專利名稱：多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐磨材料，尤其是一種多元合金化耐磨、耐沖擊合金鋼及制備工藝，適用于金屬礦山、煤礦、電力行業(yè)的球磨機(jī)襯板、料倉襯板和物料輸送管道等。
背景技術(shù)：
1882年英國人Hadfield發(fā)明了奧氏體高錳鋼后，這種鋼作為金屬耐磨材料已廣泛用于礦石破碎、選煤、水泥生產(chǎn)與電力等行業(yè)。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)用高錳鋼的認(rèn)識(shí)也日益清晰，在使用中發(fā)現(xiàn)高錳鋼并不耐磨，使用壽命較短。礦山機(jī)械磨損件在服役時(shí)的沖擊載荷屬中低檔沖擊范疇3. 5J/cm2)，其實(shí)際服役條件提供的沖擊能量滿足不了高錳鋼產(chǎn)生α-M相變的需求。國內(nèi)外大量研究也證明在工程所需的抗沖擊磨損件中，高錳鋼材料只發(fā)生微量塑性變形引發(fā)孿晶、位錯(cuò)密度的增加， 其力學(xué)性能中發(fā)生了強(qiáng)度、硬度的提高，這種現(xiàn)象就是人們所熟悉的加工硬化現(xiàn)象，其微觀機(jī)制為位錯(cuò)強(qiáng)化。用于礦石破磨機(jī)械的襯板、物料輸送管道、工程機(jī)械中挖掘機(jī)斗齒、推土機(jī)鏟刃、履帶板等的強(qiáng)化效果和耐磨性均不盡人意。例如球磨機(jī)襯板在磨損失效時(shí)，測定表面的硬度僅為ΗΒ250左右，與它未使用時(shí)的硬度(ΗΒ200)相比，其強(qiáng)化系數(shù)只有1. 25。即使是沖擊磨損條件很惡劣的履帶板，失效后的表面硬度最高只有ΗΒ300，其強(qiáng)化系數(shù)也只有 1. 5。國內(nèi)外大量的研究認(rèn)為在中等和較弱沖擊條件下，高錳鋼并不能得到很好地強(qiáng)化。高錳鋼由于奧氏體結(jié)構(gòu)的層錯(cuò)能小，在形變過程中亞結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，從而產(chǎn)生位錯(cuò)糾纏、 細(xì)小形變孿晶，而不可能出現(xiàn)α馬氏體，在形變后硬化程度并沒有達(dá)到更高的數(shù)值。這一觀點(diǎn)深刻地闡述了高錳鋼的不足之處。要提高礦山機(jī)械中承受沖擊載荷磨損件的耐磨性能和使用壽命的最有效途徑是改變錳鋼材料的強(qiáng)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)奧氏體向α "Μ相變的強(qiáng)化機(jī)制。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵在于降低錳鋼的奧氏體穩(wěn)定性，也即提高馬氏體開始相變的溫度 Ms。發(fā)明主要內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有高錳鋼在應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題，本發(fā)明提供一種多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼。在系統(tǒng)研究不同的合金配比對(duì)耐磨鋼的表面強(qiáng)化、拉伸、沖擊等常規(guī)力學(xué)性能影響，設(shè)計(jì)材料在中低檔沖擊載荷下實(shí)現(xiàn)應(yīng)變誘發(fā)α -M相變強(qiáng)化機(jī)制，其表層的強(qiáng)化系數(shù)高 0 2)。以先進(jìn)的消失模負(fù)壓生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)熔煉溫度、澆注溫度、負(fù)壓度、 水韌溫度等工藝參數(shù)控制，獲得強(qiáng)韌性、高耐磨的抗沖擊疲勞耐磨鋼。技術(shù)方案一種多元合化金抗沖擊疲勞耐磨鋼。其化學(xué)成分和組成質(zhì)量百分比為 CO. 8 1. 2Mn 6-8 Si 0. 3 0. 6 Cr 1. 0 2. 5 W 0. 4 1. 0 Cu 0. 3 1. 0 S 彡 0. 04 P^O. 07復(fù)合變質(zhì)劑< 1，其余為狗。復(fù)合變質(zhì)劑為硅鐵合金、鈦鐵合金，其組成百分比為 Re 7 8 Si 9 12Ti 20 25，其余為i^e。在多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼中碳和錳固溶于γ -Fe中，是影響耐磨鋼奧氏體穩(wěn)定性并獲得所需力學(xué)性能最顯著元素。隨C含量的增加，沖擊功Ak值增高，1.2% C具有最高的耐磨性。Cr固溶于奧氏體中起到固溶強(qiáng)化作用，是提高錳鋼屈服強(qiáng)度和沖擊韌性最有效的合金元素。Cr元素的加入量以2. 5%為限。Si能顯著提高固溶強(qiáng)化作用，使耐磨鋼的回火溫度提高而獲得較高韌性。Si的加入量以0.3 0.6%較為合適。W對(duì)力學(xué)性能影響明顯，隨著W含量的增加，鑄態(tài)結(jié)構(gòu)中奧氏體組織晶界碳化物將明顯減少，對(duì)減輕鑄件開裂的傾向特別明顯，對(duì)提高水韌處理后的強(qiáng)度和韌性都是有利的， 加入量以0. 40 1.0%為限。Cu是耐磨鋼奧氏體的固溶強(qiáng)化元素，可提高水韌處理后的韌性和耐腐蝕性能，其加入量以小于1.0%為限。B是表面活性元素，主要存在于奧氏體晶界缺陷處。在一定的加入量內(nèi)，可提高淬透性，可提高材料的沖擊韌性。稀土元素的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，稀土氧化物的生成自由能很低，它在鋼液中首先形成稀土氧化物，同時(shí)稀土硫化物的生成自由能比MnS、FeS低得多，因此，稀土也是一種脫硫劑。在耐磨鋼中能有效地減少夾雜物，凈化奧氏體晶界，并能使夾雜物分散和球化。以W、Cu、Ti、B等元素對(duì)耐磨鋼進(jìn)行多元合金化，能在奧氏體中形成適量彌散分布的第二相，從而提高在非強(qiáng)烈沖擊工況下的耐磨性能。
