CN107130177A - 一种耐磨耐蚀合金钢材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨耐蚀合金钢材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：C：0.23～0.28％，Cr：7.5～10.0％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～0.8％，Zr：0.1～0.6％，Mo：0.3～0.6％，Ni：0.5～0.8％，Ce：0.1～0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。本申请提供的耐磨耐蚀铁基合金材料洛氏硬度为53.5HRC，抗拉强度为1833Mpa，冲击韧性为91J/cm2，在模拟弱酸性铜矿矿浆中的年腐蚀速率为0.025mm/a，且呈现出自钝化特征，耐蚀性相比于湿磨工况用材高锰钢提高6倍，动态抗腐蚀磨损速率比高锰钢提高1.1倍，服役寿命明显提升。

Description

一种耐磨耐蚀合金钢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢材料技术领域，尤其涉及一种耐磨耐蚀合金钢材料及其制备方法。
背景技术
湿态磨损腐蚀是消耗耐磨钢铁零部件最严酷的作用形式之一，广泛存在于海洋开发、矿山冶金、石油化工、水利电力、能源交通、机械建材等国家关键工业领域中的服役设备上，如管线、螺旋桨、泵、水轮机、衬板、铲齿等。
现有技术中，铁基合金材料存在耐磨、耐腐蚀性能不能同时兼顾的问题，如刘长华等公开了两种含Ni元素量较高的衬板用低碳合金钢衬板材料(参见《两种衬板用低碳合金钢组织和性能研究》，刘长华等，热加工工艺，2011,40(17):29-31)，不仅增大了成本，且洛氏硬度低，耐磨性能也有待提高；CN104532130A公开了一种湿式球磨机用高强韧性耐蚀衬板，该衬板材料能满足大湿式球磨机衬板的抗冲击性，但在湿式弱酸性介质中其较高的碳含量及较低的铬含量将不利于其耐腐蚀性能；CN1932066公开了一种低碳高合金球磨机衬板钢，该衬板钢在湿式磨矿机衬板的工作环境下具有很好的耐磨性，但没有关于耐蚀性的相关记载。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐磨耐蚀合金钢材料，兼具耐磨损性能及耐腐蚀性能的合金钢材料及制备方法，以供弱酸性湿式磨损腐蚀环境用设备的选材。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：
C：0.23～0.28％，Cr：7.5～10.0％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～0.8％，Zr：0.1～0.6％，Mo：0.3～0.6％，Ni：0.5～0.8％，Ce：0.1～0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。
优选地，所述耐磨耐蚀合金钢材料包括以下重量百分含量的组分：
C：0.26％，Cr：9.30％，Si：1.37％，Mn：0.68％，Zr：0.24％，Mo：0.40％，Ni：0.69％，Ce:0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。
本发明还提供了上述技术方案所述耐磨耐蚀合金钢材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将钢源、铬源、脱氧剂、硅源、钼源、锆源、镍源、锰源和稀土铈进行熔炼，得到钢水；
(2)将所述步骤(1)得到的钢水浇铸成型，得到合金钢铸件；
(3)对所述步骤(2)得到的合金钢铸件依次进行退火、淬火和回火得到耐磨耐蚀合金钢材料。
优选地，所述步骤(2)中脱氧剂的质量为钢水质量的0.1～0.2％。
优选地，所述步骤(2)中熔炼的温度为1620～1670℃。
优选地，所述熔炼包括3～5次熔炼造渣。
优选地，所述步骤(3)中退火的温度为1020～1050℃，所述退火的时间为4～6h。
优选地，所述步骤(3)中淬火包括第一加热、第一保温、第二加热和第二保温；
所述第一加热的温度为650～680℃，所述第一保温的时间为5～8h；
所述第二加热的温度为1030～1050℃，所述第二保温的时间为8～12h。
优选地，所述步骤(3)中回火的温度为180～220℃，所述回火的保温时间为6～8h。
优选地，所述步骤(3)中淬火为油淬。
