1170℃，始锻温度1120℃，终锻温度900℃，锻造比10，锻成100mm厚的板材后缓冷至室温，随后球化退火；组织为石墨+球化珠光体。

3、最终热处理：先以<100/h升温致600℃保温2.5h，随后加热至950℃度，保温200min，随后采用水空循环工艺快速冷却至220℃，平均冷却速率1.5℃/s，随后移入相同温度220℃的空气炉等温24h，缓冷至室温即得到产品。其组织特征是相间分布的微纳米级贝氏体铁素体+薄膜状奥氏体+细小的球状石墨。

4、产品的性能为：产品的中心部位和表面部位组织、性能均匀一致，硬度为57HRC，抗拉强度2200MPa，延伸率为15％，V缺口冲击韧性15J/cm²。

实施例3

所得电渣锭成份为C为1.2wt％，Si为3.0wt％，Mn为0.7wt％，Cr为1.8wt％，Mo为0.7wt％，Nb为0.02wt％，Cu 0.3wt％，Ni0.2wt％，P 0.01wt％，S 0.006wt％，RE为0.01wt％，

2、锻造：加热温度1130～1170℃，始锻温度1120℃，终锻温度900℃，锻造比10，锻成150mm厚的板材后缓冷至室温，随后球化退火；组织为石墨+球化珠光体。

3、最终热处理：先以<100/h升温致600℃保温4h，随后加热至1000℃度，保温300min，随后采用水空循环工艺快速冷却至270℃，平均冷却速率1.5℃/s，随后移入相同温度270℃的空气炉等温24h，缓冷至室温即得到产品。其组织特征是相间分布的微/纳米级的贝氏体铁素体+薄膜状奥氏体+细小的球状石墨。

4、产品的性能为：产品的中心部位和表面部位组织、性能均匀一致，硬度为54HRC，抗拉强度2100MPa，延伸率为12％，V缺口冲击韧性13J/cm²。

本申请仅对部分温度、时间等参数的实施例进行说明示例，但是上述实施例不应限制本发明的保护范围。本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

(1)熔炼及锻压：采用电炉或者转炉冶炼耐磨钢化学组成的钢水，所述耐磨钢的化学组成为：C 0.8～1.5wt％，Si 2.0～3.5wt％，Mn 0.6～1.5wt％，Cr 1.2～2wt％，P≤0.015wt％，S≤0.01wt％，Mo 0.2～0.7wt％，Nb 0.01～0.05wt％，Cu 0.1～0.5wt％，Ni0.1～0.5wt％，RE 0.01～0.2wt％，余量为Fe和不可避免的微量杂质；将钢水经过常规炉外精炼和常规真空脱气处理，并在脱气后加入RE，浇铸成电极棒进行电渣重熔，得到均质、致密的电渣锭；将电渣锭锻造成板材，锻造比为6～10；随后进行球化退火，出炉空冷至室温，得到的板材用于后续热处理；

(2)热处理：将步骤1)得到的板材先以10℃/h的升温速度升温至600℃保温至4～6h，随后加热至900～1050℃并保温2～6h完成奥氏体化，然后以足以避免珠光体相变的冷速快速降温至220～350℃，随后转移至相同温度的空气炉中等温2～48h，最后空冷至室温，获得含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢；所述含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的微观组织特征包括基体为相间分布的微/纳米级贝氏体铁素体和薄膜状奥氏体，在此基体上均匀分布着直径为10～20um的细小球状石墨。

2.根据权利要求1所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：所述耐磨钢的化学组成为：C 1.0～1.5wt％，Si 2.5～3.0wt％，Mn 0.6～1.2wt％，Cr 1.5～1.8wt％，P≤0.015wt％，S≤0.01wt％，Mo 0.3～0.5wt％，Nb 0.02～0.04wt％，Cu 0.2～0.5％，Ni0.2～0.5wt％，RE 0.01～0.1％，余量为Fe和不可避免的微量杂质。

3.根据权利要求1-2任一项所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：所述耐磨钢的硬度为50～63HRC，抗拉强度1700～2200MPa，延伸率为10～30％，V缺口冲击韧性12～25J/cm²。

4.根据权利要求1所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：所述耐磨钢的淬硬深度达150mm。

5.根据权利要求1所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的锻造处理条件为：加热温度1130～1170℃，始锻温度1120℃，终锻温度900℃，锻造比为6～10，锻后缓冷至室温。

6.根据权利要求1所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：步骤1)球化退火工艺为：加热至870～900℃后以10℃/h的速度冷却至400℃，出炉空冷至室温。

7.根据权利要求1或6所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：步骤1)中球化退火后得到包括球状石墨和球化珠光体组织的板材。

8.根据权利要求1所述的含石墨高强韧性贝氏体耐磨钢的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的快速降温方式为水空循环冷却工艺。