CN101037759A - 高强耐磨耐高温纳米合金钢材料及其制作方法 - Google Patents
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- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
Abstract
本项发明属于合金钢材料生产制造领域，具体为一种高强耐磨耐高温合金钢材料及其制取方法。采用本方法制取的纳米合金钢的特征是钢中有80％晶粒粒度小于50纳米(nm)。具有优异的性能，可以满足社会对于钢铁材料的各种需求。
Description
技术领域
本项发明属于合金钢材料生产制造领域，具体为一种高强耐磨耐高温合金钢材料及其制取方法。
背景技术
随着科学技术和经济的飞速发展，人类社会进入了一个前所未有的新时期。工业发展和技术进步对传统结构材料提出了新的要求，特别是对使用量大、应用范围广的钢铁材料，人们期望利用最少的资源、最低的成本，生产制造出具有非常优异综合性能的先进钢铁材料，以此满足社会进步对于材料的特别需求。
近年来，相关学科和领域的创新和进步，为钢铁材料的发展提供了设备、自动化、计算机、传动等多种支撑手段和条件，促进钢铁工业技术自身有了很大的进步，例如：钢水冶炼纯净化、钢坯生产连续化、连续轧制高速化等等。使得钢铁材料的生产有了相当的改善，钢材质量显著提高。
自20世纪60年代人们开始逐步认识到微合金元素在钢中的细晶强化作用，使得钢的控制轧制和微合金化技术研究开始起步。20世纪70～80年代，以控制冷却设备的开发为支撑，以细晶强化为中心，进行了控制轧制和控制冷却技术的研究，将微合金化技术的效果发挥到新的水平。20世纪90年代，以超轻车开发为目标，利用相变强化等手段，开发出可以满足不同使用要求的各种类型的高强钢，钢材的复相化得到了人们的普遍重视。
20世纪90年代后期，日本、韩国、中国相继提出超细晶钢开发计划，将晶粒细化的作用提到更加显著的地位。日本官方支持的国立研究机构进行了晶粒细化的基础研究，探讨晶粒细化的极限；而很多企业则利用晶粒细化的思想，进行不同等级、满足不同性能要求的具体材料的开发，已经开发了工业规模不同性能和用途的细晶钢等。韩国以POSCO为代表，进行了高强、耐腐蚀、可焊接的新一代钢铁材料的开发，并已探索出工业应用的途径。我国于1998年底启动了国家重大基础研究规划项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，在“努力实现钢铁材料均质化、纯净化、细晶化”的思想指导下，400、800、1500MPa级超级钢等项研究取得重大进展，并率先在世界上进行了工业化生产和应用，引起国际上的重视，标志着我国钢铁材料研究已步入了一个新的阶段。
与此同时，欧洲也进行了相应的应用研究。1999年，欧洲煤钢联盟(ECSC)确立了一项为期1年的超细晶钢可行性研究项目，随后在2001年又启动了名为“利用创新变形过程制造超细晶粒钢”的研究项目。这个项目的目的是研究钢材的变形过程，在工业规模上制造具有优良力学和使用性能、在后续加工中具有良好响应的新一代钢铁材料。该项目包括四个工作单元，分别涉及表面超细晶、低碳超细晶、中碳超细晶、高碳超细晶等几种重要的钢铁材料。该项目目前已取得重大进展。
材料细晶化对于新的钢铁材料的开发具有重要意义，因此需要将细晶化的思想进一步贯彻到各类高强钢的研究中去，以推动细晶化技术的发展。日本川崎制铁开发了细晶化的“超级HSLA钢”，强度等级分别为590、780MPa级。这种钢利用低温加热和添加微合金元素Ti等手段，通过低温高速精轧阶段的动态再结晶，细化奥氏体晶粒，使得铁素体晶粒由原来的6～7μm细化到2μm左右，开发的材料兼有良好的弯边成形性和延伸性能，已经工业化生产。
微合金元素的应用，可以大大强化控轧控冷技术的应用效果。在新一代钢铁材料的开发中，如果能够充分利用微合金化对控轧控冷技术的有利影响，可以较大幅度地促进材料性能的提高。其中金属铌Nb是最重要的微合金元素，它能抑制再结晶过程，提高材料的再结晶温度，是长期以来进行晶粒细化的重要手段。例如在细晶化双相钢的开发中，采用0.103％的Nb，可以使材料在热连轧精轧机组的后部机架处于未再结晶区，轧制变形的应变积累使精轧后的轧件处于硬化状态。这种硬化状态的奥氏体，通过输出辊道上适当的连续控制冷却，不但可较大幅度的细化钢的晶粒尺寸，而且大大简化了操作，降低了钢材的生产难度。采用这项技术开发的新钢号具有由超细铁素体(2～3μm)和弥散分布的马氏体组成的组织、高的拉伸强度(650～800MPa)和延伸率(20％～25％)以及优异的使用性能。
