CN109881122A - 高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料及其制备方法 - Google Patents

高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料及其制备方法。所述旋耕刀材料基于60Si2Mn、50CrVA钢合金成分，还添加了Nb、Al元素。按质量分数计，包括：C 0.30～0.45％，Si 0.20～0.60％，Mn 1.50～2.30％，Cr 1.50～3.00％，Ni 0.10～0.30％，V 0.10～0.30％，Al 0.10～0.30％，Nb 0.01～0.05％，P＜0.035％，S＜0.035％，Fe余量。本发明材料表硬心韧，适用于制备长寿命大耕深旋耕刀；采用合金成分优化，复合稀土硼碳氮共渗表面处理后的旋耕刀耐磨性优良。

Description

高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料及其制备方法
技术领域
本发明属于农用旋耕刀制备技术领域，具体涉及一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料及其制备方法。
背景技术
农机装备是农业发展的重要支撑，也是“中国制造2025”明确重点发展的领域，国产农机装备在高端产品供给、关键零部件自主研发、产品可靠性等方面的要求日益提高。GB/T5669-2017(旋耕机械：刀和刀座)规定旋耕刀用材为65Mn或60Si2Mn钢，实际生产过程中为了提高服役寿命，也可选用50CrVA或51CrV4钢作为刀具材料。65Mn、60Si2Mn钢为了保证旋耕刀的耐磨性，一般采用淬火低温回火，获得硬度高但脆性大的回火马氏体组织，服役过程中易产生崩刃、断裂等异常失效。选用50CrVA、51CrVA钢有效提高了刀身的韧性和耐蚀性，适用于潮湿、带腐蚀性(化肥、农药)环境中，其与65Mn、60Si2Mn钢相较而言，其淬火硬度略低1.5～3HRC，表面硬度下降会影响旋耕刀的磨损寿命。
为实现稻麦两熟作业区秸秆无副作用全量还田的农艺要求，耕作深度需超过20cm，然而目前使用的旋耕刀回转半径不超过260mm，耕深不能完全满足要求，造成作物生长层土壤中秸秆比例过高，降低土壤肥力，影响后季作物出苗、生长。特别是耕深加大后，旋耕刀除了要满足较高的表面抗磨要求，对整体抗弯强度和韧性也提出了更高的要求。粗略估计，耕深每增大20mm，旋耕刀抗弯强度须提高15～20％，因此，大耕深旋耕刀须具有表硬心韧的组织结构。
在目前农业可持续发展、农机转型升级的驱动下，从创新的角度出发针对市场需求，充分利用材料合金元素配比，获得大耕深旋耕刀所需的良好韧性和整体抗弯性，同时保证高的屈服强度和耐蚀性。本发明弥补了我国当前旋耕刀专用材料品种缺乏的现状，对于国内自主研制长寿命、大耕深旋耕刀具有积极意义。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料及其制备方法。本发明旋耕刀采用合金成分优化，并复合稀土硼碳氮共渗表面处理后获得优良的耐磨性。本发明旋耕刀及其材料可广泛应用于农业机械领域，具有广阔的应用市场和极其高的产业附加值。
技术方案：本发明的目的通过下述技术方案实现：
本发明提供了一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，所述材料基于60Si2Mn、50CrVA钢合金成分，还添加了Nb、Al元素。
本发明材料基于60Si2Mn、50CrVA钢合金成分，降低C含量、增加Cr含量，获得大耕深旋耕刀所需的良好整体抗弯韧性和耐蚀性；调整Si、Mn、V含量，获得高的屈服强度，添加Nb后使晶粒粗化温度高于稀土硼碳氮共渗温度，充分发挥细化晶粒及沉淀强化作用，添加Al后促进碳氮共渗。
优选地，一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，按质量分数计，各主要合金元素包括：C 0.30～0.45％，Si 0.20～0.60％，Mn 1.50～2.30％，Cr 1.50～3.00％，Ni 0.10～0.30％，V 0.10～0.30％，Al 0.10～0.30％，Nb 0.01～0.05％，P＜0.035％，S＜0.035％，Fe余量。
本发明旋耕刀材料化学成分的设计原理如下：
