CN107557537A - 高韧高耐磨复合板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高韧高耐磨复合板的制备方法，复合板包括基体和耐磨合金板，制造方法包括如下步骤：将基体和耐磨合金板清理后焊接成复合体；采用两段式加热保温方式预热；将预热后的复合体升温至850‑1050℃并保温3.5‑8h，随后出炉将复合体部分浸入淬冷剂且耐磨合金板裸露在淬冷剂外面，进行淬火；最后将淬火后的复合体立即置入回火炉中200‑400℃回火保温16h‑25h，回火后炉冷至室温，得最终产品。本发明制备方法采用金属有限定向传热原理，使得复合板的综合力学性能提高，硬度和韧性提高，复合板基体无热变形，并有效降低了淬冷加工时间。

Description

高韧高耐磨复合板的制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨合金热处理工艺领域，具体涉及用于高韧高耐磨复合耐磨部件的制造方法。

背景技术

高碳、高合金耐磨材料，因其高耐磨的特性，广泛应用于矿山、冶金等领域。通常该耐磨材料的硬度与耐磨寿命成正比，提高材料硬度，还要保证材料具有一定韧性，使得材料在淬火或应用过程中不发生脆裂或断裂报废。

例如，钢轧卷取机是用于卷曲钢板的专用设备，板材从轧制到卷曲输送运动过程中，为确保产品的单方向运行，在板材两侧设置了由输送辊和两侧导板构成的板材运行导向系统，在板材卷曲运送过程中，传统的侧导板磨损严重，一是影响钢板材成品卷形质量，二是需要频繁停机更换侧导板，由此影响了轧钢生产，轧材的产量受到制约。

通过对轧钢现场观察，侧导板易磨损部位很直观，磨损高度在3-4cm、深度在1cm左右，即与钢材接触部位磨损严重，没有接触到的部位，没有磨损，且高耐磨合金衬板虽具有优异的耐磨性，但存在脆性大、韧性低和使用中易断裂的不足。因而，在侧导板受负荷部位采用高碳、高合金的硬质耐磨合金，非负荷部位采用普通钢板，通过特定工艺将高耐磨合金板和高强、高韧铸钢合二为一，是解决衬板断裂和耐磨矛盾的重要途径。

耐磨复合材料的复合工艺主要有浇筑法、焊接法和激光熔覆法等，其中焊接法简单快速易操作，被广泛使用。但是耐磨合金和基体焊接时，尤其是铸铁类复合材料，耐磨合金的可焊性较差，常规拼焊，因焊接应力较大使用过程中耐磨合金最终在焊缝部位会产生裂纹，导致复合耐磨板工件报废；另外复合耐磨板在通常热处理加热过程中，会产生形变。

热处理工艺极大影响耐磨复合板的耐磨性和强韧性，现有技术为提高焊拼耐磨复合板的综合力学性能，直接将耐磨复合板浸入水或油中淬火，工件势必发生开裂，在热处理淬火时为避免淬裂一般选用空冷的方式。但是因为是空冷，在处理过程中受到空气的流动、当地的气温变化、空气的干湿度及工件的间距等因素制约，产品的整体综合性能是不稳定的，工件之间的质量存在差异化。

因此，对焊拼耐磨复合板而言，寻找合适的热处理工艺、选取合适的冷却介质、提高复合耐磨部件的耐磨性和韧性，同时避免开裂和形变，是亟需解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种解决现有技术中存在的问题，提供一种利用基体有限定向热传导，控制耐磨复合板中耐磨合金板热处理淬火冷却速度的新工艺方法，用以提高复合耐磨部件的耐磨性和韧性，避免开裂与形变。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

所述高韧高耐磨复合板包括基体和耐磨合金板，该复合板的制备方法包括如下步骤：

S1：将基体和耐磨合金板焊接成复合体，用于后续热处理；

S2：将S1中得到的复合体预热：采用200-300℃保温2-3.5h，600-700℃保温2.5-3.5h进行两段式预热；

S3：将预热后的复合体升温至850-1050℃并保温3.5-8h，随后出炉将复合体部分浸入淬冷剂且耐磨合金板裸露在淬冷剂外面进行淬火；

S4：最后将淬火后的复合体立即置入回火炉中200-400℃回火保温16h-25h，回火后炉冷至室温，得到最终产品高韧高耐磨复合板。

根据复合体的具体组成组分及尺寸厚度，两段式预热、预热后加热、及回火等过程的温度和时间会不同。采用两段式预热可以保证复合体能够传热均匀，避免因传热不均匀而产生的的应力。

