一种钢管用高强度

本发明涉及一种衬板用低合金耐磨钢及其制备方法，该低合金耐磨钢的化学成 分按质量百分比计为：C 0.32-0.38%，Cr 1.5-1.8%，Si 1-1.3%，Mn 1-1.5%，Ni 0.3-0.7%，V 0.2-0.4%，Cu 0.2-0.4%，Ti 0.02-0.04%，Y 0.002- 0.003%，P0.035%，S0.035%，余量为 Fe 和不可避免的杂质。本发明提供的低合 5 金耐磨钢硬度高、耐磨性强；由于含有 Ni、Ti、Y 合金元素，因此晶粒细密、组织 均匀、淬透性好、韧性佳；由于含有铜元素，因此在湿式磨料磨损工况条件下具有 较好的耐腐蚀性，综合力学性能表现优良。 摘 要 附 图 1 权 利 要 求 书 1 1一种衬板用低合金耐磨钢，其成分质量百分比如下： 碳 0.32-0.38%，铬 1.5-1.8%，硅 1-1.3%，锰 1-1.5%，镍 0.3-0.7%，钒 0.2- 0.4%，铜 0.2-0.4%，钛 0.02-0.04%，钇 0.002-0.003%，磷0.035%，硫 0.035%，余量为铁。 5 2根据权利要求 1 所述的衬板用低合金耐磨钢，其中碳 0.32%，铬 1.5%，硅 1%， 锰 1%，镍 0.3%，钒 0.2%，铜 0.2%，钛 0.02%，钇 0.002%，磷 0.035%，硫 0.035%， 余量为 Fe。 3根据权利要求 1 所述的衬板用低合金耐磨钢，其中碳 0.35%，铬 1.7%，硅 1.2%，锰 1.2%，镍 0.5%，钒 0.3%，铜 0.3%，钛 0.03%，钇 0.003%，磷 0.035%，硫 10 0.035%，余量为 Fe。 4根据权利要求 1 所述的衬板用低合金耐磨钢，其中碳 0.38%，铬 1.8%，硅 1.3%，锰 1.5%，镍 0.7%，钒 0.4%，铜 0.4%，钛 0.04%，钇 0.003%，磷 0.035%，硫 0.035%，余量为 Fe。 5一种制备权利要求 1 至 4 中任一所述的衬板用低合金耐磨钢的方法，该方法 15 包括如下步骤： (1) 将按照上述百分比配料的废钢、电解镍、增碳剂放入中频熔炼炉中进行熔 炼，开始通电时，以 50%功率加热，当电流较为稳定时，以 95%功率加热； (2) 随着熔炼过程的进行，当炉中的钢料约有一半熔化时，依次加入铬铁、锰 铁和硅铁； 20 (3) 当大部分钢料熔化时，加入 1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取 钢液进行化验，根据化验结果对钢液成分进行适当调整； (4) 出钢温度控制在 1560-1600，向炉中加入 0.1%的铝进行脱氧处理，脱氧 的同时把钒铁、铜铁加入到熔炼炉中，2-3min 后准备出钢； (5) 把钛、钇合金变质剂放在浇包的底部，钢水冲入浇包时候进行变质处理， 25 细化晶粒； (6) 在 1480-1520进行浇注； (7) 热处理工艺为 900-920，保温 2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度 200- 2 240，回火时间 2-4h。 说 明 书 1 一种衬板用低合金耐磨钢及其制备方法 技术领域 本发明涉及一种低合金耐磨钢，具体的涉及一种衬板用低合金耐磨钢及其制备 方法。 5 背景技术 耐磨材料是一类较为特殊的材料，它多用于存在磨损的场合，如矿山机械、工 程机械、粉末设备中与土砂、矿石、岩石、水泥等物料相互作用的机械零件；粮油 加工、耕作收割等农业机械；水利和火力发电设备中许多机械零部件；人体的牙齿、 10 鞋底、笔尖以及多种生活品等。