本发明提供了一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：C：0.23～0.28％，Cr：7.5～10.0％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～0.8％，Zr：0.1～0.6％，Mo：0.3～0.6％，Ni：0.5～0.8％，Ce：0.1～0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。碳是钢铁材料中最基本的元素之一，能够极大影响合金钢的力学性能及耐蚀性；铬元素是铁素体形成元素，是提高合金钢耐蚀性能的关键元素；镍元素能提高淬透性，扩大奥氏体区，有利于强度、韧性及耐蚀性的提高；钼元素能够提高钢铁淬透性及细化晶粒；锆元素是强碳化物形成元素，有脱气、净化和细化晶粒等作用，而且锆元素的加入有利于材料在腐蚀介质中表面自发形成一层具有保护性的钝化膜，对于提高耐腐蚀性能有关键作用；硅元素能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，且在改善钢中杂质分布方面有重要作用；铈元素是一种稀土变质剂，起到细化晶粒等作用，进而提高合金钢材料的耐腐蚀性能。本发明精确控制合金钢材料中各元素的含量，提高了合金钢材料的强度、韧性、耐磨性及耐腐蚀性能，以供湿式磨损腐蚀环境设备选材。实施例的数据表明，本申请提供的耐磨耐蚀铁基合金材料洛氏硬度为53.5HRC，抗拉强度为1833Mpa，冲击韧性91J/cm2，在模拟弱酸性铜矿矿浆中的年腐蚀速率为0.025mm/a，且呈现出自钝化特征，耐蚀性相比于湿磨工况用材高锰钢提高6倍，动态抗腐蚀磨损速率比高锰钢提高1.1倍，服役寿命明显提升。
并且，本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料的制备方法中，通过对合金钢铸件依次进行退火、淬火和回火形成马氏体组织，退火有助于使大型合金钢铸锭组织成分均匀化；淬火采用分级加热保证铸锭温度均匀；淬火后进行回火处理，有助于去除淬火过程中合金钢内部产生的残余应力。
具体实施方式
本发明提供了一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：
C：0.23～0.28％，Cr：7.5～10.0％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～0.8％，Zr：0.1～0.6％，Mo：0.3～0.6％，Ni：0.5～0.8％，Ce：0.1～0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为0.23～0.28％的C，优选为0.26％。本发明中，所述碳是钢铁材料中最基本的元素之一，能够极大影响合金钢的力学性能及耐蚀性，随着含碳量的增加，合金钢的强度、硬度一般增大，韧性、耐蚀性降低，因此湿式环境下的服役合金钢碳含量需要适中，保证强度、硬度的同时，韧性及耐蚀性不能恶化明显，故本发明碳的质量百分比为0.23～0.28％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为1.0～1.5％的Si，优选为1.37％。本发明中，所述硅元素能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，且在改善钢中杂质分布方面有重要作用，故本发明硅的质量百分比为1.0～1.5％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为0.1～0.6％的Zr，优选为0.24％。本发明中，所述锆元素是强碳化物形成元素，有脱气、净化和细化晶粒等作用，而且Zr元素的加入有利于合金材料在腐蚀介质中表面自发形成一层具有保护性的钝化膜，对于提高合金材料的耐腐蚀性能有关键作用，故本发明锆的质量百分比为0.1～0.6％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为7.5～10.0％的Cr，优选为9.30％。本发明中，所述铬元素是铁素体形成元素，一般而言，当其百分含量达到约13％时，面心立方相区缩小至消失，此时将无法通过热处理得到力学耐磨性能较好的马氏体组织，然而铬含量的增加是提高合金钢耐蚀性能的关键元素，故本发明铬的质量百分比为7.5～10.0％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为0.5～0.8％的Ni，优选为0.69％。