CN114086070A

CN114086070A - 一种耐磨合金及其制备方法

Info

Publication number: CN114086070A
Application number: CN202111387576.4A
Authority: CN
Inventors: 魏世忠; 江涛; 徐流杰; 毛丰; 王晓东; 陈冲; 熊美; 张程; 肖利强; 司岸恒; 杨璐
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-02-25

Abstract

本发明涉及一种耐磨合金及其制备方法，属于耐磨合金领域。本发明的耐磨合金由以下质量百分比的组分组成：C：1.5％～2.5％，Cr：4.0％～8.0％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.5％～2.5％，V：1.5％～2.5％，Mn：0.5％～1.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明的耐磨合金中的耐磨相主要为VC、M₂C、M₇C₃和M₂₃C₆，而VC和M₂C具有更高的硬度；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，因此在冲击载荷下具有更好的耐磨性。

Description

一种耐磨合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐磨合金及其制备方法，具体属于耐磨合金领域。

背景技术

磨损是材料失效的主要体现形式之一，且磨损的占比最大，广泛存在于石化、矿山、水利等机械设备中，也是造成叶轮、圆锥衬板和管道等零部件失效的重要原因。据资料统计，能源的1/3～1/2消耗于磨损，材料的80％失效于磨损。我国每年消耗的耐磨材料数量大，2019年我国因摩擦、磨损造成的经济损失超4万亿，约占当年GDP的5％，而且50％以上的机械事故都源于磨损。近年来，随着工业装备的快速发展，对材料的耐磨性要求越来越高。因此，开发和研究具有良好耐磨损性能的耐磨材料对提高耐磨材料使用寿命、减少经济损失具有重要意义。

高铬铸铁因含有大量高硬度的铬碳化物(M₇C₃、M₂₃C₆)而具有优异的耐磨性，广泛应用于矿山、机械、冶金、电力、建筑等工业领域。磨损是一个非常复杂的过程，受材料成分、温度、环境以及作用条件的影响。高铬铸铁中的铬碳化物硬度偏低，难以抵抗严重的磨料磨损、冲蚀磨损，使用寿命不理想。因此，克服当前耐磨合金(如Cr26)存在的耐磨性不足问题，具有重要的工程意义和经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时抵抗磨料磨损和冲蚀磨损，使用寿命较长、耐磨性能优异的耐磨合金。

本发明的第二个目的在于提供上述耐磨合金的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的耐磨合金所采用的技术方案为：

一种耐磨合金，由以下质量百分比的组分组成：C：1.5％～2.5％，Cr：4.0％～8.0％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.5％～2.5％，V：1.5％～3.5％，Mn：0.5％～1.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明的耐磨合金中的耐磨相主要为VC、M₂C、M₇C₃，而VC和M₂C具有更高的硬度，因此本发明的耐磨合金的洛氏硬度能够达到64～70HRC；与现有的高铬铸铁相比，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，且本发明中的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。

本发明的耐磨合金中各个化学成分的作用如下：

碳：碳是耐磨合金中最基本、最重要的元素，一方面形成固溶强化，提升基体硬度；另一方面碳与其他合金元素形成碳化物，提升合金的硬度和耐磨性。过高的碳含量会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的硬度及耐磨性，因此，本发明的耐磨合金中的碳含量合理控制在1.5～2.5wt％范围。

铬：铬在耐磨合金中的主要作用是形成Cr₇C₃共晶碳化物，从而达到提升合金硬度和耐磨性的目的，过高的铬含量容易导致基体中的共晶碳化物连成网，从而显著降低耐磨合金的冲击韧性，因此本发明的耐磨合金中铬含量为4.0～8.0wt％范围。

锰：锰能够强烈地提升合金的淬透性，过高的锰含量会大幅提高奥氏体的稳定性，导致基体中残余奥氏体含量过高，从而降低耐磨合金的硬度和耐磨性，因此本发明耐磨合金中锰的含量控制在0.5～1.5wt％范围。

