CN112011739B

CN112011739B - 一种高韧性铁合金及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112011739B
Application number: CN202010877304.1A
Authority: CN
Inventors: 袁志钟; 张琰琳; 曹赟; 袁飞; 张伯承; 罗锐; 程晓农
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: CN112011739A

Abstract

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种高韧性铁合金及其制备方法和应用。本发明提供的高韧性铁合金，包括如下质量百分含量的元素组分：0.5～0.65％C，1.80～2.4％Cr，0.6～1.2％Ni，0.4～0.7％Si，0.5～1.1％Mo，0.15～0.4％V，0～0.03％P，0～0.03％S和余量的Fe。本发明提供的高韧性铁合金中较低含量的Si避免了合金材料发生脱碳，提高耐磨性的同时保持了一定的韧性；较高含量的Ni提高了合金的韧性；V与C形成的VC使合金具有较高的硬度和韧性；Mo能够使合金的晶粒细化，提高合金淬透性和热强性，保证合金在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高合金的硬度和韧性。

Description

一种高韧性铁合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种高韧性铁合金及其制备方法和应用。

背景技术

盾构机是专用于硬质岩层掘进的超大型机械设备，盾构机利用刀盘上固定的可更换式盘形滚刀对岩石进行贯入、碾压，进而逐步贯通隧洞。刀圈作为盾构机最关键的用量最大的耗材，其使用成本可以占到隧道施工总成本的三分之一。在硬岩地质条件下进行施工，盾构机的刀圈需要承受剧烈的冲击与摩擦，使得刀圈极易发生磨损及崩刃失效。

目前，主流掘进机刀圈材料为H13(4Cr5MoSiV1)的衍生钢种，其具备一定的强度与韧性。但是，随着我国隧道掘进工程项目的发展，对盾构机刀圈的韧性和使用寿命提出了更高的要求。现阶段主要推荐选用CG-2钢(6Cr4Ni2Mo3WV)和ASTM-S5钢(6CrMnSi2Mo1V)为盾构机刀圈用钢。然而CG-2钢作为一种冷、热作兼具的模具钢，其强度和断裂韧度虽然较高，但退火工艺较复杂；同时在锻造CG-2钢过程中，CG-2钢具有开裂倾向，影响CG-2钢的使用寿命。ASTM-S5钢作为一种低合金冷作模具钢，在适当的热处理工艺下，强韧性匹配良好，但是ASTM-S5钢中Si含量较高，在加工过程中容易造成材料表面脱碳，降低了刀圈的硬度与耐磨性，致使刀圈在服役过程中更易发生磨损失效。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高韧性铁合金，本发明提供的高韧性铁合金在保证合金具有一定硬度的基础上提高了合金的韧性，具有较高的耐磨性，将所述高韧性铁合金用于制备盾构机刀圈可以提高盾构机刀圈的使用寿命，降低了成本。

本发明提供了一种高韧性铁合金，包括如下质量百分含量的元素组分：

优选的，本发明提供的高韧性铁合金，包括如下质量百分含量的元素组分：

本发明还提供了上述技术方案所述高韧性铁合金的制备方法，包括以下步骤：

按照元素质量配比，将合金原料依次进行配料、熔炼和锻造，得到毛坯材料；

将所述毛坯材料进行淬火，得到初级高韧性铁合金；

将所述初级高韧性铁合金进行两段回火，得到高韧性铁合金。

优选的，所述淬火的温度为1020～1040℃，时间为20～40min，所述淬火用冷却介质为油。

优选的，升温至所述淬火的温度的升温速率为5～15℃/min。

优选的，所述油包括机械油，所述机械油的型号为L-AN20号或L-AN30号。

优选的，所述两段回火包括依次进行的第一回火和第二回火，所述第一回火的温度为510～530℃，所述第二回火的温度为490～510℃；所述第一回火和第二回火的时间独立的为90～120min。

优选的，所述第一回火和第二回火的升温速率独立的为5～15℃/min。

优选的，两段回火中每段回火后还包括将每段回火后的产物空冷至室温。

本发明还提供了上述技术方案所述高韧性铁合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的高韧性铁合金在盾构机刀圈中的应用。

