CN117626128A - 一种耐磨耐用喷丸及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐磨耐用喷丸及其制备方法，所述喷丸的成分以质量百分比计为：C：0.68‑1.20%、Si：0.32‑0.74%、Mn：4.6‑8.5%、Mo：4.2‑8.7%、W：2.7‑5.7%、Cu：1.3‑3.8%，P：0.05%以下、S：0.03%以下，余量为Fe和不可避免的杂质；对具有上述成分的钢液进行水雾化或气体雾化制备得到喷丸，之后将喷丸加热至830‑920℃保温，随后淬火至室温，淬火冷却速度V1≤V≤V2，单位为℃/s，其中:V1=7.65*ln(151.2‑3.56*[C]‑2.15*[Si]‑6.24*[Mn]‑5.71*[Mo]‑3.05*[W]‑0.98*[Cu])+14.5；V2=44.2+27.4*[C]‑11.2*[Si]‑3.24*[Mn]+3.55*[Mo]+2.16*[W]‑2.84*[Cu]；式中，[C]、[Si]、[Mn]、[Mo]、[W]、[Cu]分别代表C、Si、Mn、Mo、W、Cu的质量百分含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨耐用喷丸及其制备方法，该喷丸具有优异的耐磨性并且喷丸丸体在长期使用过程中不会出现丸体破碎等问题，耐用性好，同时本发明提供了该喷丸的制备方法。
背景技术
喷丸，也叫抛丸、丸粒，通过喷丸机喷出到金属材料表面，用于材料表面改性（例如硬化），或者清除表面氧化皮、铁锈、涂层等。现有技术通常对喷丸的强度、耐磨性（即硬度）提出较高要求，因此，喷丸通常需要保持奥氏体组织。为了获得奥氏体组织，除了控制成分满足一定条件之外，还需要配合一定的、较高的冷却速度，确保奥氏体组织保持到室温。
在实际工业生产中，通常采用对熔体进行水或者气体雾化的工艺制备喷丸，然而，雾化工艺通常的冷却速度极高。在喷丸的使用过程中，发现由于冷却速度过高，在工作过程中常常因为喷丸与工作表面或者喷丸之间的高速碰撞而发生碎裂，导致在短时间工作后便出现损坏，工作耐久性不足，并且在表面处理过程中容易在表面留下缺陷。
基于现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种既具有优异耐磨性又不易在使用过程中破碎，具有高的耐用性的喷丸。
发明内容
本发明提供一种耐磨耐用喷丸，该喷丸耐磨性优异，并且喷丸丸体在长期使用过程中不会出现丸体破碎等问题，耐用性好。
本发明的技术目的是通过以下手段实现的。
本发明提供一种耐磨耐用喷丸，所述喷丸的成分以质量百分比计为：C：0.68-1.20%、Si：0.32-0.74%、Mn：4.6-8.5%、Mo：4.2-8.7%、W：2.7-5.7%、Cu：1.3-3.8%，P：0.05%以下、S：0.03%以下，余量为Fe和不可避免的杂质；
对具有上述成分的钢液进行水雾化或气体雾化制备得到喷丸，之后将喷丸加热至830-920℃保温，随后淬火至室温，淬火冷却速度V1≤V≤V2，单位为℃/s，其中:
V1=7.65*ln(151.2-3.56*[C]-2.15*[Si]-6.24*[Mn]-5.71*[Mo]-3.05*[W]-0.98*[Cu])+14.5；
V2=44.2+27.4*[C]-11.2*[Si]-3.24*[Mn]+3.55*[Mo]+2.16*[W]-2.84*[Cu]；
式中，[C]、[Si]、[Mn]、[Mo]、[W]、[Cu]分别代表C、Si、Mn、Mo、W、Cu的质量百分含量。
下面介绍本发明中喷丸成分和淬火工艺参数选择的目的。
C：碳是重要的奥氏体形成元素，是提高淬透性的元素，用于确保室温下奥氏体组织的获得，同时C也是重要的强度和耐磨性保证元素，本发明C含量控制在0.68-1.20%。
Si：硅也是提高淬透性的元素，确保室温奥氏体的稳定性，本发明的Si含量控制在0.32-0.74%。
Mn：锰是强烈的改善淬透性的元素，可以有效促进奥氏体的形成，确保室温下奥氏体的稳定性，同时锰可以确保喷丸具有优异的强度和耐磨性，并且锰也相对较为廉价，因此，本发明大量添加锰元素，添加量为4.6-8.5%。