C：碳在钢中可部分溶入基体中起到固溶强化的作用，部分与合金元素形成合金碳化物。适量降低碳含量可提高钢的韧性和塑性。
Si：硅是固溶强化元素。降低硅含量，使宏观组织更加均匀化，并且能减少凝固时凝固界面上成分过冷，使塑性和韧性增加。
Mn：锰具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，同时降低先共析铁素体对应的临界冷速、减少粒状贝氏体的含量、增加下贝氏体含量。因此在本发明中锰的含量维持在较高水平。
Cr：铬能在铁素体中固溶，又能形成碳化物，并且铬元素提高材料抗腐蚀性能。因此在本发明中铬的含量维持在较高水平。
Ni：镍固溶于铁素体中不仅能增加强度，而且能降低材料韧脆转变温度，提高抗弯曲韧性。同时，有益于材料获得良好的淬透性及耐腐蚀性。
V：钒是强碳化物形成元素，阻碍奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的作用。钒的碳化物稳定并且具有较高的硬度，可以提高旋耕刀的耐磨性。
Nb：铌是一种强碳氮化物形成元素，起细化晶粒和降低钢过热敏感性及回火脆性。
Al：铝与氮、氧的亲和力很强，作为炼钢时脱氧定氮剂，起到细化晶粒、提高钢在低温下韧性的作用。铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性，渗氮后在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的氮化铝层，改善渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。
P：磷是钢中的有害元素，提高钢的韧脆转变温度，因此本发明严格控制了磷元素含量。
S：硫在钢中易于偏析，恶化钢的质量。硫元素在一定的程度上容易使钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象。因此本发明严格控制了硫含量。
本发明还提供了上述高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：转炉冶炼至钢液中C质量分数低于0.06％，P、S质量分数低于0.02％出钢，出钢过程中加入硅铁、锰铁、铬铁、镍铁和钒铁进行Si、Mn、Cr、Ni和V元素合金化，并加铝块脱氧；LF炉精炼过程中全程吹氩，白渣保持时间20～30min，出钢前进行Nb、Al合金化，控制最终钢液成分，转入脱气站后进行RH真空脱气处理，真空度≤67Pa；全程氩气保护浇铸，中间包钢液过热度为20～40℃，连铸坯厚度为150～200mm；
(2)轧制：轧制前对连铸坯进行1150～1250℃高温均匀化加热，加热时间3～4h；采用两阶段轧制至钢板厚度10～20mm，粗轧阶段：开轧温度≥1080℃，终轧温度≥980℃；精轧阶段：开轧温度≥900℃，终轧温度≥850℃；轧后即进行水冷，开冷温度800～850℃，终冷温度500～600℃，随后空冷至室温；再加热至800～850℃保温，随炉冷却退火；
(3)冲压成形：将钢板进行切割落料，于旋耕刀成型模具中进行冲压成形；
(4)碳氮共渗预处理：采用200～600目砂纸对旋耕刀表面进行打磨，采用5％硫酸溶液酸洗、水洗，烘干后，于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理，滴注甲醇作为载气，通入丙烷作为富化气，通入氨气提供氮原子；
(5)稀土硼碳氮共渗热处理：采用La-B-C-N共渗渗剂对旋耕刀进行热处理；将热处理后的旋耕刀置于渗箱后经密封，缓慢升温至900～950℃后保温2～5h，炉温降至840～880℃后取出油冷，待冷却至室温后进行中温回火，回火温度为400～450℃，回火时间为2～4h。
优选地，所述步骤(4)中，于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理的步骤为：首先滴加甲醇3～4L/h进行排气，升温至860～900℃，均温10～20min；通入丙烷10～25L/min和氨气15～20L/min，保持甲醇滴加，调整碳势值为1.20～1.50进行强渗，时间为4～7h；接着调整丙烷5～15L/min，降低碳势值为0.80～1.10进行扩散，时间为2～5h；最后降低炉温至820～850℃，进一步降低碳势值后均温10～20min后出炉。
