CN111534763B - 一种耐磨合金钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐磨合金钢，其由以下成分组成：0.3～1.0wt％的C，0.3～1.2wt％的Si，0.3～1.2wt％Mn，2.5～8wt％的Cr，0.2～1.5wt％的Mo，0.2～1.5wt％的Ni，0.01～0.6wt％的V，0.01～0.5wt％的W，0.001～0.5wt％的Nb，0.01～0.2wt％的Ti，余量为Fe。本申请提供的耐磨合金钢通过调整合金元素的含量，并配合特定的热处理工艺，既保证了耐磨合金钢的硬度，又保证了其抗冲击性能，可以极大的提高板锤、甩锤、衬板等耐磨产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种耐磨合金钢及其制备方法。
背景技术
锤头、衬板、板锤、轧臼壁、磨辊、球磨机钢球以及棒磨机钢棒等配件是破碎机、制砂机、磨粉机或搅拌机等工业机械设备的主要磨损件，上述磨损件需要具有较好的耐磨性。目前，这些耐磨产品主要由高锰钢、合金钢或高铬铸铁等金属材料铸造而成，需要破碎的材料一般为矿石、石英砂、水泥等硬度相对较高的材料，这些磨损件承受冲击、挤压、剪切及接触疲劳的反复作用，工况条件恶劣，每年消耗大量的金属材料。因此，研制一种低成本、高硬度、高韧性的耐磨材料是一个迫切的问题。
传统的耐磨材料中，高锰钢韧性最好，但初始硬度低(＜30HRC)，必须要有强大的冲击力才能产生加工硬化的作用来提高耐磨性，只适合冲击力很大的工况，而不适用于上述工况。高铬铸铁合金含量高，硬度可达到60HRC以上，而且组织内部含有硬度更高的碳化物，耐磨性非常好，但是冲击韧性很低，一般＜5J/cm2，也不适合上述冲击大的工况。
合金钢硬度和韧性适中，一般冲击韧性为15～30J/cm2，硬度45～58HRC，一般使用寿命比高锰钢高一倍以上，但某些冲击大的工况仍有断裂的情况，因此，如何在保证高硬度的前提下，进一步提高合金钢的韧性具有重要的现实意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高硬度、高抗冲击韧性的耐磨合金钢。
有鉴于此，本申请提供了一种耐磨合金钢，由以下重量百分比的成分组成：
优选的，所述C的含量为0.45wt％～0.7wt％，所述Si的含量为0.95wt％～1.2wt％。
优选的，所述Cr的含量为6.2wt％～8wt％。
优选的，所述Mo的含量为0.95wt％～1.5wt％，所述Ni的含量为1.22wt％～1.5wt％。
优选的，所述V的含量为0.4wt％～0.6wt％。
优选的，所述Nb的含量为0.2wt％～0.5wt％。
本申请还提供了所述的耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、增碳剂、钒铁、钨铁、钛铁、镍板和铌铁熔炼，成分符合权利要求1～6任一项所述的耐磨合金钢的元素配比后静置；
将静置后的钢液铸造后热处理，得到耐磨合金钢。
优选的，所述热处理的制度具体为：
将铸造后的铸件先进行淬火再进行回火。
优选的，所述淬火是在950℃～1020℃下保温2～5h，出炉风冷，且于150℃停止风冷；所述回火的温度为250～420℃，保温时间为3～6h，冷却方式是空冷。
本申请提供了一种耐磨合金钢，其由以下成分组成：0.3～1.0wt％的C，0.3～1.2wt％的Si，0.3～1.2wt％Mn，2.5～8wt％的Cr，0.2～1.5wt％的Mo，0.2～1.5wt％的Ni，0.01～0.6wt％的V，0.01～0.5wt％的W，0.001～0.5wt％的Nb，0.01～0.2wt％的Ti，余量为Fe。本申请提供的耐磨合金钢的C含量不超过1wt％可以保证不产生脆性的网状碳化物，配合合金元素Cr、Ni和Mo，可以得到强度、硬度均较高的耐磨产品，V、W、Nb和Ti和C反应生成碳化物，以碳化物质点的形式析出，由此防止晶粒变粗，由此进一步提高了耐磨合金钢的硬度和抗冲击韧性。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于高锰钢和高铬铸铁合金均不能满足本申请的应用工况，本申请提供了一种耐磨合金钢，该耐磨合金钢通过各合金元素含量的调整，得到了一种具有高硬度和高冲击韧性的耐磨合金钢，该耐磨合金钢同时具有高硬度和高抗冲击性，可以极大的提高板锤、甩锤、衬板等产品的使用寿命。具体的，本发明实施例公开了一种耐磨合金钢，由以下重量百分比的成分组成：