Mo：钼具有提高淬透性的作用，同时可以通过固溶强化来提高喷丸的强度，钼对于提高喷丸的耐磨性具有优异的效果，本发明的钼元素添加量为4.2-8.7%。
W：钨的作用与钼类似，具体提高淬透性的作用，可以通过固溶强化来提高喷丸的强度，钨对于提高喷丸的耐磨性具有十分显著的效果，本发明的钨元素添加量为2.7-5.7%。
Cu：铜也是提高淬透性的元素，铜能够提高喷丸的强度和耐磨性，本发明铜的含量为1.3-3.8%。
P、S：磷和硫均是钢中不可避免的杂质元素，二者的存在对于钢材的强度和耐磨性，在成本可以接受并且工艺条件允许的条件下，应当尽量降低磷和硫的含量，出于成本因素和制造条件的考虑，本发明的磷含量限制在0.05%以下，硫含量限制在0.03%以下。
通过上述元素的配合以及钢材熔融后雾化，足以获得具有室温奥氏体组织的高耐磨性的喷丸，但是，如前所述雾化工艺的冷却速度过快，导致其在后续使用过程中容易由于碰撞导致丸体的碎裂。本发明的发明人通过在实际生产中进行不断摸索，发现结合具体的喷丸成分合理控制冷却速度可以在确保其具有室温奥氏体组织的同时在后续使用过程中即使喷丸和金属表面或者喷丸之间进行高速、长时间、反复碰撞，丸体本身仍然可以保证良好的完整性，从而保证喷丸长期使用之后丸体不碎裂，具有令人满意的使用耐久性。
实际上，在雾化过程中冷却速度极高，在雾化过程中控制冷却速度在适宜范围是较为困难的，因此，本发明提出在雾化制备得到喷丸之后，对喷丸进行淬火处理，在淬火阶段控制冷却速度，从而在确保喷丸具有室温奥氏体组织的基础上保证喷丸在长期使用之后丸体完整不碎裂。
发明人在反复试验的基础上，获得了适宜本发明喷丸成分的淬火冷却速度的区间，即V1≤V≤V2，通过试验和归纳总结，发明人得出了：V1=7.65*ln(151.2-3.56*[C]-2.15*[Si]-6.24*[Mn]-5.71*[Mo]-3.05*[W]-0.98*[Cu])+14.5；V2=44.2+27.4*[C]-11.2*[Si]-3.24*[Mn]+3.55*[Mo]+2.16*[W]-2.84*[Cu]；发明人发现，如果淬火冷却速度V＜V1，则淬火之后无分发获得完全室温奥氏体组织的喷丸，最终导致喷丸的耐磨性不足；如果淬火冷却速度V＞V2，则发现喷丸在后续使用过程中丸体碎裂、破损的风险和几率增大，不能满足长时间工作的需求，工作耐久性不足。通过控制具有本发明成分的喷丸在后续淬火冷却过程中冷却速度在V1-V2，既可以保证室温奥氏体组织的获得从而使喷丸具有优异的耐磨性，又能够保证其在使用过程中不易出现破损和碎裂，极大的提高喷丸的使用耐久性。
如前所述，本发明的喷丸在室温具有奥氏体组织。经过雾化后，本发明得到的喷丸直径为0.5-6mm，雾化优选气体雾化，气体雾化的气氛应当最好为非氧化性气氛，例如N2、Ar、N2和Ar二者的混合物。作为进一步的描述，本发明的喷丸在雾化制丸后的淬火处理中保温时间为5-60min，以保证在淬火前获得全奥氏体组织。
作为进一步的选择，本发明的喷丸耐磨性和使用耐久性都十分优异，特别适用于金属材料的表面改性或者表面清理。表面改性具体可以为表面硬化，表面清理至少包括去除表面氧化皮、表面抛光、表面除锈、去除表面涂层等清理作业。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了前述喷丸的制备方法，具体包括熔炼具有前述成分的钢液，然后对钢液进行水雾化或者气体雾化制备得到喷丸，之后将喷丸加热至830-920℃保温，随后淬火至室温，淬火冷却速度V1≤V≤V2，单位为℃/s，其中:
V1=7.65*ln(151.2-3.56*[C]-2.15*[Si]-6.24*[Mn]-5.71*[Mo]-3.05*[W]-0.98*[Cu])+14.5；
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式中，[C]、[Si]、[Mn]、[Mo]、[W]、[Cu]分别代表C、Si、Mn、Mo、W、Cu的质量百分含量。
