CN108754306B - 一种高强度高韧性耐磨合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高韧性耐磨合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁材料领域，提供一种高强度耐磨合金及其制备方法，所述合金中各化学成分按重量百分比计为：0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％，2.0％≤B≤3.0％，2.0％≤W≤3.0％，1.5％≤V≤2.0％，2.0％≤Mo≤3.0％，1.0％≤Cr≤2.0％，1.0％≤Ni≤2.0％，0.2％≤Ti≤0.5％，0.2％≤Al≤0.5％，0.01％≤Ce≤0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001。本发明的合金经熔炼、精炼和脱氧合金化、铸造和轧制制备，可以实现合金的高强度、高韧性和高耐磨性的同步提升。

Description

一种高强度高韧性耐磨合金及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，特别涉及到一种高强度高韧性耐磨合金及其制备方法。
背景技术
对钢铁材料而言，同步提升材料的强度、韧性和耐磨性存在较大困难，而随着应用要求的提高，在重大装备制造领域需要具备超高强度、高韧性和高耐磨性的钢铁材料；着力解决这个技术问题的方法主要集中在三个方面：(一)复合微合金化强化，(二)冶炼与精炼控制钢的高纯净化，(三)是加工与热处理过程的强化；其中的高纯净化在有害元素控制在极低水平时难以实现材料性能的再进一步提升，而加工与热处理过程强化，由于机理尚不完全清楚，有待深入研究，2017年的科学杂志报道了通过加工使位错增殖和细晶的方法，可以实现材料强度、韧性的同步提升，但由于不同的钢的热加工方法差别太大，热加工强化的效果千差万别，也有待深入的研究；因此，复合微合金强化是提升材料性能，特别是同步提高材料强度、韧性和耐磨性能的主要方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度高韧性耐磨合金，通过在普通钢中引入多种合金元素进行协同强化，实现合金的强度、韧性和耐磨性等性能同时提升，解决目前合金钢对高强度、高韧性和高耐磨性的需求。
本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：
一种高强度高韧性耐磨合金，合金的化学成分为(重量百分比)：0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％，2.0％≤B≤3.0％，2.0％≤W≤3.0％，1.5％≤V≤2.0％，2.0％≤Mo≤3.0％，1.0％≤Cr≤2.0％，1.0％≤Ni≤2.0％，0.2％≤Ti≤0.5％，0.2％≤Al≤0.5％，0.01％≤Ce≤0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001。
本发明的高强度高韧性耐磨合金经熔炼、精炼和脱氧合金化、铸造和轧制环节制成钢材产品，主要具体生产步骤包括：
(1)熔炼：转炉冶炼以铁水为原料，脱碳升温，冶炼终点C、Si、Mn含量控制在0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％范围内，在1620—1680℃温度范围内出炉；
(2)精炼和脱氧合金化：在LF炉内精炼脱硫，脱氧并进行合金化，将合金的成分控制在目标范围内：0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％，2.0％≤B≤3.0％，2.0％≤W≤3.0％，1.5％≤V≤2.0％，2.0％≤Mo≤3.0％，1.0％≤Cr≤2.0％，1.0％≤Ni≤2.0％，0.2％≤Ti≤0.5％，0.2％≤Al≤0.5％，0.01％≤Ce≤0.030％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001。
(3)合金熔体温度在1480～1500℃范围时进行铸造成坯。
(4)经1260～1280℃热轧，再冷轧后得到成品。
与现有技术相比较，采用本发明的优点如下：
有益合金成分的组合作用，协同提高了材料的强度、韧性和耐磨性，使材料同时具备了高强度、高韧性和高耐磨性的特征，具体指标为：抗拉强度大于1000MPa，冲击韧性大于17J/cm2，耐磨性方面的技术指标为：淬硬层深度大于9cm，硬度值大于70HRC。
本发明中元素的含量设计确定根据是：