淬火后回火是为了消除淬火时产生的淬火应力、得到更稳定的回火马氏体，希望工件“高韧高耐磨”。回火温度高，工件硬度下降，韧性提高，回火温度低工件硬度不变，但是韧性下降，工件变脆，反而不利使用；实际操作中要求工件硬度与韧性有个合理的匹配，在满足硬度和耐磨性的前提下，尽可能提高韧性。经过反复试验论证，表明200-400度回火，保温在16-25小时比较合理。

进一步地，在基体和耐磨合金板焊接前分别对基体和耐磨合金板进行表面清理。所谓清理是为了改变耐磨合金板铸造后表面粗糙、形状略有变形的加工处理方式，通常是磨削加工；同时对基体在特定位置加工成与耐磨合金板相匹配的宽度、厚度的镶槽，以保证磨削后的耐磨合金板能够平整的安装在基体事先加工好的镶槽里，满足复合板的尺寸要求。作为一种优选实施方式，该耐磨合金板设置在基体中的安装槽内，其配合方式可参照中国专利201610932071.4。

进一步地，所述耐磨合金板包括铸铁合金板。

进一步地，所述铸铁合金板包括但不限于高铬铸铁合金板、高锰铸铁合金板和中铬铸铁合金板中的一种或几种。

进一步地，步骤S1中所述的基体和耐磨合金板焊接前先加热至850-900℃。

考虑到耐磨合金板和基体焊接时耐磨合金板的可焊性较差，因焊接应力较大，耐磨合金板最终在焊缝部位会产生裂纹，导致复合板工件报废。为避免焊接应力造成工件开裂，焊接前需将工件先加热，加热温度达到850℃以上，达到相变温度，在此温度下其金相组织为奥氏体，如低于850度，比如800度，这时的金属组织没有转变成奥氏体，此时焊接操作，工件易于开裂；焊接时因高温的作用，耐磨合金板中的C、Cr、W等部分合金元素，向基体局部析出、稀释，在基体与耐磨合金板之间人为造成过渡层。利用过渡层的综合机械性能，即有强度又有一定的韧性，保证焊缝不开裂、两种材料不脱落，复合板达到使用可靠的效果。

基体与耐磨合金板的焊接方式不限于现有技术中的各种焊接技术，如二氧化碳气体保护焊、激光焊等。其中优选二氧化碳气体保护焊，采用直径1.2毫米的低碳钢焊丝连续自动喂进，在焊接时，除露出焊缝可见外，非焊接部位使用自制保温罩遮盖，这样既达到保温作用，又可改善操作环境。使用该种方法焊接的焊缝饱满，外观平整不留气孔和砂眼，耐磨合金板和基体之间焊接牢固不脱落。

一般基体须满足可焊性、易加工，力学性能上有高的强度，还有较高的韧性。应注意的是，作为复合板的基体只要能满足以上的要求均能使用，对基材的元素组分没有特别的要求。在一优选实施例中，复合板基体选用强度Q235系列中厚板，一般为0.2--0.3％的优质碳素钢(简称20#钢中厚板)。

进一步地，步骤S3中所述的复合体部分进入淬冷剂是将复合板基体横立后再部分浸入淬冷剂。

进一步地，步骤S3中所述的淬冷剂类型包括但不限于水、水溶性盐溶液、水溶性聚合物溶液、油。

相同的金属材料在同一温度下淬火，采取不同的冷却介质产生不同的冷却速度，其材料的最终力学性能不尽相同。将复合板部分浸入淬冷剂中且保持耐磨合金板裸露在淬冷剂外面，复合板基体接触到以上淬冷剂后温度冷却到300℃以下的速度远快于在空气中的冷却速度，且这种快速冷却方式有效避免了热处理加热后复合板基体的弯曲变形。

所谓基板变形一定是基板所受到的外力大于基板的本身抗力，基板才可能发生变形。考虑这种外力生成的机理：在制作复合侧导板的过程中经历了机加工、焊接、热处理；机加工会产生加工应力，但是机加工量很小，产生的应力不足以使得基体形变。焊接当然也有焊接应力，但是它是局部的，也不足以让基体形变。热处理高温冷却时应力最大，在聚冷的瞬间产生很大的冷热应力，恰恰这时基体的内部尚处于高温状态，基体的抗拉强度比较薄弱，如果这时的淬火冷却为整体处理，那么基体的变形、扭曲难以避免。我们在这方面的热处理工艺与众不同，为防止复合侧导板热处理变形，采取整体横立在淬冷剂中，控制浸入深度，浸水金属为基板，耐磨合金板暴露在淬冷剂上方，利用有限、立体热传导达到工件所需要力学性能。这种方式热处理材料产生的内应力小于基板的形变应力，结果证明热处理后的情况很理想，达到预期效果。