本发明的制备方法简单实用，淬火工序后无需回火或者退火等工序，淬火态的喷丸可以直接用作相应工况使用。
本发明的有益效果如下。
本发明通过成分控制和在雾化制丸后增加淬火工序并且对淬火冷却速度进行控制，可以确保喷丸具有室温奥氏体组织，使喷丸具有优异的耐磨性，并且喷丸在长期使用后，丸体仍不出现破损和碎裂，使用耐久性十分优异。本发明的喷丸适用于表面硬化、表面清理等工况使用。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。
按照表1的成分熔炼钢液，P和S均控制在0.02%±0.005%为合格，并进行Ar雾化制丸，对制备得到的喷丸进行筛分，筛分选取直径3-4mm的喷丸进行后续淬火处理（部分组别不进行淬火处理），之后对喷丸进行耐磨损性模拟试验和耐久性模拟试验，相关的淬火处理参数和模拟实验结果见表2。
（1）耐磨损性模拟试验
每组试样取100颗表面光滑完好的喷丸，称量其初始重量W0，与100颗直径3-4mm的氧化锆球共同置于行星球磨机中以300rpm的速度球磨5h，之后取出用去离子水清洗并烘干后称量喷丸的磨后重量W1，耐磨性（也即重量损失）R=(W0-W1)/W0*100%，R值越小说明其耐磨损性越好，R值≤5%的试样认为符合本发明的耐磨性要求。
（2）耐久性模拟试验
每组试样取100颗表面光滑完好的喷丸，置于振动球磨机中，在不置入球磨球的情况下，以800周/分的频率振动球磨90分钟，之后取出喷丸，肉眼观察并统计表面产生缺陷或者破损的喷丸数量N，N越小则说明喷丸的耐久性越好，N值≤5的试样认为符合本发明的耐久性要求。
表1 各喷丸的成分组成（以质量百分比计，%）。
表2 各喷丸的淬火参数以及性能检测结果。
下面，结合表1、表2进行具体分析。
首先，分析雾化制丸后淬火工艺以及淬火冷却速度对于喷丸性能的影响。
试验序号1-8的喷丸成分均满足本发明的成分要求，但是后续处理工艺有所不同，导致最终的喷丸性能差异。
如对比例1-2、2-2，其分别与实施例1-1、2-1的成分相同、淬火温度和保温时间相同，而由于其淬火后的冷却速度低于发明要求的V1，虽然喷丸的耐久性模拟试验结果能够满足发明要求，但是其耐磨性能较差，无法达到发明要求。
如对比例1-3、2-3，其分别与实施例1-1、2-1的成分相同、淬火温度和保温时间相同，而由于其淬火后的冷却速度高于发明要求的V2，虽然喷丸的耐磨性较好，但是在耐久性模拟试验中出现破损或者碎裂的丸体数量较多，不能满足发明要求。
如对比例5-2、6-2，其分别与实施例5-1、6-1的成分相同，而二者并未进行雾化制丸后的淬火操作，虽然喷丸的耐磨性较好，但是最终在耐久性模拟试验中出现破损或者碎裂的丸体数量较多，不能满足发明要求。
对比例7-1、8-1，其分别与实施例7-2（7-3）、8-2（8-3）的成分相同、淬火温度和保温时间相同，而由于其淬火后的冷却速度低于发明要求的V1，虽然喷丸的耐久性模拟试验结果能够满足发明要求，但是其耐磨性能较差，无法达到发明要求。
对比例7-4、8-4，其分别与实施例7-2（7-3）、8-2（8-3）的成分相同、淬火温度和保温时间相同，而由于其淬火后的冷却速度高于发明要求的V2，虽然喷丸的耐磨性较好，但是在耐久性模拟试验中出现破损或者碎裂的丸体数量较多，不能满足发明要求。
由此可知，在雾化制丸后进行淬火，并且控制淬火冷却速度在合理区间范围内，可以确保喷丸具有优异的耐磨性和使用耐久性。
其次，对本发明喷丸成分和淬火冷却速度之间匹配对于获得耐磨耐用喷丸的重要影响进行分析阐述。
对比例9、11、13、15、17、19分别是实施例1、2、3、4、5、6的对比例，各个对比例相对于对应的实施例各自改变了C、Si、Mn、Mo、W、Cu的含量，改变后的上述元素含量范围均低于发明要求，并且其淬火冷却速度仍可以满足按照本发明计算的V1-V2的区间，但是，此时，即便按照本发明提出的淬火冷却速度范围进行冷却，其最终让不能获得令人满意的耐磨性。
