CN113444985B - 一种钢铁材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种钢铁材料及其制备方法。本发明提供的钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.40‑0.95％C，4.5‑11.5％Mn，0.50‑2.5％Cr，0.3‑1.0％ZrO2，0.02‑0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明提供的钢铁材料在中锰钢的成分范围内通过加入氧化锆和金属钒，同其它组分相互配合，可显著降低钢铁材料的平均晶粒尺寸，提高钢铁材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及冲击功，同时还可有效提高该类材料磨损性能。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种钢铁材料及其制备方法。
背景技术
随着行业节能减排与轻量化的发展趋势，目前对材料的性能要求越来越高，耐磨金属材料在国民经济中的用量很大，磨损每年造成的损失一般为钢产量的3-5％。
高锰钢自1882年被发明以来，一直在耐磨材料中占有重要地位，被广泛应用于矿山机械的破碎机腭板、锤头、球磨机衬板、磨球，以及铁路部门的辙叉等。高锰钢在冲击载荷作用的冷变形过程中，由于位错密度大量增加，位错的交割、位错的塞积及位错和溶质原子的交互作用使钢得到强化。同时由于高锰奥氏体的层错能低，形变时容易出现堆垛层错，从而为ε马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。上述各种因素都使高锰钢得到很高程度的强化，硬度大幅度提高。在上述的两种强化机制中，位错引起的加工硬化被公认为是高锰钢的主要强化机制。为了获得更好的强化效果，人们普遍想到应该在形变过程中引入马氏体相变，以使材料变形后的硬度进一步提高。但是，由于高锰钢的含锰量和含碳量相对较高，导致奥氏体稳定性增加，一般概念中的形变量和形变速率都不足以引起马氏体相变。
为了降低高锰钢奥氏体的稳定性，可以采用减少含锰量和含碳量的方法，较为广泛应用就是中锰钢，中锰钢材料在受到冲击和较强烈的摩擦时，就会在形变过程中发生应变诱发马氏体相变，其硬化效果好于高锰钢的加工硬化。然而中锰钢的力学性能，如抗拉强度、延伸率不足，在中等冲击条件下的抗磨损性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有中锰钢材料力学性能，尤其是抗拉强度、延伸率不足、在中等冲击条件下的抗磨损性能不佳的缺陷，进而提供一种钢铁材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.40-0.95％C，4.5-11.5％Mn，0.50-2.5％Cr，0.3-1.0％ZrO2，0.02-0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.80％C，8.5％Mn，2.0％Cr，0.5％ZrO2，0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供一种钢铁材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取配方比例的各组分原料，然后将C、Mn、Cr、Fe原料进行熔炼，得到钢水；
2)将氧化锆粉末和钒铁粉末混合，混合后球磨，得到混合物料；
3)将混合物料与步骤1)得到的钢水进行混合，浇铸成铸件；
4)将铸件进行固溶处理，得到所述钢铁材料。
优选的，所述配方比例以重量百分比计为：0.40-0.95％C，4.5-11.5％Mn，0.50-2.5％Cr，0.3-1.0％ZrO2，0.02-0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述金属钒以钒铁的形式作为物料加入，所述钒铁的添加量依据配方中金属钒的添加量而定。
可选的，氧化锆的纯度为98-99.9％，钒铁中金属钒的质量分数不小于50％，可选的，为50-60％。
优选的，氧化锆粉末的平均粒径不大于100nm，最大粒径小于300nm；
钒铁粉末的平均粒径不大于100nm，最大粒径小于300nm。
可选的，氧化锆粉末的平均粒径为50-100nm，最大粒径小于300nm；
钒铁粉末的平均粒径为50-100nm，最大粒径小于300nm。
优选的，所述混合物料中氧化锆和金属钒的质量比为(4-6)：(2-4)；优选的，所述混合物料中氧化锆和金属钒的质量比为5：3。
优选的，步骤2)中还包括向所述混合物料中加入粘结剂制成球形物料并烘干的步骤。可选的，所述烘干温度为140-180℃，所述烘干时间为10-60min。
优选的，所述粘结剂的加入量为混合物料总重量的13-17％，所述球形物料的直径不大于1mm。可选的，所述粘结剂为水玻璃。
优选的，本发明不对熔炼时间作具体限定，可根据实际材料而定，只要将原料熔化为钢水即可，可选的，所述熔炼温度为1600℃，时间为熔化后20分钟，可选的，所述熔融过程可在中频炉或电弧炉中进行。
优选的，所述固溶处理温度为1050℃-1100℃，本发明不对固溶处理时间作具体限定，固溶处理时间依铸件最大厚度而定，可选的，固溶处理时间为1.5-3小时。
