CN101497966B - 高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料。本发明的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料采用多元合金化，特别是碳、铬、锰、钼和钨的加入，使得材料比起现有的高铬铸铁具有淬透性好，硬度高，耐磨蚀性能和耐磨性更好等优势，从而扩大了材料的应用范围。本发明的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料适于制备磨损和腐蚀磨损特别是冲刷腐蚀磨损工况用的零部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨钢铁材料，特别涉及一种高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料及其应用，属于金属耐磨材料技术领域。
背景技术
目前，在冶金、电力、建材、建筑、煤炭、化工、机械等行业的冲刷腐蚀磨损工况条件下，常用含铬量为10％～30％的高铬铸铁材料。
含铬量为10％～30％的高铬铸铁材料的代表为KmTBCr26铸铁，KmTBCr26铸铁硬度约58～61HRC(洛氏硬度)。目前，包括KmTBCr26铸铁在内的高铬铸铁材料由于通过在空气中冷却淬火，从而具有马氏体基体为主的显微组织，硬度和耐磨性较高。但是，其耐磨性尤其是冲刷腐蚀磨损工况的耐磨蚀性能还有待提高。另外，使用目前的高铬铸铁材料形成的铸件因用空淬工艺而显得淬透性有些不足，其中亚共晶和共晶高铬铸铁的硬度还较低，铸件使用的寿命有限。
发明内容
本发明的首要目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料。
本发明的另一目的在于提供上述钢铁材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量百分比的化学成分：碳(C)3.0～5.5％，硅(Si)0.3～2.0％，铬(Cr)25.5～40％，锰(Mn)0.3～3.5％，钼(Mo)0.1～3.5％，钨(W)0.1～3.5％，磷(P)≤0.1％，硫(S)≤0.1％，余量为铁(Fe)。
所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料还可以包含以下一种或至少两种的化学成分，各化学成分质量百分含量为：铜(Cu)0.1～2.0％，镍(Ni)0.1～2.0％，钛(Ti)0.01～1.0％，锆(Zr)0.01～1.0％，钒(V)0.01～1.0％，铌(Nb)0.01～1.0％，铝(Al)0.01～0.1％，氮(N)0.01～0.3％，硼(B)0.001～0.03％或稀土元素(RE)0.01～0.4％。
为了更好地实现本发明，所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料包含以下质量百分含量化学成分的混合物：氮0.01～0.3％，铌0.01～1.0％，硼0.001～0.03％和稀土元素0.01～0.4％。
在所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料中，当所述铬的质量百分含量为25.5～30％，其中碳的质量百分含量优选为3.3～5.5％，更优选为3.65～5.0％；当所述铬的质量百分含量为30.5～40％，其中碳的质量百分含量优选为3.0～5.5％，更优选为3.55～5.5％，最优选为4.55～5.5％；当所述铬的质量百分含量为35.5～40％，其中碳的质量百分含量优选为3.05～5.5％，更优选为4.55～5.5％。
所述钨的质量百分含量优选为0.81～3.0％，更优选为2.05～3.0％。
上述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的制备方法，包括如下步骤：将生铁、废钢、纯金属和铁合金等原材料加入电炉冶炼，浇铸成型后，将铸造零部件加热至990℃～1060℃进行保温，保温时间根据铸件壁厚而定，一般不少于2小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃进行不少于2小时的回火处理，即得高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料。
所述纯金属为铜、镍的一种或两种。
所述制备方法中用到的生铁、废钢、纯金属和铁合金等原材料均为公知的商品化普通原材料，均可从市场上购买获得。
所述材料适于制备磨损和腐蚀磨损特别是冲刷腐蚀磨损工况用的零部件。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，由于其中含有高碳量(3.0～5.5％)和高铬量(25.5～40％)，使材料达到过共晶状态，导致所述材料显微组织中结晶出高硬度的一次碳化物，同时致使材料的碳化物体积分数提高，约达到30～60％，从而提高材料的硬度，强化了材料的耐磨性和耐磨蚀性。随着材料中的含碳量和/或含铬量的增加，碳化物体积分数提高，材料的硬度提高。材料的高铬量提高了材料的电极电位，提高了材料的抗氧化性特别是耐腐蚀性，从而强化了材料的耐磨蚀性。同时，材料的高碳含量和高铬含量还使材料基体部分固溶高碳量和高铬量，从而提高了材料的淬透性。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有质量百分含量0.3～3.5％的锰元素(Mn)，锰不仅有利于提高材料的热处理淬透性，而且有利于材料得到一定体积分数的残余奥氏体，从而提高材料的韧性和固溶强化基体。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有质量百分含量0.1～3.5％的钼元素(Mo)，钼不仅细化材料的晶粒和碳化物，而且提高材料的热处理淬透性、碳化物硬度和固溶强化基体。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有质量百分含量0.1～3.5％的钨元素(W)，钨不仅细化材料的晶粒和碳化物，而且提高材料的热处理淬透性、碳化物硬度和固溶强化基体。随着含钨量的提高，钨细化材料的晶粒和碳化物，提高材料的热处理淬透性、碳化物硬度和固溶强化基体的效果更加显著。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有钼、钨化学成分，特别是同时含有锰、钼和钨元素化学成分时，这三个化学成分发挥交互和协同作用，显著细化材料的晶粒和碳化物，提高了材料的热处理淬透性，也提高了碳化物硬度和固溶强化基体，从而提高了材料的耐磨蚀性和耐磨性。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有质量百分含量0.001～0.03％的硼元素(B)，硼细化材料的晶粒，促使碳化物细化，固溶强化基体，提高材料淬透性，提高冲击韧性，提高硬度，强化了材料的耐磨蚀性。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有稀土元素(RE)，稀土元素能细化材料的晶粒，净化金属液，促使碳化物细化，改善碳化物形态。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有铌元素(Nb)，铌能细化材料的晶粒，促使碳化物细化，改善碳化物形态。