硅：硅固溶在铁素体和奥氏体中能够提高其硬度和强度，同时硅能够显著抑制基体中Fe₃C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，从而降低材料的硬度和耐磨性，因此本发明耐磨合金中硅的含量控制在0.5～2.0wt％范围。

钼：钼能够显著提升耐磨合金的抗回火性，且能够与碳元素形成M₂C型高硬度碳化物，有利于提升耐磨合金的硬度和耐磨性。然而钼的价格较昂贵，为了控制耐磨合金的成本，本发明耐磨合金中钼元素的含量控制在0.5～2.5wt％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，同时形成的VC具有极高的硬度，能够显著提升耐磨合金的耐磨性。然而钒的价格同样较昂贵，因此，本发明耐磨合金中钒的含量控制在1.5～2.5wt％范围。

进一步优选地，本发明的耐磨合金由以下质量百分比的组分组成：C：1.5％～2.0％，Cr：4.0％～6.0％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.5％～1.5％，V：1.5％～3.5％，Mn：0.5％～0.9％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明的耐磨合金的制备方法所采用的技术方案为：

一种上述的耐磨合金的制备方法，由以下方法制得：对耐磨合金铸锭进行热处理。

本发明的耐磨合金的制备方法，通过热处理的方式，Cr还可以和碳在基体中形成Cr₂₃C₆碳化物，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。

所述耐磨合金铸锭由以下方法制得：制备耐磨合金熔体，将耐磨合金熔体脱氧处理后进行浇铸，得到耐磨合金铸锭。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，得到耐磨合金熔体。

进一步地，所述脱氧处理是依次向耐磨合金熔体中加入铝、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中的氧的同时避免引入新的杂质，脱氧处理时，铝的加入量占耐磨合金熔体的质量分数为0.10～0.20％。硅钙线的加入量占耐磨合金熔体的质量分数为0.10～0.50％。

优选地，所述浇铸的温度为1470～1550℃。

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进行油淬处理。

进一步地，所述淬火处理的保温温度为850～1000℃，保温时间为2～4h。

进一步地，为了减小淬火的耐磨合金中的内应力，所述回火处理的温度为200～450℃，时间为2～4h。

为了减小耐磨合金热处理后的变形量，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6制得的耐磨合金的组织的100μm标尺的SEM图；

图2为本发明中实施例6制得的耐磨合金的组织的5μm标尺的SEM图；

图3为本发明中实施例6制得的耐磨合金的组织的1μm标尺的SEM图；

图4为商业高铬铸铁Cr26组织的SEM图；

图5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做进一步的说明。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为耐磨合金的实施例，实施例5-8为耐磨合金的制备方法的实施例。

实施例1

本实施例的耐磨合金，由以下质量百分比的组分组成：C：1.5％，Cr：4.0％，Si：0.5％，Mo：0.5％，V：1.5％，Mn：0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。本实施例的耐磨合金采用实施例5的方法制得。

实施例2

本实施例的耐磨合金，由以下质量百分比的组分组成：C：2.2％，Cr：8.0％，Si：2.0％，Mo：2.5％，V：3.5％，Mn：1.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金采用实施例6的方法制得。

实施例3

本实施例的耐磨合金，由以下质量百分比的组分组成：C：1.8％，Cr：4.0％，Si：1.5％，Mo：1.5％，V：3.5％，Mn：0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金采用实施例7的方法制得。

实施例4

本实施例的耐磨合金，由以下质量百分比的组分组成：C：2.0％，Cr：6.0％，Si：2.0％，Mo：1.5％，V：2.5％，Mn：0.9％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本实施例的耐磨合金采用实施例8的方法制得。

实施例5

本实施例的耐磨合金的制备方法，为实施例1中的耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：

1)按照实施例1中耐磨合金的组成取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中加热熔化后，得到耐磨合金熔体；

2)向步骤1)得到的耐磨合金熔体中加入耐磨合金熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金熔体0.2％的硅钙线，在1530℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金铸锭；

3)将步骤2)得到的耐磨合金铸锭加热到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。

实施例6

本实施例的耐磨合金的制备方法，为实施例2中的耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：

1)按照实施例2中耐磨合金的组成取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中加热熔化后，得到耐磨合金熔体；