在本发明中为了最终使固溶处理后的材料处于介稳奥氏体状态，需要在碳和锰含量之间寻找平衡，可选的，当碳含量取高限时，锰含量宜取低限。对于本发明所述的不可避免的杂质，显然含量越低越好，但从工业经济性方面考虑，Si≦0.05，S≦0.010，P≦0.025是可以接受的，优选地：S控制在重量的0.008％以下，P控制在重量的0.010％以下。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的钢铁材料，在中锰钢的成分范围内通过加入氧化锆和金属钒，同其它组分相互配合，可显著降低钢铁材料的平均晶粒尺寸，提高钢铁材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及冲击功，同时还可有效提高材料的磨损性能。
本发明提供的钢铁材料，钢材组成元素简单，不含贵金属；通过合金化设计和组织控制，获得了一种具有介稳定的奥氏体组织、平均晶粒尺寸小于83微米的钢材，室温环境下，拉伸时屈服强度大于等于500MPa，抗拉强度达650MPa以上，最高可达900MPa，冲击功高于100J，最高可达150J。
2)本发明提供的钢铁材料的制备方法，采用复合细化晶粒法，通过将特定粒径的氧化锆粉末和钒铁粉末混合后进行球磨，得到混合物料，然后将混合物料与钢水进行混合，利用纳米化氧化物干预一次结晶，利用钒元素的化合物碳化钒干预二次结晶，制备得到的钢铁材料具有较低的平均晶粒尺寸，优异的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及冲击功，同时还具有较佳的磨损性能。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.60％C，10.0％Mn，2.5％Cr，0.5％ZrO2，0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质；
上述钢铁材料的制备方法包括如下步骤：
1)按照上述配方比例称取各组分原料，其中金属钒以原料钒铁的形式称取，然后将C、Mn、Cr、Fe原料置于中频炉进行熔炼，得到钢水；
2)将称取的氧化锆原料(纯度为98％)置于球磨机中球磨至平均粒径为100nm，最大粒径小于300nm，得到氧化锆粉末；将称取的钒铁原料(金属钒的质量分数为55％)置于球磨机中球磨至平均粒径为100nm，最大粒径小于300nm，得到钒铁粉末；然后将氧化锆粉末和钒铁粉末放入Y形混粉器使之充分混合均匀，混合后再放入球磨机中球磨使之充分均匀化，得到混合物料；然后向混合物料中加入混合物料总重量15％的水玻璃作为粘结剂，制成直径<1mm的球形物料，再将该球形物料进行烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为30min；
3)将球形物料放入钢包，冲入步骤1)得到的钢水使球形物料和钢水进行混合，浇铸成铸件，铸件最大厚度为10mm；
4)将铸件在1050℃下进行固溶处理2h，得到所述钢铁材料。
实施例2
本实施例提供一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.80％C，8.5％Mn，2.0％Cr，0.5％ZrO2，0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质；
上述钢铁材料的制备方法包括如下步骤：
1)按照上述配方比例称取各组分原料，其中金属钒以原料钒铁的形式称取，然后将C、Mn、Cr、Fe原料置于中频炉进行熔炼，得到钢水；
2)将称取的氧化锆原料(纯度为98％)置于球磨机中球磨至平均粒径为100nm，最大粒径小于300nm，得到氧化锆粉末；将称取的钒铁原料(金属钒的质量分数为55％)置于球磨机中球磨至平均粒径为100nm，最大粒径小于300nm，得到钒铁粉末；然后将氧化锆粉末和钒铁粉末放入Y形混粉器使之充分混合均匀，混合后再放入球磨机中球磨使之充分均匀化，得到混合物料；然后向混合物料中加入混合物料总重量15％的水玻璃作为粘结剂，制成直径为<1mm的球形物料，再将该球形物料进行烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为30min；
3)将球形物料放入钢包，冲入步骤1)得到的钢水使球形物料和钢水进行混合，浇铸成铸件，铸件最大厚度为10mm；
4)将铸件在1100℃下进行固溶处理2h，得到所述钢铁材料。
实施例3
本实施例提供一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.95％C，7.0％Mn，2.0％Cr，0.5％ZrO2，0.3％V，其余为Fe和不可避免的杂质；
上述钢铁材料的制备方法包括如下步骤：
1)按照上述配方比例称取各组分原料，其中金属钒以原料钒铁的形式称取，然后将C、Mn、Cr、Fe原料置于中频炉进行熔炼，得到钢水；
2)将称取的氧化锆原料(纯度为98％)置于球磨机中球磨至平均粒径为100nm，最大粒径小于300nm，得到氧化锆粉末；将称取的钒铁原料(金属钒的质量分数为55％)置于球磨机中球磨至平均粒径为100nm，最大粒径小于300nm，得到钒铁粉末；然后将氧化锆粉末和钒铁粉末放入Y形混粉器使之充分混合均匀，混合后再放入球磨机中球磨使之充分均匀化，得到混合物料；然后向混合物料中加入混合物料总重量15％的水玻璃作为粘结剂，制成直径为<1mm的球形物料，再将该球形物料进行烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为30min；
3)将球形物料放入钢包，冲入步骤1)得到的钢水使球形物料和钢水进行混合，浇铸成铸件，铸件最大厚度为10mm；
4)将铸件在1100℃下进行固溶处理2h，得到所述钢铁材料。
对比例1
本对比例提供一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.60％C，10.0％Mn，2.5％Cr，其余为Fe和不可避免的杂质；