碳：碳可以提高合金的强度和耐磨性，但会降低合金的韧性和耐冲击性，本发明中利用碳和合金元素W、Mo、Cr的结合，提高合金的强度和耐磨性，同时利用碳和B、Ni、V、Ti的协同作用，形成晶粒细化且析出物为颗粒细小的硼化物和碳硼化物，解决碳与W、Mo、Cr元素形成单一形式碳化物所导致的尺寸大，易形成网状剥落导致的问题，本发明确定的碳含量范围为：0.8-1.2％。
硅：硅是最常见的合金元素之一，可以提高强度和耐磨性，但量高则导致耐磨材料在高温下的龟裂和剥落，也会降低冲击韧性，其作用和碳的作用类似，其合适的添加量为0.6-0.8％；量低则合金的强度和硬度降低，量高则导致韧性不足。
锰：锰可以降低合金中有害元素S、O、H等所导致的危害性，并由于与合金中的N元素结合显著提高合金的耐磨性，但锰高则容易导致热过程中开裂，其合适的添加量为0.6-0.8％；
硼：硼可以提高高合金材料中强化相的数量，利用硼与W、Mo、Cr、V等可以与硼结合成硼化物的作用，提高合金的强度和硬度，提高耐磨性，同时，由于硼及硼化物的析出能力高，析出物细小，弥补碳与合金元素形成碳化物析出能力不足的问题，本合金中硼的最佳加入量为2.0-3.0％。
钨：钨是耐磨材料中常见的合金元素，本发明中钨主要用于提高合金的耐磨性和硬度，特别是高温下材料的硬度，也可以提高合金在热过程中的韧性和强度等，钨与碳、硼、钼、镍等有相互协同提高合金综合使用性能的作用，本发明中最佳的加入量为2.0-3.0％。
钒：本发明中利用V与C、B、W、Mo形成多种形式的碳化物、硼化物和碳硼化物，同时利用V优先析出的优势，细化组织，提高晶界的强度，从而提高材料的强度、硬度和韧性，优化确定的加入范围是1.5-2.0％。
钼：本发明中钼元素主要用于提高耐磨合金的韧性，但钼含量高会导致高温稳定性下降，钼的另外一个主要作用是降低碳含量高所导致的脆性增加的问题，本发明中最佳的加入量为2.0-3.0％。
铬：本发明中利用铬元素提高合金的高温硬度和耐磨性，铬与碳、硼及其他碳化物和硼化物结合，形成高温下稳定的高硬度相，提高材料的性能，本发明中最佳的加入量为1.0-2.0％。
镍：本发明中利用镍和铬的协同作用，提高高碳合金中碳化铬的稳定性和析出量，降低碳导致的脆性，而且，镍可以降低由于锰导致的晶粒粗、脆化问题，本发明中最佳的加入量为1.0-2.0％。
钛：本发明中钛主要用降低有害元素硫、磷、氧和氢导致的脆性问题，提高晶界强度，从而提高材料的韧性，本发明中最佳的加入量为0.2-0.5％。
铝：本发明中铝主要用降低有害元素氧导致的疲劳韧性差的问题，提高晶界强度，从而提高材料的韧性，另外，铝在本材料中可以提高硬度和析出物的稳定性，减小热加工过程中的不稳定性，本发明中最佳的加入量为0.2-0.5％。
铈：铈主要用于消除高合金材料中大尺寸析出物的作用，净化晶界，提高晶界的强度，从而提高材料的韧性，另外，铈可以有效控制和降低有害元素如氧、硫的危害，并有效控制这些有害元素的含量。
杂质元素：除上述元素和铁外的其他元素定义为杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001；杂质元素的控制水平取决于冶金水平。
综上所述，本发明中利用多种有益元素的协同作用，提高材料的强度、韧性和耐磨性，使材料同时具备了高强度、高韧性和高耐磨性的特征。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
实施例1
高强度高韧性耐磨合金的目标成分为：C 0.8％，Si 0.60％，Mn 0.60％，B 2.0％，W 2.0％，V 1.5％，Mo 2.0％，Cr 1.0％，Ni 1.0％，Ti 0.2％，Al 0.2％，Ce 0.01％，S0.020％，P 0.020％,余量为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中O≤0.001％；经以下主要步骤生产：
(1)熔炼转炉冶炼以纯铁水为原料，脱碳升温，冶炼终点C、Si、Mn含量控制在C0.8％，Si 0.60％，Mn 0.60％，在1680℃出炉；
(2)精炼和脱氧合金化在LF炉内精炼脱硫，脱氧并进行合金化，取样分析合金的成分为：C 0.8％，Si 0.60％，Mn 0.60％，B 2.0％，W 2.0％，V 1.5％，Mo 2.0％，Cr 1.0％，Ni1.0％，Ti 0.2％，Al 0.2％，Ce 0.01％，S 0.020％，P 0.020％,O 0.0008％，不可避免的杂质元素总量为0.09％，余量为Fe。
(3)合金熔体温度在1480℃时进行铸造成坯。
(4)加热至1260℃经热轧和冷轧后得到成品。
