CN114277320A - 一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于吊斗铲用齿尖钢技术领域，本发明提供了一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢，包含如下质量百分数的元素：C0.30～0.35％；Si1.3～1.5％；Mn0.7～0.9％；Cr1.6～1.8％；Mo0.3～0.4％；余量为Fe和杂质。本发明还提供了一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的制备方法。本发明的吊斗铲用齿尖钢通过合理选择各元素成分，控制各元素的配比，在保证良好的强度、硬度和耐磨损性能的前提下，减少了贵重金属等高成本合金的含量，最大限度地降低了原料成本，增加了实用价值和经济价值。本发明的吊斗铲用齿尖钢具有优异的抗拉强度、屈服强度、硬度和冲击功，磨损量小，耐磨损性能良好；在实际使用中，比进口吊斗铲用齿尖钢的使用寿命提升三倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及吊斗铲用齿尖钢技术领域,尤其涉及一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢及其制备方法。
背景技术
目前，吊斗铲用齿尖钢成分大部分使用高锰钢，高锰钢具有高冲击能力，但是在实际使用中，存在抗拉强度和硬度低，抗磨损能力差，产品使用寿命大打折扣的问题，其经济效益低下，因此，逐渐出现其他的成分来代替高锰钢。比如，采用稀土、钛、氮、铌、钡、钙、镁、铝、锆、钾和钠等进行变质处理，由于稀土元素十分活泼，能夺取MnS和其他金属硫化物中的硫，净化钢液，起到脱氧、脱硫、变质及生核的作用，使铸态碳化物变小，并改变碳化物的不均匀性。而钒、钛因少部分固溶于奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，大部分则是以高熔点、高硬度的VC、VN、Ti(C,N)、TiC、TiN等形式存在，促使铸态组织中碳化物更加弥散分布于奥氏体中，导致高锰钢原始组织更加细化，水韧处理后易得到微小碳化物颗粒和奥氏体复合组织，具有较好的强韧性和耐磨性。中国专利CN108467990A公开了一种结构钢，其元素成分非常多。在实际生产中，多增加一种元素的含量，带来的经济损失是巨大的，因此在保证性能的情况下，尽量削减不必要的元素含量，尤其是贵重金属等高成本元素含量，提升其经济价值是非常必要的。
现有技术中主要有铸造、轧制、塑性加工三种方法来提升吊斗铲用齿尖钢的性能。其中，铸造吊斗铲用齿尖钢便宜，制作简单，但是铸造组织不够致密，存在缩孔、气孔、渣裂纹等缺陷，晶粒粗细不均匀，力学性能和耐冲击能力较低，使用寿命差。轧制吊斗铲用齿尖钢虽然在一定程度上提升了其力学性能，相比较铸造吊斗铲用齿尖钢，提升了使用寿命，且轧制成本也不高。但是其缺点也明显，由于在轧制过程中，不能保证吊斗铲用齿尖钢的每一面都能轧制均匀，不能精确的控制其力学性能，造成吊斗铲用齿尖钢不同部位的组织及性能不均匀，形成硬度差，使用寿命短。而且轧制吊斗铲用齿尖钢产生的残余应力大，虽然可以通过热处理工艺改善其残余应力，但是其各个部位的残余应力仍然不均匀，且使用寿命依旧不如塑性加工吊斗铲用齿尖钢。塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢可以提升其力学性能以及抗磨损能力，也可以在一定程度上控制各个部位塑性加工均匀，但是其塑性加工成本大，因此适合在一些大型吊斗铲用齿尖钢以及苛刻的工作环境中使用。
在热处理方法上，主要有马氏体吊斗铲用齿尖钢以及贝马复合相吊斗铲用齿尖钢，贝马复合相吊斗铲用齿尖钢虽然具有较高的抗冲击能力，但是其抗磨损能力不强，且热处理成本较高。马氏体吊斗铲用齿尖钢由于具有优异的抗磨损能力，热处理方法简单，成本低。目前，马氏体吊斗铲用齿尖钢使用的热处理工艺大多是淬火+回火，但是只靠淬火+回火工艺得到的性能一般，轧制后的杂质以及缺陷并没有消除，在热处理过程中，依旧会遗留在吊斗铲用齿尖钢中，在实际应用中，容易使吊斗铲用齿尖钢沿着缺陷处断裂，造成吊斗铲用齿尖钢的使用寿命缩短。因此，现有技术中在提升马氏体吊斗铲用齿尖钢的性能时设计了一种复杂的热处理方式来克服上述缺陷，但是，对应的成本增加，并没有达到“低成本、高收益”的需求。
因此，研发一种提高力学性能、耐磨损性和使用寿命，降低成本的吊斗铲用齿尖钢，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢，包含如下质量百分数的元素：
作为优选，所述杂质的质量百分数小于等于0.05％，所述杂质包含P和S。
作为优选，所述杂质的质量百分数小于等于0.03％。
