CN107502832B

CN107502832B - 一种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢用钢及其制备方法

Info

Publication number: CN107502832B
Application number: CN201710609331.9A
Authority: CN
Inventors: 于浩; 康鹏飞; 宋成浩
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: CN107502832A

Abstract

一种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢及其制备方法，属于金属材料加工技术领域。本发明中的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢通过合理的合金系统成分设计，再通过创新性的双淬火+配分工艺，使钢的组织更加细小均匀，板条宽度明显变小，最终获得的可控比例的双相组织，具有高硬度、高强度、较高韧性、高抗疲劳的综合力学性能。材料的屈服强度R_p0.2≥1550MPa，抗拉强度R_m≥1950MPa，断后伸长率A≥13％，强塑积≥25GPa·％，V形缺口冲击功≥13J，硬度≥55HRC。分布于马氏体板条间的膜状残余奥氏体不仅有利于协调组织受力条件下的变形，而且对于阻碍微观裂纹扩展的作用也非常明显，提高了材料的抗疲劳能力和锤头的服役寿命。这种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢是粉碎机锤头用钢的理想材料。

Description

一种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种室温组织为板条状马氏体和残余奥氏体的双相组织耐磨钢，以及具有高硬度、高耐磨性和良好韧性的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢及其制造方法。

背景技术

锤式破碎机主要分为锤头式破碎机和反击式板锤破碎机两种。由于锤式破碎机结构简单、生产效率高且维修简单，已广泛应用于矿山、冶金、建材、公路、铁路、水利和电力等行业。常见的用于生产锤头的材料有高锰钢，耐磨铸钢，高铬耐磨铸铁。锤式破碎机破碎物料时锤头或板锤是主要的易磨损件，由于锤头工作环境恶劣，物料的冲击和磨损都会使锤头寿命短暂，容易磨损失效。材料的组织及力学性能极为重要，极大的影响到它的使用寿命和工作效率，这就要求锤头材料有很好的耐磨性。

大约一百三十年前，英国人R.A.Hadfield发明了普通高锰钢。目前为止，它在抗磨材料中仍占据比较重要的地位。高锰钢具有较强的加工硬化能力，随着冲击载荷增大，其表面硬化层厚度越大，硬度越高，耐磨能力越好，且工件内部仍保持其原有的高韧性、高塑性。目前锤头的传统材质仍然是高锰钢。由于锤头的磨损形式以冲击磨损为主，而且锤式破碎机锤头在运转过程中所受的冲击力没有达到高锰钢的加工硬化要求范围，从而导致其耐磨性较低，且在加工硬化过程中导致锤头表面变形，粉碎效果变差，很容易因后续磨损而导致服役寿命变短。

当破碎机不是在猛烈冲击的工况条件下工作，高锰钢的优势不能发挥出来时，可以采用合金钢铸造锤头来代替。合金钢锤头较适合在破碎物料粒度不大且应力中等的工况条件下使用。一般中、高碳低合金钢及高合金钢这几类耐磨铸钢材料被用来制造锤头铸件。也可依据具体情况适当加入镍、铬等合金元素来提高材料的淬透性。但常规热处理工艺下的锤头往往韧性较差，易出现磨损、掉粒的情况。

由于低合金耐磨钢中合金元素的添加量相对较少，碳含量较高，硬度较大，要想提高材料的耐磨性能，需对其制备工艺与组织状态进行合理的设计与控制，获得一定配比的马氏体和残余奥氏体双相细晶粒组织钢，确保材料具有高硬度、高强度、较高韧性、高抗疲劳的良好综合性能。中国专利申请CN200910227804.4介绍了一种铸造得到硬度在50～53HRC的耐磨钢的制备方法，该材料成分设计时加入了超过0.1wt％的Re，带来成本的升高，且长时间的低温回火易导致材料中的少量残余奥氏体组织分解为碳化物和铁素体，带来韧性的恶化，其伸长率在2.4～3.0％，塑韧性远低于本发明中的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢。中国专利申请CN201010575998.X介绍了一种铸造得到低合金耐磨钢的制备方法，该材料复合添加C、Si、Mn、Cr、B、Ce等微合金元素，由油冷淬火+回火热处理后得到一种具有回火马氏体组织钢，其不开缺口的条件下，冲击功仅为25～40J，抗拉强度仅为1100～1500MPa，力学性能较差。中国专利申请CN201510520418.X介绍了一种热轧得到低成本高韧性超级耐磨钢的制备方法，该材料复合添加C、Si、Mn、Ti、B等微合金元素，经过累计压下率为65～80％的热轧，以及轧后层流冷却后，再进行加热、盐浴冷却、中温+低温回火等复杂热处理工序后，得到一种表面以回火马氏体为主，心部以贝氏体和残余奥氏体为主的高韧性耐磨钢板，材料的屈服强度R_p0.2＝980～1235MPa，抗拉强度R_m＝1400～1562MPa，断后伸长率A＝14.2～18.1％，硬度为412～478HV，在经过大变形量的热轧变形后，断后伸长率与本发明中耐磨钢相差很小，然而其强度及硬度远低于本发明中的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢。