优选地，所述步骤(5)中，La-B-C-N共渗渗剂配方为：以质量分数计，碳化硼8～10％、碳化硅54～61％、氟硼酸钾6～10％、富镧碳酸稀土7～9％、氟化钠2～3％、活性炭3～5％、尿素3～5％、木炭粉6～8％。
本发明还提供了一种根据本发明的制备方法制备得到的高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀。
有益效果：
(1)本发明材料基于60Si2Mn、50CrV钢合金成分，降低C含量、增加Cr含量，获得大耕深旋耕刀所需的良好整体抗弯韧性和耐蚀性；调整Si、Mn、V含量，获得高的屈服强度；添加Nb后使晶粒粗化温度高于稀土硼碳氮共渗温度，充分发挥细化晶粒及沉淀强化作用，添加Al后促进碳氮共渗，复合稀土硼碳氮共渗后获得优良的耐磨性。本发明材料具备表硬心韧的优良性能，适用于制备长寿命、大耕深旋耕刀。
(2)本发明制备方法通过合金成分优化以及复合稀土硼碳氮共渗处理工艺，材料表面硬度达到1350HV，致密的渗硼层获得优良的抗土壤腐蚀能力，磨粒磨损率和冲蚀磨损率分别达到60Si2Mn钢的0.36和0.40倍，有效提高大耕深旋耕刀的服役寿命，改善了目前旋耕刀材料广泛使用的60Si2Mn、50CrV钢耐磨性、韧性和耐蚀性不能同时兼顾的缺点，克服了刀具回转半径的局限性。
附图说明
图1为本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料复合稀土硼碳氮共渗处理渗层显微硬度梯度图。
图2为本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料复合稀土硼碳氮共渗处理渗层组织图。
图3为本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料复合稀土硼碳氮共渗处理与淬回火处理60Si2Mn钢磨粒磨损对比图。
图4为本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料复合稀土硼碳氮共渗处理与淬回火处理60Si2Mn钢冲蚀磨损对比图。
图5为本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料复合稀土硼碳氮共渗处理与淬回火处理60Si2Mn钢土壤腐蚀对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1
本实施例中，一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，以质量分数计，主要包含：
C 0.35％，Si 0.60％，Mn 1.95％，Cr 3.00％，Ni 0.10％，V 0.26％，Al 0.30％，Nb 0.01％，P 0.030％，S 0.023％，Fe余量。
制备步骤如下：
(1)冶炼：转炉冶炼至钢液中C质量分数低于0.06％，P、S质量分数低于0.02％出钢，出钢过程中加入硅铁、锰铁、铬铁、镍铁和钒铁进行Si、Mn、Cr、Ni和V元素合金化，并加铝块脱氧；LF炉精炼过程中全程吹氩，白渣保持时间30min，出钢前进行Nb、Al合金化，控制最终钢液成分，转入脱气站后进行RH真空脱气处理，真空度≤67Pa，降低有害气体含量；最后全程氩气保护浇铸，中间包钢液过热度为20～40℃，连铸坯厚度为200mm；
(2)轧制：轧制前对连铸坯进行1150～1250℃高温均匀化加热，加热时间4h；采用两阶段轧制至钢板厚度10～20mm，粗轧阶段：开轧温度≥1080℃，终轧温度≥980℃；精轧阶段：开轧温度≥900℃，终轧温度≥850℃；轧后即进行水冷，开冷温度800～850℃，终冷温度500～600℃，随后空冷至室温。而后再加热至850℃保温，随炉冷却退火；
(3)冲压成形：将钢板按规定尺寸进行切割落料，于旋耕刀成型模具中进行冲压成形；
(4)碳氮共渗预处理：采用200～600目砂纸对旋耕刀表面进行打磨，而后采用5％硫酸酸洗后水洗，烘干后于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理。滴注甲醇作为载气，通入丙烷作为富化气，通入氨气提供氮原子。首先滴加甲醇3L/h进行排气，升温至900℃均温20min；然后开始通入丙烷20L/min和氨气15L/min，保持甲醇滴加，调整碳势值为1.50进行强渗，时间为4小时；接着调整丙烷12L/min，降低碳势值为1.10进行扩散，时间为2小时；最后降低炉温至850℃，进一步降低碳势值后均温20min后出炉。