可以说，耐磨材料在冶金、建材、矿山、港口、石 油、电力、煤炭、化工以及军事等各个工业领域中普遍存在，和每个人的生活息息 相关。 耐磨材料的工作环境非常复杂，有些耐磨材料需要在重载、冲击、腐蚀、粉尘、 蒸汽、渣滓等恶劣工况条件下工作，常常用于矿山、机械、水电、煤炭、港口、冶 15 金等场合，这些环境会造成耐磨材料的巨大损耗和能源浪费，这部分耐磨材料占具 着耐磨材料的主体，包括耐磨铸铁和耐磨铸钢两大部分。 据统计，75%以上的耐磨工件是在中、低应力冲击情况下使用的，而低合金耐 磨钢的性能恰恰能满足这种工况条件，因此，作为耐磨材料，低合金耐磨钢引起了 中外科研人员的广泛重视。低合金钢主要含有铬、钼、镍、锰、硅元素，同时添加 20 少量的硼、钒、稀土、钛等元素细化晶粒，通过调整成分与热处理工艺能在较大 范围内控制低合金钢硬度和韧性的合理匹配，使其满足不同磨损工况的需要。 CN 1033845A 公开了一种高强韧性低碳微合金化铸钢，它以碳、锰、钛、铌等 为合金元素，其热处理采用正火-回火或均匀退火-正火-回火工艺，这种微合金化材 料具有较高的韧性和塑性，但是由于含碳量较低，只有 0.060.18（t.%） ，其屈服 25 强度650Mpa ，抗拉强度750Mpa，相对而言，硬度和强度较低，耐磨性不足。 CN 1618541A 公开了一种耐磨的复合衬板材料及其制造方法，这种材料的含碳 量在 0.61.0（ t.%）较高，除了常见的 Si、Mn、 Cr 之外，同时还含有 2 Ni、Mo、B 、 Y、K、Na 等多种微量元素，由于 K、Na 含量较少，并且极易氧化， 因此冶炼较为困难。 从手册和相关资料中，可以了解一些常见的低合金耐磨钢，但这些常见的低合 金耐磨钢应用场合比较有限，不能满足特定工况的技术要求，新型的低合金耐磨钢 5 研制，需要充分考虑各种元素的影响，只有这样，才能充分挖掘材料潜力，获得优 良综合力学性能的材料。 发明内容 本发明的目的是提供一种硬度高、韧性佳、淬透性好、耐磨性强、综合性能优 10 良的低合金耐磨钢。 本发明可通过以下技术措施来实现：一种多元素低合金耐磨钢，包括下述质量 百分比的元素：C 0.32-0.38%，Cr 1.5-1.8%，Si 1-1.3%，Mn 1-1.5%，Ni 0.3- 0.7%， V 0.2-0.4%， Cu 0.2-0.4%，Ti 0.02-0.04%，Y 0.002- 0.003%，P0.035%，S0.035%，余量为 Fe 和不可避免的杂质，以下就本发明中各 15 个元素的作用做进一步的阐述。 碳（C ）：是最重要的固溶强化元素，对钢的硬度、韧性、耐磨性具有至关重 要的影响；含碳量越高，硬度越高，但冲击韧性越低，使用时候容易断裂，含碳量 越低，则韧性高，硬度低，不利于在耐磨工况下使用，综合考虑，含碳量控制在 0.32-0.38%，属于中碳钢范畴，既兼顾了耐磨性，也考虑了冲击韧性。 20 铬（Cr）：是耐磨材料的基本元素之一，可以固溶强化基体，提高钢的淬透性、 耐磨性和耐腐蚀性，铬可以使钢的珠光体转变和贝氏体转变分开，能与碳形成多种 化合物(Fe,Cr)3C ，提高硬度和强度的同时不降低冲击韧度，具有较高的回火抵抗能 力，含铬量控制在 1.5-1.8%。 