进一步地，步骤S3中所述的淬冷剂选自水。水作为淬冷剂，环保经济且冷却快速。

进一步地，步骤S3中所述的淬火过程还包括对裸露在空气中的耐磨合金板鼓风。

进一步地，步骤S3中所述的淬火过程还包括对裸露在空气中的耐磨合金板鼓风喷水雾。

进一步地，步骤S3中淬火冷却的温度达到300℃以下至常温，因为300度是马氏体组织转变的终止点，即Mf点，换言之只有冷却到这个温度以下，我们才能得到耐磨合金板理想的力学性能，才能得到高硬度、高耐磨；这里的300度以下是指复合板整体的温度。

水、油、空气等是较常见的冷却介质，在相同的环境条件下，其冷却速度水大于油，油大于空气。淬火应力的大小与淬火冷却介质密切相关，冷却速度越快，应力越大。将复合板部分进入淬冷剂同时保持耐磨合金板裸露在空气中，通过控制复合板基体与液体冷却介质接触的深度和面积有限可控的将基体中的热量传递给淬冷剂，其传递热量速度是有限的，同时带动耐磨合金板定向的将热量先后传递给复合板基体和淬冷剂。这种热量的传递方式是一种定向有限的传递，传递速度可通过选择不同的液体淬冷剂、调节基体浸入深度和面积控制，避免耐磨合金板在液体淬冷剂中快速冷却，冷热应力和相变应力汇聚，多种应力之和大于耐磨合金材料的强度带来的开裂报废。

复合板在浸入淬冷剂进行冷却时，基体高温促使淬冷剂快速挥发形成雾滴，而雾滴对耐磨合金板的冷却是局部的、断续的，不仅不会造成耐磨合金板的淬冷开裂，反而加快了冷却速度。

有益效果：本发明的高韧高耐磨复合板的制备方法与现有技术相比具有以下优点：

本发明利用金属传热的特性，采取将加热后的复合板基体浸入液体类冷却介质中，并控制复合板基体与淬冷剂介质的接触的位置或接触面积，将热量通过复合板基体有限定向的传入淬冷剂中，最终得到的复合板：(1)表面平均硬度较风冷方式硬度提高5～6HRC，达到HRC65～70，产品寿命显著提高；(2)有效杜绝了复合板的淬火开裂，冲击功达8Ak；(3)不产生复合板基体热处理加热造成的弯曲变形，无需额外整平工艺；(4)复合板焊接之前加热至850℃-900℃，增强了焊缝之间的综合机械性能；(5)相对整体空冷方式淬冷时间大大缩短，其中采用基体在水中传热再加鼓风和水雾立体冷却的方式，时间只需60min左右。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，具体实施例的描述本质上仅仅是范例，以下实施例基于本发明技术方案进行实施。

为便于理解，实施例给出一种常见的复合板结构(参照中国专利201610932071.4)：复合板基体选自强度Q235系列中厚板。应当注意的是，该复合板的结构规格尺寸只是示意作用，并不用于限制本发明热处理工艺的发明构思，对于不同组成含量的耐磨合金板及不同规格尺寸的复合板，其热处理工艺落入金属有限定向热传导的范围之内的，均落入了本发明的保护范围。

为更好的示例，本发明选取了冶金行业不同领域常见的四类(质量百分比)铸铁耐磨合金材料，本发明基于这四类常见的耐磨合金材料与20#中厚钢板焊接成复合板。

A组：C 2.8-3.5，Si 0.6-1.2，Mn 0.3-0.8，S≤0.035，P≤0.035，Cr 13-18，Ni0.6-1.5，Mo 1.5-2.5，Cu 0.3-0.5，B，Re微量，其余为铁。

B组：(Cr，W，Mo，V)等其它合金元素10％-20％，即wt％(Fe+C+Si)为80％-90％；如：

C 2.8-3.5，Si 0.6-1.2，Mn 0.5-1.0，S≤0.035，P≤0.035，Cr 13-15，Mo 0.8，Cu0.3-0.5，V 0.2-0.3，其余为铁。

