CN114032474B - 一种耐磨合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐磨合金钢及其制备方法，属于耐磨合金钢领域。本发明的耐磨合金钢由以下质量百分比的组分组成：C：2.1％～3.0％，Cr：12.0％～15.0％，Si：2.5％～4.5％，Mo：0.5％～0.9％，V：2.0％～4.0％，Mn：0.5％～1.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明的耐磨合金钢中，碳与铬、钒合金元素形成大量高硬度的碳化物，能够显著提升耐磨合金钢的耐磨性和耐蚀性，同时硅元素能够抑制基体中Fe3C、Cr3C的析出，锰能够大幅提升耐磨合金钢的淬透性，钼能够提高耐磨合金钢的综合抗腐蚀性能。各个元素能够通过协同作用，提升耐磨合金钢的耐蚀性和耐磨性。

Description

一种耐磨合金钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨合金钢及其制备方法，具体属于耐磨合金钢领域。
背景技术
断裂、腐蚀和磨损是金属材料失效的主要三种形式。其中，在材料表面磨损与腐蚀介质共同作用下所产生的局部性金属腐蚀被定义为腐蚀磨损。由于磨损和腐蚀的共同作用，显著加速了金属材料的破坏过程。腐蚀磨损通常发生在内部有高速流体的管道内部及载有悬浮摩擦颗粒流体的泵、管道等处，例如高压减压阀中的阀瓣和阀座、离心泵、石油化工管道、混凝土输送管道等。各种机械零件磨损造成的能源和材料的消耗是十分惊人的，据统计，在石油化工、能源交通、水利电力、建筑等行业的机械设备中，腐蚀磨损造成的损失占总腐蚀量的9％，占总磨损量的5％。因此，研究和开发具有良好耐腐蚀和耐磨损性能的材料对提高关键零部件的使用寿命、减少经济损失具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨合金钢，兼具良好的耐腐蚀性能和耐磨损性能。
本发明的第二个目的在于提供上述耐磨合金钢的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种耐磨合金钢，由以下质量百分比的组分组成：C：2.1％～3.0％，Cr：12.0％～15.0％，Si：2.5％～4.5％，Mo：0.5％～0.9％，V：2.0％～4.0％，Mn：0.5％～1.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明的耐磨合金钢中，碳与铁、钒、铬合金元素形成大量高硬度(VC和M7C3)的碳化物，这些碳化物能显著提升耐磨合金钢的耐磨性和耐蚀性；本发明通过添加高硅含量，抑制基体中铬的碳化物(Cr23C6和Cr3C)的析出，避免由于该碳化物的析出导致基体中固溶态的铬元素含量降低，进而避免耐磨合金钢的耐蚀性的降低，使得大部分铬元素以固溶态存在于基体中，使基体中较少部分的铬元素形成碳化物，并以细小的碳化物形式分布在基体上；锰能够大幅提升耐磨合金钢的淬透性，钼能够提高耐磨合金钢的综合抗腐蚀性能。各个元素能够通过协同作用，能够同时提升耐磨合金钢的耐蚀性和耐磨粒磨损性能。
与现有高铬铸铁相比，本发明的耐磨合金具有更高的冲击韧性，因此能够在冲击载荷下实现耐磨性能，且耐磨合金中的碳化物尺寸更小，分布均匀，能够有效提升耐磨合金在使用过程中抵抗因应力集中而带来的裂纹扩展和块体剥落等失效行为的能力，进而提升耐磨粒磨损性能。
本发明的耐磨合金钢中各个化学成分的作用如下：
碳：碳是耐磨合金钢中最基本、最重要的元素，一方面碳能够形成固溶强化，提升基体的硬度；另一方面碳与其他合金元素形成碳化物，提升耐磨合金钢的硬度和耐磨性。过高的碳含量可能导致基体中出现较多的残余奥氏体，甚至石墨相，不利于提升耐磨合金钢的硬度及耐磨性。因此，在本发明的耐磨合金钢的含量控制在2.1～3.0wt％范围。
铬：铬在本发明的耐磨合金钢中的作用主要是固溶到基体中，提升基体的电极电位，进而提高耐磨合金钢的耐腐蚀磨损性能。由于铬是强碳化物形成元素，在基体中很容易和碳形成Cr7C3共晶碳化物和Fe3C、Cr3C碳化物，同时在回火过程中形成Cr23C6碳化物。大量的高硬度碳化物能够提升耐磨合金钢的硬度和耐磨性，但过高的铬含量会导致基体中的共晶碳化物连成网，从而显著降低耐磨合金钢的塑韧性。此外，含铬碳化物的析出，会消耗固溶在基体中的铬，导致基体中出现贫铬区，进而降低耐磨合金刚的耐腐蚀性。因此，铬在本发明的耐磨合金钢的含量控制在12.0～15.0wt％范围。
硅：硅固溶在铁素体和奥氏体中能够提高硬度和强度，同时硅能够显著抑制基体中Cr23C6、Cr3C的析出，因而能够提升基体的硬度。然而硅含量过高时容易导致高碳合金中形成石墨相，从而影响耐磨合金刚的硬度和耐磨性。因此，硅在本发明的耐磨合金钢的含量控制在2.5～4.5wt％范围。