硅（Si）：是常见的合金元素之一，硅溶于铁素体之后，具有很强的固溶强化 25 作用，同时显著提高钢的强度和硬度，提高钢的弹性极限、屈服极限和屈服比，增 加钢的回火稳定性，随着硅含量的增加，碳化物的析出被抑制或延缓，易于形成贝 氏体组织，含硅量控制在 1-1.3%。 锰（Mn）：对钢的机械性能有着良好的影响，能提高钢的强度和硬度，同时不 说 明 书 3 降低钢的塑性和韧性，能溶入铁素体，从而引起固溶强化，锰可以降低钢的临界转 变温度，从而细化珠光体组织；锰还可以与钢液中的硫化合，形成 MnS，从而消除 S 在钢中的有害影响，是很好的脱氧剂和脱硫剂，含锰量控制在 1-1.5%。 镍（Ni）：可以增强钢的淬透性，提高钢的冲击韧性尤其是低温韧性，增加抗 5 腐蚀性能，但镍是一种贵重金属，同时镍元素含量的增加容易引起 P、Pb 、Sn 等有 害元素在晶界处的偏聚，综合考虑，含镍量控制在 0.3-0.7%。 钒（V）：能细化晶粒，提高钢的基体强度和冲击韧性，钒的碳化物 VC、V4C3 等都具有较高的硬度，可以显著提高材料的耐磨性能，同时，钒固溶于 钢中能够明显提高淬透性，还有一定的沉淀硬化作用，但是过高的钒则强化效果饱 10 和，因此，含钒量控制在 0.2-0.4%。 铜（Cu ）：能增加钢的淬透性，细化基体组织，时效析出的纳米级 Cu 相粒子 具有较强的沉淀强化作用，铜能提高电极电位和增强材料的耐腐蚀性能（与磷共存 时效果尤其显著） ，这对湿式磨料磨损工况条件下的耐磨件尤为重要，含铜量控制在 0.2-0.4%。 15 钛（Ti）：可以细化晶粒，消除显微裂纹，钛和氮作用，形成 TiN，在加热过 程中，纳米级尺寸的 TiN 粒子可以有效地抑制奥氏体晶粒的长大，钛含量过少，细 化作用不明显，钛含量过高，会降低钢的冲击韧性，综合考虑，含钛量控制在 0.02- 0.04%。 钇（Y）：具有很强的固溶强化作用，是一种重稀土元素，能抑制 P、Pb 等杂 20 质原子在晶界处的偏聚，钇在高温的钢液中，与氧和硫反应，生产球状的 Y2O2S,Y2O3等稀土硫氧化物，从而除去钢液中的氧和硫，因此具有较强的脱氧脱硫能 力；此外，钇还可以形成非自发形核中心，从而细化晶粒，增加显微组织中板条状 马氏体的比例，提高材料的综合力学性能和耐磨性，但过多的钇会降低钢的塑性， 因此，本发明中钇的含量控制在 0.002-0.003%。 25 硫（S）：是钢中的有害元素，是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中的杂质，硫只 能溶于高温的钢液中，在固态铁中几乎不能溶解，以 FeS 夹杂物的形式存在于固态 钢中的晶界处，容易引起热加工时的开裂，称为热脆，其含量应该严格控制在 0.035%的水平。 4 磷（P）：有固溶强化作用，提高钢的强度和硬度，但是会急剧降低钢的冲击韧 性，尤其是低温韧性，磷会在晶界处积聚，形成严重的偏析，造成回火脆性，因此， 其含量应该严格控制在0.035%的水平。 所述低合金耐磨钢的制备过程如下：将按照上述百分比配料的废钢、电解镍、 5 增碳剂放入中频熔炼炉中进行熔炼，开始通电时，以 50%功率加热，当电流较为稳 定时，以 95%功率加热；随着熔炼过程的进行，当炉中的钢料约有一半熔化时， 依次加入铬铁、锰铁和硅铁；当大部分钢料熔化时，加入 1%的造渣剂，待炉料完 全熔化后扒渣，然后取钢液进行化验，根据化验结果对钢液成分进行适当调整； 出钢温度控制在 1560-1600，向炉中加入 0.1%的铝进行脱氧处理，脱氧的同时把 10 钒铁、铜铁加入到熔炼炉中，2-3min 后准备出钢；把钛、钇合金变质剂放在浇包 的底部，钢水冲入浇包时候进行变质处理，细化晶粒；在 1480-1520进行浇注； 热处理工艺为 900-920，保温 2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度 200-240， 回火时间 2-4h。 