(5)稀土硼碳氮共渗热处理：La-B-C-N共渗渗剂配方为：以质量分数计，碳化硼(8wt.％)、碳化硅(54wt.％)、氟硼酸钾(10wt.％)、富镧碳酸稀土(8wt.％)、氟化钠(2wt.％)、活性炭(5wt.％)、尿素(5wt.％)、木炭粉(8wt.％)。将预处理后的旋耕刀置于渗箱后经耐火泥、石棉网密封，缓慢升温至950℃后保温2h，随后炉温降至880℃后取出油冷，待冷却至室温后进行中温回火，回火温度为400℃，回火时间为4h。
本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀经过上述冶炼、加工和表面处理及热处理后，取样进行性能测试对比：
A淬回火力学性能
采用GB/T 230.1-2018金属材料洛氏硬度试验标准和GB/T 228.1-2010金属材料室温拉伸试验标准，按表1所示试验工艺规范，测得本发明旋耕刀材料淬火硬度53.5HRC，回火硬度41.5HRC，屈服强度Rp0.2 1007.2MPa，抗拉强度Rm 1075.9MPa，断后伸长率A11.322.3％，断面收缩率Z 53.2％；60Si2Mn、50CrV钢淬火硬度为60.0HRC、58.0HRC，回火硬度44.5HRC、43.0HRC，屈服强度Rp0.2 1318.8MPa、1211.5MPa，抗拉强度Rm 1436.9MPa、1271.7MPa，断后伸长率A11.3 6.5％、14.6％，断面收缩率Z34.5％、44％。硬度和强度：本发明材料＜50CrV钢＜60Si2Mn钢，塑性：本发明材料＞50CrV钢＞60Si2Mn钢。
表1本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料与60Si2Mn、50CrVA钢淬回火力学性能对比
B渗层显微硬度梯度及显微组织
采用GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验标准，对稀土硼碳氮共渗后的试样截面磨抛后从表层到基体进行维氏硬度测试，结果如附图1所示。本发明材料的表面渗层硬度为1350HV；渗层厚度100μm处的硬度为941HV；渗层硬度550HV以上的厚度为325μm。对稀土硼碳氮共渗后的试样截面按照金相制备方法，磨抛腐蚀后观察，如附图2所示。
C磨粒磨损性能
采用SXM型磨粒磨损试验机进行试验后并测定磨损失重，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢的磨粒磨损量随测试时间增加而逐渐增加，结果如附图3所示。本发明材料在20min、25min、30min试验后磨损量分别为442g/m2、711g/m2、870g/m2，平均磨粒磨损率为26.97g/m2·min；而60Si2Mn钢在20min、25min、30min试验后磨损量分别为1419g/m2、1852g/m2、2333g/m2，平均磨粒磨损率为74.72g/m2·min，因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后的磨粒磨损是淬回火60Si2Mn钢的0.36倍。
D冲蚀磨损性能
采用MF-2型冲蚀磨损试验机进行高速石英砂冲刷试验并测定磨损失重，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢的冲蚀磨损量随测试时间增加而逐渐增加，结果如附图4所示。本发明材料在2.7h、3.2h、3.7h和4.2h试验后磨损量分别为2943g/m2、3412g/m2、4565g/m2、5071g/m2，平均冲蚀磨损率为19.31g/m2·min；而60Si2Mn钢在2.7h、3.2h、3.7h和4.2h试验后磨损量分别为7636g/m2、8935g/m2、10571g/m2、12678g/m2，平均冲蚀磨损率为48.09g/m2·min，因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后的冲蚀磨损是淬回火60Si2Mn钢的0.40倍。
E土壤腐蚀性能