本发明中，所述镍元素能提高淬透性，扩大奥氏体区，有利于强度、韧性及耐蚀性的提高，但是由于资源较为稀缺，其成本较高，故从性价比考虑其成分范围为0.5～0.8％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为0.3～0.6％的Mo，优选为0.40％。本发明中，所述钼元素主要是为了提高钢铁淬透性及细化晶粒而加入的，含量控制在0.3～0.6％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为0.1～0.2％的Ce，优选为0.2％。本发明中，所述铈元素是一种稀土变质剂，起到细化晶粒等作用，进而提高合金钢材料的耐腐蚀性能，铈元素的质量百分含量控制在0.1～0.2％。
本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料，包括重量百分含量为0.5～0.8％的Mn，优选为0.68％。本发明中，所述锰元素用以提高合金钢的淬透性，所以本发明中，锰元素的质量百分含量控制在0.5～0.8％。
本发明中，所述P和S为杂质元素，所述P重量百分含量≤0.04％；所述S重量百分含量≤0.04％。
本发明还提供了上述技术方案所述耐磨耐蚀合金钢材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将钢源、铬源、脱氧剂、硅源、锆源、钼源、镍源、锰源和稀土铈进行熔炼，得到钢水；
(2)将所述步骤(1)得到的钢水浇铸成型，得到合金钢铸件；
(3)对所述步骤(2)得到的合金钢铸件依次进行退火、淬火和回火得到耐磨耐蚀合金钢材料。
本发明将钢源、铬源、脱氧剂、硅源、锆源、钼源、镍源、锰源和稀土铈进行熔炼，得到钢水。在本发明中，所述钢源优选为废钢，所述铬源优选为铬铁，所述硅源优选为硅铁，所述钼源优选为钼铁，所述镍源优选为镍铁，所述锰源优选为锰铁，所述锆源优选为锆铁，本发明对所述钢源、铬源、硅源、锆源、钼源、镍源、锰源和稀土铈的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
本发明对所述钢源、铬源、脱氧剂、硅源、锆源、钼源、镍源、锰源和稀土铈的加料顺序没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加料顺序即可，在本发明中，优选先将钢源和铬源熔炼，再加入脱氧剂、硅源、锆源、钼源、镍源和锰源进行熔炼，最后加入稀土铈；所述稀土铈更优选为通过钢包加入，所述钢包的底部放置稀土铈。在本发明中，所述熔炼产物加入钢包时的温度优选为1620～1670℃，更优选为1640～1660℃，最优选为1650℃。本发明优选对所述钢包进行预热，所述预热的温度优选为大于等于800℃，更优选为850～900℃。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1620～1670℃，更优选为1640～1660℃，最优选为1650℃；所述熔炼优选包括3～5次熔炼造渣，更优选为4次熔炼造渣。本发明对所述熔炼的时间没有特殊的限定，能够使各原料完全熔化、得到混合均匀的液体即可。本发明中所述熔炼能够降低合金钢材料中夹杂物的含量，如O、P、S元素。
在本发明中，所述脱氧剂的质量优选为钢水质量的0.1～0.2％，更优选为0.12～0.14％，所述脱氧剂能够除去钢水中的O元素，与所述熔炼起到相辅相成的作用，降低钢水中夹杂物的含量。在本发明中，所述脱氧剂在进行熔炼时会形成固体物质，通过固液分离能够除去，不会对合金钢材料的元素组成产生影响。本发明对所述固液分离的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的固液分离方式即可。本发明对所述脱氧剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可；在本发明实施例中优选为铝脱氧剂。
本发明对所述熔炼的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔炼装置即可，在本发明实施例中，所述熔炼优选在中频感应炉中进行。
得到钢水后，本发明将所述钢水浇铸成型，得到合金钢铸件。在本发明中，所述浇注成型的温度优选为1580～1600℃，更优选为1585～1595℃。本发明对所述浇铸成型用的模具形状没有特殊的限定，本领域技术人员可以根据需要选择任意形状的模具。
得到合金钢铸件后，本发明对所述合金钢铸件依次进行退火、淬火和回火得到耐磨耐蚀铁基合金材料。