本发明还提供了一种所述的高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的制备方法，包含如下步骤：
1)对吊斗铲用齿尖钢进行塑性加工，得到塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢；
2)将塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢进行预热，得到板条贝氏体化的吊斗铲用齿尖钢；
3)将板条贝氏体化的吊斗铲用齿尖钢顺次进行奥氏体化、淬火、回火，得到高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢。
作为优选，步骤1)所述塑性加工的温度为1200～1300℃，塑性加工后吊斗铲用齿尖钢的压缩比为70～80％。
作为优选，步骤2)所述预热的温度为850～1050℃，时间为2～3h。
作为优选，步骤3)所述奥氏体化的温度为850～1050℃，时间为1～2h。
作为优选，步骤3)所述淬火在盐水中进行；所述回火在盐浴炉中进行。
作为优选，步骤3)所述回火的温度为260～340℃，回火的时间为3～4h。
本发明的有益效果包括：
本发明的吊斗铲用齿尖钢通过合理选择各元素成分，控制各元素的配比，在保证良好的强度、硬度和耐磨损性能的前提下，减少了贵重金属等高成本合金的含量，最大限度地降低了原料成本，增加了实用价值和经济价值。
附图说明
图1为实施例1的高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的应力应变图；
图2为实施例1的吊斗铲用齿尖钢进行热处理后的组织结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢，包含如下质量百分数的元素：
本发明的吊斗铲用齿尖钢中，C的质量百分数为0.30～0.35％，优选为0.31～0.34％，进一步优选为0.32～0.33％。
本发明的吊斗铲用齿尖钢中，Si的质量百分数为1.3～1.5％，优选为1.35～1.45％，进一步优选为1.37～1.42％，更优选为1.39～1.4％。
本发明的吊斗铲用齿尖钢中，Mn的质量百分数为0.7～0.9％，优选为0.75～0.85％，进一步优选为0.78～0.82％，更优选为0.8％。
本发明的吊斗铲用齿尖钢中，Cr的质量百分数为1.6～1.8％，优选为1.65～1.75％，进一步优选为1.67～1.72％，更优选为1.69～1.7％。
本发明的吊斗铲用齿尖钢中，Mo的质量百分数为0.3～0.4％，优选为0.33～0.38％，进一步优选为0.35～0.36％。
本发明的吊斗铲用齿尖钢中，杂质的质量百分数优选小于等于0.05％，进一步优选小于等于0.03％，更优选小于等于0.02％；所述杂质优选包含P和S；所述P的质量百分数优选小于等于0.01％，所述S的质量百分数优选小于等于0.01％。
本发明的吊斗铲用齿尖钢减少了贵重金属的含量，最大限度地降低了原料成本。
本发明的Cr元素可提升淬透性，大幅度提升吊斗铲用齿尖钢的硬度、力学性能和耐磨损能力；Mn元素可以细化马氏体板条组织，使吊斗铲用齿尖钢的韧性增加，但是也会使其抗磨损能力下降。本发明通过合理控制各元素的配比，得到的吊斗铲用齿尖钢同时具有良好的强度、硬度和耐磨损性能，生产成本降低。
本发明还提供了一种所述的高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的制备方法，包含如下步骤：
1)对吊斗铲用齿尖钢进行塑性加工，得到塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢；
2)将塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢进行预热，得到板条贝氏体化的吊斗铲用齿尖钢；
3)将板条贝氏体化的吊斗铲用齿尖钢顺次进行奥氏体化、淬火、回火，得到高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢。
本发明步骤1)所述塑性加工的温度优选为1200～1300℃，进一步优选为1230～1270℃，更优选为1250～1260℃；塑性加工后吊斗铲用齿尖钢的压缩比优选为70～80％，进一步优选为73～78％，更优选为75～76％；所述塑性加工优选在模锻机上进行。
本发明步骤1)所述吊斗铲用齿尖钢为铸造成型好的吊斗铲用齿尖钢，所述铸造采用本领域常规的方法进行；铸造成型好的吊斗铲用齿尖钢再进行塑性加工。
本发明的塑性加工优选为全方位塑性加工，包含吊斗铲用齿尖钢上下两面的塑性加工和吊斗铲用齿尖钢左右两侧的塑性加工；进一步优选为先对吊斗铲用齿尖钢上下两面进行塑性加工，再对吊斗铲用齿尖钢左右两侧进行塑性加工；所述塑性加工能够消除吊斗铲用齿尖钢的气孔和缩孔，细化晶粒，将粗大的晶粒击碎为细小均匀的晶粒，消除偏析，提高吊斗铲用齿尖钢的强度、硬度和耐磨损性能；所述塑性加工能够保证各个方位均匀，使整个吊斗铲用齿尖钢的硬度和应力均匀，避免出现较大的硬度差而降低其使用寿命。