采用含14％复合肥土壤进行腐蚀时效试验并测定重量变化，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢均先发生正磷酸脱水形成的P2O5沉积而增重，然后基体与磷酸发生反应而失重，结果如附图5所示。本发明材料69h内发生增重130.2mg，69～115h未发生明显变化，115h后略微失重；而60Si2Mn钢69h内发生明显增重192.3mg，而后快速失重，低于原始重量57.1g。因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后耐复合肥土壤腐蚀能力优于淬回火60Si2Mn钢。
实施例2
本实施例中，一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，以质量分数计，主要包含：
C 0.40％，Si 0.20％，Mn 2.30％，Cr 1.95％，Ni 0.18％，V 0.30％，Al 0.10％，Nb 0.03％，P 0.027％，S 0.022％，Fe余量。
制备步骤如下：
(1)冶炼：转炉冶炼至钢液中C质量分数低于0.06％，P、S质量分数低于0.02％出钢，出钢过程中加入硅铁、锰铁、铬铁、镍铁和钒铁进行Si、Mn、Cr、Ni和V元素合金化，并加铝块脱氧；LF炉精炼过程中全程吹氩，白渣保持时间30min，出钢前进行Nb、Al合金化，控制最终钢液成分，转入脱气站后进行RH真空脱气处理，真空度≤67Pa，降低有害气体含量；最后全程氩气保护浇铸，中间包钢液过热度为20～40℃，连铸坯厚度为200mm；
(2)轧制：轧制前对连铸坯进行1150～1250℃高温均匀化加热，加热时间4h；采用两阶段轧制至钢板厚度10～20mm，粗轧阶段：开轧温度≥1080℃，终轧温度≥980℃；精轧阶段：开轧温度≥900℃，终轧温度≥850℃；轧后即进行水冷，开冷温度800～850℃，终冷温度500～600℃，随后空冷至室温。而后再加热至840℃保温，随炉冷却退火；
(3)冲压成形：将钢板按规定尺寸进行切割落料，于旋耕刀成型模具中进行冲压成形；
(4)碳氮共渗预处理：采用200～600目砂纸对旋耕刀表面进行打磨，而后采用5％硫酸酸洗后水洗，烘干后于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理。滴注甲醇作为载气，通入丙烷作为富化气，通入氨气提供氮原子。首先滴加甲醇3L/h进行排气，升温至880℃均温20min；然后开始通入丙烷20L/min和氨气16L/min，保持甲醇滴加，调整碳势值为1.38进行强渗，时间为4小时；接着调整丙烷12L/min，降低碳势值为1.00进行扩散，时间为2小时；最后降低炉温至850℃，进一步降低碳势值后均温20min后出炉。
(5)稀土硼碳氮共渗热处理：La-B-C-N共渗渗剂配方为：以质量分数计，碳化硼(9wt.％)、碳化硅(61wt.％)、氟硼酸钾(6wt.％)、富镧碳酸稀土(7wt.％)、氟化钠(3wt.％)、活性炭(4wt.％)、尿素(3wt.％)、木炭粉(7wt.％)。将预处理后的旋耕刀置于渗箱后经耐火泥、石棉网密封，缓慢升温至920℃后保温3h，随后炉温降至860℃后取出油冷，待冷却至室温后进行中温回火，回火温度为430℃，回火时间为2h。
本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀经过上述冶炼、加工和表面处理及热处理后，取样进行性能测试对比：
A淬回火力学性能
采用GB/T 230.1-2018金属材料洛氏硬度试验标准和GB/T 228.1-2010金属材料室温拉伸试验标准，按表1所示试验工艺规范，测得本发明旋耕刀材料淬火硬度55.5HRC，回火硬度42.0HRC，屈服强度Rp0.2 1127.9MPa，抗拉强度Rm 1192.0MPa，断后伸长率A11.319.2％，断面收缩率Z47.7％；60Si2Mn、50CrV钢淬火硬度为60.0HRC、58.0HRC，回火硬度44.5HRC、43.0HRC，屈服强度Rp0.2 1318.8MPa、1211.5MPa，抗拉强度Rm 1436.9MPa、1271.7MPa，断后伸长率A11.3 6.5％、14.6％，断面收缩率Z34.5％、44％。硬度和强度：本发明材料＜50CrV钢＜60Si2Mn钢，塑性：本发明材料＞50CrV钢＞60Si2Mn钢。
B渗层显微硬度梯度及显微组织
采用GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验标准，对稀土硼碳氮共渗后的试样截面磨抛后从表层到基体进行维氏硬度测试，结果如附图1所示。本发明材料的表面渗层硬度为1280HV；渗层厚度100μm处的硬度为1124HV；渗层硬度550HV以上的厚度为325μm。对稀土硼碳氮共渗后的试样截面按照金相制备方法，磨抛腐蚀后观察，如附图2所示。