本发明提供了一种高韧性铁合金，包括如下质量百分含量的元素组分：0.5～0.65％C，1.80～2.4％Cr，0.6～1.2％Ni，0.4～0.7％Si，0.5～1.1％Mo，0.15～0.4％V，0～0.03％P，0～0.03％S和余量的Fe。本发明提供的高韧性铁合金含有较低含量的Si有较强的固溶强化效果，可以提高钢的强度，避免了合金材料发生脱碳降低合金的硬度、耐磨性，同时含有较高含量的Ni能够提高合金的韧性。在本发明中，所述V是碳化物形成元素，与C易形成具有较高质点稳定性的VC使合金具有较高的硬度和韧性。在本发明中，所述Mo能够使合金的晶粒细化，提高合金淬透性和热强性，从而保证合金在高温是保持足够的强度和抗蠕变能力，提高合金的硬度和韧性。由实施例结果可知，本发明提供的高韧性铁合金具有较高的硬度的同时具有较高的韧性，其硬度为55～56HRC，冲击吸收功为22～25J。

本发明还提供了上述技术方案所述高韧性铁合金的制备方法，包括以下步骤：按照元素质量配比，将合金原料依次进行配料、熔炼和锻造，得到毛坯材料；将所述毛坯材料依次进行淬火，得到初级高韧性铁合金；将所述初级高韧性铁合金进行两段回火，得到高韧性铁合金。本发明提供的准备方法简单易操作。在本发明中，所述两段回火使合金具有更好的内部韧性。

具体实施方式

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括0.5～0.65％C，优选为0.55～0.6％。当合金中C含量在0.8％以下时，随着含碳量的增加，塑性和韧性会有所降低，本发明合金在上述含量碳的作用下使合金具有较高的韧性。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括1.80～2.4％Cr，优选为2～2.2％。在本发明中，所述Cr作为碳化物形成元素，能够阻止Fe₃C长大，提高回火后合金稳定性与淬透性并改善合金中碳化物均匀性，从而使合金保持一定的硬度。但是Cr含量过高，将促进杂质原子偏聚，增大回火脆性倾向，因此需要限定Cr的含量在上述范围内。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括0.6～1.2％Ni，优选为0.9～1％。在本发明中，所述Ni和Cr的质量比优选为1:2，当所述Ni和Cr的质量比为1:2能够极大提高材料的淬透性。在本发明中，所述Ni作为奥氏体形成元素，可与奥氏体无限固溶，实现固溶强化，Ni融入基体后降低合金中位错运动阻力，使应力松弛，可有效提高基体的韧性，提高材料的冲击韧性。但Ni含量过高会增加残余奥氏体的含量，降低合金零件尺寸精度；同时Ni还是非碳化物形成元素，在回火过程中不存在沉淀强化效果，过高的Ni含量不利于材料的回火稳定性。本发明限定Cr和Ni的含量在上述范围内能够在Cr和Ni的共同作用下提高材料的抗冲击性能。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括0.4～0.7％Si，优选为0.6～0.7％。在本发明中，Si作为铁素体形成元素，含量较高时容易造成材料表面脱碳，降低材料的硬度和耐磨性；含量较低时有较强的固溶强化作用，可提高钢的强度与硬度。在本发明合金限定硅在上述含量范围内能够提高合金的强度和硬度，并保持一定的韧性。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括0.5～1.1％Mo，优选为0.5～0.6％。在本发明中，Mo能使合金的晶粒细化，提高合金淬透性和热强性能，使合金在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高合金硬度与韧性。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括0.15～0.4％V，优选为0.3～0.4％。在本发明中，V作为强碳化物形成元素，能够与C形成具有较高质点稳定性的VC，所述VC弥散分布在合金中起到细化晶粒的作用，从而提高合金的强度。在本发明中，所述VC能有效阻止晶界移动，且VC质点硬度较高，因此能够提高合金的硬度和韧性。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金包括0～0.03％P，优选为0.006～0.008％；还包括0～0.03％S，优选为0.005～0.007％。在本发明中，所述P和S是不可避免的杂质元素。

