CN114763592B - 一种低成本高耐磨的耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高耐磨的耐磨钢，其除了Fe和不可避免的杂质元素以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：0.75％≤C≤2.2％，0＜Si≤0.2％，0＜Mn≤0.2％，0.1％≤Al≤0.5％；所述耐磨钢的基体为马氏体，马氏体基体上均匀分布有渗碳体颗粒。此外，本发明还公开了上述耐磨钢的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造；(2)加热；(3)轧制；(4)冷却：先以≤5℃/s的冷却速度冷却至400℃以下，再进行加热进入奥氏体‑渗碳体两相区，然后再以10‑100℃/s的冷却速度冷却至室温。该低成本高耐磨的耐磨钢的合金成本和制备成本低廉，且能保证较好的耐磨性。

Description

一种低成本高耐磨的耐磨钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种耐磨钢及其制造方法。

背景技术

磨损是使材料失效的一种常见方式，每年因磨损而造成的损失数以万亿计。为了克服因材料磨损所带来的损失，耐磨材料作为一种重要的消耗材料，在很多行业受到了欢迎。

现有的耐磨材料主要有马氏体耐磨钢、奥氏体高锰耐磨钢、高铬铸铁和高钒高速耐磨钢，近年来也出现了由TiC强化的耐磨钢。其中，马氏体耐磨钢主要通过提高基体的硬度来提高耐磨性，其基体硬度和耐磨性大致呈线性关系，但该类耐磨钢难以兼顾耐磨性和加工性能。

相应地，奥氏体高锰耐磨钢由Robert Abbot Hadfield于1882年发明，该耐磨钢在加载载荷过程中发生相变，强度获得升高，使之在高应力冲击载荷磨损工况下具有非常好的耐磨性能。奥氏体高锰耐磨钢由于其原始组织为奥氏体，兼顾了材料的韧性和耐磨性，但低应力、低冲击工况则不适用该类耐磨钢。

高铬铸铁、高钒高速耐磨钢以及近年出现的TiC强化的耐磨钢，均是以硬质颗粒作为第二相来提高材料的耐磨性。这些耐磨颗粒包括各类碳化物、氮化物、硼化物和氧化物，其中又以碳化物为主。而碳化物的形貌、尺寸大小及分布直接影响着耐磨材料的耐磨性和韧性，上述这些碳化物的特征主要通过控制凝固过程、变质处理、塑性变形及热处理来调整。这一类耐磨钢往往需要添加一定量的合金元素来形成各类碳化物颗粒，因此增加了材料的成本，成本过高。同时，凝固过程控制碳化物的形貌和分布并不容易，往往需要通过喷射成形技术、定向凝固技术来改善碳化物的形貌。

基于此，针对现有技术中耐磨钢所存在的不足，本发明期望获得一种低成本高耐磨的耐磨钢及其制造方法，该耐磨钢材料的合金成本和制备成本低廉，且能保证较好的耐磨性。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种低成本高耐磨的耐磨钢，该耐磨钢的合金成本和制备成本低廉，其在化学成分设计中，仅需添加一定量的碳元素，无需添加过多的化学元素，不需要铬、钒、钨、钴、钼、硼等合金元素，即可获得较好的耐磨性，具有良好的推广前景和应用价值。

为了实现上述目的，本发明提供了一种低成本高耐磨的耐磨钢，其除了Fe和不可避免的杂质元素以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

0.75％≤C≤2.2％，0＜Si≤0.2％，0＜Mn≤0.2％，0.1％≤Al≤0.5％；

所述耐磨钢的基体为马氏体，马氏体基体上均匀分布有渗碳体颗粒。

进一步地，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，其各化学元素质量百分含量为：

0.75％≤C≤2.2％，0＜Si≤0.2％，0＜Mn≤0.2％，0.1％≤Al≤0.5％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。

在本发明上述的技术方案中，本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢在化学成分设计中，仅需添加一定量的碳元素，无需添加过多的化学元素，不需要铬、钒、钨、钴、钼、硼等合金元素，即可获得较好的耐磨性。相较于现有技术中已有的各类耐磨钢，本发明中的耐磨钢铁材料的优势体现在合金成本低廉，制备过程简单，且耐磨性好，具有十分重要的现实意义。