C磨粒磨损性能
采用SXM型磨粒磨损试验机进行试验后并测定磨损失重，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢的磨粒磨损量随测试时间增加而逐渐增加，结果如附图3所示。本发明材料在20min、25min、30min试验后磨损量分别为436g/m2、703g/m2、921g/m2，平均磨粒磨损率为27.47g/m2·min；而60Si2Mn钢在20min、25min、30min试验后磨损量分别为1419g/m2、1852g/m2、2333g/m2，平均磨粒磨损率为74.72g/m2·min，因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后的磨粒磨损是淬回火60Si2Mn钢的0.37倍。
D冲蚀磨损性能
采用MF-2型冲蚀磨损试验机进行高速石英砂冲刷试验并测定磨损失重，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢的冲蚀磨损量随测试时间增加而逐渐增加，结果如附图4所示。本发明材料在2.7h、3.2h、3.7h和4.2h试验后磨损量分别为2881g/m2、3709g/m2、4589g/m2、5171g/m2，平均冲蚀磨损率为19.75g/m2·min；而60Si2Mn钢在2.7h、3.2h、3.7h和4.2h试验后磨损量分别为7636g/m2、8935g/m2、10571g/m2、12678g/m2，平均冲蚀磨损率为48.09g/m2·min，因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后的冲蚀磨损是淬回火60Si2Mn钢的0.41倍。
E土壤腐蚀性能
采用含14％复合肥土壤进行腐蚀时效试验并测定重量变化，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢均先发生正磷酸脱水形成的P2O5沉积而增重，然后基体与磷酸发生反应而失重，结果如附图5所示。本发明材料92h内发生增重157.5mg，92～161h重量值小幅波动；而60Si2Mn钢69h内发生明显增重192.3mg，而后快速失重，低于原始重量57.1g。因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后耐复合肥土壤腐蚀能力优于淬回火60Si2Mn钢。
实施例3
本实施例中，一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，以质量分数计，主要包含：
C 0.45％，Si 0.30％，Mn 1.50％，Cr 1.50％，Ni 0.30％，V 0.10％，Al 0.22％，Nb 0.05％，P 0.028％，S 0.025％，Fe余量。
制备步骤如下：
(1)冶炼：转炉冶炼至钢液中C质量分数低于0.06％，P、S质量分数低于0.02％出钢，出钢过程中加入硅铁、锰铁、铬铁、镍铁和钒铁进行Si、Mn、Cr、Ni和V元素合金化，并加铝块脱氧；LF炉精炼过程中全程吹氩，白渣保持时间20min，出钢前进行Nb、Al合金化，控制最终钢液成分，转入脱气站后进行RH真空脱气处理，真空度≤67Pa，降低有害气体含量；最后全程氩气保护浇铸，中间包钢液过热度为20～40℃，连铸坯厚度为150mm；
(2)轧制：轧制前进行1150～1250℃高温均匀化加热，加热时间3h；采用两阶段轧制至钢板厚度10～20mm，粗轧阶段：开轧温度≥1080℃，终轧温度≥980℃；精轧阶段：开轧温度≥900℃，终轧温度≥850℃；轧后即进行水冷，开冷温度800～850℃，终冷温度500～600℃，随后空冷至室温。而后再加热至800℃保温，随炉冷却退火；
(3)冲压成形：将钢板按规定尺寸进行切割落料，于旋耕刀成型模具中进行冲压成形；
(4)碳氮共渗预处理：采用200～600目砂纸对旋耕刀表面进行打磨，而后采用5％硫酸酸洗后水洗，烘干后于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理。滴注甲醇作为载气，通入丙烷作为富化气，通入氨气提供氮原子。首先滴加甲醇4L/h进行排气，升温至860℃均温10min；然后开始通入丙烷12L/min和氨气20L/min，保持甲醇滴加，调整碳势值为1.20进行强渗，时间为7小时；接着调整丙烷7L/min，降低碳势值为0.80进行扩散，时间为5小时；最后降低炉温至820℃，进一步降低碳势值后均温10min后出炉。