取成品进行性能测试，结果如下：抗拉强度1021MPa，冲击韧性大于17.1J/cm2，耐磨性方面的技术指标为：淬硬层深度大于9.1cm，硬度最低值71HRC。
实施例2
高强度高韧性耐磨合金的目标成分为：C 1.2％，Si 0.80％，Mn 0.80％，B 3.0％，W 3.0％，V 2.0％，Mo 3.0％，Cr 2.0％，Ni 2.0％，Ti 0.5％，Al 0.5％，Ce 0.030％，S0.020％，P 0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中O≤0.001％；经以下主要步骤生产：
(1)熔炼转炉冶炼以铁水为原料，脱碳升温，冶炼终点C、Si、Mn含量控制在C1.2％，Si 0.80％，Mn 0.80％，在范围内，在1620℃温度出炉；
(2)精炼和脱氧合金化在LF炉内精炼脱硫，脱氧并进行合金化，将合金的成分控制在C 1.2％，Si 0.80％，Mn 0.80％，B 3.0％，W 3.0％，V 2.0％，Mo 3.0％，Cr 2.0％，Ni2.0％，Ti 0.5％，Al 0.5％，Ce 0.030％，S 0.020％，P 0.020％，O 0.0007％，不可避免的杂质元素总量为0.09％，余量为Fe余量。
(3)合金熔体温度在1490℃时进行铸造成坯。
(4)加热至1260℃经热轧和冷轧后得到成品。
取成品进行性能测试，结果如下：抗拉强度1031MPa，冲击韧性大于17.6J/cm2，耐磨性方面的技术指标为：淬硬层深度大于9.2cm，硬度最低值76HRC。
实施例3
高强度高韧性耐磨合金的目标成分为：C 1.0％，Si 0.70％，Mn 0.70％，B 2.5％，W 2.5％，V 1.8％，Mo 2.5％，Cr 1.5％，Ni 1.5％，Ti 0.3％，Al 0.3％，Ce 0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001％；经以下主要步骤生产：
(1)熔炼转炉冶炼以铁水为原料，脱碳升温，冶炼终点C、Si、Mn含量控制在C1.0％，Si 0.70％，Mn 0.70％，在范围内，在1620℃温度出炉；
(2)精炼和脱氧合金化在LF炉内精炼脱硫，脱氧并进行合金化，将合金的成分控制在C 1.0％，Si 0.70％，Mn 0.70％，B 2.5％，W 2.5％，V 1.8％，Mo 2.5％，Cr 1.5％，Ni1.5％，Ti 0.3％，Al 0.3％，Ce 0.020％，S 0.005％，P 0.005％，O 0.001％，不可避免的杂质元素总量为0.08％，余量为Fe余量。
(3)合金熔体温度在1500℃时进行铸造成坯。
(4)加热至1280℃经热轧和冷轧后得到成品。
取成品进行性能测试，结果如下：抗拉强度1091MPa，冲击韧性大于17.9J/cm2，耐磨性方面的技术指标为：淬硬层深度大于9.1cm，硬度最低值75HRC。

Claims (1)

1.一种高强度高韧性耐磨合金，其特征在于，所述合金的各化学成分按重量百分比计为：0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％，2.0％≤B≤3.0％，2.0％≤W≤3.0％，1.5％≤V≤2.0％，2.0％≤Mo≤3.0％，1.0％≤Cr≤2.0％，1.0％≤Ni≤2.0％，0.2％≤Ti≤0.5％，0.2％≤Al≤0.5％，0.01％≤Ce≤0.030％，余量为Fe和其他杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001；
所述高强度高韧性耐磨合金的具体步骤为：
(1)熔炼：转炉冶炼以铁水为原料，脱碳升温，冶炼终点C、Si、Mn含量控制在0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％范围内，在1620—1680℃温度范围内出炉；
(2)精炼和脱氧合金化：在LF炉内精炼脱硫，脱氧并进行合金化，将合金的成分控制在目标范围内：0.8％≤C≤1.2％，0.60％≤Si≤0.80％，0.60％≤Mn≤0.80％，2.0％≤B≤3.0％，2.0％≤W≤3.0％，1.5％≤V≤2.0％，2.0％≤Mo≤3.0％，1.0％≤Cr≤2.0％，1.0％≤Ni≤2.0％，0.2％≤Ti≤0.5％，0.2％≤Al≤0.5％，0.01％≤Ce≤0.030％，余量为Fe和其他杂质元素，杂质元素总量小于0.1％，其中S≤0.020％，P≤0.020％，O≤0.001；
(3)合金熔体温度在1480～1500℃范围时进行铸造成坯；
(4)经1260～1280℃热轧，再冷轧后得到成品。
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