專利名稱：超細貝氏體耐磨鋼及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種抗低應力和高應力磨損耐磨鋼，它屬于高碳低合金鋼，背景技術(shù)冶金、建材、礦山、軍工和煤炭等領域廣泛使用耐磨材料。從材料成分劃分，目前廣泛使用的耐磨鋼主要分為奧氏體耐磨鋼、馬氏體耐磨鋼和貝氏體耐磨鋼。奧氏體耐磨鋼主要是指傳統(tǒng)的ZGMn13及由此發(fā)展出來的奧氏體耐磨錳鋼，經(jīng)水韌處理后使用，硬度大約在HB 150-250，韌度大約在150-300J/cm2，它主要適合于高應力磨損條件；馬氏體耐磨鋼主要是指低碳多元合金化低合金鋼，經(jīng)淬火回火后使用，硬度大約在HRC 45-55，韌度大約在20J/cm2以下，它主要適合于低應力磨損條件；貝氏體耐磨鋼是指中碳高硅合金鋼，經(jīng)相應貝氏體相變熱處理后使用，硬度大約在HRC40-50，韌度大約在30J/cm2以下，它主要適合于低應力磨損條件。
在這三類耐磨鋼中，貝氏體耐磨鋼是最后開發(fā)起來的耐磨鋼系列。目前通常使用的貝氏體鋼的化學成分是C 0.4-0.7，Si 1.0-3.0，Mn 1.0-3.0，也就是所謂的Si-Mn系貝氏體鋼，為了進一步增加鋼的硬度和耐磨性能，可以利用Cr、B、Mo等元素進行再合金化處理。通常采用的熱處理工藝是空冷或者在淬火到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度等溫后空冷。如此得到的貝氏體通常為普通的無碳化物貝氏體組織，同時存在一定的馬氏體和殘余奧氏體。
在通常條件下，在韌度足夠的前提條件下，鋼的硬度越高其耐磨性越好。然而，材料的硬度和韌度是兩個相互矛盾的因素，鋼的硬度提高勢必降低其韌度，相反，提高鋼的韌度一定降低其硬度，因此，同時提高耐磨材料的硬度和韌度是材料科學的一個難點，也是材料科學工作者追求的目標之一。為了實現(xiàn)這一目標，除了要對鋼的化學成分進行精心設計以外，還要利用特殊的現(xiàn)代熱處理工藝對鋼進行超常規(guī)熱處理，從而得到新型超常規(guī)組織結(jié)構(gòu)，以獲得優(yōu)異的綜合力學性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種十分新穎的超細貝氏體耐磨鋼，它是一種高碳多元化低合金鋼。采用特殊的熱處理工藝使鋼獲得無碳化物超細貝氏體和少量高碳含量的殘余奧氏體復相組織，從而使鋼獲得優(yōu)異的綜合力學性能，硬度相當于淬火馬氏體(HRC 60-65)，韌度相當于正火珠光體(40-80J/cm2)。在高應力和低應力磨損條件下，其使用壽命比目前使用的普通ZGMn13鋼提高1-3倍。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是超細貝氏體耐磨鋼的化學成分為wt％C 0.7-1.1，Mn 0.5-3.0，Cr 0.5-3.0，W 0.1-2.0，Si 1.0-3.0，Al 0.1-2.0，V 0.05-0.3，S＜0.05，P＜0.05，其余為Fe；超細貝氏體耐磨鋼的制造工藝是采用電爐冶煉，然后鑄造成棒料經(jīng)鍛造后使用，或者直接鑄造成所需要的零件形狀。冶煉出鋼溫度為1520-1550℃，澆注溫度為1460-1480℃；冶煉時，合金元素(相應鐵合金)加入順序為鎢鐵、硅鐵、鉻鐵、錳鐵和工業(yè)純鋁，然后進行澆鑄。這樣可以在保證合金元素充分熔化并擴散均勻的前提下，盡量減少合金元素在熔煉過程中的燒損。
對于鍛態(tài)使用的超細貝氏體耐磨鋼，為了避免鋼中白點的產(chǎn)生和組織遺傳性，其鍛后熱處理工藝為鍛后在高溫時直接放到350℃爐子中保溫1小時，然后加熱到650℃均溫后保溫2小時，再快速加熱到880℃均溫后保溫1小時破壞鋼的組織遺傳性，再冷卻到650℃均溫后等溫退火，每100mm截面保溫5小時以進一步的擴氫處理，爐冷到400℃后，空冷。對于鍛態(tài)或者鑄態(tài)使用的鋼的最終熱處理工藝為，首先將鋼加熱到800-950℃進行奧氏體化處理，然后快速冷卻到鋼的Ms點溫度以上10-100℃長時間保溫，保溫時間5-500小時，最后空冷。這樣可以獲得尺寸在幾十到幾百納米的超細貝氏體組織，這種貝氏體屬于無碳化物貝氏體。