(5)稀土硼碳氮共渗热处理：La-B-C-N共渗渗剂配方为：以质量分数计，碳化硼(10wt.％)、碳化硅(57.5wt.％)、氟硼酸钾(8wt.％)、富镧碳酸稀土(9wt.％)、氟化钠(2.5wt.％)、活性炭(3wt.％)、尿素(4wt.％)、木炭粉(6wt.％)。将预处理后的旋耕刀置于渗箱后经耐火泥、石棉网密封，缓慢升温至900℃后保温5h，随后炉温降至840℃后取出油冷，待冷却至室温后进行中温回火，回火温度为450℃，回火时间为2h。
本发明高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀经过上述冶炼、加工和表面处理及热处理后，取样进行性能测试对比：
A淬回火力学性能
采用GB/T 230.1-2018金属材料洛氏硬度试验标准和GB/T 228.1-2010金属材料室温拉伸试验标准，按表1所示试验工艺规范，测得本发明旋耕刀材料淬火硬度57.0HRC，回火硬度42.5HRC，屈服强度Rp0.2 1200.8MPa，抗拉强度Rm 1267.6MPa，断后伸长率A11.317.9％，断面收缩率Z48.1％；60Si2Mn、50CrV钢淬火硬度为60.0HRC、58.0HRC，回火硬度44.5HRC、43.0HRC，屈服强度Rp0.2 1318.8MPa、1211.5MPa，抗拉强度Rm 1436.9MPa、1271.7MPa，断后伸长率A11.3 6.5％、14.6％，断面收缩率Z34.5％、44％。硬度和强度：本发明材料＜50CrV钢＜60Si2Mn钢，塑性：本发明材料＞50CrV钢＞60Si2Mn钢。
B渗层显微硬度梯度及显微组织
采用GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验标准，对稀土硼碳氮共渗后的试样截面磨抛后从表层到基体进行维氏硬度测试，结果如附图1所示。本发明材料的表面渗层硬度为1330HV；渗层厚度100μm处的硬度为1034HV；渗层硬度550HV以上的厚度为350μm。对稀土硼碳氮共渗后的试样截面按照金相制备方法，磨抛腐蚀后观察，如附图2所示。
C磨粒磨损性能
采用SXM型磨粒磨损试验机进行试验后并测定磨损失重，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢的磨粒磨损量随测试时间增加而逐渐增加，结果如附图3所示。本发明材料在20min、25min、30min试验后磨损量分别为472g/m2、676g/m2、1003g/m2，平均磨粒磨损率为28.68g/m2·min；而60Si2Mn钢在20min、25min、30min试验后磨损量分别为1419g/m2、1852g/m2、2333g/m2，平均磨粒磨损率为74.72g/m2·min，因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后的磨粒磨损是淬回火60Si2Mn钢的0.38倍。
D冲蚀磨损性能
采用MF-2型冲蚀磨损试验机进行高速石英砂冲刷试验并测定磨损失重，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢的冲蚀磨损量随测试时间增加而逐渐增加，结果如附图4所示。本发明材料在2.7h、3.2h、3.7h和4.2h试验后磨损量分别为3156g/m2、3766g/m2、4219g/m2、4738g/m2，平均冲蚀磨损率为19.18g/m2·min；而60Si2Mn钢在2.7h、3.2h、3.7h和4.2h试验后磨损量分别为7636g/m2、8935g/m2、10571g/m2、12678g/m2，平均冲蚀磨损率为48.09g/m2·min，因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后的冲蚀磨损是淬回火60Si2Mn钢的0.40倍。
E土壤腐蚀性能
