CN112921243B - 一种低硬度高耐磨钢及其热处理制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低硬度高耐磨钢及其热处理制备方法，具体包括以下成分：C 0.1～0.3wt％、Mn 1.93wt％～2wt％、Si 1.59wt％～1.6wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。该热处理制备方法，包括：(1)奥氏体化；(2)两相区临界退火；(3)淬火；(4)配分。本发明针对Q&P钢从优化设计热处理调控微观组织的角度来提高其耐磨性能同时降低其硬度以改善其加工切削性能，即对两相区临界退火、淬火‑配分参数进行不同热处理，以获得最佳的铁素体+马氏体+残余奥氏体耐磨组织。经热处理调控后的Q&P钢具有低硬度高耐磨性能，满足当前工业界对高性能高抗磨损合金钢的需求。

Description

一种低硬度高耐磨钢及其热处理制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及到一种低硬度高耐磨钢及其热处理制备方法。
背景技术
我国工业因摩擦磨损所造成的经济损失相当严重，对关键零部件的耐磨性及使用寿命提出了更高的要求，同时对于零部件的易加工性能亦提出了更高要求。因此，开展高性能、易加工及低成本合金研究，从而提高材料的耐磨性能及加工性能具有重要的意义。
Q&P钢(Q为Quenching，淬火；P为Partitioning，配分)因含有奥氏体相而具有TRIP(TRansformation Induced Phase)效应，可以很大程度上提高材料的强度、塑韧性匹配及良好的加工硬化能力，以及其优异的工艺成形性能和生产工艺简单、生产成本低，同时可降低材料组织本身的硬度，从而具有很大的潜力可应用于遭受摩擦磨损的工业应用中。但目前针对这Q&P钢的研究都主要在于通过优化合金成分以及热处理工艺来改善其力学性能，而对其增强耐磨性能的研究少有报道。
因此，如何通过热处理工艺提高材料的耐磨性能同时降低材料的本身硬度从而提高其加工性能，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低硬度高耐磨钢及其热处理制备方法，可以通过热处理方法大幅度提高钢材的耐磨性能以及降低在极限载荷条件下钢材的磨损量，同时可降低材料的本身硬度。
为达上述目的，本发明提供了一种低硬度高耐磨钢，具体包括以下成分：C 0.1～0.3wt％、Mn 1.93wt％～2wt％、Si 1.59wt％～1.6wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
采用上述方案的有益效果是：碳是奥氏体稳定化元素，在配分过程中过饱和马氏体中的碳可配分至奥氏体中，提高奥氏体中碳元素含量从而可以增加奥氏体的稳定性使其可在室温下保留。而奥氏体在磨损工况中由于摩擦应力的作用从表面逐渐被应力诱导发生马氏体相变(TRIP效应)，从而可以不断提高材料接触表面强度进而提高抗磨损性能；同时，与常规耐磨钢相比，Q&P钢中奥氏体的引入可以降低高硬度马氏体的含量，且其马氏体在配分过程中已处于贫碳，因此可以显著降低Q&P钢的硬度。Si主要用于抑制碳化物的析出，Mn主要用于扩大奥氏体区。
进一步地，具体包括以下成分：C 0.2wt％、Mn 2wt％、Si 1.6wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。
提供了一种低硬度高耐磨钢的热处理制备方法，包括以下步骤：
(1)奥氏体化
将钢材加热到Ac3以上，并保温5-20min，同时抽真空环境并通入氩气，其中真空度为0-100Pa；
(2)两相区临界退火
将奥氏体化的钢材以18-22℃/min的冷却速度冷却至两相区临界退火温度730-780℃，并保温1h；
(3)淬火
将步骤(2)处理过的钢材于盐浴炉中250-300℃温度条件下进行淬火处理3-7s，其中，盐浴炉中的盐由NaNO2和KNO3按重量比1-2:1组成；
(4)配分
将淬火后的钢材于另一盐浴炉中350-450℃温度条件下进行配分处理90-110s，配分完成后立即冷却至室温，制得钢组织；其中，盐浴炉中的盐为NaOH。
采用上述方案的有益效果是：首先上述奥氏体化的过程及气氛环境选取可以在实现奥氏体化的同时减少脱碳层和氧化层，减少材料损失；将奥氏体化的钢材在两相区临界退火，部分奥氏体可以转化为铁素体，形成稳定的奥氏体+铁素体的两相区组织；随后淬火至Ms(马氏体转变起始点)-Mf(马氏体转变终了点)温度区间，部分奥氏体转化为马氏体同时保留一定量的残余奥氏体，形成铁素体+马氏体+残余奥氏体的组织；最后进行配分，马氏体中过饱和的碳向残余奥氏体中扩散，增加残余奥氏体的稳定性使其在室温可保留下来；而残余奥氏体在摩擦过程中因摩擦应力诱导其向马氏体转变增强材料表面强度，从而提高材料的抗磨损性能。
进一步地，步骤(1)的Ac3的温度为850℃，钢材加热的速率为10℃/s。
进一步地，两相区临界退火温度为760℃。
进一步地，淬火温度为275℃。