2)向步骤1)得到的耐磨合金熔体中加入耐磨合金熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金熔体0.1％的硅钙线，在1480℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金铸锭；

3)将步骤2)得到的耐磨合金铸锭加热到900℃保温3h后油淬，然后加热到250℃回火处理，保温3h后空冷，得到耐磨合金。

本实施例制备的耐磨合金的组织的SEM图，如图1、2、3所示，从图1中可以看出耐磨合金基体中均匀分布着VC、M₂C和M₇C₃碳化物，这些碳化物具有很好的抵抗磨粒磨损的性能，图2是图1的局部放大图，从图2中可以看到耐磨合金基体上的较小的VC和较大的碳化物以及M₇C₃的分布，图3是图2的局部放大图，从图3中可以看到亚微米尺寸的VC以及马氏体基体上分布的细小的白色颗粒，即回火碳化物M₂₃C₆和M₃C。商业高铬铸铁Cr26组织的SEM图见图4。

实施例7

本实施例的耐磨合金的制备方法，为实施例3中的耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：

1)按照实施例3中耐磨合金的组成取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中加热熔化后，得到耐磨合金熔体；

2)向步骤1)得到的耐磨合金熔体中加入耐磨合金熔体0.10wt％的铝脱氧，然后再加入耐磨合金熔体0.3％的硅钙线，在1510℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金铸锭；

3)将步骤2)得到的耐磨合金铸锭加热到920℃保温2h后油淬，然后加热到350℃回火处理，保温2h后空冷，得到耐磨合金。

实施例8

本实施例的耐磨合金的制备方法，为实施例4中的耐磨合金的制备方法，包括以下步骤：

1)按照实施例4中耐磨合金的组成取钢、铬铁、硅铁、锰铁、生铁、钼铁和钒铁放入熔炼炉中加热熔化后，得到耐磨合金熔体；

2)向步骤1)得到的耐磨合金熔体中加入耐磨合金熔体0.10wt％的铝脱氧，然后向钢液中加入耐磨合金熔体0.5％的硅钙线，在1540℃的条件下进行浇铸，得到耐磨合金铸锭；

3)将步骤2)得到的耐磨合金铸锭加热到950℃保温2h后油淬，然后加热到450℃保温3h后空冷，得到耐磨合金。

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5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，看做作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：

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制得的耐磨合金以及高铬铸铁Cr26的性能测试结果

	洛氏硬度(HRC)	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)	磨粒磨损(mg)
				实施例1	64	4	27.80
实施例2	67	3	25.32
				实施例3	63	5	28.30
实施例4	65	4	27.42
				Cr26	63	2	53.40

Claims

1.一种耐磨合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：C：1.5％～2.5％，Cr：4.0％～8.0％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.5％～2.5％，V：1.5％～3.5％，Mn：0.5％～1.5％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的耐磨合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：C：1.5％～2.0％，Cr：4.0％～6.0％，Si：0.5％～2.0％，Mo：0.5％～1.5％，V：1.5％～3.5％，Mn：0.5％～0.9％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

3.一种如权利要求1所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金由以下方法制得：对耐磨合金铸锭进行热处理。

4.根据权利要求3所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金铸锭由以下方法制得：制备耐磨合金熔体，将耐磨合金熔体脱氧处理后进行浇铸，得到耐磨合金铸锭。

5.根据权利要求4所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述耐磨合金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，得到耐磨合金熔体。

6.根据权利要求4所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述脱氧处理是依次向耐磨合金熔体中加入铝、硅钙线进行脱氧；脱氧处理时，铝的加入量占耐磨合金熔体的质量分数为0.10～0.20％。

7.根据权利要求3所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述热处理为依次对铸锭进行淬火处理、回火处理。

8.根据权利要求7所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述淬火处理的保温温度为850～1000℃。

9.根据权利要求7所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，所述回火处理的温度为200～450℃。

10.根据权利要求3～9中任一项所述的耐磨合金的制备方法，其特征在于，热处理后对铸锭进行空冷处理。