采用含14％复合肥土壤进行腐蚀时效试验并测定重量变化，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后与淬回火60Si2Mn钢均先发生正磷酸脱水形成的P2O5沉积而增重，然后基体与磷酸发生反应而失重，结果如附图5所示。本发明材料115h内发生增重151.2mg，115h后略微失重；而60Si2Mn钢69h内发生明显增重192.3mg，而后快速失重，低于原始重量57.1g。因此，本发明材料复合稀土硼碳氮共渗处理后耐复合肥土壤腐蚀能力优于淬回火60Si2Mn钢。
本发明通过合金成分优化以及复合稀土硼碳氮共渗处理工艺，材料表面硬度最高达到1350HV，致密的渗硼层获得优良的抗土壤腐蚀能力，磨粒磨损率和冲蚀磨损率分别达到60Si2Mn钢的0.36和0.40倍，有效提高了大耕深旋耕刀的服役寿命，改善了目前旋耕刀材料广泛使用的60Si2Mn、50CrV钢耐磨性、韧性和耐蚀性不能同时兼顾的缺点，克服了刀具回转半径的局限性。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，其特征在于：所述材料基于60Si2Mn、50CrVA钢合金成分，还添加了Nb、Al元素。
2.根据权利要求1所述的高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀材料，其特征在于：按质量分数计，各主要合金元素包括：C 0.30～0.45％，Si 0.20～0.60％，Mn 1.50～2.30％，Cr 1.50～3.00％，Ni 0.10～0.30％，V 0.10～0.30％，Al 0.10～0.30％，Nb 0.01～0.05％，P＜0.035％，S＜0.035％，Fe余量。
3.根据权利要求1～2任一项所述的高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)冶炼：转炉冶炼至钢液中C质量分数低于0.06％，P、S质量分数低于0.02％出钢，出钢过程中加入硅铁、锰铁、铬铁、镍铁和钒铁进行Si、Mn、Cr、Ni和V元素合金化，并加铝块脱氧；LF炉精炼过程中全程吹氩，白渣保持时间20～30min，出钢前进行Nb、Al合金化，控制最终钢液成分，转入脱气站后进行RH真空脱气处理，真空度≤67Pa；全程氩气保护浇铸，中间包钢液过热度为20～40℃，连铸坯厚度为150～200mm；
(2)轧制：轧制前对连铸坯进行1150～1250℃高温均匀化加热，加热时间3～4h；采用两阶段轧制至钢板厚度10～20mm，粗轧阶段：开轧温度≥1080℃，终轧温度≥980℃；精轧阶段：开轧温度≥900℃，终轧温度≥850℃；轧后即进行水冷，开冷温度800～850℃，终冷温度500～600℃，随后空冷至室温；再加热至800～850℃保温，随炉冷却退火；
(3)冲压成形：将钢板进行切割落料，于旋耕刀成型模具中进行冲压成形；
(4)碳氮共渗预处理：采用200～600目砂纸对旋耕刀表面进行打磨，采用5％硫酸溶液酸洗、水洗，烘干后，于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理，滴注甲醇作为载气，通入丙烷作为富化气，通入氨气提供氮原子；
(5)稀土硼碳氮共渗热处理：采用La-B-C-N共渗渗剂对旋耕刀进行热处理；将热处理后的旋耕刀置于渗箱后经密封，缓慢升温至900～950℃后保温2～5h，炉温降至840～880℃后取出油冷，待冷却至室温后进行中温回火，回火温度为400～450℃，回火时间为2～4h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，于可控气氛密封箱式炉进行表面预处理的步骤为：首先滴加甲醇3～4L/h进行排气，升温至860～900℃，均温10～20min；通入丙烷10～25L/min和氨气15～20L/min，保持甲醇滴加，调整碳势值为1.20～1.50进行强渗，时间为4～7h；接着调整丙烷5～15L/min，降低碳势值为0.80～1.10进行扩散，时间为2～5h；最后降低炉温至820～850℃，进一步降低碳势值后均温10～20min后出炉。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，La-B-C-N共渗渗剂配方为：以质量分数计，碳化硼8～10％、碳化硅54～61％、氟硼酸钾6～10％、富镧碳酸稀土7～9％、氟化钠2～3％、活性炭3～5％、尿素3～5％、木炭粉6～8％。
6.一种根据权利要求3的制备方法制备得到的高耐磨耐蚀大耕深旋耕刀。
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