对于钢铁材料，追求其耐磨损、长寿命也是非常重要的指标。晶粒细化必然会大幅度提高钢材的这些特性。在目前的水准上如何进一步实现钢材晶粒的进一步细化，进入到μm级以下，甚至达到100纳米以下，从而获得钢铁材料更加优越的性能。已经成为冶金工作者新的努力方向和不懈追求。
发明内容
本项发明的具体目的就是要利用合金元素能够有效制约钢的结晶粒度长大原理，摸索钢铁材料的有效合金成份和合适的制作工艺，生产制造出性能更加优越的高强耐磨超细晶粒合金钢。以此满足国内外市场之急需，推进冶金行业技术进步。
根据前述已经十分成熟的经验，钢液之中金属铌(Nb)的加入，可以明显起到钢的结晶细化作用，除此而外，发明者还选择了金属钨(W)、钼(Mo)、钒(V)等元素，作为炼钢的合金元素加入到钢液之中，最终生产出了理想的超细晶粒达到了纳米级的合金钢材料，使得本发明的目的得以满足。
本项发明所获得合金钢材份如下表1所列：
表1
| 元素名称 | 钨(W) | 锰(Mn) | 钒(V) | 铌(Nb) | 钼(Mo) | 碳(C) | 铬(Cr) | 其他元素 | 铁Fe |
| 重量％ | 0.0-6.0 | 0.6-3.0 | 0.0-6.0 | 0.2-4.0 | 0.0-7.0 | 0.5-4.0 | 1.0-8.0 | 0.1-3.0 | 其余 |
在表1所列高强耐磨耐高温纳米合金钢(以下简称纳米合金钢)成分中，部分起到晶粒细化作用的元素如钨、钒、钼等有时也可以在同一次冶炼时不加入，所获合金钢的性能基本相同。因此，在表中当某种元素未被加入时，该种元素取值的下限为0.0。还有，纳米合金钢中合金元素钨、锰、钒、铌、钼、碳、铬的总加入量不超过纳米合金钢总重量20％；表1中的其他元素指的是钢中可能存在的微量夹杂物元素，如硅(Si)、铝(Al)、钙(Ca)等，其余成份为铁(Fe)元素。
本项发明依据冶炼方法制取纳米合金钢。所使用的主体设备为真空感应炉。工艺流程主要包括原料准备、入炉冶炼、铸造成型等三道工序。每道工序的具体内容包括：
原料准备。按照表1所列的合金用各项成份准备好原料，其中每一元素基本以该种元素的铁合金为原料，如钨铁合金、钒铁合金、钼铁合金等，铁元素以采用生铁或普碳钢为宜；由于在熔化冶炼过程中各种合金成份几乎没有烧损，因此，准备原料时根据冶炼纳米合金钢的某种合金元素的目标成份，换算成该种合金元素在所用原料相应元素铁合金的含量加入既可。例如，冶炼某一批号的纳米合金钢，最终需要100千克金属钨。取含钨50％的钨铁合金作原料时，钨铁合金的需要量为200千克。
入炉冶炼。将准备好的原料加入到真空感应炉中，封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到760mmHg时，充入氩气到500mmHg，开始加热升温，当熔化温度达到1620-1750℃，入炉原料全部熔化且成份均匀之后，冶炼出钢。
铸锭成型。将钢水倒入事先准备好的盛钢桶(钢水包)中，再根据需要，将钢水注入到事先准备好的模具中，浇铸成型。
本项发明制取的纳米合金钢经过中南大学、长沙矿冶研究院、东北大学和中科院金属所等单位利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪设备进行检测，合金钢中有80％晶粒粒度小于50纳米(nm)，其中东北大学测试中心利用透射电镜对试样进行了多角度监测，试样中的晶粒平均粒径为20-30纳米。因此此项发明创造作出的合金钢材料可以称为真正的纳米合金钢。
分析此钢种晶粒超细化的原因，是因为该钢种属于双相高度弥散，其粒子被彼此包围、分隔，形成单个的超微粒子，一个相的超微粒子无法翻越进入另一个相的超微粒子之中，从而避免了粒子的聚集和晶粒长大，因此超微粒子大小比较稳定，且由于其体积效应，缩小了其它原子的溶入空间。同时超量处于非晶状态的界面原子阻碍了固态加热过程中合金元素的原子和铁原子的扩散位移，故升温、降温不发生相变，淬火也无马氏体转变，所以它具有很高的热稳定性。例如，在生产上已试用于烧结机的单齿辊上，尽管单齿辊的负载温度在800℃以上，可使用效果相当良好。发明人提供的纳米合金钢经反复热处理试验后，经金相检测，该纳米晶机体合金钢没有相变。
由于超微粒子的体积效应，随着纳米粒子的直径减少，能级间隙增大，电子移动困难，电阻率增大，从而抗腐蚀性增加。
总之，这种纳米合金钢具有高强度、高硬度、高温耐热稳定性、耐蚀性好，高弥散且粒子大小稳定性好，同时具有良好的韧性。这些优异的综合性能使以往合金钢的性能得到了超常突破。