锰：锰能够大幅提升合金的淬透性，但过高的锰含量会显著提升奥氏体的稳定性，进而导致基体中残余奥氏体含量过高，从而降低耐磨合金刚的硬度和耐磨性。因此，本发明耐磨合金钢中锰的含量控制在0.5％～1.5wt％范围。
钼：钼能够显著提升耐磨合金刚的抗回火性、硬度和耐磨性。更重要的是，钼对抗点蚀性能的提升有助于提高耐磨合金钢的综合抗腐蚀性能。然而钼的价格较为昂贵，为了控制成本，本发明耐磨合金钢中钼元素的含量控制在0.5～0.9wt％范围。
钒：钒是强碳化物形成元素，形成的碳化物能够显著细化晶粒尺寸，其中碳化钒具有极高的硬度，能够显著提升耐磨合金钢的耐磨性；并且碳化钒的分解温度极高，因此在热处理(奥氏体化)过程中基体中的碳化钒无法分解，仍以碳化钒的形式保留在基体中。因此高硬度的碳化钒配合马氏体基体就能够为材料的耐磨性提供保障，而固溶的铬元素则是材料耐蚀性的保障。然而钒的价格十分昂贵，因此，本发明耐磨合金钢中钒的含量控制在2.0～4.0wt％范围。
本发明的耐磨合金钢的制备方法所采用的技术方案为：
一种上述耐磨合金钢的制备方法，由以下方法制得：对耐磨合金钢铸锭进行热处理。
本发明的耐磨合金钢的制备方法，通过热处理的方式，进一步提高耐磨合金刚的耐磨性，并延长耐磨合金钢的寿命，同时降低其生产成本。
所述耐磨合金钢铸锭由以下方法制得：制备耐磨合金钢熔体，将耐磨合金钢熔体脱氧处理后进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭。脱氧处理能够提高合金的塑性和其他力学性能。
进一步地，为了降低成本，所述耐磨合金钢熔体由以下方法制得：将钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁进行熔炼，得到耐磨合金钢熔体。
所述脱氧处理是依次向耐磨合金钢熔体中加入铝、硅钙线进行脱氧。其中硅钙线不仅能够脱除耐磨合金钢中的氧杂质，还能够降低冶金成本、缩短冶金时间。
为了更好地去除耐磨合金钢中的氧的同时避免引入新的杂质，脱氧处理时，铝的添加量占耐磨合金钢熔体的质量分数为0.10～0.20％；所述硅钙线的添加量占耐磨合金刚熔体的质量分数为0.1～0.5％。
优选地，所述浇铸的温度为1460～1550℃。
所述热处理所述热处理为依次对铸锭进行淬火处理、回火处理。优选地，所述淬火处理是对耐磨合金钢进行油淬处理。
进一步地，所述淬火处理的保温温度为900～1150℃。淬火处理的时间为2～4h。
进一步地，为了减小淬火的耐磨合金钢中的内应力，所述回火处理的温度为250～550℃。回火处理的时间为2～4h。
为了减小耐磨合金钢热处理后的变形量，热处理后对铸锭进行空冷处理。
附图说明
图1为本发明中实施例2中的耐磨合金钢组织的SEM图；
图2为商业高铬铸铁Cr26组织的SEM图；
图3为本发明实验例中磨粒磨损试验机的原理示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明。以下实施例中，钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁原料均为市售商品。
以下实施例1～4为耐磨合金钢的实施例，实施例5～8为耐磨合金钢的制备方法的实施例。
实施例1
本实施例的耐磨合金钢，由以下质量百分比的组分组成：C：2.4％，Cr：13.0％，Mn：0.8％，Si：3.5％，Mo：0.7％，V：3.0％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金钢采用实施例5的方法制得。
实施例2
本实施例的耐磨合金钢，由以下质量百分比的组分组成：C：2.1％，Cr：12.0％，Mn：0.7％，Si：2.5％，Mo：0.5％，V：2.0％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金钢采用实施例6的方法制得。
实施例3
本实施例的耐磨合金钢，由以下质量百分比的组分组成：C：2.8％，Cr：14.0％，Mn：0.5％，Si：4.5％，Mo：0.9％，V：3.0％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金钢采用实施例7的方法制得。
实施例4
本实施例的耐磨合金钢，由以下质量百分比的组分组成：C：3.0％，Cr：13.0％，Mn：0.9％，Si：3.0％，Mo：0.6％，V：2.0％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金钢采用实施例8的方法制得。