上述钢铁材料的制备方法包括如下步骤：
1)按照上述配方比例称取各组分原料，然后将C、Mn、Cr、Fe原料置于中频炉进行熔炼，得到钢水；
2)将钢水浇铸成铸件，铸件最大厚度为10mm；
3)将铸件在1050℃下进行固溶处理2h，得到所述钢铁材料。
对比例2
本对比例提供一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.80％C，8.5％Mn，2.0％Cr，其余为Fe和不可避免的杂质；
上述钢铁材料的制备方法包括如下步骤：
1)按照上述配方比例称取各组分原料，然后将C、Mn、Cr、Fe原料置于中频炉进行熔炼，得到钢水；
2)将钢水浇铸成铸件，铸件最大厚度为10mm；
3)将铸件在1100℃下进行固溶处理2h，得到所述钢铁材料。
对比例3
本对比例提供一种钢铁材料，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.95％C，7.0％Mn，2.0％Cr，其余为Fe和不可避免的杂质；
上述钢铁材料的制备方法包括如下步骤：
1)按照上述配方比例称取各组分原料，然后将C、Mn、Cr、Fe原料置于中频炉进行熔炼，得到钢水；
2)将钢水浇铸成铸件，铸件最大厚度为10mm；
3)将铸件在1100℃下进行固溶处理2h，得到所述钢铁材料。
测试例
对上述实施例1-3和对比例1-3制备得到的钢铁材料的平均晶粒尺寸和力学性能进行测试，其中平均晶粒尺寸用EBSD测试，屈服强度、抗拉强度、延伸率依据《金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法》(GB/T 228.1-2010)进行测试；冲击功试验依据《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T 229-2020)、《摆锤式冲击试验机检验用夏比V型缺口标准试样》(GB/T 18658-2002)进行测试；动态磨粒磨损试验在MLD-10试验机上进行(暂无国标)，冲击能量3J，试验时间30min。测试结果如表1所示。
表1钢铁材料性能测试结果
由表1可以看出，与对比例相比，实施例的平均晶粒尺寸有大幅度下降，冲击功有很大提升，屈服强度和抗拉强度有一定提升，磨损失重明显降低。其中，实施例2的性能指标最优。
本发明通过合金化设计，和细化晶粒工艺，在固溶处理条件下获得了细晶的、介稳定的奥氏体组织，微观组织的平均晶粒尺寸小于90微米，同时使该材料在中等冲击载荷之下发生应变诱发马氏体相变，具有良好的加工硬化性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种钢铁材料，其特征在于，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0.40-0.95%C，4.5-11.5%Mn，0.50-2.5%Cr，0.3-1.0%ZrO2，0.02-0.3%V，其余为Fe和不可避免的杂质；
所述钢铁材料的制备方法，包括如下步骤：
1）称取配方比例的各组分原料，然后将C、Mn、Cr、Fe原料进行熔炼，得到钢水；
2）将氧化锆粉末和钒铁粉末混合，混合后球磨，得到混合物料；
3）将混合物料与步骤1）得到的钢水进行混合，浇铸成铸件；
4）将铸件进行固溶处理，得到所述钢铁材料；
金属钒以钒铁的形式作为物料加入；
氧化锆粉末的平均粒径不大于100nm，最大粒径小于300nm；
钒铁粉末的平均粒径不大于100nm，最大粒径小于300nm。
2.根据权利要求1所述的钢铁材料，其特征在于，所述钢铁材料包括以下重量百分比的化学成分：0 .80%C，8.5%Mn，2.0%Cr，0.5%ZrO2，0.3%V，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.一种钢铁材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）称取配方比例的各组分原料，然后将C、Mn、Cr、Fe原料进行熔炼，得到钢水；
2）将氧化锆粉末和钒铁粉末混合，混合后球磨，得到混合物料；
3）将混合物料与步骤1）得到的钢水进行混合，浇铸成铸件；
4）将铸件进行固溶处理，得到所述钢铁材料；所述配方比例以重量百分比计为：0 .40-0 .95%C，4 .5-11 .5%Mn，0.50-2 .5%Cr，0.3-1.0%ZrO2，0.02-0.3%V，其余为Fe和不可避免的杂质；
金属钒以钒铁的形式作为物料加入；
氧化锆粉末的平均粒径不大于100nm，最大粒径小于300nm；
钒铁粉末的平均粒径不大于100nm，最大粒径小于300nm。
4.根据权利要求3所述的钢铁材料的制备方法，其特征在于，所述混合物料中氧化锆和金属钒的质量比为（4-6）：（2-4）。
5.根据权利要求4所述的钢铁材料的制备方法，其特征在于，所述混合物料中氧化锆和金属钒的质量比为5：3。
6.根据权利要求3-5任一项所述的钢铁材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中还包括向所述混合物料中加入粘结剂制成球形物料并烘干的步骤。
7.根据权利要求6所述的钢铁材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂的加入量为混合物料总重量的13-17%，所述球形物料的直径不大于1mm。
8.根据权利要求3所述的钢铁材料的制备方法，其特征在于，所述固溶处理温度为1050℃-1100℃。
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