此外，在本发明中，耐磨钢的基体为马氏体，且渗碳体颗粒在马氏体基体上均匀分布，而不是沿原奥氏体晶界分布，本发明正是利用这些渗碳体颗粒来提高材料的耐磨性。

在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，控制钢中C元素含量，可以对钢中相变后作为强化相的碳化物的种类、分布及形貌进行控制。因此，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，将C的质量百分含量控制为0.75％≤C≤2.2％。

Si：在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，Si元素主要为炼钢过程的残存。因此，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，将Si元素的质量百分含量控制为0＜Si≤0.2％。

Mn：在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，Mn元素作为脱氧剂及脱硫剂的残存。因此，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，将Mn元素的质量百分含量控制为0＜Mn≤0.2％。

Al：在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，Al主要用来脱氧，其可以起到十分重要的作用。因此，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，将Al元素的质量百分含量控制为0.1％≤Al≤0.5％。

进一步地，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，在不可避免的杂质元素中，P≤0.1％；并且/或者S≤0.02％。

在本发明上述技术方案中，P和S均是本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中杂质元素的含量。

进一步地，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，所述渗碳体颗粒的尺寸在几微米到几十微米范围内。

进一步地，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，所述渗碳体颗粒的形貌为球形或者短棒形。

进一步地，在本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢中，其布氏硬度＜HB365。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种低成本高耐磨的耐磨钢的制造方法，采用该制造方法所获得的低成本高耐磨的耐磨钢，不仅合金成本和制备成本低廉，同时还具有较好的耐磨性。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的低成本高耐磨的耐磨钢的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)加热；

(3)轧制；

(4)冷却：先以≤5℃/s的冷却速度冷却至400℃以下，再进行加热进入奥氏体-渗碳体两相区，然后再以10-100℃/s的冷却速度冷却至室温。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，将铸锭或铸坯加热至1100℃-1200℃，并保温使其奥氏体化。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制终轧温度低于700℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)和步骤(2)之间还具有步骤(1a)：将铸坯或者铸锭以不高于6℃/min的冷速缓冷至室温。

本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢在化学成分设计中，仅需添加一定量的碳元素，无需添加过多的化学元素，不需要铬、钒、钨、钴、钼、硼等合金元素，即可获得较好的耐磨性。

相对现有技术中已有的各类耐磨钢，本发明中的耐磨钢铁材料的优势体现在合金成本低廉，制备过程简单，且耐磨性好，具有十分重要的现实意义。

此外，本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢的生产工艺简单且方便，其不需要在凝固过程中进行额外控制，也不需要进行变质处理等工艺。

附图说明

图1示意性地显示了各实施例和对比例耐磨钢经磨损试验后的磨损失重。

图2为实施例5的低成本高耐磨的耐磨钢在1000倍光学显微镜下的的微观组织形貌照片。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例和说明书附图对本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-6和对比例1-2

本发明所述实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢均采用以下步骤制得：

(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼和铸造，以得到铸坯或铸锭，而后将铸坯或者铸锭以不高于6℃/min的冷速缓冷至室温。

(2)加热：将铸锭或铸坯加热至1100℃-1200℃，并保温使其奥氏体化。

(3)轧制：控制终轧温度低于700℃。

(4)冷却：先以≤5℃/s的冷却速度冷却至400℃以下，再进行加热进入奥氏体-渗碳体两相区，然后再以10-100℃/s的冷却速度冷却至室温。

需要说明的是，实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢的化学成分设计以及相关制造工艺均满足本发明设计规范要求。

表1列出了实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和除P、S以外其他不可避免的杂质)

表2列出了实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢的具体工艺参数。

表2.

相应地，在本发明中，对比例1-2分别选用现有技术中已知的HB450马氏体基体耐磨钢和HB500马氏体基体耐磨钢，这两类钢种的成分和工艺已知，此处不再赘述。

将通过上述工艺步骤得到的成品实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢和对比例1-2的HB450和HB500马氏体基体耐磨钢分别取样，并进行相关布氏硬度测试，将所得的平均布氏硬度结果列于表3中。其中，布氏硬度测试中控制压球直径为5mm，控制试验力为7355N。

表3列出了实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢和对比例1-2的HB450和HB500马氏体基体耐磨钢的性能检测结果。

表3.