进一步地，配分温度为400℃。
采用上述方案的有益效果是：两相区临界退火的目的是使部分奥氏体转变成铁素体，不同两相区临界退火温度会有不同含量的奥氏体转变成铁素体，铁素体在随后的转变过程中不会发生相变，并且铁素体是一种较软相，在材料受到外界机械力的作用时可以起到适应塑性变形的作用；在275℃(Ms-Mf温度区间)进行淬火处理，时间为5s，目的是使得奥氏体部分直接转变成过饱碳的马氏体，由于马氏体是一种比较硬的组织，通常马氏体含量越高，导致硬度越高、材料强度亦越高但是会降低材料的韧性；配分的目的是使马氏体中过饱和的碳向残余奥氏体中扩散，增加奥氏体的稳定性从而使其可在室温下保留下来，同时过饱和碳的马氏体转变为贫碳马氏体，降低了马氏体中的硬度及内应力，可提高组织的韧性。
进一步地，NaNO2和KNO3的质量分数均为99％，NaOH的质量分数为98％。
采用上述方案的有益效果是：NaNO2和KNO3按照质量比1:1组成的盐可以稳定在200℃-400℃之间，温度场较为稳定均匀。NaOH能在300℃-500℃间保持较好的稳定性，温度场较为均匀，有利于热处理时温度控制从而得到较均匀的组织。
进一步地，钢组织中各相的体积分数为：铁素体8～23％、马氏体70～83％和残余奥氏体6～10％。
采用上述方案的有益效果是：本发明的热处理工艺得到的具有最佳耐磨性能的组织只含有82.3％的贫碳马氏体，其余为铁素体和残余奥氏体，硬度低于全马氏体材料硬度，且软相铁素体在摩擦过程中可适应塑性变形、吸收能量，可以一定程度上抑制磨损过程中裂纹的萌生及扩展，从而提高其服役寿命。
综上所述，本发明具有以下优点：
通过使用本发明的热处理工艺可以获得具有较好的耐磨性能的Q&P钢组织，其组织特征为铁素体(8～23％)+马氏体(70～83％)+残余奥氏体(6～10％)，Q&P钢硬度为Hv0.2380左右，而常用耐磨材料NM400的硬度为Hv0.2 423；在低载荷和高载荷条件下，Q&P钢的磨损量(磨损体积)均比常用耐磨材料NM400小；从二维轮廓来看，Q&P钢比常用耐磨材料NM400钢的磨痕深度浅。
附图说明
图1为本发明的热处理工艺曲线示意图；
图2为热处理后钢材的微观组织图；
图3为实施例2制备的钢材、对比例制备的钢材和NM400的磨损量对比示意图；
图4为实施例2制备的钢材、对比例制备的钢材和NM400在载荷10N条件下的磨痕轮廓图；
图5为实施例2制备的钢材、对比例制备的钢材和NM400在载荷30N条件下的磨痕轮廓图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做进一步说明。
实施例1
本实施例提供了一种低硬度高耐磨钢，具体包括以下成分：C 0.1wt％、Mn1.93wt％、Si 1.59wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述低硬度高耐磨钢的热处理制备方法，包括以下步骤：
(1)奥氏体化
将厚度1.8mm的钢板加热到Ac3以上，并保温10min，同时抽真空环境并通入氩气，其中真空度为10Pa；
(2)两相区临界退火
将奥氏体化的钢材以18℃/min的冷却速度冷却至两相区临界退火温度730℃，并保温1h；
(3)淬火
将步骤(2)处理过的钢材于盐浴炉中275℃温度条件下进行淬火处理5s，其中，盐浴炉中的盐由NaNO2和KNO3按重量比1:1组成；NaNO2和KNO3的质量分数均为99％；
(4)配分
将淬火后的钢材于另一盐浴炉中400℃温度条件下进行配分处理100s，配分完成后立即冷却至室温，制得最终钢组织，其中钢组织的成分为铁素体22.9％+马氏体70.2％+残余奥氏体6.9％；其中，盐浴炉中的盐为NaOH，NaOH的质量分数为98％。
实施例2
本实施例提供了一种低硬度高耐磨钢，具体包括以下成分：C 0.2wt％、Mn1.96wt％、Si 1.6wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
如图1所示，上述低硬度高耐磨钢的热处理制备方法，包括以下步骤：
(1)奥氏体化
将钢材加热到Ac3以上，并保温10min，同时抽真空环境并通入氩气，其中真空度为50Pa；
(2)两相区临界退火
将奥氏体化的钢材以20℃/min的冷却速度冷却至两相区临界退火温度760℃，并保温1h；
(3)淬火
将步骤(2)处理过的钢材于盐浴炉中275℃温度条件下进行淬火处理5s，其中，盐浴炉中的盐由NaNO2和KNO3按重量比2:1组成；NaNO2和KNO3的质量分数均为99％；
(4)配分
将淬火后的钢材于另一盐浴炉中400℃温度条件下进行配分处理100s，配分完成后立即冷却至室温，制得钢组织，其中钢组织的成分为铁素体13.0％+马氏体78.8％+残余奥氏体8.2％；其中，盐浴炉中的盐为NaOH，NaOH的质量分数为98％。
将制备出的钢材在10μm进行微观显示，得到的微观组织图见图2。
实施例3
本实施例提供了一种低硬度高耐磨钢，具体包括以下成分：C 0.3wt％、Mn2wt％、Si 1.6wt％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述低硬度高耐磨钢的热处理制备方法，包括以下步骤：
