一种强韧性高耐磨材料及其制备方法
【专利摘要】一种强韧性耐磨材料及其制备方法涉及耐磨金属材料领域。材料含有的化学元素成分及质量百分比为：C:0.75?0.85％，Si:0.7?1.1％，Mn:7.5?8.5％，Cr:1.8?2.3％，Mo:0.35?0.65％，变质剂：0.2％；S≤0.025％，P≤0.025％，其余为铁；其中变质剂由50％Re?13％Mg?7％Si?30％Fe和60％Ti?40％Fe组成，两者质量分数各为50％。针对在中、低冲击载荷下不易应变强化的特点，本发明通过化学成分优化设计，使Ms点升高至室温。耐磨材料铸造后进行固溶处理和回火处理，确保组织为奥氏体，碳化物弥散分布于奥氏体中，使耐磨材料在中、低冲击载荷下使用即可产生形变诱发马氏体相变。
【专利说明】
一种强韧性高耐磨材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及耐磨金属材料领域，具体涉及一种强韧性耐磨材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 高锰钢具有优异的加工硬化性能，材料产生加工硬化时，其表面的强度和硬度急 剧提高，而内部仍为韧性优异的奥氏体组织，但是其发生加工硬化需要在较大的冲击载荷 的条件下才能发挥作用。因此，耐磨高锰钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨 损工况，常用于制造球磨机衬板、锤式破碎机锤头、挖掘机斗齿、坦克的履带板等抗冲击、抗 磨损的铸件。但是，由于实际应用中发现，当工况冲击载荷较低时，高锰耐磨钢的强化系数 较低，其表面硬化程度无法满足工况需求。因此，通过降低其中的Mn、C含量，并适当的调整 合金元素配比，发明出一种适用于中、低冲击载荷的强韧性高耐磨材料。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种适用于中、低冲击载荷耐磨材料及其制备方法，该合 金材料具有强度高、耐磨性好、耐冲击性能好的优点。
[0004] 针对在中、低冲击载荷下不易应变强化的特点，本发明通过降低Μη的含量，添加适 量的Si、Cr、Mo等元素，降低锰钢的奥氏体稳定性，通过化学成分优化设计，使Ms点升高至室 温。耐磨材料铸造后进行固溶处理和回火处理，确保组织为奥氏体，碳化物弥散分布于奥氏 体中，使耐磨材料在中、低冲击载荷下使用即可产生形变诱发马氏体相变。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种适用于中、低冲击载荷的耐磨材料，其特征在于:其含有的化学元素成分及其 质量百分比为：C:0.75-0.85%，Si:0.7-l.l%，Μη:7·5-8·5%，Cr: 1.8-2.3%，Μ〇:0·35- 0.65%，变质剂：0.2%(变质剂由50%1^-13%]\%-7%3卜30%?6和60%11-40%?6组成，其 质量分数各为50% )，S < 0.025，Ρ < 0.025，其余为铁。
[0007] 制备所述的一种强韧性高耐磨材料的方法，包括：冶炼、固溶处理、回火处理的步 骤，其特征在于：
[0008] 所述冶炼工艺为:将除变质剂的原料装炉熔炼，熔炼温度控制在1640°C-1680°C， 时间为2_3h，出钢温度控制在1580°C_1600°C，将变质剂采用包底冲入法加入，钢液在1510 °C_1530°C浇铸成型；
[0009] 所述固溶处理为：在650°C±10°C时保温2-3h，待铸件内外温度一致后再加热至 1050 °C ± 10 °C，保温1 _2h;冷却时，首先控制铸件入水前的温度在950 °C以上，其次是控制出 炉至入水时间，不应超过30s，第三是入水后要使铸件上、下窜动或左右移动，但不能露出水 面;固溶处理结束后的水温不得超过50°C ;
[0010] 所述回火处理为:将固溶处理后的耐磨材料在加热炉中以10~12°C/min的速度加 热到350°C，在炉中保温5h后出炉空冷至室温。
[0011] 具体的制造方法如下：
[0012] (1)熔炼耐磨材料时，基础原料为废钢料。并测定好原料的化学成分，并按照成分 为C:0.75-0.85%，Si :0.7-1.1%，Mn:7.5-8.5%，Cr: 1.8-2.3%，Μο:0·35-0·65%，变质剂： 0.2% (变质剂由50%Re-13%Mg-7%Si-30%Fe和60%Ti-40%Fe组成，其质量分数各为 50 % )S < 0.025，P < 0.025，其余为铁，来计算所需原料。计算完毕后，根据炉膛尺寸和频率 进行装料。