按照质量百分含量计，本发明提供的高韧性铁合金还包括余量的Fe。

本发明限定各元素含量在特定范围内，在各元素共同作用下使合金具有一定硬度的同时，还提高了合金的韧性。

按照上述技术方案所述合金的元素质量配比，将合金原料依次进行配料、熔炼和锻造，得到毛坯材料；

将所述毛坯材料进行淬火，得到初级高韧性铁合金；

在本发明中，如无特殊说明，本发明中的原料均采用常规市售产品。

本发明按照上述技术方案所述合金的元素质量配比，将合金原料依次进行配料、熔炼和锻造，得到毛坯材料。本发明对原料的来源无特殊限定，采用本领域技术人员熟知的材料即可。本发明对熔炼的方式没有特殊限定，采用常规的熔炼方式即可。本发明对锻造的方式无特殊限定，只要能够得到初步成型的毛坯材料即可。本发明对毛坯材料的尺寸无特殊限定根据实际需要进行设定即可，本发明的实施例中所述毛坯材料的直径为432mm，厚度为90mm。

得到毛坯材料后，本发明将所述毛坯材料进行淬火，得到初级高韧性铁合金。在本发明中，所述淬火的温度优选为1020～1040℃，更优选为1030～1035℃，升温至所述淬火的温度的升温速率优选为5～15℃/min，更优选为8～10℃/min；所述淬火的时间优选为20～40min，更优选为20～30min。

在本发明中，所述淬火用冷却介质优选为油，所述油优选包括机械油，所述机械油的型号优选为L-AN20号或L-AN30号。本发明利用油进行冷却，所述冷却后合金的温度优选为室温。本发明以油作为冷却介质减小了合金产生冷却变形和开裂倾向小，提高了合金结构的稳定性，进而保证合金的力学性能。

在本发明中，经过所述淬火使合金奥氏体相转变为马氏体相，提高了合金的硬度，同时Mo和V与C形成Mo₂C和VC，进一步强化合金的硬度。

得到初级高韧性铁合金后，本发明将所述初级高韧性铁合金进行两段回火，得到高韧性铁合金。在本发明中，所述两段回火优选包括依次进行的第一回火和第二回火，所述第一回火的的温度优选为510～530℃，所述第二回火的温度优选为490～510℃。在本发明中，所述第二回火的温度优选比第一回火的温度低20℃。在本发明中，所述第一回火和第二回火的升温速率优选为5～15℃/min，更优选为8～10℃/min，在发明中，所述第一回火和第二回火的升温速率优选相同；所述第一回火和第二回火的时间独立的优选为90～120min，更优选为100min，在发明中，所述第一回火和第二回火的时间优选相同。在本发明中，所述第一回火主要是去除应力，所述第二回火主要是进一步减少不稳定残余奥氏体，使残余奥氏体转变为马氏体。

本发明优选独立的将每段回火后的产物空冷至室温。

本发明还提供了上述技术方案所述高韧性铁合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的高韧性铁合金在制备盾构机刀圈方面的应用。本发明对所述盾构机刀圈的尺寸无特殊要求，根据实际需要进行设定，在本发明的实施例中所述盾构机刀圈的直径为432mm，厚度为76mm。本发明提供的高韧性铁合金具有较高的硬度和韧性，能够在高硬的苛刻条件下服役。

下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

以质量百分含量计，将0.6％C，2％Cr，1％Ni，0.7％Si，0.5％Mo，0.4％V，0.006％P，0.005％S和94.789％Fe进行熔炼，熔炼后热轧成直径为432mm，厚度为76mm的毛坯材料；

将所述毛坯材料在10℃/min的升温速率下升温至1030℃，并保温30min；然后利用型号为L-AN20的机械油冷却至室温，得到初级高韧性铁合金；

将所述初级高韧性铁合金在10℃/min的升温速率下升温至520℃，并保温120min，然后空冷至室温；将空冷后的合金在10℃/min的升温速率下升温至510℃，并保温120min，然后空冷至室温，得到高韧性铁合金。