合适的浇注温度可以控制钢水的流动性，提高充型能力，避免因温度过低产生 15 表面皱皮、冷隔或铸件不完整等铸造缺陷，因此，浇注温度控制在 1480-1520。 材料的铸态是珠光体组织，热处理后是马氏体+贝氏体组织，热处理工艺为 900-920，保温 2-3h， （根据工件大小不同保温时间不同，可根据装炉系数有效 厚度1.5min/mm 计算） ，出炉后油冷淬火，回火温度 200-240，回火时间 2- 4h（根据工件大小不同回火时间不同，可根据装炉系数有效厚度2.0min/mm 计 20 算） 。 本发明的低合金耐磨钢，除了具有中碳钢的含碳量之外，由于含有 Cr、Mn 、Si 、V 合金元素，因此其硬度高、耐磨性强；由于含有 Ni、Ti、Y 合金元 素，因此晶粒细密、组织均匀、淬透性好、韧性佳；由于含有铜元素，因此在湿式 磨料磨损工况条件下具有较好的耐腐蚀性，综合力学性能表现优良。经过热处理后， 25 金相组织为马氏体+贝氏体，其硬度值在 51-56HRC，冲击韧性值可达 40-80Jcm 2， 抗拉强度为 1650-1800MPa。可广泛用于球磨机的衬板，碾磨机碾底、抛丸机的衬板、 混砂机的刮板等多种场合，具有良好的耐磨性能。采用本发明生产的 2400mm7500mm 湿式球磨机系列衬板，衬板最大厚度 160mm，最小厚度 说 明 书 5 120mm，在中州铝厂的球磨机上进行试用，其耐磨性比原来提高了 2.5 倍；生产的 400mm400mm10mm 和 240mm240mm10mm 抛丸机衬板，经在林州重机试用， 其更换时间由原来的 3 个月延长到 8 个月左右，具有显著的经济效益。 5 附图说明 图 1：低合金钢铸态下放大 200 倍的显微组织。 图 2：淬火态放大 400 倍的显微组织。 图 3：高锰钢 ZGMn13 的摩擦磨损形貌。 图 4：低合金耐磨钢的摩擦磨损形貌。 10 具体实施方式 本发明涉及一种衬板用低合金耐磨钢，该低合金耐磨钢的化学成分按质量百分 比计为：C 0.32-0.38%， Cr 1.5-1.8%，Si 1-1.3%，Mn 1-1.5%，Ni 0.3-0.7%，V 0.2- 0.4%， Cu 0.2-0.4%，Ti 0.02-0.04%，Y 0.002-0.003%，P0.035%，S0.035% ，余量 为 Fe。 15 另外，本发明还提供了一种制备上述衬板用低合金耐磨钢的方法，该方法包括 如下步骤： (1) 将按照上述百分比配料的废钢、电解镍、增碳剂放入中频熔炼炉中进行熔 炼，开始通电时，以 50%功率加热，当电流较为稳定时，以 95%功率加热； (2) 随着熔炼过程的进行，当炉中的钢料约有一半熔化时，依次加入铬铁、锰 20 铁和硅铁； (3) 当大部分钢料熔化时，加入 1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取 钢液进行化验，根据化验结果对钢液成分进行适当调整； (4) 出钢温度控制在 1560-1600，向炉中加入 0.1%的铝进行脱氧处理，脱氧 的同时把钒铁、铜铁加入到熔炼炉中，2-3min 后准备出钢； 25 (5) 把钛、钇合金变质剂放在浇包的底部，钢水冲入浇包时候进行变质处理， 细化晶粒； (6) 在 1480-1520进行浇注； 6 (7) 热处理工艺为 900-920，保温 2-3h，出炉后油冷淬火，回火温度 200- 240，回火时间 2-4h。 