本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其中含有氮元素(N)，氮能细化材料的晶粒，促使碳化物细化，改善碳化物形态。特别所述材料同时含有氮、铌、硼和稀土元素，氮、铌、硼和稀土元素协同作用，能进一步细化材料的晶粒，促使碳化物细化，改善碳化物形态，提高材料的硬度和韧性，提高材料淬透性，提高了材料的耐磨蚀性能和耐磨性能。
在本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料中，铜(Cu)、镍(Ni)进一步提高材料的淬透性；铜、硅和镍进一步提高材料的耐蚀性；钛、锆和钒细化材料的晶粒，促使碳化物细化，改善碳化物形态；铝和硅净化金属液。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，由于在材料中含有了较多的碳和铬元素以及一定数量的锰、硅、钼、钨元素，必要时还含有了氮、铌、硼和稀土元素以及钛、锆、钒、铝元素，从而，本发明的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料比起现有的高铬铸铁材料具有以下优势：淬透性更好，硬度更高，耐磨蚀性能更好。本发明的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料由于淬透性好，硬度高，耐磨蚀性和耐磨性提高，导致应用范围扩大。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳3.0％，硅0.6％，锰1.3％，铬30.5％，钼1.5％，钨0.81％，磷：0.056％，硫0.05％，余量为铁。将铸造零部件加热到1050℃保温2小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温2小时进行回火处理，硬度63～65HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的1.3倍。
实施例2
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳3.65％，硅0.7％，锰0.3％，铬25.5％，铜0.5％，钼0.6％，钨2.5％，钒0.2％，磷0.051％，硫0.056％，余量为铁。将铸造零部件加热到990℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温3小时进行回火处理，硬度64～66HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的1.4倍以上。
实施例3
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳5.0％，硅1.2％，锰3.5％，铬30％，钼2.6％，钨0.3％，硼0.005％，稀土元素0.2％，铜1.1％，镍0.2％，钒0.01％，铌0.15％，氮0.18％，磷0.048％，硫0.05％，余量为铁。将铸造零部件加热到1020℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温3小时进行回火处理，硬度65～67HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2倍以上；是不含有氮-铌-硼-稀土元素元素时材料(按本实施例方法制备，仅不含氮-铌-硼-稀土元素，其他化学成分相同)的1.3倍以上。
实施例4
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳5.5％，硅0.6％，锰2.9％，铬35.5％，硼0.01％，稀土元素0.3％，钼1.8％，钨2.05％，磷0.052％，硫0.051％，余量为铁。将铸造零部件加热到1010℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度66～68HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2.5倍以上。
实施例5
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳4.55％，硅0.9％，锰1.9％，铬40％，钼1.2％，钨3.0％，磷0.055％，硫0.051％，余量为铁。将铸造零部件加热到1010℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度66～68HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2.5倍以上。
实施例6
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳4.6％，硅1.0％，锰2.6％，铬：35％，钼0.6％，钨1.3％，铜1.1％，镍0.3％，钛1.0％，锆0.01％，钒0.1％，铌0.01％，铝0.02％，氮0.05％，硼0.007％，稀土元素0.25％，磷0.049％，硫0.055％，余量为铁。将铸造零部件加热到1040℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度66～68HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2.5倍以上；是不含有氮-铌-硼-稀土元素元素的材料(按本实施例方法制备，仅不含氮-铌-硼-稀土元素，其他化学成分相同)的1.2倍以上。
实施例7
