CN102242317A

CN102242317A - 多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢

Info

Publication number: CN102242317A
Application number: CN2010102884051A
Authority: CN
Inventors: 王军祥; 王斌; 白顺成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN102242317B

Abstract

本发明涉及一种多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢，其组成质量百分比为：C 0.8～1.2 Mr6-8 Si 0.3～0.8 Cr 1.0～2.5 W 0.4～1.0 Cu 0.3～1.0 S≤0.04 P≤0.07复合变质剂≤1，其余为Fe。耐磨钢成型包括配料、熔炼、变质处理、浇注、消失模负压成型、水韧处理等工艺过程。制备材料在0.5～3.0J/cm²冲击载荷下，其表面发生显著的应变诱发马氏体相变，在物料输送管道、料仓衬板、球磨机衬板上使用寿命比高锰钢提高2～4倍。

Description

多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢

技术领域：

本发明涉及耐磨材料，尤其是一种多元合金化耐磨、耐冲击合金钢及制备工艺，适用于金属矿山、煤矿、电力行业的球磨机衬板、料仓衬板和物料输送管道等。

背景技术：

1882年英国人Hadfield发明了奥氏体高锰钢后，这种钢作为金属耐磨材料已广泛用于矿石破碎、选煤、水泥生产与电力等行业。随着材料科学的发展，人们对现用高锰钢的认识也日益清晰，在使用中发现高锰钢并不耐磨，使用寿命较短。

矿山机械磨损件在服役时的冲击载荷属中低档冲击范畴(≤3.5J/cm²)，其实际服役条件提供的冲击能量满足不了高锰钢产生α-M相变的需求。国内外大量研究也证明：在工程所需的抗冲击磨损件中，高锰钢材料只发生微量塑性变形引发孪晶、位错密度的增加，其力学性能中发生了强度、硬度的提高，这种现象就是人们所熟悉的加工硬化现象，其微观机制为位错强化。用于矿石破磨机械的衬板、物料输送管道、工程机械中挖掘机斗齿、推土机铲刃、履带板等的强化效果和耐磨性均不尽人意。例如：球磨机衬板在磨损失效时，测定表面的硬度仅为HB250左右，与它未使用时的硬度(HB200)相比，其强化系数只有1.25。即使是冲击磨损条件很恶劣的履带板，失效后的表面硬度最高只有HB300，其强化系数也只有1.5。国内外大量的研究认为：在中等和较弱冲击条件下，高锰钢并不能得到很好地强化。高锰钢由于奥氏体结构的层错能小，在形变过程中亚结构容易发生变化，从而产生位错纠缠、细小形变孪晶，而不可能出现α马氏体，在形变后硬化程度并没有达到更高的数值。这一观点深刻地阐述了高锰钢的不足之处。要提高矿山机械中承受冲击载荷磨损件的耐磨性能和使用寿命的最有效途径是改变锰钢材料的强化机制，实现奥氏体向α-M相变的强化机制。要实现这一目标，关键在于降低锰钢的奥氏体稳定性，也即提高马氏体开始相变的温度Ms。

发明主要内容：

针对现有高锰钢在应用领域存在的问题，本发明提供一种多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢。在系统研究不同的合金配比对耐磨钢的表面强化、拉伸、冲击等常规力学性能影响，设计材料在中低档冲击载荷下实现应变诱发α-M相变强化机制，其表层的强化系数高(≥2)。以先进的消失模负压生产工艺进行生产，同时实现对熔炼温度、浇注温度、负压度、水韧温度等工艺参数控制，获得强韧性、高耐磨的抗冲击疲劳耐磨钢。

技术方案：一种多元合化金抗冲击疲劳耐磨钢。其化学成分和组成质量百分比为：C0.8～1.2Mn 6-8 Si 0.3～0.6 Cr 1.0～2.5 W 0.4～1.0 Cu 0.3～1.0 S≤0.04 P≤0.07复合变质剂≤1，其余为Fe。复合变质剂为硅铁合金、钛铁合金，其组成百分比为：Re 7～8 Si 9～12Ti 20～25，其余为Fe。在多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢中：