经检测，这种合金中铁素体量高达80-90％，而复合碳化物仅占10-20％，它的强度却大大得到提高，其硬度HRC达到55-65；与具有相同硬度的材料相比，该合金的韧性也大为改善，急冷急热均不开裂，具有可锻、可焊等良好的热加工性能，因此具有更广泛的应用前景，具体包括：
(1)可以轧制成板材、棒材及线材，从而按照不同工程机械的负载要求进行选材使用，因其耐磨、耐热，高强、韧性好，可以显著提高构件的使用寿命。
(2)按着本项发明所提供的方法进行冶炼和精密铸造，加工成各种零配件及模具等，既可满足复杂成型的要求，又能使铸造材质具有良好的综合性能，从而可最大限度地节约资源。
(3)由于此纳米合金钢的红硬性高于普通高速钢，且无需进行热处理，因而有可能取代高速钢使用。
(4)该合金钢其硬度高，抗裂性好，因此可以代替高价进口的耐磨焊条进行堆焊，修复冶金、矿山用大型设备，甚至可以替代30万元左右/吨的莱立特合金进行使用。
(5)目前使用的硬质合金钻头硬度高，但脆性较大，在钻削石英岩时，大多出现崩碎破损，消耗较大。本合金钢其硬度能达HRC65左右，用纳米合金钢替代成本是该合金近8倍的硬质合金钻头，可大大节约采矿成本并减少钻头资源消耗。
(6)可用来代替高价进口的模具钢。
(7)可用于石化工业耐磨、耐蚀且耐热的部件上。比如裂变反应管的内壁等。
(8)采用复合铸造的方式将本纳米合金钢铸造或堆焊在大型冶金设备的耐磨部位，可以大大改善冶金设备的耐磨性问题，获得满意的效果，且有望解决大型轧辊的耐用性问题。
(9)本合金钢在军工方面可表现出更加卓越的性能，隐形飞机外壳、坦克装甲及履带、发射管、潜艇外壳等，均有可以利用本纳米合金钢进行制作，由此产生的经济效益和社会效益将无法估量；
(10)在航空航天领域，本合金钢可用于飞行器的多个方面。
具体实施方式
实施方式1
经过冶炼，所获得的1号纳米合金钢的成份为：
| 元素名称 | 钨(W) | 锰(Mn) | 钒(V) | 铌(Nb) | 钼(Mo) | 碳(C) | 铬(Cr) | 其他元素 | 铁Fe |
| 重量％ | 4.5 | 0.8 | 3.2 | 0.8 | 4.6 | 0.8 | 2.5 | 3.0 | 其余 |
经过冶炼，所获得的2号纳米合金钢的成份为：
| 元素名称 | 钨(W) | 锰(Mn) | 钒(V) | 铌(Nb) | 钼(Mo) | 碳(C) | 铬(Cr) | 其他元素 | 铁Fe |
| 重量％ | 0.0 | 1.0 | 2.8 | 1.0 | 6.2 | 1.0 | 2.8 | 2.5 | 其余 |
冶炼上述的1号纳米合金钢时，采取了如下的工艺方法。
(1).原料准备。按照如下配比配制出原料，共计1000千克。
使用含钨93％的碳化钨：96.8千克
含99％的电解锰：16.2千克
使用50％钒铁合金：128千克
含铌65％的铌粉：24.6千克
使用60％铝铁合金：153.4千克
使用60％铬铁合金：83.4千克
铸铁：1500千克
(2).入炉冶炼。将准备好的原料加入到真空感应炉中。封闭好炉子，抽真空，炉内压力降到时760mmHg后充入氩气达到500mmHg，开始加热到1680℃度。
(3).待到原料全部熔化且成份均匀之后，将钢水倒入事先准备好的钢水包中，铸造成型。
经过检验，获得的1号纳米合金钢材料的有关指标为：
晶粒粒度：平均粒度20.6mn
硬度：55-65HRC
抗压强度：3900-4100Mpa。
Claims (3)
1.一种高强耐磨耐高温合金钢材料，该种合金钢含有金属铌、钒、钨等金属元素，其特征在于合金钢成份按重量百分数为：钨含量0.0-6.0；锰含量0.6-3.0；钒含量2.0-6.0；铌含量0.2-4.0；钼含量2.0-7.0；碳含量0.5-4.0；铬含量1.0-8.0；其他元素含量0.0-3.0；其余成份为铁，合金钢中有80％晶粒粒度小于50纳米。
2.按着权利要求1所述的一种高强耐磨耐高温合金钢材料，其特征为合金钢中合金元素钨、锰、钒、铌、钼、碳、铬的总重量不超过合金钢总重量20％。
3.一种按着权利要求1所述的合金钢材料的制取方法，该种方法主要包括原料准备、冶炼出钢、铸造成型等工序，其特征在于方法中以真空感应炉为主要设备，原料装入后抽真空，炉内压力降到760mmHg时，充入氩气到500mmHg，开始加热进行熔化冶炼，冶炼温度为1620-1750℃。
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