具體實(shí)施例方式在500Kg中頻感應(yīng)電爐中熔煉，堿性爐襯，分步加入鉻鐵、錳鐵、硅鐵、鎢鐵、紫銅及各種合金元素，熔煉溫度為1510 1580°C。分別將復(fù)合變質(zhì)劑分?jǐn)喑?X6mm左右的小塊，采用包底沖入法加入。出爐溫度約為1400 1450°C。熔化金屬出完?duì)t后立即攪拌，快速扒凈熔渣，然后用珍珠巖覆蓋表面。以1350°C 1370°C將熔化金屬澆注到抽真空狀態(tài)下EPS模具中，并充滿EPS模具熱解消失后的空間而獲得鋼件，澆注后維持負(fù)壓真空度為 0. 04MPa,并保持8 12min。澆鑄的基爾試樣空冷至室溫開箱，鋼件經(jīng)清理和打磨后將進(jìn)入水韌處理工序。用高溫電爐加熱到1100士 10°C，在30秒以內(nèi)，進(jìn)入循環(huán)水槽內(nèi)進(jìn)行水韌處理。例如，對(duì)于物料輸送管道、料倉襯板、球磨機(jī)襯板等，對(duì)沖擊韌性要求較低，主要以磨粒磨損、沖蝕磨損為主，對(duì)材料表面硬度及材料強(qiáng)化速率要求較高。這樣對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)一種Ms 點(diǎn)溫度接近常溫的低錳高碳耐磨鋼，其組成質(zhì)量百分比為C 1.1 Mn 7 Si 0.4 Cr 1.8 W 0. 6Cu 0. 3 S ^ 0. 04 P ^ 0. 07，采用復(fù)合變質(zhì)劑處理。加工成拉伸試樣、不帶缺口的沖擊試樣各5塊。其性能測試結(jié)果為σ b = 565Mpa, δ = 6.0%, Ψ = 15. 5%,Ak = 110J. cm"2,HB = 220。水韌處理態(tài)后其金相組織為奧氏體， 晶粒度為6 7級(jí)。耐磨鋼在0. 5 3. OJ/cm2沖擊疲勞磨料磨損5000次的條件下，均發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，并且隨沖擊載荷的增加，材料表層馬氏體含量從31 %提高到57 %， 沖擊后的表面硬度彡480HB，強(qiáng)化系數(shù)大于2. 18。相同工況下的高錳鋼均未發(fā)生馬氏體相變。在物料輸送管道、料倉襯板、球磨機(jī)襯板上使用元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼的壽命比鑄鋼錳13提高2 4倍。
權(quán)利要求
1.一種多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼，在沖擊載荷并伴有磨料磨損服役條件時(shí)，除了具有奧氏體鋼固有的加工硬化特性外，其特征在于由應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變而進(jìn)一步強(qiáng)化。
2.根據(jù)權(quán)利1要求的多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼，其特征在于該合金鋼組成質(zhì)量百分比為C 0. 8 1. 2 Mn 6-8 Si 0. 3 0. 6 Cr 1. 0 2. 5 W 0. 4 1. 0 Cu 0. 3 1. 0 S ^ 0. 04 P ^ 0. 07復(fù)合變質(zhì)劑< 1，其余為!^e。
3.根據(jù)權(quán)利2要求的多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼，其特征在于采用變質(zhì)劑處理，復(fù)合變質(zhì)劑為硅鐵合金、鈦鐵合金，其組成百分比為Re 7 8 Si 9 12 Ti 20 25，其余為Fe。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多元合金化抗沖擊疲勞耐磨鋼，其組成質(zhì)量百分比為C 0.8～1.2 Mr6-8 Si 0.3～0.8 Cr 1.0～2.5 W 0.4～1.0 Cu 0.3～1.0 S≤0.04 P≤0.07復(fù)合變質(zhì)劑≤1，其余為Fe。耐磨鋼成型包括配料、熔煉、變質(zhì)處理、澆注、消失模負(fù)壓成型、水韌處理等工藝過程。制備材料在0.5～3.0J/cm2沖擊載荷下，其表面發(fā)生顯著的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，在物料輸送管道、料倉襯板、球磨機(jī)襯板上使用壽命比高錳鋼提高2～4倍。
文檔編號(hào)C22C38/38GK102242317SQ20101028840
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者王軍祥, 王斌, 白順成 申請(qǐng)人:王軍祥, 王斌, 白順成