在上述耐磨合金钢中，C可在基体中形成碳化物，以提高材料的强度和硬度。所述C的含量为0.3wt％～1.0wt％，在具体实施例中，所述C的含量可以为0.4～0.8wt％，所述C的含量也可以为0.82wt％～1.0wt％。所述C的含量过高容易产生网状碳化物，影响耐磨冲击钢的韧性；C含量过低则硬度太低，耐磨性不足。
Si的含量为0.3wt％～1.2wt％，在具体实施例中，所述Si的含量为0.5wt％～0.8wt％，或0.95wt％～1.2wt％。所述Si的含量过高则容易引起淬火裂纹。
Mn可以增强钢的强度，其含量为0.3wt％～1.2wt％，在具体实施例中，所述Mn的含量为0.5wt％～1.0wt％，更具体的，所述Mn的含量为0.5wt％～0.8wt％。
Cr有利于提高钢的强度、硬度和淬透性，其含量为2.5wt％～8.0wt％，在具体实施例中，所述Cr的含量为2.8wt％～6.0wt％，或所述Cr的含量为6.2wt％～8.0wt％。
Mo作为提高钢的强度、硬度和淬透性的元素，其含量为0.4wt％～0.6wt％，或所述Mo的含量为0.95wt％～1.5wt％。
Ni作为提高钢的强度、硬度和淬透性的元素，其含量为0.2wt％～1.5wt％，在具体实施例中，所述Ni的含量为0.5wt％～1.0wt％，或所述Ni的含量为1.22wt％～1.5wt％。
V、W和Nb都是提高钢的强度、硬度的元素；所述V的含量为0.01～0.6wt％，在具体实施例中，所述V的含量为0.03wt％～0.2wt％，或所述V的含量为0.4～0.6wt％。所述W的含量为0.01～0.5wt％，在具体实施例中，所述W的含量为0.1wt％～0.3wt％。所述Nb的含量为0.001～0.5wt％，在具体实施例中，所述Nb的含量为0.005wt％～0.1wt％，或所述Nb的含量为0.3wt％～0.5wt％。
Ti有利于提高钢的强度、细化晶粒，其含量为0.01～0.2％，在具体实施例中，所述Ti的含量为0.03wt％～0.12wt％，更具体的，所述Ti的含量为0.02wt％～0.09wt％。
在所述耐磨合金钢中，P、S一般为杂质元素，其含量越少越好；由此本申请S≤0.04wt％，P≤0.04wt％。
上述成分的耐磨合金钢进一步配合热处理工艺，即可进一步提高耐磨合金钢的强度和抗冲击韧性。具体的，本申请所述耐磨合金钢的制备方法具体为：
将废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、增碳剂、钒铁、钨铁、钛铁、镍板和铌铁熔炼，成分上述的耐磨合金钢的元素配比后静置；
将静置后的钢液铸造后热处理，得到耐磨合金钢。
在上述制备耐磨合金钢的过程中，首先进行熔炼，即将废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、增碳剂、钒铁、钨铁、镍板、铌铁和钛铁投入中频炉中进行熔炼，得到铁水。
在实际生产中，需要检测铁水的成分以保证其成分能够满足本申请耐磨合金钢的成分要求；如此的话，则采用光谱分析铁水样品，测试铁水的成分，不断调整元素含量，使之符合本申请的化学成分后则导入钢包中进行静置。在静置的过程中，可吹氩3～5min，以利于铁水内部杂质的上浮。
然后将铁水表面的氧化物等杂质挡住，以进行铸造，得到铸件。本申请所述铸造的过程按照本领域技术人员熟知的铸造方式进行即可，可以是消失模铸造，也可以是水玻璃砂型铸造、覆膜砂铸造、树脂砂铸造，还可以是蜡膜铸造，对此本申请没有特别的限制。
按照本发明，最后将铸件进行热处理，以得到耐磨合金钢；所述热处理的制度具体为：将铸造后的铸件先进行淬火再进行回火。所述淬火是在950℃～1020℃下保温2～5h，出炉风冷，且于150℃停止风冷，在具体实施例中，所述淬火是在950℃、1000℃或1020℃保温3～4h，出炉风冷，且于150℃停止风冷；所述回火的温度为250～420℃，保温时间为3～6h，冷却方式是空冷，在具体实施例中，所述回火的温度为280～360℃，保温的时间为5h。