本發(fā)明在對鋼的化學成分進行優(yōu)化設計的基礎上，確定最佳的高碳低合金貝氏體鋼的化學成分范圍。首先測定了鋼的等溫和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，從而確定了鋼的鍛后熱處理工藝，以及鋼獲得超細晶貝氏體組織的最終特殊熱處理工藝。利用X射線分析了熱處理后鋼中的相組成，利用透射電鏡和金相顯微鏡觀察了鋼的微觀組織。在測試了熱處理后鋼的拉伸、沖擊和硬度等常規(guī)力學性能基礎上，利用磨粒磨損試驗機，分別在高應力和低應力磨損條件下進行磨粒磨損試驗。
鍛態(tài)超細貝氏體耐磨鋼可用于抗氣蝕磨損等高應力磨損零件，也可用于制作高強度螺栓。鑄態(tài)超細貝氏體耐磨鋼用于冶金、礦山、建材和煤炭等行業(yè)廣泛使用的耐磨部件，如襯板、棰頭和齒板等等。
本發(fā)明的有益效果是超細貝氏體耐磨鋼經(jīng)最終熱處理后獲得超細貝氏體組織和少量高碳含量的殘余奧氏體組織，從而使工件獲得優(yōu)異的綜合力學性能，硬度達到HRC 60-65，韌度達到40-80J/cm2。在高應力和低應力磨損條件下，其使用壽命比目前廣泛使用的普通ZGMn13鋼提高1-3倍。
具體實施例方式
利用本發(fā)明生產(chǎn)的港口輸煤系統(tǒng)中使用的耐磨襯板，其具體化學成分是wt％C 0.90，Mn 2.48，Si 1.42，Cr 0.76，W 0.51，Al 0.21，V 0.10，S 0.018，P 0.035，其余為Fe。該鋼的Ms溫度為198℃。其熱處理工藝為，900℃保溫3小時后淬火到溫度為250℃的硝鹽中，然后在250℃的熱風爐中保溫24小時，空冷。經(jīng)此熱處理后鋼的硬度為HRC62，沖擊韌度為45J/cm2。這種耐磨襯板應用于秦皇島港輸煤系統(tǒng)中，其使用壽命比普通高錳鋼襯板提高2.5倍，收到很好的使用效果。
經(jīng)過特殊的熱處理工藝獲得硬度相當于淬火馬氏體、而韌度相當于正火珠光體的優(yōu)異的綜合力學性能。這種超細貝氏體耐磨鋼可用于制作抗氣蝕磨損和磨粒磨損等零部件，也可用于制作高強度螺栓等。
權(quán)利要求
1.一種超細貝氏體耐磨鋼，其特征是鋼的化學成分為wt％C 0.7-1.1，Mn 0.5-3.0，Cr 0.5-3.0，W 0.1-2.0，Si 1.0-3.0，Al 0.1-2.0，V 0.05-0.3，S＜0.05，P＜0.05，其余為Fe。
2.一種制造超細貝氏體耐磨鋼的工藝，其特征是a.電爐冶煉，冶煉出鋼溫度為1520-1550℃，然后鑄造成所需要的零件形狀，澆注溫度為1460-1480℃；冶煉時，合金元素的加入順序為鎢鐵、硅鐵、鉻鐵、錳鐵和工業(yè)純鋁，然后進行澆鑄；b.對于鍛態(tài)使用的超細貝氏體耐磨鋼，鍛后在高溫時直接放到350℃爐子中均溫后保溫1小時，然后加熱到650℃均溫后保溫2小時，再加熱到880℃均溫后保溫1小時，再冷卻到650℃均溫后等溫退火每100mm厚度截面保溫5小時，爐冷到400℃后，空冷；c.超細貝氏體耐磨鋼的最終熱處理工藝為首先將上述鍛態(tài)和鑄態(tài)鋼加熱到800-950℃進行奧氏體化處理，然后快速冷卻到鋼的Ms點溫度以上10-100℃長時間保溫，保溫時間5-500小時，最后空冷。
全文摘要
本發(fā)明公開的超細貝氏體耐磨鋼及其制造工藝，它是一種高碳MnCrWSiAlV系低合金鋼，其化學成分為wt％C 0.7－1.1，Mn 0.5－3.0，Cr 0.5－3.0，W 0.1－2.0，Si 0.5－3.0，Al 0.1－2.0，V 0.0－0.3，S＜0.05，P＜0.05，其余為Fe。熱處理工藝為對于鍛態(tài)或者鑄態(tài)鋼具有相同的最終熱處理工藝，然而，鍛態(tài)鋼鍛后要經(jīng)過特殊的鍛后熱處理工藝。鋼最終熱處理后獲得超細貝氏體組織和少量高碳含量的殘余奧氏體組織，從而使工件獲得優(yōu)異的綜合力學性能，硬度達到HRC 60－65，韌度達到40－80J/cm
文檔編號C22C38/24GK1710134SQ20051007934
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者張福成, 王天生, 鄭煬曾, 呂博 申請人:燕山大學