实施例2

以质量百分含量计，将0.5％C，1.8％Cr，0.9％Ni，0.7％Si，0.5％Mo，0.4％V，0.008％P，0.007％S和95.185％Fe；进行熔炼，熔炼后热轧成直径为432mm，厚度为76mm的毛坯材料；

将所述毛坯材料在8℃/min的升温速率下升温至1035℃，并保温30min；然后利用型号为L-AN30的机械油冷却至室温，得到初级高韧性铁合金；

将所述初级高韧性铁合金在10℃/min的升温速率下升温至530℃，并保温100min，然后空冷至室温；将空冷后的合金在10℃/min的升温速率下升温至510℃，并保温100min，然后空冷至室温，得到高韧性铁合金。

实施例3

以质量百分含量计，将0.55％C，2.4％Cr，1.2％Ni，0.7％Si，0.5％Mo，0.4％V，0.006％P，0.007％S和94.237％Fe进行熔炼，熔炼后热轧成直径为432mm，厚度为76mm的毛坯材料；

将所述毛坯材料在10℃/min的升温速率下升温至1040℃，并保温40min；然后利用型号为L-AN20的机械油冷却至室温，得到初级高韧性铁合金；

对比例1

以ASTM55钢作为对比例1，所述ASTM55钢包括如下的化学元素组分：0.65％C，0.5％Cr，2.25％Si，1.35％Mo，0.15％V，1％Mn，0.007％P，0.005％S和94.088％Fe。

按照GB/T230.1金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)、GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验以及往复式磨损试验方法检测实施例1～3制备得到的高韧性铁合金和对比例1中ASTM55钢的硬度、冲击吸收功以及体积磨损率，且结果列于表1中。

表1实施例1～3制备得到的高韧性铁合金和对比例1中ASTM55钢的硬度、冲击吸收功和体积磨损率

由表1的结果可知，本发明提供的高韧性铁合金具有较高硬度的同时具有较高的冲击吸收功，即具有较高的韧性。将本发明提供的高韧性铁合金用于制备盾构机刀圈能够提高盾构机刀圈的耐磨性，减小了体积磨损率，从而延长了盾构机刀圈的使用寿命。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims

1.一种高韧性铁合金，包括如下质量百分含量的元素组分：

C 0.5～0.65％；

Cr 1.80～2.4％；

Ni 0.6～1.2％；

Si 0.4～0.7％；

Mo 0.5～1.1％；

V 0.15～0.4％；

P 0～0.03％；

S 0～0.03％；

Fe 余量；

所述高韧性铁合金的制备方法，包括以下步骤：

将所述毛坯材料进行淬火，得到初级高韧性铁合金；所述淬火的温度为1020～1040℃，时间为20～40min，所述淬火用冷却介质为油；

将所述初级高韧性铁合金进行两段回火，得到高韧性铁合金；所述两段回火包括依次进行的第一回火和第二回火，所述第一回火的温度为510～530℃，所述第二回火的温度为490～510℃；所述第一回火和第二回火的时间独立的为90～120min。

2.根据权利要求1所述的高韧性铁合金，其特征在于，包括如下质量百分含量的元素组分：

C 0.55～0.6％；

Cr 2～2.2％；

Ni 0.9～1％；

Si 0.6～0.7％；

Mo 0.5～0.6％；

V 0.3～0.4％；

P 0.006～0.008％；

S 0.005～0.007％；

Fe 余量。

3.权利要求1或2所述高韧性铁合金的制备方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，升温至所述淬火的温度的升温速率为5～15℃/min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述油包括机械油，所述机械油的型号为L-AN20号或L-AN30号。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一回火和第二回火的升温速率独立的为5～15℃/min。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，两段回火中的每段回火后还包括将每段回火后的产物空冷至室温。

8.权利要求1或2所述高韧性铁合金或权利要求3～7任一项所述制备方法制备得到的高韧性铁合金在盾构机刀圈中的应用。