对比例10、12、14、16、18、20分别是实施例1、2、3、4、5、6的对比例，各个对比例相对于对应的实施例各自改变了C、Si、Mn、Mo、W、Cu的含量，改变后的上述元素含量范围均高于发明要求，并且其淬火冷却速度仍可以满足按照本发明计算的V1-V2的区间，但是，此时，即便按照本发明提出的淬火冷却速度范围进行冷却，其最终的耐久性模拟试验中出现破损或者碎裂的丸体数量较多，不能满足发明要求。
由此可以看出，本发明的淬火冷却速度需要和成分进行配合，最终才可以获得满足发明耐磨性和耐久性要求的喷丸，在本发明范围之外的成分，即便是经过满足本发明要求的淬火冷却，最终仍无法获得兼具耐磨性和使用耐久性的喷丸。
本发明的发明人通过对喷丸成分进行优化，在雾化制丸后增加淬火工艺并且控制淬火冷却速度，同时归纳总结获得了适合本发明成分的淬火冷却速度，将成分优化调整和工艺步骤参数控制相结合，最终获得了兼具耐磨性和使用耐久性的喷丸。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (9)
1.一种耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述喷丸的成分以质量百分比计为：C：0.68-1.20%、Si：0.32-0.74%、Mn：4.6-8.5%、Mo：4.2-8.7%、W：2.7-5.7%、Cu：1.3-3.8%，P：0.05%以下、S：0.03%以下，余量为Fe和不可避免的杂质；
对具有上述成分的钢液进行水雾化或气体雾化制备得到喷丸，之后将喷丸加热至830-920℃保温，随后淬火至室温，淬火冷却速度V1≤V≤V2，单位为℃/s，其中:
V1=7.65*ln(151.2-3.56*[C]-2.15*[Si]-6.24*[Mn]-5.71*[Mo]-3.05*[W]-0.98*[Cu])+14.5；
V2=44.2+27.4*[C]-11.2*[Si]-3.24*[Mn]+3.55*[Mo]+2.16*[W]-2.84*[Cu]；
式中，[C]、[Si]、[Mn]、[Mo]、[W]、[Cu]分别代表C、Si、Mn、Mo、W、Cu的质量百分含量。
2.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述喷丸在室温具有奥氏体组织。
3.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述喷丸直径为0.5-6mm。
4.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述保温时间为5-60min。
5.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述气体雾化采用非氧化性气体。
6.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述非氧化性气体为N2或Ar或N2和Ar的混合气体。
7.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述耐磨耐用喷丸应用于金属材料的表面硬化或者表面清理。
8.根据权利要求1所述的耐磨耐用喷丸，其特征在于，所述表面清理包括去除表面氧化皮、表面抛光、表面除锈、去除表面涂层等。
9.权利要求1-8任一项耐磨耐用喷丸的制备方法，其特征在于，熔炼具有相应成分的钢液，然后对钢液进行水雾化或者气体雾化制备得到喷丸，之后将喷丸加热至830-920℃保温，随后淬火至室温，淬火冷却速度V1≤V≤V2，单位为℃/s，其中:
V1=7.65*ln(151.2-3.56*[C]-2.15*[Si]-6.24*[Mn]-5.71*[Mo]-3.05*[W]-0.98*[Cu])+14.5；
V2=44.2+27.4*[C]-11.2*[Si]-3.24*[Mn]+3.55*[Mo]+2.16*[W]-2.84*[Cu]；
式中，[C]、[Si]、[Mn]、[Mo]、[W]、[Cu]分别代表C、Si、Mn、Mo、W、Cu的质量百分含量。
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