实施例5
本实施例的耐磨合金钢的制备方法，为实施例1的耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
1)按照实施例1中耐磨合金钢的组分组成，取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中进行熔炼后，得到耐磨合金钢熔体；
2)向步骤1)得到的耐磨合金钢熔体中加入耐磨合金刚熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金刚熔体0.1wt％的硅钙线，在1530℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭；
3)将步骤2)得到的耐磨合金钢铸锭加热到920℃保温4h后油淬，然后加热到250℃保温4h后空冷，得到耐磨合金钢。
实施例6
本实施例的耐磨合金钢的制备方法，为实施例2的耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
1)按照实施例2中耐磨合金钢的组分组成，取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中进行熔炼后，得到耐磨合金钢熔体；
2)向步骤1)得到的耐磨合金钢熔体中加入耐磨合金刚熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金刚熔体0.3wt％的硅钙线，在1480℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭；
3)将步骤2)得到的耐磨合金钢铸锭加热到900℃保温4h后油淬，然后加热到250℃保温4h后空冷，得到耐磨合金钢。
本实施例制备的耐磨合金的组织的SEM图，如图1所示，从图中可以看到，合金的基体中分布了大量的VC和共晶碳化物M7C3。商业高铬铸铁Cr26组织的SEM图见图2。
实施例7
本实施例的耐磨合金钢的制备方法，为实施例3的耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
1)按照实施例3中耐磨合金钢的组分组成，取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中进行熔炼后，得到耐磨合金钢熔体；
2)向步骤1)得到的耐磨合金钢熔体中加入耐磨合金刚熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金刚熔体0.3wt％的硅钙线，在1510℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭；
3)将步骤2)得到的耐磨合金钢铸锭加热到920℃保温4h后油淬，然后加热到350℃保温4h后空冷，得到耐磨合金钢。
实施例8
本实施例的耐磨合金钢的制备方法，为实施例4的耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
1)按照实施例4中耐磨合金钢的组分组成，取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中进行熔炼后，得到耐磨合金钢熔体；
2)向步骤1)得到的耐磨合金钢熔体中加入耐磨合金刚熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金刚熔体0.4wt％的硅钙线，在1540℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭；
3)将步骤2)得到的耐磨合金钢铸锭加热到950℃保温4h后油淬，然后加热到450℃保温4h后空冷，得到耐磨合金钢。
实验例
分别对实施例1～4中制备的耐磨合金进行硬度、冲击性能和磨粒磨损实验测试，测试结果见表1。硬度的测试方法GB/T 230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》国家标准，金属部件夏比冲击试验标准GB/T229-2007，本发明中的冲击韧性测试的试样是无缺口冲击试样，其他均按该标准执行。
磨粒磨损实验的具体方法和原理：
用针盘式ML-100型磨粒磨损试验机测试试样的磨粒磨损性能，工作示意图如图3所示。利用线切割的方式切割出尺寸为φ6×20mm的试样，测试前对圆盘表面进行打磨抛光、用酒精清洗、烘干处理。试验机圆盘的转速为60r/min。对磨材料是磨料粒度(Φ)为53μm的硅砂纸，实验时铺满圆盘。在加载载荷(P)为0.4MPa的条件下，用夹具夹取试样，使试样以6mm/s的速度从圆盘中心向边缘移动，再从圆盘边缘向中心移动，做往复的直线运动；将试样从圆盘中心移动到边缘，再从边缘移动到中心，为1次往复。