本发明步骤2)所述预热的温度优选为850～1050℃，进一步优选为900～1000℃，更优选为950～960℃；所述预热的时间优选为2～3h，进一步优选为2.2～2.7h，更优选为2.4～2.5h。
本发明步骤3)所述奥氏体化的温度优选为850～1050℃，进一步优选为900～1000℃，更优选为950～960℃；所述奥氏体化的时间优选为1～2h，进一步优选为1.3～1.7h，更优选为1.5h。
本发明步骤2)所述预热完成后优选将吊斗铲用齿尖钢冷却至室温再进行步骤3)的奥氏体化；预热完成后将吊斗铲用齿尖钢冷却至室温可消除塑性加工过程中产生的残余应力以及组织缺陷；冷却至室温后优选将吊斗铲用齿尖钢进行切削加工、修边幅，处理成实际应用的尺寸，再进行奥氏体化。
本发明步骤3)所述淬火优选在盐水中进行；盐水的质量浓度优选为5～15％，进一步优选为7～12％，更优选为8～10％；所述回火优选在盐浴炉中进行；淬火、回火均为热处理工艺。
本发明的盐水淬火使奥氏体化后的吊斗铲用齿尖钢快速冷却至室温，盐水淬火的目的是破坏高温吊斗铲用齿尖钢水冷淬火时产生的蒸汽隔热膜，保证吊斗铲用齿尖钢在淬火过程中硬度均匀，淬火更加充分。
本发明步骤3)所述回火的温度优选为260～340℃，进一步优选为280～320℃，更优选为290～300℃；所述回火的时间优选为3～4h，进一步优选为3.2～3.8h，更优选为3.5～3.6h。
本发明所述回火完成后优选将吊斗铲用齿尖钢空冷至室温；回火和空冷能够消除淬火后吊斗铲用齿尖钢的脆性，提高其韧性和塑性。
本发明优选将空冷至室温的吊斗铲用齿尖钢按照所需的尺寸进行进一步加工，得到所需的成品。
本发明的预热能够消除塑性加工后吊斗铲用齿尖钢内的异常组织和缺陷，使塑性加工后组织均匀化，预热工艺简单、成本低，能显著提升吊斗铲用齿尖钢的性能，实用价值高；回火处理能够降低淬火处理后吊斗铲用齿尖钢的脆性，预热结合淬火和回火工艺，共同提高吊斗铲用齿尖钢的切削加工性能、力学性能和耐磨损性能。
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
吊斗铲用齿尖钢中各元素的质量百分数为C：0.30％、Si：1.32％、Mn：0.73％、Cr：1.78％、Mo：0.37％、P：0.005％、S：0.005％，余量为Fe。
将铸造好的吊斗铲用齿尖钢进行均匀塑性加工，先对吊斗铲用齿尖钢上下两面进行塑性加工，再对吊斗铲用齿尖钢左右两侧进行塑性加工，塑性加工的温度为1220℃，塑性加工完成后吊斗铲用齿尖钢的压缩比为70％。
塑性加工好的吊斗铲用齿尖钢在880℃下保温3h进行预热，保温结束后将吊斗铲用齿尖钢冷却至室温，进行切削加工、修边幅，处理成实际应用的尺寸。然后将吊斗铲用齿尖钢在890℃下保温2h，使其充分奥氏体化。
将充分奥氏体化的吊斗铲用齿尖钢在盐水(盐水的质量浓度为7％)中进行淬火，使其快速冷却至室温，再将吊斗铲用齿尖钢在270℃的盐浴炉中回火4h，空冷至室温，最后将吊斗铲用齿尖钢按照所需尺寸进行进一步加工，得到高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢。
实施例2
吊斗铲用齿尖钢中各元素的质量百分数为C：0.35％、Si：1.45％、Mn：0.87％、Cr：1.62％、Mo：0.33％、P：0.008％、S：0.01％，余量为Fe。
将铸造好的吊斗铲用齿尖钢进行均匀塑性加工，先对吊斗铲用齿尖钢上下两面进行塑性加工，再对吊斗铲用齿尖钢左右两侧进行塑性加工，塑性加工的温度为1280℃，塑性加工完成后吊斗铲用齿尖钢的压缩比为78％。
塑性加工好的吊斗铲用齿尖钢在1020℃下保温2h进行预热，保温结束后将吊斗铲用齿尖钢冷却至室温，进行切削加工、修边幅，处理成实际应用的尺寸。然后将吊斗铲用齿尖钢在1020℃下保温1h，使其充分奥氏体化。
将充分奥氏体化的吊斗铲用齿尖钢在盐水(盐水的质量浓度为12％)中进行淬火，使其快速冷却至室温，再将吊斗铲用齿尖钢在320℃的盐浴炉中回火3h，空冷至室温，最后将吊斗铲用齿尖钢按照所需尺寸进行进一步加工，得到高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢。
实施例3
吊斗铲用齿尖钢中各元素的质量百分数为C：0.32％、Si：1.4％、Mn：0.8％、Cr：1.7％、Mo：0.35％、P：0.008％，余量为Fe。
将铸造好的吊斗铲用齿尖钢进行均匀塑性加工，先对吊斗铲用齿尖钢上下两面进行塑性加工，再对吊斗铲用齿尖钢左右两侧进行塑性加工，塑性加工的温度为1250℃，塑性加工完成后吊斗铲用齿尖钢的压缩比为75％。
