CN107460405A - 超高硬度超高强度特质钢及其生产方法 - Google Patents

超高硬度超高强度特质钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高硬度超高强度特质钢及其生产方法，它属于钢铁冶炼技术领域。本发明主要是解决现有耐磨钢存在的原材料成本高和难以进行机械加工的技术问题。本发明采用的技术方案是：超高硬度超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE(稀土)、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn、Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％。本发明具有超高硬度和超高强度的优点。

Description

超高硬度超高强度特质钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种超高硬度超高强度特质钢及其生产方法，它属于钢铁冶炼技术领域。
背景技术
钢铁材料是应用最广泛、产量最大的结构和功能材料，具有性能可塑、可循环使用的特点，是国民经济建设不可替代的基础材料和重要战略物资。磨损是钢铁材料在使用过程中的一种主要失效方式。由于磨损造成钢铁材料的消耗是惊人的，我国每年仅由机械设备磨损而报废所造成的经济和材料方面的损失就占到了我国经济总产值的4％。因此，开发新型耐磨钢铁材料具有重要的经济和社会价值。
到目前为止，经材料成分设计和生产工艺的改良，耐磨钢铁材料的各方面性能都有了大幅度的提升。德国蒂森克虏伯钢铁公司(TKS)的XAR400、XAR450、XAR500，日本钢铁工程控股公司(JFE)的EH360、EH400、EH500等牌号的耐磨钢代表了目前国际上耐磨钢的最高水平，这些耐磨钢的硬度一般不高于HRC40～45，抗拉(压)强度不高于1600MPa。以高铬(～25wt％)白口铸铁为代表的高硬度耐磨铸铁的硬度能达到～HRC60，但原材料成本高和难以进行机械加工等缺陷限制了其工程应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有耐磨钢存在的原材料成本高和难以进行机械加工的技术问题，提供一种超高硬度超高强度特质钢及其生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
超高硬度超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE(稀土)、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn、Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，其中
进一步地，所述CaSibMncMd合金元素总含量a+b+c+d≥6.0％。
一种生产所述的超高硬度超高强度特质钢，其由下列步骤组成：
1)依据所述特质钢成分的重量百分比进行原料配料，配料用的原材料采用纯金属或中间合金、成分明确的废钢、用于调整含碳量的增碳剂、熔炼过程中需要的附加材料；
2)将步骤1)配料中的部分废钢及烧损小且难熔的金属或中间合金紧实地置于感应熔炼电炉，随后通电熔化；熔化过程中不断往电炉熔体内添加配料，直至全部配料熔化完毕；容易烧损的金属或中间合金最后熔化；
3)步骤2)熔化的钢水温度达到1600℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.5～2.5％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土20％、稀土硅铁25％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素25％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 40％、Cu 25％、Sb 15％、Bi 15％和B 5％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1650℃出炉浇注成铸件；
5)对步骤4)得到的铸件采用退火、淬火和回火等工艺进行热处理，调整钢的性能；退火温度、淬火温度为Accm+50～100℃，淬火介质为水基或油基介质；回火温度不高于300℃。
本发明的有益效果是，采用本发明的技术方案生产出的特质钢，经热处理后，性能达到了目前尚未报道过的硬度和强度，即硬度不低于HRC60，抗压强度σbc≥3500MPa，最高可达4100MPa。同时，本发明的特质钢在退火态(HRC20～25)适宜进行机械加工，解决了超硬钢铁材料难以进行机械加工的问题。另外，通过优化合金成分和热处理工艺，可以获得超过4000MPa的抗压强度，这个性能可以和硬质合金媲美，但从生产成本、工艺等方面比硬质合金占据更大的优势。
本发明的特质钢在诸多领域具有很大的应用潜力，如防护材料(如卫星防护板和坦克装甲板等)、高穿透能力材料(如穿甲弹等)、模具、刀具、耐磨零配件等领域。
附图说明
图1为本发明实施例3的特质钢的应力-应变曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的超高硬度超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由下述重量百分比的合金元素组成：Cr 30％、Mo/20％、V 20％、Nb10％、Cu 10％和Al 10％，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，其中a＝1.65％，b＝1.5％，c＝2.0％，d＝5.0％。
一种生产上述的超高硬度超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)将废钢、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、铜、铝原材料按所述特质钢成分的重量百分比进行配料150kg，其中硅的含量通过稀土硅铁调整，碳的含量通过增碳剂调整；
2)将步骤1)配料中的部分废钢置于中频感应炉内通电熔化，熔化过程中分批加入铬铁、钼铁、钒铁、铌铁、铜、铝等中间合金和纯金属，最后加入锰铁；
3)步骤2)熔化的钢水温度达到1600℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.5～2.0％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土20％、稀土硅铁25％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素25％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 40％、Cu 25％、Sb 15％、Bi 15％和B 5％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1650℃出炉浇注成200mm×200mm×200mm的铸件；
5)对步骤4)得到的铸件进行热处理：1)退火：在900～1000℃温度保温4～6小时后随炉冷却至300℃后空冷；2)淬火：在800～900℃保温1.0～1.5小时后水淬；3)回火：在150～250℃保温2～4小时后空冷。
按上述方法生产的特质钢，性能达到HRC60～65，抗压强度σbc≥3700MPa。
实施例2
本实施例中的超高硬度超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由下述重量百分比的合金元素组成：Cr35％、Ti25％、V20％、W10％和Al10％，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，其中a＝1.8％，b＝1.0％，c＝1.5％，d＝6.0％，其余为e。
一种生产上述的超高硬度超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)将废钢、锰铁、铬铁、钒铁、钨铁、钛、铝原材料按所述特质钢成分的重量百分比进行配料150kg，其中硅的含量通过稀土硅铁调整，碳的含量通过增碳剂调整；
2)将步骤1)配料中的部分废钢置于中频感应炉内通电熔化，熔化过程中分批加入铬铁、钒铁、钨铁、钛、铝等中间合金和纯金属，最后加入锰铁；
3)步骤2)熔化完毕后，调整钢水的成分，达到要求范围，等钢水温度达到1600℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.5～2.0％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土20％、稀土硅铁25％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素25％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 40％、Cu 25％、Sb 15％、Bi 15％和B 5％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1650℃出炉浇注成200mm×200mm×200mm的铸件；
5)对步骤4)得到的铸件进行热处理：1)退火：在950～1050℃温度保温4～6小时后随炉冷却至300℃后空冷；2)淬火：在850～950℃保温1.0～1.5小时后水淬；3)回火：在150～250℃保温2～4小时后空冷。
按上述方法生产的特质钢，性能达到HRC60～65，抗压强度σbc≥3900MPa。
实施例3
本实施例中的超高硬度超高强度特质钢，其中：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由下述重量百分比的合金元素组成：Cr 30％、Mo 20％、V 20％、W10％、Ti 10％、Cu 5％和Al 5％，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，其中a＝1.95％，b＝0.6％，c＝0.6％，d＝7.0％，其余为e。
一种生产上述的超高硬度超高强度特质钢的方法，其由下列步骤组成：
1)将废钢、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、钛、铜、铝原材料按所述特质钢成分的重量百分比进行配料150kg，其中硅的含量通过稀土硅铁调整，碳的含量通过增碳剂调整；
2)将步骤1)配料中的部分废钢置于中频感应炉内通电熔化，熔化过程中分批加入铬铁、钼铁、钒铁、钨铁、钛、铜、铝等中间合金和纯金属，最后加入锰铁；
3)步骤2)熔化完毕后，调整钢水的成分，达到要求范围，等钢水温度达到1600℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.8～2.5％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土20％、稀土硅铁25％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素25％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 40％、Cu 25％、Sb 15％、Bi 15％和B 5％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1650℃出炉浇注成200mm×200mm×200mm的铸件；
5)对步骤4)得到的铸件进行热处理：1)退火：在1000～1100℃温度保温4～6小时后随炉冷却至300℃后空冷；2)淬火：在900～1000℃保温1.0～1.5小时后水淬；3)回火：在150～250℃保温2～4小时后空冷。
按上述方法生产的特质钢，性能达到HRC63～68，抗压强度σbc≥4100MPa。
上述实施例中的M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn、Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成。