本发明对所述合金钢铸件进行退火。在本发明中，所述退火的温度优选为1020～1050℃，更优选为1030～1040℃；所述退火的时间优选为4～6h，更优选为4.5～5.5h。在本发明中，所述合金钢铸件升温至退火温度的升温速率优选为50～200℃/h，更优选为100～150℃/h。本发明中，所述退火有助于使大型合金钢铸件组织成分均匀化。
在本发明中，所述退火的冷却优选为随炉冷却，不需要额外的加热或降温。
退火完成后，本发明对所述退火后的产物进行淬火。在本发明中，所述淬火优选依次包括第一加热、第一保温、第二加热和第二保温。在本发明中，所述第一保温的温度优选为650～680℃，更优选为660～670℃，所述第一保温的时间优选为5～8h，更优选为6～7h，所述第一加热的升温速率优选为50～200℃/h，更优选为100～150℃/h；所述第二保温的温度优选为1020～1050℃，更优选为1030～1040℃，所述第二保温的时间优选为8～12h，更优选为9～11h，所述第二加热的升温速率优选为50～200℃/h，更优选为100～150℃/h。本发明中，所述淬火采用分级加热保证合金钢铸件温度均匀。
本发明对所述淬火使用的介质没有特殊的限定，在本发明实施例中，所述淬火优选为油淬，所述油淬的油温优选为不超过120℃，更优选为100～110℃。
所述第二保温完成后，本发明将所述第二保温后的产物冷却至室温。在本发明中，所述冷却优选为油淬冷却，不需要额外的加热或降温。
淬火完成后，本发明对所述淬火后的产物进行回火。在本发明中，所述回火的温度优选为180～220℃，更优选为190～210℃，最优选为195～205℃；所述回火的保温时间优选为6～8h，更优选为7h。在本发明中，升温至所述回火温度的升温速率优选为50～100℃/h，更优选为60～90℃/h，最优选为70～80℃/h。
在本发明中，所述回火的冷却优选为空冷，不需要额外的加热或降温。
回火完成后，本发明优选还包括对所述回火的产物进行打磨。本发明对所述打磨的具体方式没有特殊的限定，采用本领域常用的、能够使合金钢铸件达到表面光滑的方式即可。
下面结合实施例对本发明提供的耐磨耐蚀合金钢材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：C：0.26％，Cr：9.48％，Si：1.37％，Mn：0.68％，Zr：0.13％，Mo：0.41％，Ni：0.69％，Ce:0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量为Fe。
其制备方法步骤如下：
①以废钢、铬铁、硅铁、锆铁、钼铁、镍板及锰铁为原料在中频感应炉中于1650℃熔炼3次得到钢水，其中铝脱氧剂的质量为钢水质量的0.1％，当钢水的熔炼温度达1650℃后倒入至烘烤温度为800℃的钢包中，钢包底部加入所要求的质量百分比的稀土铈，继续熔炼至混合均匀，然后将钢水浇入铸型中，得到合金钢铸件；
②得到的合金钢铸件以90℃/h的速率升温至1050℃保温4h进行退火，然后炉冷至室温，再以90℃/h的速率升温至650℃保温6h，继续以90℃/h的速率升温加热至1050℃保温10h，油冷至室温，最后以90℃/h的速率升温至220℃，保温5h进行回火，出炉空冷至室温。
由此得到的耐磨蚀合金钢材料洛氏硬度为55HRC，抗拉强度为1580Mpa，冲击韧性30J/cm2，在模拟弱酸性铜矿矿浆中的年腐蚀速率为0.034mm/a，且呈现出自钝化特征，耐蚀性相比于湿磨工况用材高锰钢提高4.2倍，动态抗腐蚀磨损速率比高锰钢提高55％，服役寿命明显提升。
实施例2
一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：C：0.26％，Cr：9.30％，Si：1.37％，Mn：0.68％，Zr：0.24％，Mo：0.40％，Ni：0.69％，Ce:0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量为Fe。
其制备方法步骤如下：
①以废钢、铬铁、硅铁、锆铁、钼铁、镍板及锰铁为原料在中频感应炉中于1600℃熔炼4次得到钢水，其中铝脱氧剂的质量为钢水质量的0.2％，当钢水的熔炼温度达1600℃后倒入至烘烤温度为900℃的钢包中，钢包底部加入所要求的质量百分比的稀土铈，继续熔炼至混合均匀，然后将钢水浇入铸型中，得到合金钢铸件；
②得到的合金钢铸件以100℃/h的速率升温至1020℃保温6h进行退火，然后炉冷至室温，再以100℃/h的速率升温至660℃保温5h，继续以100℃/h的速率升温加热至1030℃保温8h，油冷至室温，最后以50℃/h的速率升温至205℃，保温7h进行回火，出炉空冷至室温。