结合以下 3 个实施例对本次发明的衬板用低合金耐磨钢做进一步的详细描述。 实施例 1 5 按照质量百分比取 C 0.32%，Cr 1.5%，Si 1%，Mn 1%，Ni 0.3%，V 0.2%，Cu 0.2%， Ti 0.02%，Y 0.002%，P 0.035%，S 0.035%，余量为 Fe。将称量好的废钢、 电解镍、增碳剂放入中频感应熔炼炉；随着熔炼过程的进行，依次加入铬铁、锰铁、 硅铁；当大部分钢料熔化时，加入 1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣，然后取钢 液进行化验，根据化验结果适当调整钢液成分；出钢温度控制在 1560，向炉中加 10 入 0.1%的铝进行脱氧，同时把钒铁、铜铁加入到熔炼炉中，2min 后准备出钢；把 钛、钇合金变质剂放在浇包的底部进行变质处理；浇注温度 1480。热处理工艺为 900加热，保温 2h，出炉后油冷淬火，回火温度 210，回火时间 2h，材料的铸 态组织是珠光体组织，热处理后的组织是马氏体+贝氏体组织，其硬度值为 51HRC，冲击韧性值可达 80Jcm 2，抗拉强度为 1650MPa。 15 实施例 2 按照质量百分比取 C 0.35%，Cr 1.7%，Si 1.2%，Mn 1.2%，Ni 0.5%，V 0.3%， Cu 0.3%，Ti 0.03%，Y 0.003%，P 0.035%，S 0.035%，余量为 Fe。将称量好 的废钢、电解镍、增碳剂放入中频感应熔炼炉；随着熔炼过程的进行，依次加入铬 铁、锰铁、硅铁；当大部分钢料熔化时，加入 1%的造渣剂，待炉料完全熔化后扒渣， 20 然后取钢液进行化验，根据化验结果适当调整钢液成分；出钢温度控制在 1580， 向炉中加入 0.1%的铝进行脱氧，同时把钒铁、铜铁加入到熔炼炉中，2.5min 后准备 出钢；把钛、钇合金变质剂放在浇包的底部进行变质处理；浇注温度 1490。热处 理工艺为 910加热，保温 2.5h，出炉后油冷淬火，回火温度 220，回火时间 3h，材料的铸态组织是珠光体组织，热处理后的组织是马氏体+贝氏体组织，其硬度 25 值为 53HRC，冲击韧性值可达 55Jcm 2，抗拉强度为 1750MPa。 结合 4 幅附图对本实施例的多元素低合金耐磨钢的组织和摩擦磨损性能做进一 步的详细描述。 利用 OLYMPUS GX51 金相显微镜，观察多元素低合金耐磨钢的铸态和淬火态 说 明 书 7 的显微组织，腐蚀剂使用的是 4%的硝酸酒精。图 1 是低合金钢铸态下放大 200 倍的 显微组织，从图中可以看出，低合金钢的组织为珠光体与铁素体组织，其中深色片 状为珠光体，白色针状及块状为铁素体。图 2 是淬火态放大 400 倍的显微组织，淬 火马氏体的特征非常明显，马氏体的基体上面，分布着点状的贝氏体组织。 5 利用 MMW-1 型屏显式摩擦磨损万能试验机测定低合金耐磨钢的摩擦磨损性能， 对比材料是 ZGMn13，在 150N 的正压力、转速 300r/min、测试时间 1200s 的磨损条 件下，用 Sartorius 电子天平称量两种材料的磨损失重，表 1 是称量结果。从表 1 可 以看出，低合金耐磨钢的磨损失重是 0.002g，高锰钢