测试前，每个样品预磨3分钟，使表面尽可能与磨盘平行。在实验进行中，试样会随着夹具做往复的直线运动，对磨材料随圆盘做循环往复的圆周运动，最大半径为120mm，最小半径为30mm。每个试样往复15次，然后测量磨损前后试样的失重量。
失重量用TG328B分析天平进行测定，范围在0～200g，相对准确度为0.1mg。为了减少实验误差，每组进行三次平行试验，取三次试验的平均值。
根据螺旋线的计算公式确定试样磨损的总距离：
Figure BDA0003357906460000061
式中，高钒耐磨耐冲蚀合金的磨损总距离S为14.13m，磨损总转数N为30，最大磨损半径r1为120mm，最小磨损半径r2为30mm。
表1实施例1～4制得的耐磨合金钢以及高铬铸铁Cr26的性能测试结果
洛氏硬度(HRC) <![CDATA[冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)]]> 磨粒磨损(mg)
实施例1 63 8 32.10
实施例2 60 5 29.56
实施例3 65 5 27.63
实施例4 62 9 28.32
Cr26 63 2 53.40

Claims (6)

1.一种耐磨合金钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：C：2.1%~3.0%，Cr：12.0%~15.0%，Si：超过3.5%至4.5%，Mo：0.5%~0.9%，V：2.0%~4.0%，Mn：0.5%~1.5%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
所述耐磨合金钢的制备方法包括：制备耐磨合金钢熔体，将耐磨合金钢熔体脱氧处理后进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭，对耐磨合金钢铸锭进行热处理；
所述浇铸的温度为1460~1550℃；
所述热处理为依次对铸锭进行淬火处理、回火处理；
所述淬火处理的保温温度为900~1150℃；
所述回火处理的温度为250~550℃。
2.一种耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金钢由以下方法制得：制备耐磨合金钢熔体，将耐磨合金钢熔体脱氧处理后进行浇铸，得到耐磨合金钢铸锭，对耐磨合金钢铸锭进行热处理；
所述浇铸的温度为1460~1550℃；
所述热处理为依次对铸锭进行淬火处理、回火处理；
所述淬火处理的保温温度为900~1150℃；
所述回火处理的温度为250~550℃；
所述耐磨合金钢由以下质量百分比的组分组成：C：2.1%~3.0%，Cr：12.0%~15.0%，Si：超过3.5%至4.5%，Mo：0.5%~0.9%，V：2.0%~4.0%，Mn：0.5%~1.5%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求2所述的耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金钢熔体由以下方法制得：将钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁加热熔化，得到耐磨合金钢熔体。
4.根据权利要求2所述的耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，所述脱氧处理是依次向耐磨合金钢熔体中加入铝、硅钙线进行脱氧。
5.根据权利要求4所述的耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，脱氧处理时，铝的添加量占耐磨合金钢熔体的质量分数为0.10~0.20%。
6.根据权利要求2~5中任一项所述的耐磨合金钢的制备方法，其特征在于，热处理后对铸锭进行空冷处理。
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DE3926232A1 (de) * 1988-09-22 1990-03-29 Kloeckner Humboldt Deutz Ag Verschleissfeste walzenbeschichtung fuer die walzen von walzenpressen und verfahren zum aufbauen der walzenbeschichtung

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