C组：(Cr，W，Mo，V)等其它合金元素≤10％，即wt％(Fe+C+Si)≥90％，如：

C 2.8-3.5，Si 0.6-1.0，Mn 0.5-1.0，S≤0.035，P≤0.035，Cr 5-8，V 0.2-0.3，其余为铁。

D组：(Cr，W，Mo，V)等其它元素≥20％，即wt％(Fe+C+Si)≤80％

C 2.8-3.5，Si 0.6-1.0，Mn 0.3-0.8，S≤0.035，P≤0.035，Cr:18-20，Ni 1.5-2.0，Mo 1.5-2.5，W 1.0-2.0，V 0.1-0.3，Cu 0.3-0.5，B，Re微量，其余为铁。

对比例1

将基体和耐磨合金板(A组成分)表面清理干净后，配合安装好，并加热至850℃，焊接成复合体，将复合体放入加热炉中300℃保温3h，650℃保温3h，再加热至930℃保温5h，取出，将复合体在空气中进行整体风冷4h达到常温，立即置入回火炉中加热至400℃，保温16h，取出，冷却得到复合板，本方法制备的复合板硬度为53-56HRC，硬度偏软，表面无裂纹，冲击功为5.3-5.7Ak，复合板基体弯曲。

对比例2

对比例2的实验方法基本同对比例1，不同之处在于：复合体加热保温后浸入油中进行整体油冷，油冷时间为120s，对比例2所制备的复合板的耐磨合金板立马出现裂纹，硬度为67-70HRC，目测复合板基体弯曲。

对比例3

对比例3的实验方法基本同对比例1，不同之处在于：复合体加热保温后立即进行整体鼓风加水雾冷却，混合冷却时间为3h，对比例3所制备的复合板硬度为58-62HRC，硬度偏软，表面无裂纹，目测复合板基体弯曲。

实施例1

将基体和耐磨合金板(A组成分)表面清理干净后，配合安装好，并加热至850℃，焊接成复合体，复合体放入加热炉中300℃保温3h，650℃保温3h，再加热至930℃保温5h，取出，将复合体的复合板基体横立过来浸入水中，浸水深度为10-15mm，浸水横截面积为(800*60)mm²，其他部分裸露在水面上，裸露部分进行整体空冷，待温度冷却至300℃以下，冷却时间为1h，立即置入回火炉中加热至400℃，保温16h，取出，冷却得到复合板。本方法制备的复合板硬度为65-68HRC，表面无裂纹，冲击功为7.2-7.6Ak，复合板基体无弯曲，产品寿命明显较对比例1提高。

实施例2

将基体和耐磨合金板(A组成分)表面清理干净后，配合安装好，并加热至850℃，焊接成复合体，复合体放入加热炉中250℃保温3h，650℃保温3h，再加热至950℃保温4h，取出，将复合体的复合板基体横立过来浸入水中，浸水深度为10-15mm，浸水横截面积为(800*60)mm²，其他部分裸露在水面上，裸露部分进行整体空冷，待温度冷却至300℃以下，冷却时间为1h，立即置入回火炉中加热至300℃，保温16h，取出，冷却得到复合板。本方法制备的复合板硬度为67-70HRC，表面无裂纹，冲击功为8-8.2Ak，复合板基体无弯曲，产品寿命明显较对比例1和实施例1提高。

实施例3

实施例3的制备方法基本同实施例2，不同之处在于，复合板中的耐磨合金板成分为B组之例，基体横立过来后浸入水中1-1.5cm，其他部分裸露在水面上，裸露部分进行鼓风冷却，冷却时间为60min，本方法制备的复合板硬度为65-69HRC，表面无裂纹，冲击功为7.8-8Ak，复合板基体无弯曲。

实施例4

实施例4的制备方法基本同实施例3，不同之处在于，复合板基体横立过来后浸入水中1-1.5cm，其他部分裸露在水面上，裸露部分进行鼓风加喷雾冷却，冷却时间为50min，本方法制备的复合板硬度为65-69HRC，表面无裂纹，冲击功为8-8.3Ak，复合板基体无弯曲。

实施例5

实施例5的制备方法基本同实施例3，不同之处在于，复合板基体横立过来后浸入NaCl溶液中1-1.5cm，其他部分裸露在液面上，裸露部分进行鼓风加喷雾冷却，冷却时间为50min，本方法制备的复合板硬度为65-69HRC，表面无裂纹，冲击功为8-8.1Ak，复合板基体无弯曲。

实施例6

实施例6的制备方法基本同实施例3，不同之处在于，复合板基体横立过来后浸入NaCl溶液中1-1.5cm，其他部分裸露在液面上，裸露部分进行空冷，冷却时间为60min，本方法制备的复合板硬度为65-69HRC，表面无裂纹，冲击功为8-8.1Ak，复合板基体无弯曲。