(1)奥氏体化
将钢材加热到Ac3以上，并保温20min，同时抽真空环境并通入氩气，其中真空度为100Pa；
(2)两相区临界退火
将奥氏体化的钢材以22℃/min的冷却速度冷却至两相区临界退火温度780℃，并保温1h；
(3)淬火
将步骤(2)处理过的钢材于盐浴炉中275℃温度条件下进行淬火处理5s，其中，盐浴炉中的盐由NaNO2和KNO3按重量比1:1组成；NaNO2和KNO3的质量分数均为99％；
(4)配分
将淬火后的钢材于另一盐浴炉中400℃温度条件下进行配分处理100s，配分完成后立即冷却至室温，制得钢组织，其中钢组织的成分为铁素体8.3％+马氏体82.3％+残余奥氏体9.4％；其中，盐浴炉中的盐为NaOH，NaOH的质量分数为98％。
对比例
一种耐磨双相钢(Dual Phase,DP)及其热处理方法，其中耐磨双相钢的组分及重量百分比为：C 0.22％、Mn 1.2％、Si 0.25％、Cr 0.2％，其余为铁。
耐磨双相钢的热处理方法为：首先将3mm厚的热轧钢板在1200℃条件下、氢气气氛中均匀化退火24h，然后空冷至室温；随后再升温至完全奥氏体化区，然后在760℃条件下进行1h的临界退火，最后水淬至室温。
对实施例1-3以及对比例制备出的钢材进行力学性能测试，并使用金相显微镜观察微观组织并定量各组织相的含量，采用维氏硬度计进行硬度测量，所有材料的性能参数见表1。
表1钢材的性能数据表
Figure BDA0002921723750000081
由表1可知，通过不同的热处理方法可调控获得不同的合金钢微观组织，从而影响其相应的服役性能。本发明制备的钢材在抗拉强度、屈服强度以及断裂韧性等性能上与市场上常用的NM400钢相当，但是在抗磨损性能上，由图3、图4及图5可知无论是高载荷还是低载荷工况下，本发明实施例2制备的钢材的磨损体积均远小于市场上常用的NM400钢，表现出良好的抗磨损性能，且具有更低的硬度。同时，与对比例制备的钢材相比，虽然抗拉强度稍低，但是断裂延伸率却是其2.4倍左右，相比较而言具有更好的强韧性综合力学性能，且相比于对比例制备出的钢材，实施例2制备的钢材亦表现出更好的抗磨损性能。因此，通过本发明制备的钢材，其具有更好的综合力学性能且同时具备更低的硬度以满足良好的机械切削加工性能，更符合目前工业上用于经常遭受摩擦磨损工况材料的使用要求。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种低硬度高耐磨钢，其特征在于，由以下成分组成：C 0.1~0.3 wt %、Mn 1.93 wt%~2 wt %、Si 1.59 wt %~1.6 wt %，余量为Fe以及不可避免的杂质，其钢组织中各相的体积分数为：铁素体8~23%+马氏体70~83%+残余奥氏体6~10%；
其中，所述低硬度高耐磨钢通过以下热处理制备方法制备得到：
（1）奥氏体化
将钢材加热到Ac3以上，并保温5-20min，同时抽真空环境并通入氩气，其中真空度为0-100Pa；
（2）两相区临界退火
将奥氏体化的钢材以18-22℃/min的冷却速度冷却至两相区临界退火温度730-780℃，并保温1h；
（3）淬火
将步骤（2）处理过的钢材于盐浴炉中250-300℃温度条件下进行淬火处理3-7s，其中，盐浴炉中的盐由NaNO2和KNO3按重量比1-2:1组成；
（4）配分
将淬火后的钢材于另一盐浴炉中350-450℃温度条件下进行配分处理90-110s，配分完成后立即冷却至室温，制得钢组织；其中，盐浴炉中的盐为NaOH。
2.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，由以下成分组成：C 0.2 wt %、Mn2 wt %、Si 1.6 wt %，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，所述步骤（1）的Ac3的温度为850℃，所述钢材加热的速率为10℃/s。
4.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，所述两相区临界退火温度为760℃。
5.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，所述淬火温度为275℃。
6.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，所述配分温度为400℃。
7.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，所述NaNO2和KNO3的质量浓度均为99%，所述NaOH的质量浓度为98%。
8.如权利要求1所述的低硬度高耐磨钢，其特征在于，所述钢组织中各相的体积分数为：铁素体13.0%、马氏体78.8%和残余奥氏体8.2%。
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