專利名稱：一種多元合金強韌化、耐磨中錳鋼及制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及耐磨金屬材料領域，尤其是一種多元合金強韌化、耐磨中錳鋼及其制備工藝，適用于中高沖擊載荷下，工程機械和礦山機械中的電鏟斗齒、鏟刃板、破碎機齒板、 半自磨機襯板、輸送機刮板等制造。
背景技術：
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)。在強烈沖擊載荷及高擠壓應力下(通常沖擊功大于5J/cm2)，高錳鋼工件表面可實現(xiàn)α馬氏體相變而得到充分強化，顯微硬度由 HV250提高到約HV700，而工件內(nèi)部仍保持優(yōu)良韌性，其耐磨性與HRC50的馬氏體相當。高錳鋼的加工硬化機理有位錯堆積與形變誘發(fā)相變兩種理論，近年來的研究更多支持了位錯堆積理論，比較符合實際的解釋是由沖擊造成位錯-堆垛層錯-ε馬氏體_α 馬氏體的強化作用或位錯、形變馬氏體、形變攣晶和彌散出的微碳化物等綜合作用所致。礦山機械磨損件通常使用時的沖擊功小于3. 5J/cm2，其實際服役條件提供的沖擊能量滿足不了高錳鋼的加工硬化要求，這時高錳鋼的耐磨性不如其它類耐磨鋼好。例如球磨機襯板在磨損失效時，測定表面的硬度僅為HB300左右，與它未使用時的硬度(HB200)相比，其強化系數(shù)只有1.5。另外，即使在較高的沖擊載荷下，如果破碎的礦石較軟，其耐磨性也較差。如錘式破碎機的錘頭，破碎含有泥沙的較軟礦石時，錘頭表層加工硬化只有240 300HB，錘頭壽命較短。為了提高錳鋼在中等沖擊載荷下的加工硬化能力，研究通過微合金化以提高其強韌性和耐磨性能。如加入多元微量元素Cr、V、B、Cu、Ni、Al等，進一步提高奧氏體的固溶強化效果，以提高其強韌性。加入碳化物形成元素Mo、W、V、Nb、Ti等，使其在奧氏體基體上彌散析出類球狀碳化物，以實現(xiàn)第二相硬質(zhì)粒子。經(jīng)應用考核，微合金化的高錳鋼機械性能有較大幅度提高，但耐磨壽命卻沒有顯著改善，原因在于微合金化雖然提高了高錳鋼的常規(guī)力學性能，但并沒有改變高錳鋼的強化機制，致使其加工硬化力度沒有顯著提高。發(fā)明主要內(nèi)容針對現(xiàn)有高錳鋼在應用領域存在的問題，本發(fā)明涉及一種多元合金強韌化、耐磨中錳鋼及制備工藝，該材料在中高沖擊載荷下實現(xiàn)應變誘發(fā)α馬氏體相變和位錯堆積的強化機制，其表層的強化系數(shù)高。以先進的消失模負壓工藝進行生產(chǎn)，同時實現(xiàn)對熔煉溫度、澆注溫度、負壓度、水韌溫度、回火溫度等工藝參數(shù)控制，獲得強韌性、高耐磨的抗沖擊疲勞鋼件。技術方案多元合金強韌化、耐磨中錳鋼及制備工藝，其化學成分和組成質(zhì)量百分比為C 0. 9 1. 3 Mn 8 10 Si 0. 2 0. 6 Cr 1. 0 2. 5 W 0. 5 2. 0 V 0. 1 0. 5 Ti 0. 1 0. 3 Re彡0. 15 B彡0. 01 S彡0. 04 P彡0. 07，其余為Fe。復合變質(zhì)劑為稀土硅鐵合金、釩鐵合金、鈦鐵合金，其組成百分比為Re 5 10 Si 10 15 Ti 10 20 V 10 20，其余為狗。在多元合金強韌化、耐磨中錳鋼中碳和錳固溶于Y-Fe中，是影響耐磨鋼奧氏體穩(wěn)定性并獲得所需力學性能最顯著元素。通過碳和錳的匹配關系，降低奧氏體的穩(wěn)定性，提高中等沖擊載荷作用下的加工硬化速率和比例。加入Cr、W、B等合金元素，在晶體結構中形成彌散分布的第二相粒子，減少碳化物的析出，改變碳化物的形態(tài)和分布，提高了加工硬化效果和屈服強度。以V、Ti、稀土同時對錳鋼變質(zhì)處理，可細化晶粒，消除柱狀晶，在不降低塑性條件下提高其屈服強度。同時能有效地減少夾雜物，凈化奧氏體晶界，并能使夾雜物分散均勻和球化。