A组分耐磨材料制备的复合板在进行整体淬冷的过程中，风冷、风加水雾冷却硬度偏低，冷却时间长；油冷却效果虽好，但是有开裂的倾向，而采用有限定向热传导方式进行淬冷，硬度和韧性均提高，消除了开裂和热变形。

B组分耐磨材料制备的复合板在实验中发现进行整体油冷却也有开裂的倾向，另外实施例5中使用盐水做淬冷剂，但是这里的盐水在做热交换过程中，是通过有限传导的基体进行热交换，因此在相同浸水深度和相同浸水面积的条件下，盐水的传热速率受到限制，所以工件的最终热处理硬度变化不大。同样的，使用油、水溶性聚合物溶液等作为淬冷剂，由于主要是经过基体的有限传导为主，在相同浸水深度和相同浸水面积的条件下，淬冷剂的传热速率受到限制，工件的最终热处理硬度变化也不大。

实施例7

将基体和耐磨合金板(C组之例成分)表面清理干净后，配合安装好，并加热至900℃，焊接成复合体，复合体放入加热炉中250℃保温3h，650℃保温3h，再加热至850℃保温6h，取出，将复合体的复合板基体横立过来浸入水中，浸水深度为10-15mm，浸水横截面积为(800*60)mm²，其他部分裸露在水面上，裸露部分进行整体空冷，待温度冷却至300℃以下，冷却时间为1h，立即置入回火炉中加热至300℃，保温16h，取出，冷却得到复合板。本实施例制备的复合板硬度为52-56HRC，表面无裂纹，冲击功为7.6-7.9Ak，复合板基体无弯曲。该实施例采取相同冷却方法硬度偏软，原因主要是工件的加热温度偏低。

实施例8

将基体和耐磨合金板(D组之例成分)表面清理干净后，配合安装好，并加热至900℃，焊接成复合体，复合体放入加热炉中250℃保温3h，650℃保温3h，再加热至1020-1050℃保温4h，取出，将复合体的复合板基体横立过来浸入水中，浸水深度为10-15mm，浸水横截面积为(800*60)mm²，其他部分裸露在水面上，裸露部分进行整体空冷，待温度冷却至300℃以下，冷却时间为1h，立即置入回火炉中加热至300℃，保温16h，取出，冷却得到复合板。本实施例制备的复合板硬度为67-70HRC，表面无裂纹，冲击功为8.0-8.3Ak，复合板基体无弯曲。

在热处理过程中，由于涉及复杂多样的组织转变，且由于工件尺寸规格的影响，需要经历足够的时间才能保证尽可能完全的传热和组织转变，因而，当温度较低时，其加热时间要适当延长，温度较高时，加热时间可适当缩短，如回火去应力加热时间，当加热温度为200℃时，保温时间要达到25h左右，而温度在400℃时，保温时间则为16h。

本申请仅对部分温度、时间的实施例进行说明示例，但是上述实施例不应限制本发明的保护范围。本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述复合板包括基体和耐磨合金板，所述制备方法包括如下步骤：

S1：将基体和耐磨合金板焊接成复合体，用于后续热处理；

S2：将S1中得到的复合体预热：采用200-300℃保温2-3.5h，600-700℃保温2.5-3.5h进行两段式预热；

S3：将预热后的复合体升温至850-1050℃并保温3.5-8h，随后出炉将复合体部分浸入淬冷剂且耐磨合金板裸露在淬冷剂外面进行淬火冷却；

S4：最后将淬火后的复合体立即置入回火炉中200-400℃回火保温16h-25h，回火后炉冷至室温，得到最终产品高韧高耐磨复合板。

2.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S1步骤中焊接前分别对基体和耐磨合金板进行表面清理。

3.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述耐磨合金板包括铸铁合金板。

4.根据权利要求3所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述铸铁合金板包括但不限于高锰铸铁合金板、中铬铸铁合金板、高铬铸铁合金板中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S1中基体和耐磨合金板焊接前先加热至850-900℃。

6.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S3中复合体部分进入淬冷剂是将基体横立后部分浸入淬冷剂。

7.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S3中淬冷剂类型包括但不限于水、水溶性盐溶液、水溶性聚合物溶液、油中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S3中淬冷剂选自水。

9.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S3中淬火过程还包括对裸露在淬冷剂外面的耐磨合金板鼓风。

10.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S3中淬火过程还包括对裸露在淬冷剂外面的耐磨合金板鼓风喷水雾。

11.根据权利要求1所述的高韧高耐磨复合板的制备方法，其特征在于：所述S3中淬火冷却的温度达到300℃以下。