本申请提供了一种耐磨合金钢，其通过调整合金元素的含量，进一步与热处理制度相配合，进一步提高了耐磨合金钢的硬度与抗冲击韧性，使本申请的耐磨合金钢可用于锤头、衬板、板锤、轧臼壁、磨滚、球磨机钢球以及棒磨机钢棒等产品，且提高了上述产品的使用寿命；上述板锤、衬板、锤头等主要摩擦面还可以加陶瓷、硬质合金等硬质相进行复合，陶瓷可以是ZTA、氧化铝、氧化锆陶瓷颗粒，做成预制块的形式进行铸渗复合，也可以用烧结好的硬质合金棒进行复合。实验结果表明，本申请提供的耐磨合金钢的冲击韧性可达到50J/cm2以上，硬度达到HRC51以上，可用于冲击更大的工况，耐磨性和使用安全性得到有效提升。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的耐磨合金钢及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1板锤
按照板锤的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到板锤；以质量百分比计，板锤的具体成份：碳0.52％、硅0.7％、锰0.65％、铬3.5％、钼0.6％、镍0.7％、钒0.2％、钨0.2％、铌0.08％、钛0.05％、硫0.01％、磷0.02％、余量为铁；
制备板锤采用的热处理制度具体为：
淬火：1000℃保温5小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：280℃保温5小时，出炉空冷。
取板锤的3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为51J/cm2、53J/cm2、55J/cm2；洛氏硬度分别为55.2HRC、54.6HRC、54.9HRC。
实施例2衬板
按照衬板的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到衬板；以质量百分比计，衬板的具体成份：碳0.38％、硅0.6％、锰0.7％、铬3.2％、钼0.4％、镍0.9％、钒0.2％、钨0.1％、铌0.02％、钛0.05％、硫0.02％、磷0.02％、余量为铁。
制备衬板采用的热处理制度具体为：
淬火：1020℃保温3小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：350℃保温5小时，出炉空冷。
取衬板3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为75J/cm2、82J/cm2、78J/cm2；洛氏硬度分别为51.3HRC、51.6HRC、51.1HRC。
实施例3板锤
按照板锤的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到板锤；以质量百分比计，板锤的具体成份：碳0.61％、硅0.98％、锰0.75％、铬6.5％、钼1.1％、镍1.26％、钒0.44％、钨0.1％、铌0.3％、钛0.06％、硫0.02％、磷0.03％、余量为铁；
制备板锤采用的热处理制度具体为：
淬火：1010℃保温5小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：350℃保温5小时，出炉空冷。
取板锤的3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为37J/cm2、44J/cm2、42J/cm2；洛氏硬度分别为57.6HRC、57.1HRC、57.2HRC；由此可见合金含量增加，硬度得到较大提升，冲击韧性也可以满足使用要求。
实施例4衬板
按照衬板的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到衬板；以质量百分比计，衬板的具体成份：碳0.68％、硅1.1％、锰0.7％、铬7.2％、钼1.2％、镍1.4％、钒0.45％、钨0.12％、铌0.32％、钛0.05％、硫0.02％、磷0.02％、余量为铁。
制备衬板采用的热处理制度具体为：
淬火：1000℃保温4小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：400℃保温5小时，出炉空冷。