编号	平均布氏硬度
		实施例1	307
实施例2	316
		实施例3	324
实施例4	342
		实施例5	347
实施例6	364
		对比例1	460
对比例2	526

由上述表3可以看出，相较于对比例1-2的HB450和HB500马氏体基体耐磨钢，实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢的布氏硬度均＜HB365，明显低于传统马氏体基耐磨钢的布氏硬度值。

此外，为了进一步地验证本发明实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢具备优良的耐磨性能，在本发明中，还需要对各实施例和对比例的钢材进行取样，而后一次在干砂橡胶轮磨损试验机上进行磨损试验。

磨损试验的具体实验方法如下：在磨损试验过程中，将干砂橡胶轮磨损试验机的转速设定为200转/分钟，载荷设定为30磅，总磨损圈数设定为1000转，而后可以分别获得各实施例和对比例的磨损失重。

在本发明中，实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢和对比例1-2的HB450和HB500马氏体基体耐磨钢经上述磨损试验后，会产生磨损失重，各实施例和对比例的具体磨损失重数据，如图1所示。

图1示意性地显示了各实施例和对比例耐磨钢经磨损试验后的磨损失重。

如图1所示，在本发明中，实施例1-6低成本高耐磨的耐磨钢的磨损失重明显小于HB450和HB500马氏体基体耐磨钢的磨损失重，即采用本发明制得的耐磨钢材料的耐磨性能远远优于作为对比例1和对比例2的现有马氏体基体耐磨钢。

图2为实施例5的低成本高耐磨的耐磨钢1000倍光学显微镜下的微观组织形貌照片。

如图2所示，实施例5的高均匀延伸率的耐磨钢的基体为马氏体，且其马氏体基体上均匀分布有大尺寸的渗碳体颗粒(几微米到几十微米不等)，所述渗碳体颗粒的形貌可以为球形或者短棒形。

综上所述可以看出，本发明所述低成本高耐磨的耐磨钢在化学成分设计中，仅需添加一定量的碳元素，无需添加过多的化学元素，不需要铬、钒、钨、钴、钼、硼等合金元素，即可获得较好的耐磨性。相对已有的各类耐磨钢，本发明中的耐磨钢铁材料的优势体现在合金成本低廉，制备过程简单，且耐磨性好，具有十分重要的现实意义。

此外，本发明所述的低成本高耐磨的耐磨钢的生产工艺简单且方便，且不需要在凝固过程中进行额外控制，也不需要进行变质处理等工艺。

需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低成本高耐磨的耐磨钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：

1.1%≤C≤2.2%，0＜Si≤0.2%，0＜Mn≤0.2%，0.17%≤Al≤0.5%， 余量为Fe和不可避免的杂质元素；

所述耐磨钢的基体为马氏体，马氏体基体上均匀分布有渗碳体颗粒；所述耐磨钢的布氏硬度＜HB365。

2.如权利要求1所述的低成本高耐磨的耐磨钢，其特征在于，在不可避免的杂质元素中，P≤0.1%；并且/或者S≤0.02%。

3.如权利要求1所述的低成本高耐磨的耐磨钢，其特征在于，所述渗碳体颗粒的尺寸在几微米到几十微米范围内。

4.如权利要求1所述的低成本高耐磨的耐磨钢，其特征在于，所述渗碳体颗粒的形貌为球形或者短棒形。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的低成本高耐磨的耐磨钢的制造方法，其特征在于，其包括步骤：

（1）冶炼和铸造；

（2）加热；

（3）轧制；

（4）冷却：先以≤5℃/s的冷却速度冷却至400℃以下，再进行加热进入奥氏体-渗碳体两相区，然后再以10-100℃/s的冷却速度冷却至室温。

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤（2）中，将铸锭或铸坯加热至1100℃-1200℃，并保温使其奥氏体化。

7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤（3）中，控制终轧温度低于700℃。

8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤（1）和步骤（2）之间还具有步骤（1a）：将铸坯或者铸锭以不高于6℃/min的冷速缓冷至室温。

Images