具體實施例方式1半自磨機襯板等對沖擊韌性要求較高，襯板使用中主要以疲勞磨損、疲勞斷裂、 磨粒磨損失效為主，對材料表面硬度及材料強化速率要求較高，材料組成質(zhì)量百分比為 C 1. 05Mn 9. 5 Si 0. 3 Cr 1. 5 W 1. 2V 0. 15 Ti 0. 15 Re ^ 0. 10 B 彡 0. 005 S 彡 0. 04 P^O. 05，其余為狗。熔煉在500Kg中頻感應電爐中進行，堿性爐襯，分步加入鉻鐵、鎢鐵、 錳鐵、硅鐵及各種合金元素，熔煉溫度為1560 1600°C。復合變質(zhì)劑分斷成IOX IOmm左右的小塊并需烘烤至300°C，置入澆包底部，用包內(nèi)沖入法對鋼水進行復合變質(zhì)處理。出爐溫度約為1450 1530°C。熔化金屬出完爐后立即攪拌，快速扒凈熔渣，然后用珍珠巖覆蓋表面。鎮(zhèn)靜3 5分鐘后，以1400°C 1430°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，澆注后維持負壓真空度為 0. 03MPa,并保持 5 IOmin。澆鑄的基爾試樣空冷至室溫開箱，鋼件經(jīng)清理和打磨后將進入水韌處理工序。用高溫電爐加熱到1130士 10°C，在40秒以內(nèi)，進入50 70°C循環(huán)水槽內(nèi)進行水韌處理。隨后加熱到290°C保溫2小時，出爐空冷。加工成拉伸試樣、不帶缺口的沖擊試樣、沖擊磨粒磨損試樣各5塊。其性能測試結果為σ b = 615MPa, δ = 8. 5%, Ψ = 19. 0%,Ak = 130J/cm2，HB = 295。耐磨鋼在 1. 0 4. OJ/cm2沖擊疲勞磨料磨損4000次的條件下，產(chǎn)生應變誘發(fā)馬氏體相變比例大于32%，同時還形成高密度位錯，得到較高程度的強化性能。在半自磨機襯板上使用壽命比鑄鋼錳13 提高約2. 6倍。
權利要求
1.多元合金強韌化、耐磨中錳鋼，其特征在于該合金鋼組成質(zhì)量百分比為c0.9 1. 3Mn8 11 Si 0· 2 0· 6 Cr 1· 0 2· 5 W 0· 5 2· OV 0· 1 0· 5 Ti 0· 1 0· 3 Re ^ 0. 15 B^ 0. 01 S 彡 0. 04P 彡 0. 07，其余為 Fe。
2.多元合金強韌化、耐磨中錳鋼，其特征在于采用復合變質(zhì)劑處理，復合變質(zhì)劑為稀土硅鐵、鈦鐵合金、釩鐵合金，其組成百分比為Re 5 10 Si 10 15 Ti 10 20 V 10 20，其余為狗。
3.根據(jù)權利1、2的要求，分步加入鉻鐵、鎢鐵、錳鐵、硅鐵及各種合金元素，熔煉溫度為 1560 1600°C，出爐溫度為1450 1530°C，將復合變質(zhì)劑采用包底沖入法加入，以1400 1430溫度澆注成型。
4.根據(jù)權利1、2的要求，其熱處理工藝包括用高溫電爐加熱到1130士10°C，在40秒以內(nèi)，進入50 70°C循環(huán)水槽內(nèi)進行水韌處理，隨后加熱至250 300°C，保溫2小時，出爐空冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及多元合金強韌化、耐磨中錳鋼及制備工藝，其組成質(zhì)量百分比為C 0.9～1.3Mn8～10 Si 0.2～0.6 Cr 1.0～2.5 W 0.5～2.0 V 0.1～0.5 Ti 0.1～0.3 Re≤0.15 B≤0.01 S≤0.04P≤0.07，其余為Fe，采用稀土硅鐵合金、鈦鐵合金和釩鐵合金的復合變質(zhì)劑進行處理，通過對熔煉、消失模負壓成型、水韌處理、回火等工藝過程和參數(shù)控制，制備的電鏟斗齒、半自磨機襯板、輸送機刮板等耐磨鋼件，使用壽命比高錳鋼提高2倍以上。
文檔編號C22C38/28GK102242314SQ20111000829
公開日2011年11月16日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2011年1月17日
發(fā)明者王軍祥 申請人:王軍祥