Claims (3)

1.超高硬度超高强度特质钢，其特征在于：该特质钢的成分表达式为CaSibMncMdFee，其中M由Cu、Al、Ni、Nb、W、Bi、Ti、V、RE、Cr、Ca、Mg、Mo、Sb、B、Zn、Zr中的2种或2种以上合金元素以任意重量百分比组成，a、b、c、d、e为重量百分比，且a+b+c+d+e＝100％，其中
2.根据权利要求1所述的超高硬度超高强度特质钢，其特征在于：所述CaSibMncMd合金元素总含量a+b+c+d≥6.0％。
3.一种生产权利要求1或2所述的超高硬度超高强度特质钢，其特征在于由下列步骤组成：
1)依据所述特质钢成分的重量百分比进行原料配料，配料用的原材料采用纯金属或中间合金、成分明确的废钢、用于调整含碳量的增碳剂、熔炼过程中需要的附加材料；
2)将步骤1)配料中的部分废钢及烧损小且难熔的金属或中间合金紧实地置于感应熔炼电炉，随后通电熔化；熔化过程中不断往电炉熔体内添加配料，直至全部配料熔化完毕；容易烧损的金属或中间合金最后熔化；
3)步骤2)熔化的钢水温度达到1600℃后进行变质处理，变质剂的加入量为钢水重量的1.5～2.5％；所述变质剂由下述重量百分比的原料组成：混合稀土20％、稀土硅铁25％、硅铝钙合金30％和其它微量合金元素25％，所述其它微量合金元素由下述重量百分比的原料组成：Zr 40％、Cu 25％、Sb 15％、Bi 15％和B 5％；
4)将步骤3)变质处理后的钢水静置3～5分钟，随后加热至1650℃出炉浇注成铸件；
5)对步骤4)得到的铸件采用退火、淬火和回火工艺进行热处理，调整钢的性能；退火温度、淬火温度为Accm+50～100℃，淬火介质为水基或油基介质；回火温度不高于300℃。
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