综上所述，本发明中的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢通过合理的合金系统成分设计，以及创新性的双淬火+配分工艺，使钢具有可控比例的双相组织，具有高硬度、高强度、较高韧性、高抗疲劳的综合力学性能，实现高耐磨性的目标。调整热处理过程工艺参数，经过两次淬火后，在材料的晶粒明显细化，马氏体板条平均宽度在200nm以下，具有板条状马氏体和残余奥氏体的双相组织结构。结果显示当材料中各组织所占的体积分数在一定的范围时，尤其是当残余奥氏体控制在某一比例时，其既能改善材料的韧性，协调晶粒的变形，又能在剧烈冲击条件下吸收一部分的冲击功，使残余奥氏体发生向马氏体的转变过程，提高基体的硬度。在服役过程中各组织之间相互协调配合，板条马氏体组织能够提高材料的强度，亚稳残余奥氏体发生相变诱导塑性效应，使得材料能够承受较大的载荷与变形，具有很好的塑性和抗冲击性能，其屈服强度Rp_0.2≥1550MPa，抗拉强度Rm≥1950MPa，断后伸长率A≥13％。同时膜状残余奥氏体在基体中较为均匀的分布对于阻碍微观裂纹扩展的作用也非常明显，大大提高了材料的抗疲劳能力，提高锤头的服役寿命。因此这种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的合金成分含量低，综合性能优异，可大大提高生产效率，是粉碎机锤头用钢的理想材料。

发明内容

针对粉碎机锤头用钢对材料强度与塑性的要求，本发明提供一种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢用钢及其制备方法，材料具有超细板条马氏体+残余奥氏体组织，板条状马氏体与残余奥氏体组织间相互协调配合，具有良好的强度和韧性，具有高耐磨性。

本发明的技术方案是：一种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢，其化学成分重量百分比为：C：0.40～0.60％、Si：0.5～1.5％、Mn：1.5～2.5％、Cr：1.5～2.5％、Mo：0.1～0.5％、Nb：0.01～0.05％、Ti：0.05～0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的另一目的是提供双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：按照设计成分称取原料，进行冶炼、铸造，得到铸锭，将铸锭加热后锻造，锻造比为6～8，；

步骤2：将步骤1制备得到锤头坯料升温至980～1080℃，保温1～1.5h，空冷至400～450℃温度，再油冷至室温；

步骤3：将步骤2处理后的锤头坯料升温至850～950℃，保温1～1.5h，空冷至300～350℃温度，再控制冷却至80～140℃，保温20～30min；

步骤4：将步骤3处理后的锤头加热至350～450℃，保温50～80min，水冷至室温，进行必要的机械加工，即得到双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢锤头。

进一步，所述双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的组织为板条马氏体+残余奥氏体，各个组织的体积比为：板条马氏体78％～85％、残余奥氏体15％～22％；所述双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的马氏体板条平均宽度小于200nm。

进一步，本发明材料室温组织非常细小均匀，板条马氏体与残余奥氏体两种组织比例可控，残余奥氏体比例控制在15～22％，其余为板条状马氏体，最后淬火至室温过程中不发生相变。

进一步，所述双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢其材料的屈服强度R_p0.2≥1550MPa，抗拉强度R_m≥1950MPa，断后伸长率A≥13％，强塑积≥25GPa·％，V形缺口冲击功≥13J，硬度≥55HRC。

本发明材料中主要元素的作用为：

C含量的增加能够极大地提高材料的强度、硬度，但会造成塑形和韧性的严重恶化。C是奥氏体形成的重要元素，也是稳定奥氏体的主要元素，奥氏体在向贝氏体转变过程中同时发生C元素的扩散，残余奥氏体中C元素富集从而使得其在室温下能够稳定存在。

Si能抑制渗碳体等碳化物的析出，降低了铁素体中固溶的C，提高奥氏体中C含量，从而保证在室温下获得足够的稳定残余奥氏体，钢中Si含量在1.3％以下，随Si含量的增加，强度、韧性、塑性增加。