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳3.55％，硅0.7％，锰1.9％，铬38％，钛0.01％，铌1.0％，稀土元素0.3％，钼1.3％，钨2.5％，磷0.045％，硫0.05％，余量为铁。将铸造零部件加热到1010℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度64～66HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的1.6倍以上。
实施例8
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳3.05％，硅1.2％，锰1.2％，铬40％，钼3.5％，钨0.1％，铜0.1％，镍2.0％，氮0.01％，稀土元素0.4％，磷0.1％，硫0.04％，余量为铁。将铸造零部件加热到1060℃保温2小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温3小时进行回火处理，硬度64～66HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的1.4倍以上。
实施例9
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳5.5％，硅0.3％，锰1.9％，铬30.5％，硼0.03％，钼0.1％，钨3.5％，铝0.01％，磷0.057％，硫0.1％，余量为铁。将铸造零部件加热到1030℃保温4小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度65～67HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2.1倍以上。
实施例10
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳3.3％，硅2.0％，锰1.0％，铬25.5％，钼1.4％，钨0.9％，铜2.0％，镍0.1％，锆1.0％，氮0.3％，磷0.05％，硫0.051％，余量为铁。将铸造零部件加热到1000℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温2小时进行回火处理，硬度63～65HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的1.3倍以上。
实施例11
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳5.5％，硅0.6％，锰2.3％，铬28％，硼0.001％，钼1.6％，钨2.25％，钒1.0％，铝0.1％，稀土元素0.01％，磷0.051％，硫0.047％，余量为铁。将铸造零部件加热到1040℃保温4小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度65～67HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2.0倍以上。
实施例12
本实施例的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量比的化学成分：碳4.55％，硅0.9％，锰1.9％，铬40％，钼1.2％，钨3.0％，磷0.055％，硫0.051％，硼0.025％，余量为铁。将铸造零部件加热到1010℃保温3小时，然后再将零部件在空气中淬火冷却，再在280℃保温4小时进行回火处理，硬度67～69HRC。在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上浆料(硅砂+水)做冲刷腐蚀磨损试验，本实施例的高硬度过共晶高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料的耐磨蚀性是KmTBCr26(含C2.7％，硬度61HRC)的2.5倍以上。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，含有下列质量百分比的化学成分：碳3.05～5.5％，硅0.3～2.0％，铬35.5～40％，锰0.3～3.5％，钼0.1～3.5％，钨0.1～3.5％，磷≤0.1％，硫≤0.1％，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其特征在于：所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料还包含以下一种或至少两种的化学成分，各化学成分质量百分含量为：铜0.1～2.0％、镍0.1～2.0％、钛0.01～1.0％、锆0.01～1.0％、钒0.01～1.0％、铌0.01～1.0％、铝0.01～0.1％、氮0.01～0.3％、硼0.001～0.03％或稀土元素0.01～0.4％。
3.根据权利要求2所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其特征在于：所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料包含以下质量百分含量化学成分的混合物：氮0.01～0.3％、铌0.01～1.0％、硼0.001～0.03％和稀土元素0.01～0.4％。
4.根据权利要求1所述的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其特征在于：所述碳的质量百分含量为4.55～5.5％。
5.根据权利要求1～3任一项所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其特征在于：所述钨的质量百分含量为0.81～3.0％。
6.根据权利要求1～3任一项所述高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料，其特征在于：所述钨的质量百分含量为2.05～3.0％。
7.一种权利要求1～3任一项所述的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料应用于制备磨损工况用的零部件。
8.一种权利要求1～3任一项所述的高硬度过共晶的高铬锰钼钨合金耐磨钢铁材料应用于制备冲刷腐蚀磨损工况用的零部件。
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