碳和锰固溶于γ-Fe中，是影响耐磨钢奥氏体稳定性并获得所需力学性能最显著元素。随C含量的增加，冲击功Ak值增高，1.2％C具有最高的耐磨性。

Cr固溶于奥氏体中起到固溶强化作用，是提高锰钢屈服强度和冲击韧性最有效的合金元素。Cr元素的加入量以2.5％为限。

Si能显著提高固溶强化作用，使耐磨钢的回火温度提高而获得较高韧性。Si的加入量以0.3～0.6％较为合适。

W对力学性能影响明显，随着W含量的增加，铸态结构中奥氏体组织晶界碳化物将明显减少，对减轻铸件开裂的倾向特别明显，对提高水韧处理后的强度和韧性都是有利的，加入量以0.40～1.0％为限。

Cu是耐磨钢奥氏体的固溶强化元素，可提高水韧处理后的韧性和耐腐蚀性能，其加入量以小于1.0％为限。

B是表面活性元素，主要存在于奥氏体晶界缺陷处。在一定的加入量内，可提高淬透性，可提高材料的冲击韧性。

稀土元素的化学活泼性很强，稀土氧化物的生成自由能很低，它在钢液中首先形成稀土氧化物，同时稀土硫化物的生成自由能比MnS、FeS低得多，因此，稀土也是一种脱硫剂。在耐磨钢中能有效地减少夹杂物，净化奥氏体晶界，并能使夹杂物分散和球化。

以W、Cu、Ti、B等元素对耐磨钢进行多元合金化，能在奥氏体中形成适量弥散分布的第二相，从而提高在非强烈冲击工况下的耐磨性能。

具体实施方式：

在500Kg中频感应电炉中熔炼，碱性炉衬，分步加入铬铁、锰铁、硅铁、钨铁、紫铜及各种合金元素，熔炼温度为1510～1580℃。分别将复合变质剂分断成6×6mm左右的小块，采用包底冲入法加入。出炉温度约为1400～1450℃。熔化金属出完炉后立即搅拌，快速扒净熔渣，然后用珍珠岩覆盖表面。以1350℃～1370℃将熔化金属浇注到抽真空状态下EPS模具中，并充满EPS模具热解消失后的空间而获得钢件，浇注后维持负压真空度为0.04MPa，并保持8～12min。浇铸的基尔试样空冷至室温开箱，钢件经清理和打磨后将进入水韧处理工序。用高温电炉加热到1100±10℃，在30秒以内，进入循环水槽内进行水韧处理。

例如，对于物料输送管道、料仓衬板、球磨机衬板等，对冲击韧性要求较低，主要以磨粒磨损、冲蚀磨损为主，对材料表面硬度及材料强化速率要求较高。这样对应设计一种Ms点温度接近常温的低锰高碳耐磨钢，其组成质量百分比为：C 1.1 Mn 7 Si 0.4 Cr 1.8 W 0.6Cu 0.3 S≤0.04 P≤0.07，采用复合变质剂处理。

加工成拉伸试样、不带缺口的冲击试样各5块。其性能测试结果为：σ_b＝565Mpa，δ＝6.0％，ψ＝15.5％，Ak＝110J.cm^-2，HB＝220。水韧处理态后其金相组织为奥氏体，晶粒度为6～7级。耐磨钢在0.5～3.0J/cm²冲击疲劳磨料磨损5000次的条件下，均发生应变诱发马氏体相变，并且随冲击载荷的增加，材料表层马氏体含量从31％提高到57％，冲击后的表面硬度≥480HB，强化系数大于2.18。相同工况下的高锰钢均未发生马氏体相变。在物料输送管道、料仓衬板、球磨机衬板上使用元合金化抗冲击疲劳耐磨钢的寿命比铸钢锰13提高2～4倍。

Claims

1.一种多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢，在冲击载荷并伴有磨料磨损服役条件时，除了具有奥氏体钢固有的加工硬化特性外，其特征在于由应变诱发马氏体相变而进一步强化。

2.根据权利1要求的多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢，其特征在于该合金钢组成质量百分比为：C 0.8～1.2 Mn 6-8 Si 0.3～0.6 Cr 1.0～2.5 W 0.4～1.0 Cu 0.3～1.0 S≤0.04 P≤0.07复合变质剂≤1，其余为Fe。

3.根据权利2要求的多元合金化抗冲击疲劳耐磨钢，其特征在于采用变质剂处理，复合变质剂为硅铁合金、钛铁合金，其组成百分比为：Re 7～8 Si 9～12 Ti 20～25，其余为Fe。