CN115094317B - 一种高耐磨高强韧性钢及其制备方法 - Google Patents

一种高耐磨高强韧性钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种高耐磨高强韧性钢及其制备方法，属于钢材制备技术领域，钢的化学成分包括：C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Al、B、N、V和Fe及不可避免的杂质；其中Al、B、N和V质量百分数关系满足：25≤(V+0.96Al+4.6B)/N≤50；通过对成分进行优化控制，Cr、Mo、Ni是钢中的主要合金元素，提供钢的基本强度及韧性；通过添加V形成碳化钒的硬质颗粒，达到强化钢基体、延缓磨粒磨损的作用，同时，又由于碳化钒颗粒较为细小，直径在1微米以内，对钢的韧性影响较小，同时，控制V、Al、B和N的含量关系，合理化利用钢中微量的Al、B元素，利于形成碳化钒，实现在保持韧性的前提下增强耐磨性。

Description

一种高耐磨高强韧性钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种高耐磨高强韧性钢及其制备方法。
背景技术
牵引电机转轴是列车牵引电机的核心动力转换部件。在列车启动及前进时，将来自电网的电能输出至齿轮箱，起到牵引列车前进的作用；在列车制动时，将部分列车动能转换成电能回收。因此，牵引电机转轴通常受到交变重载荷的反复作用，对制造牵引电机的转轴材料提出了高强度和韧性的需求。
我国的铁路运输因其独特性，对牵引电机转轴的要求更高，具体为：(1)客运方面，具有全球最大的高铁网络，电机转轴在高频率转动的时长全球最高，因而更易发生转轴表面磨损；(2)货运方面，铁路承担了国防、化工、电力、机械等领域单重超过100吨货物的大部分运输工作，牵引电机转轴表面发生磨损的情况较多。
现有牵引电机转轴钢通常为碳素钢或CrMo系合金结构钢，强韧性有限且不耐磨，难以满足在我国高速铁路以及重载铁路领域长期运行的需要。
发明内容
本申请的目的在于提供一种高耐磨高强韧性钢及其制备方法，以解决现有的结构钢韧性有限和不耐磨的问题。
本发明实施例提供了一种高耐磨高强韧性钢，所述钢的化学成分包括：C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Al、B、N、V和Fe及不可避免的杂质；其中Al、B、N和V质量百分数关系满足：25≤(V+0.96Al+4.6B)/N≤50。
可选的，所述钢的各化学成分的质量百分数为：C：0.25％-0.40％，Si：0-0.40％，Mn：0.30％-1.00％，Cr：1.00％-3.00％，Mo：0.30％-0.60％，Ni：1.50％-2.50％，Al：0-0.030％，B：0-0.004％，N：0.004％-0.010％。
可选的，所述钢的各化学成分的质量百分数为：C：0.30％-0.35％，Si：0.10％-0.30％，Mn：0.50％-0.80％，Cr：1.50％-2.50％，Mo：0.40％-0.50％，Ni：1.80％-2.20％，Al：0.010％-0.020％，B：0.001％-0.003％，N：0.006％-0.008％。
可选的，所述钢的金相组织以体积分数计包括：90％-100％的回火马氏体组织，0-10％的残余奥氏体组织。
可选的，所述回火马氏体组织的晶粒尺寸为7.9μm-18.9μm，所述残余奥氏体的晶粒尺寸为≤5μm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的高耐磨高强韧性钢的制备方法，所述方法包括：
将原料钢进行重整化热处理，得到热处理钢；
将所述热处理钢进行淬火，得到淬火钢；
将所述淬火钢进行回火，得到高耐磨高强韧性钢。
可选的，所述重整化热处理的加热温度为900℃-950℃，所述重整化热处理的保温时间为1h-2h。
可选的，所述淬火的加热温度为850℃-900℃，所述淬火的时间为1h-2h。
可选的，所述回火的加热温度为500℃-650℃，所述回火的保温时间为2h-4h。