Mn的主要作用是增强奥氏体稳定性，延长其转变孕育期，提高钢的强度和淬透性，同时也促使Ms降低，形成一定体积的富碳的残余奥氏体。

Cr可增加钢的强度，塑性，韧性。材料的耐磨性随铬含量的增加而提高，当铬小于3％时，对材料的耐磨性提高的作用较显著。铬可增大钢的淬透性，当加入量较大，特别是和Ni、Mo搭配时，可获得淬透性优异的钢种。

Mo能显著提高钢的强度和韧性，另外还可以提高钢的淬透性和回火稳定性。

本发明通过合理的元素配比经锻造成形与热处理工艺，制备得到一种具有细晶复相组织的高强韧耐磨钢，经过第一次加热合金成分扩散均匀，淬火后晶粒大大细化，为配分提供细小而均匀的基体。经过配分工艺，残余奥氏体体积控制在15～22％，保证材料具有较高的强韧性，在服役过程中，亚稳残余奥氏体诱导相变效应还能进一步提高材料的韧性和耐磨性，Ti、Nb和C、N形成的复合析出相还能产生析出强化效应，再加上细晶强化效应都能在不同程度上提高材料的综合性能。

附图说明

图1为本发明的耐磨钢的热处理工艺示意图；

图2为本发明实施例1中的耐磨钢的扫描组织图像；

图3为本发明实施例1中的耐磨钢的透射组织图像；

图4为本发明实施例2中的耐磨钢的扫描组织图像；

图5为本发明实施例2中的耐磨钢的透射组织图像。

具体实施方式

实施例1：

首先按照上述成分范围进行冶炼、铸造，然后检测铸坯的成分，见表1。

表1铸坯的成分(wt.％)

具体热处理工艺参数见表2。

表2热处理工艺参数

按照表1和表2制得的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的力学性能见表3。

表3力学性能

按照表1和表2制备得到的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢通过XRD测得残余奥氏体体积分数，马氏体相体积分数为100％减去残余奥氏体体积分数，结果见表4。

表4不同组织含量

从表3可以看出各个力学性能均达到很高的力学性能指标，屈服强度为1572MPa，抗拉强度为1993MPa，伸长率为15％，硬度为57HRC，V口冲击功为15J。扫描照片如图2所示，透射照片如图3所示，组织为板条马氏体+残余奥氏体，板条马氏体和残余奥氏体分别占总体积的81％和19％，残余奥氏体主要以薄膜状分布于马氏体板条之间，位错密度较高。

实施例2：

首先按照上述成分范围进行冶炼、铸造，然后检测铸坯的成分，见表5。

表5铸坯的成分(wt.％)

具体热处理工艺参数见表6。

表6热处理工艺参数

按照表5和表6制得的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的力学性能见表7。

表7力学性能

按照表5和表6制备得到的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢通过XRD测得残余奥氏体体积分数，马氏体相体积分数为100％减去残余奥氏体体积分数，结果见表8。

表8不同组织含量

从表7可以看出各个力学性能均达到很高的力学性能指标，屈服强度为1563MPa，抗拉强度为1956MPa，伸长率为14％，硬度为55HRC，V口冲击功为13.5J。扫描照片如图4所示，透射照片如图5所示，组织为板条马氏体+残余奥氏体，板条马氏体和残余奥氏体分别占总体积的79％和21％，残余奥氏体主要以薄膜状分布于马氏体板条之间，位错密度相较例1更低一些。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照设计成分称取原料，进行冶炼、铸造，得到铸锭，将铸锭加热后锻造，锻造比为6~8；

步骤2：将步骤1制备得到锤头坯料升温至980~1080℃，保温1~1.5h，空冷至400~450℃温度，再油冷至室温；

步骤3：将步骤2处理后的锤头坯料升温至850~950℃，保温1~1.5h，空冷至300~350℃温度，再控制冷却至80~140℃，保温20~30min；

步骤4：将步骤3处理后的锤头加热至350~450℃，保温50~80min，水冷至室温，进行必要的机械加工，即得到双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢锤头；

耐磨钢的化学成分重量百分比为：C：0.40~0.60%、Si：0.5~1.5%、Mn：1.5~1.95%、Cr：1.5~2.5%、Mo：0.1~0.5%、Nb：0.01~0.05%、Ti：0.05~0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的各个组织的体积比为：板条马氏体78%~85%、残余奥氏体15%~22%；所述双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的平均马氏体板条宽度小于200nm。

2.根据权利要求1所述的双淬火配分工艺高速锤头用耐磨钢的制备方法，其特征在于，材料的屈服强度R_p0.2≥1550MPa，抗拉强度R_m≥1950MPa，断后伸长率A≥13%，强塑积≥25GPa·%，V形缺口冲击功≥13J，硬度≥55HRC。