塑性加工好的吊斗铲用齿尖钢在950℃下保温2.5h进行预热，保温结束后将吊斗铲用齿尖钢冷却至室温，进行切削加工、修边幅，处理成实际应用的尺寸。然后将吊斗铲用齿尖钢在950℃下保温1.5h，使其充分奥氏体化。
将充分奥氏体化的吊斗铲用齿尖钢在盐水(盐水的质量浓度为10％)中进行淬火，使其快速冷却至室温，再将吊斗铲用齿尖钢在300℃的盐浴炉中回火3.5h，空冷至室温，最后将吊斗铲用齿尖钢按照所需尺寸进行进一步加工，得到高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢。
实施例1～3得到的高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的组织为马氏体组织。对实施例1～3的吊斗铲用齿尖钢进行性能测试。其中，耐磨损性能测试方法为：在试验力为600N下摩擦2min。
实施例1的吊斗铲用齿尖钢抗拉强度为1929MPa，屈服强度为1593MPa，延伸率为21.2％，断面收缩率为49.29％，硬度为51.8HRC，冲击功为27.2J，强塑积为40.89GPa％，耐摩擦系数为0.187，磨损量为0.01g。
实施例2的吊斗铲用齿尖钢抗拉强度为1930MPa，屈服强度为1598MPa，延伸率为21.5％，断面收缩率为49.35％，硬度为52.2HRC，冲击功为27.7J，强塑积为41.5GPa％，耐摩擦系数为0.189，磨损量为0.009g。
实施例3的吊斗铲用齿尖钢抗拉强度为1939MPa，屈服强度为1596MPa，延伸率为21.6％，断面收缩率为49.37％，硬度为52.7HRC，冲击功为28.1J，强塑积为41.35GPa％，耐摩擦系数为0.191，磨损量为0.008g。
本发明的吊斗铲用齿尖钢具有优异的抗拉强度、屈服强度、硬度和冲击功，磨损量小，耐磨损性能良好；在实际使用中，比进口吊斗铲用齿尖钢的使用寿命提升三倍以上。
实施例1的高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的应力应变图如图1所示；实施例1的吊斗铲用齿尖钢进行热处理后的组织结构图如图2所示。本发明的吊斗铲用齿尖钢抗拉强度达到1900～2000MPa，远远高于目前吊斗铲用齿尖钢的抗拉强度1500～1700MPa，表明本发明的吊斗铲用齿尖钢具有更高的抗变形能力和抗磨损能力，实际使用中的使用寿命显著延长。本发明的吊斗铲用齿尖钢组织为马氏体组织，马氏体组织具有“硬而脆”的特点，能够大幅提升其抗磨损能力，利用image-pro软件测得其马氏体板条厚度为200～300nm，具有精细且均匀的特点。本发明的吊斗铲用齿尖钢利用预热改善其原始组织，在一定程度上改变了脆的特点，提高了其抗断裂能力和使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢，其特征在于，包含如下质量百分数的元素：
余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的吊斗铲用齿尖钢，其特征在于，所述杂质的质量百分数小于等于0.05％，所述杂质包含P和S。
3.根据权利要求1或2所述的吊斗铲用齿尖钢，其特征在于，所述杂质的质量百分数小于等于0.03％。
4.权利要求1～3任意一项所述的高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)对吊斗铲用齿尖钢进行塑性加工，得到塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢；
2)将塑性加工后的吊斗铲用齿尖钢进行预热，得到板条贝氏体化的吊斗铲用齿尖钢；
3)将板条贝氏体化的吊斗铲用齿尖钢顺次进行奥氏体化、淬火、回火，得到高强度高耐磨性吊斗铲用齿尖钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述塑性加工的温度为1200～1300℃，塑性加工后吊斗铲用齿尖钢的压缩比为70～80％。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述预热的温度为850～1050℃，时间为2～3h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述奥氏体化的温度为850～1050℃，时间为1～2h。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述淬火在盐水中进行；所述回火在盐浴炉中进行。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述回火的温度为260～340℃，回火的时间为3～4h。
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