可选的，所述高耐磨高强韧性钢的直径为150mm-300mm。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的高耐磨高强韧性钢，通过对成分进行优化控制，Cr、Mo、Ni是钢中的主要合金元素，提供钢的基本强度及韧性；通过添加V形成碳化钒的硬质颗粒，达到强化钢基体、延缓磨粒磨损的作用，同时，又由于碳化钒颗粒较为细小，直径在1微米以内，对钢的韧性影响较小，同时，控制V、Al、B和N的含量关系满足：25≤(V+0.96Al+4.6B)/N≤50，合理化利用钢中微量的Al、B元素，利于形成碳化钒，实现在保持韧性的前提下增强耐磨性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例1提供的电机转轴表面的透射电子显微镜图；
图2是本发明实施例提供的方法的流程图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种高耐磨高强韧性钢，所述钢的化学成分包括：C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Al、B、N、V和Fe及不可避免的杂质；其中Al、B、N和V质量百分数关系满足：25≤(V+0.96Al+4.6B)/N≤50。
Cr、Mo、Ni是钢中的主要合金元素，提供钢的基本强度及韧性。
V的添加是为了形成碳化钒的硬质颗粒，以便在电机转轴运行过程中，起到强化钢基体、延缓磨粒磨损的作用，同时，又由于碳化钒颗粒较为细小，直径在1微米以内，对钢的韧性影响较小。
但是在发明过程中，申请人发现在常规的调质钢中，由于淬火时冷却速度较快，不具备碳化钒的析出条件。为在本发明提出的钢中，达到碳化钒的析出效果，通过控制Al、B、N来实现，因Al、B是强氮化物形成元素，与同为氮化物形成元素的V形成争夺，减弱了V与N元素的结合倾向，增大了V的溶解度，提升了V与C元素结合的能力，促进碳化钒的析出。
因钢中不可避免存在氮，且将氮控制于0.004％以下，将会付出较大工艺成本，不具备经济性，因此，考虑钢中氮含量在0.004-0.010％之间时，经过反复试验，探索出V、Al、B、N的含量关系：25≤((V+0.96Al+4.6B))/N≤50，在满足此关系式时，V与N元素结合力最小，N的控制最经济，且能合理化利用钢中微量的Al、B元素，碳化钒的形成条件也最好。
V的含量超出此公式范围时，过高则没有与之结合的碳元素，过低则析出量少或不析出，均不能满足耐磨性的要求。
在一些实施例中，钢的各化学成分的质量百分数为：C：0.25％-0.40％，Si：0-0.40％，Mn：0.30％-1.00％，Cr：1.00％-3.00％，Mo：0.30％-0.60％，Ni：1.50％-2.50％，Al：0-0.030％，B：0-0.004％，N：0.004％-0.010％。
C作为主要的碳化物形成元素，起析出强化作用，控制C含量为0.25％-0.40％，控制该含量取值过大则材料脆性增加，过小则强化作用不足。
Si起到固溶强化作用，控制Si含量为0-0.40％，控制该含量取值过大则不利于保持材料韧性。
Mn能够增加热处理稳定性，控制Mn含量为0.30％-1.00％，控制该含量取值过大则冶炼困难，过小则难以在淬火加热时获得稳定奥氏体组织。
Cr作为主要的碳化物形成元素，控制Cr含量为1.00％-3.00％，控制该含量取值过大则没有经济性，过小则强化作用不足。
Mo作为强碳化物形成元素，控制Mo含量为0.30％-0.60％控制该含量取值过大则没有经济性，过小则强化作用不足。
Ni能够保持材料的韧性，控制Ni含量为1.50％-2.50％控制该含量取值过大则没有经济性，过小则材料韧性不足。
在一些实施例中，钢的各化学成分的质量百分数为：C：0.30％-0.35％，Si：0.10％-0.30％，Mn：0.50％-0.80％，Cr：1.50％-2.50％，Mo：0.40％-0.50％，Ni：1.80％-2.20％，Al：0.010％-0.020％，B：0.001％-0.003％，N：0.006％-0.008％。
在一些实施例中，钢的金相组织以体积分数计包括：90％-100％的回火马氏体组织，0-10％的残余奥氏体组织。所述回火马氏体组织的晶粒尺寸为7.9μm-18.9μm，所述残余奥氏体的晶粒尺寸为≤5μm。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上所述的高耐磨高强韧性钢的制备方法，所述方法包括：