由此得到的耐磨蚀合金钢材料洛氏硬度为53.5HRC，抗拉强度为1833Mpa，冲击韧性91J/cm2，在模拟弱酸性铜矿矿浆中的年腐蚀速率为0.025mm/a，且呈现出自钝化特征，耐蚀性相比于湿磨工况用材高锰钢提高6倍，动态抗腐蚀磨损速率比高锰钢提高1.1倍，服役寿命明显提升。
实施例3
一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：C：0.27％，Cr：9.71％，Si：1.39％，Mn：0.68％，Zr：0.48％，Mo：0.40％，Ni：0.71％，Ce:0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量为Fe。
其制备方法步骤如下：
①以废钢、铬铁、硅铁、锆铁、钼铁、镍板及锰铁为原料在中频感应炉中于1670℃熔炼5次得到钢水，其中铝脱氧剂的质量为钢水质量的0.2％，当钢水的熔炼温度达1640℃后倒入至烘烤温度为850℃的钢包中，钢包底部加入所要求的质量百分比的稀土铈，继续熔炼至混合均匀，然后将钢水浇入铸型中，得到合金钢铸件；
②得到的合金钢铸件以150℃/h的速率升温至1020℃保温6h进行退火，然后炉冷至室温，再以150℃/h的速率升温至680℃保温5h，后继续以150℃/h的速率升温加热至1020℃保温12h，油冷至室温，最后以80℃/h的速率升温至180℃，保温12h进行回火，出炉空冷至室温。
由此得到的耐磨耐蚀合金钢材料洛氏硬度为51HRC，抗拉强度为979.37Mpa，冲击韧性37J/cm2，在模拟弱酸性铜矿矿浆中的年腐蚀速率为0.016mm/a，且呈现出自钝化特征，耐蚀性相比于湿磨工况用材高锰钢提高10倍，动态抗腐蚀磨损速率比高锰钢提高1.2倍，服役寿命明显提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐磨耐蚀合金钢材料，包括以下重量百分含量的组分：
C：0.23～0.28％，Cr：7.5～10.0％，Si：1.0～1.5％，Mn：0.5～0.8％，Zr：0.1～0.6％，Mo：0.3～0.6％，Ni：0.5～0.8％，Ce：0.1～0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。
2.根据权利要求1所述的耐磨耐蚀合金钢材料，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：
C：0.26％，Cr：9.30％，Si：1.37％，Mn：0.68％，Zr：0.24％，Mo：0.40％，Ni：0.69％，Ce:0.2％，P≤0.04％，S≤0.04％，余量的Fe。
3.权利要求1或2所述的耐磨耐蚀合金钢材料的制备方法，包含以下步骤：
(1)将钢源、铬源、脱氧剂、硅源、锆源、钼源、镍源、锰源和稀土铈进行熔炼，得到钢水；
(2)将所述步骤(1)得到的钢水浇铸成型，得到合金钢铸件；
(3)对所述步骤(2)得到的合金钢铸件依次进行退火、淬火和回火得到耐磨耐蚀合金钢材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中脱氧剂的质量为钢水质量的0.1～0.2％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中熔炼的温度为1620～1670℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼包括3～5次熔炼造渣。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中退火的温度为1020～1050℃，所述退火的时间为4～6h。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中淬火包括第一加热、第一保温、第二加热和第二保温；
所述第一加热的温度为650～680℃，所述第一保温的时间为5～8h；
所述第二加热的温度为1030～1050℃，所述第二保温的时间为8～12h。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中回火的温度为180～220℃，所述回火的保温时间为6～8h。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中淬火为油淬。
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