取衬板3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为55J/cm2、58J/cm2、67J/cm2；洛氏硬度分别为56.3HRC、56.6HRC、56.1HRC；由此可见合金含量增加，硬度得到较大提升，冲击韧性也可以满足使用要求。
对比例1板锤
按照板锤的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到板锤；以质量百分比计，板锤的具体成份：碳0.92％、硅0.7％、锰0.5％、铬3.2％、钼0.6％、镍0.6％、硫0.01％、磷0.02％、余量为铁；
制备板锤采用的热处理制度具体为：
淬火：1000℃保温5小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：280℃保温5小时，出炉空冷。
取板锤的3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为18J/cm2、22J/cm2、15J/cm2；洛氏硬度分别为57.8HRC、57HRC、56.5HRC。上述效果与实施例1相比可知：含碳量高引起硬度较高，但冲击韧性较差，有断裂的风险。
对比例2板锤
按照板锤的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到板锤；以质量百分比计，板锤的具体成份：碳0.52％、硅0.7％、锰0.65％、铬3.5％、钼0.6％、镍0.7％、钒0.2％、钨0.2％、铌0.08％、钛0.05％、硫0.01％、磷0.02％、余量为铁；
制备板锤采用的热处理制度具体为：
淬火：940℃保温5小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：280℃保温5小时，出炉空冷。
取板锤的3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为28J/cm2、33J/cm2、35J/cm2；洛氏硬度分别为52.5HRC、53.3HRC、53.5HRC。上述效果与实施例1相比可知：淬火温度较低，合金元素未充分溶解，引起冲击韧性较差。
对比例3板锤
按照板锤的具体形貌特征依次经过熔炼、铸造和热处理，即得到板锤；以质量百分比计，板锤的具体成份：碳0.52％、硅0.7％、锰0.65％、铬3.5％、钼0.6％、镍0.7％、钒0.2％、钨0.2％、铌0.08％、钛0.05％、硫0.01％、磷0.02％、余量为铁；
制备板锤采用的热处理制度具体为：
淬火：1050℃保温5小时，出炉风冷，150℃停止风冷；
回火：280℃保温5小时，出炉空冷。
取板锤的3个不同位置进行性能检测，检测结果为：冲击韧性分别为38J/cm2、33J/cm2、25J/cm2；洛氏硬度分别为54.5HRC、55.2HRC、55.9HRC。上述效果与实施例1相比可知：淬火温度较高，合金元素溶解较充分，硬度较高，但引起晶粒长大，使冲击韧性较差。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种耐磨合金钢，由以下重量百分比的成分组成：
C 0.3~1.0%；
Si 0.95~1.2%；
Mn 0.3~1.2%；
Cr 6.2~8%；
Mo 0.95~1.5%；
Ni 1.22~1.5%；
V 0.4~0.6%；
W 0.01~0.5%；
Nb 0.02~0.5%；
Ti 0.01~0.2%；
余量为Fe；
所述的耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将废钢、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、增碳剂、钒铁、钨铁、钛铁、镍板和铌铁熔炼，成分符合配比后静置；
将静置后的钢液铸造后热处理，得到耐磨合金钢；
所述热处理的制度具体为：
将铸造后的铸件先进行淬火再进行回火；
所述淬火是在950℃~1020℃下保温2~5h，出炉风冷，且于150℃停止风冷；所述回火的温度为250~420℃，保温时间为3~6h，冷却方式是空冷。
2.根据权利要求1所述的耐磨合金钢，其特征在于，所述C的含量为0.45wt%~0.7wt%。
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