S1.将原料钢进行重整化热处理，得到热处理钢；
在一些实施例中，重整化热处理的加热温度为900℃-950℃，所述重整化热处理的保温时间为1h-2h，出炉后静置空气中冷却。
S2.将所述热处理钢进行淬火，得到淬火钢；
在一些实施例中，淬火的加热温度为850℃-900℃，所述淬火的时间为1h-2h，出炉后在变压器油中冷却。
S3.将所述淬火钢进行回火，得到高耐磨高强韧性钢。
在一些实施例中，回火的加热温度为500℃-650℃，所述回火的保温时间为2h-4h，出炉后在沸水中冷却。
在成分设计基础上，热处理工艺的制定也围绕完全发挥成分的性能潜力。转轴钢完成冶炼及成型后，进行重整化热处理的目的一方面在于细化晶粒；更重要的是增加Al、B的氮化物析出，减少钢中溶解的V和N元素，增加碳化钒的析出；重整化后采用静置空气冷却，也是增加碳化钒析出的有效手段；淬火温度选择850-900℃之间，由于温度比重整化温度低，析出物能够在油冷过程中保留；回火温度选择500-650℃之间，此温度区间，是含有V、Cr、Mo的复合碳化物的析出区间，出炉后在沸水中冷却，可防止碳化物过度长大，因大尺寸碳化物耐磨性不佳。
本实施例中，采用以上方法制备的电机转轴钢坯直径为φ150-φ300mm。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的高耐磨高强韧性钢及其制备方法进行详细说明。
实施例1
以φ180mm规格电机转轴钢生产为例，该钢种成分为：C：0.28％，Si：0.23％，Mn：0.80％，Cr：2.10％，Mo：0.41％，Ni：1.90％，Al：0.025％，B：0.0013％，N：0.0045％，V：0.18％，((V+0.96Al+4.6B))/N＝46.7，重整化工艺为940℃×2小时，静置于空气中至室温，淬火工艺为880℃×1.5小时，在变压器油中冷却至室温，回火工艺为620℃×3小时，在沸水中冷却。
实施例2
以φ250mm规格电机转轴钢生产为例，该钢种成分为：C：0.35％，Si：0.30％，Mn：0.72％，Cr：2.60％，Mo：0.52％，Ni：2.09％，Al：0.034％，B：0.0025％，N：0.0063％，V：0.12％，((V+0.96Al+4.6B))/N＝26.1，重整化工艺为920℃×1.5小时，静置于空气中至室温，淬火工艺为850℃×2小时，在变压器油中冷却至室温，回火工艺为640℃×3.5小时，在沸水中冷却。
实施例3
以φ300mm规格电机转轴钢生产为例，该钢种成分为：C：0.33％，Si：0.20％，Mn：0.67％，Cr：2.89％，Mo：0.55％，Ni：2.37％，Al：0.030％，B：0.0035％，N：0.0043％，V：0.15％，((V+0.96Al+4.6B))/N＝45.0，重整化工艺为900℃×2.0小时，静置于空气中至室温，淬火工艺为850℃×2.0小时，在变压器油中冷却至室温，回火工艺为650℃×4.0小时，在沸水中冷却。
对比例1
以φ200mm规格电机转轴钢生产为例，该钢种成分为：C：0.32％，Si：0.29％，Mn：0.71％，Cr：2.60％，Mo：0.50％，Ni：2.10％，Al：0.013％，B：0.0010％，N：0.0097％，V：0.10％，((V+0.96Al+4.6B))/N＝12.1，重整化工艺为920℃×1.5小时，静置于空气中至室温，淬火工艺为850℃×2小时，在变压器油中冷却至室温，回火工艺为640℃×3.5小时，在沸水中冷却。
对比例2
以φ280mm规格电机转轴钢生产为例，该钢种成分为：C：0.35％，Si：0.30％，Mn：0.69％，Cr：2.50％，Mo：0.55％，Ni：2.30％，Al：0.030％，B：0.0039％，N：0.0049％，V：0.21％，((V+0.96Al+4.6B))/N＝52.4，重整化工艺为910℃×1.5小时，静置于空气中至室温，淬火工艺为850℃×2小时，在变压器油中冷却至室温，回火工艺为640℃×3.5小时，在沸水中冷却。
对比例3
以φ300mm规格电机转轴钢生产为例，该钢种成分为：C：0.33％，Si：0.20％，Mn：0.67％，Cr：2.89％，Mo：0.55％，Ni：2.37％，Al：0.030％，B：0.0035％，N：0.0043％，V：0.15％，((V+0.96Al+4.6B))/N＝45.0，重整化工艺为980℃×2.0小时，置于对流空气中至室温，淬火工艺为850℃×2.0小时，在变压器油中冷却至室温，回火工艺为650℃×4.0小时，在空气中冷却。
实验例
将实施例1-3和对比例1-3制得的钢进行性能检测，测试结果如下表所示。
抗拉强度 屈服强度 -40℃冲击功 磨耗试验磨损量
实施例1 1149MPa 1060MPa 86J ＜1mm
实施例2 1123MPa 1011MPa 63J ＜1mm
实施例3 1101MPa 991MPa 75J ＜1mm
对比例1 1132MPa 1030MPa 52J 3.5mm
对比例2 1216MPa 1131MPa 47J 2.3mm
对比例3 1149MPa 1055MPa 53J 3.8mm
由上表可得，采用本发明实施例提供的方法制备的钢具有较好的强韧性及耐磨性匹配，通过实施例和对比例的比较可得，当(V+0.96Al+4.6B))/N的关系不在本申请实施例要求保护的范围内时，耐磨性试验中的磨损量超过1mm，不满足转轴长期使用要求，从对比例3也可得，即使当(V+0.96Al+4.6B))/N的关系处于本申请实施例要求保护的范围内时，配套的热处理工艺超出本申请实施例要求保护范围时，也出现磨损量超过1mm的情况。
将实施例1-3和对比例1-3制得的钢按照电机转轴成品尺寸进行机加工后，装配于大功率机车用牵引电机，在大功率机车上装车进行试用，结果如下表所示。
寿命
实施例1 大于60万公里
实施例2 大于60万公里
实施例3 大于60万公里
对比例1 10万公里
对比例2 8万公里
对比例3 20万公里
由上表可得，采用本申请实施例提供的方法制备的钢制成的电机转轴可实现60万公里不失效，满足铁路用电机长期使用的严格要求。通过实施例和对比例的比较可得，当(V+0.96Al+4.6B))/N的关系不在本申请实施例要求保护的范围内时，使用寿命均不超过60万公里，短时间内即发生失效，造成铁路用电机的提前更换。从对比例3也可得，即使当(V+0.96Al+4.6B))/N的关系处于本申请实施例要求保护的范围内时，配套的热处理工艺超出本申请实施例要求保护范围时，尽管使用寿命略高于对比例1-2，也未达到60万公里。
附图1的详细说明：
如图1所示，为实施例1提供的φ200mm规格转轴用钢表面处的透射电子显微镜图，其中的1微米以下的密集点状物为碳化钒析出，由图可得，其中存在大量弥散分布的碳化钒析出物，尺寸在1微米以下，能够起到了良好的耐磨性效果。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的方法制备的钢具有良好的韧性和耐磨性能；
(2)本发明实施例提供的钢适用于制备电机转轴。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种高耐磨高强韧性钢，其特征在于，所述钢的各化学成分的质量百分数为：C：0.30%-0.35%，Si：0.10%-0.30%，Mn：0.50%-0.80%，Cr：1.50%-2.50%，Mo：0.40%-0.50%，Ni：1.80%-2.20%，Al：0.010%-0.020%，B：0.001%-0.003%，N：0.006%-0.008%，其余为Fe及不可避免的杂质；其中Al、B、N和V质量百分数关系满足：25≤（V+0.96Al+4.6B）/N≤50，所述钢的金相组织以体积分数计包括：90%-100%的回火马氏体组织、0-10%的残余奥氏体组织，所述回火马氏体组织的晶粒尺寸为7.9μm-18.9μm，所述残余奥氏体的晶粒尺寸为≤5μm，组织中存在大量弥散分布的碳化钒析出物，尺寸在1微米以下，所述高耐磨高强韧性钢的直径为150mm-300mm，所述高耐磨高强韧性钢的制备工艺包括将原料钢进行重整化热处理，得到热处理钢；
将所述热处理钢进行淬火，得到淬火钢；
将所述淬火钢进行回火，所述重整化热处理的加热温度为900℃-950℃，所述重整化热处理的保温时间为1h-2h，出炉后静置空气中冷却，所述淬火的加热温度为850℃-900℃，淬火的时间为1h-2h，出炉后在变压器油中冷却，所述回火的加热温度为500℃-650℃，回火的保温时间为2h-4h，出炉后在沸水中冷却。
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