[0013] (2)装料完毕后，检查电路和水路系统，一切正常后可送电熔化。炉料熔化完毕后 取样化验，并根据耐磨材料的成分要求和化验结果决定成分调整料。熔炼温度控制在1640 °C-1680°C，时间为2-3h，出钢温度控制在1580°C_1600°C，将复合变质剂(变质剂由50%Re- 13 %Mg-7 % Si-30 %Fe和60 % Ti-40 %Fe组成，其质量分数各为50 % )采用包底冲入法加入， 钢液在1510 °C -1530 °C浇铸成型。
[0014] (3)将铸造好的耐磨材料进行固溶处理，加入过程中决定在650 °C ± 10 °C时保温2 ~3h，待铸件内外温度一致后再加热至1050°C±10°C，使铸造过程中产生的碳化物全部溶 解，从而得到成分均匀的单一的奥氏体组织。冷却时，控制铸件入水前的温度在950°C以上， 冷却后水温不超过50°C。
[0015] (4)将固溶处理后的耐磨材料进行回火处理，回火温度为350°C，保温5h后出炉空 冷至室温。耐磨材料回火能减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高耐磨材料的韧 性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合。
[0016] 本发明通过合理的成分设计、铸造工艺及热处理工艺，实现固溶强化基体、净化奥 氏体晶界并细化奥氏体晶粒。使耐磨材料中夹杂物分散析出和强化，降低了耐磨材料中奥 氏体的稳定性。采用上述成分设计及加工工艺使得耐磨材料具有较好的韧性，在中、低冲击 载荷下材料即可发生形变诱发马氏体相变，相变后耐磨材料表面具有高的硬度和高的耐磨 性，可满足在中、低冲击载荷工况下的耐磨性需求。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明制备方法的工艺流程图
[0018] 图2为本发明的热处理工艺示意图
[0019] 图3为本发明耐磨材料的金相组织
[0020] 图4为耐磨材料冲击后表层诱发马氏体相变的SEM形貌组织
【具体实施方式】
[0021] 1、实施例1
[0022] (1)、按成分配比熔炼钢水，将合金坯料随炉加热至1640 °C并保温2h，合金坯料按 质量百分比的化学组成为C:0.75%，Si:0.9%，Mn:7.6%，Cr:2.2%，Μ〇:0·55%，变质剂： 0.2%，3:0.008，？:0.006，其余为铁。钢液出炉前，先将变质剂(变质剂由50%1^-13^^- 7%5卜30%?6和60%1'卜40%?6组成，其质量分数各为50%。1^由50%1^203和50%￥ 302组 成)放入已经烘干和加温的钢包底部。待钢液提温、终脱氧后出钢时，用大流量钢液冲包，实 现变质处理。然后将钢液在1510°C倒入浇包进行零件浇铸。
[0023] (2)、固溶处理
[0024]耐磨材料铸件的导热性较差，容易在加热工程中因热应力而开裂。为了避免这一 现象，应该控制加热速度。为了达到缓慢加热的目的，决定在650 °C时保温2.5h，待铸件内外 温度一致后再加热至1050°C保温1.5h。冷却时，首先控制铸件入水前的温度在980°C，其次 是控制出炉至入水时间为20s，第三是入水后要使铸件上、下窜动或左右移动，但不能露出 水面。固溶处理结束后的水温为35°C。
[0025] (3)、回火处理
[0026]将固溶处理后的中锰钢在加热炉中以10°C/min的速度加热到350°C，在炉中保温 5h后出炉空冷至室温。
[0027] 2、实施例2
[0028] (1 )、按成分配比熔炼钢水，将合金坯料随炉加热至1660°C并保温2.5h，合金坯料 按质量百分比的化学组成为C:0.8%，Si :1.0%，Mn:8.4%，Cr :2.0%，Μ〇:0·36%，变质剂： 0.2%，3:0.011，？:0.009，其余为铁。钢液出炉前，先将变质剂(变质剂由50%1^-13^^- 7 % Si-30 %Fe和60 % Ti-40 %Fe组成，其质量分数各为50 % Ae由50 % Ce02和50 % Υ3〇2组成） 放入已经烘干和加温的钢包底部。待钢液提温、终脱氧后出钢时，用大流量钢液冲包，实现 变质处理。然后将钢液在1530 °C倒入浇包进行零件浇铸。
[0029] (2)、固溶处理
[0030]为达到缓慢加热的目的，决定在640°C时保温3h，待铸件内外温度一致后再加热至 1060 °C保温lh。冷却时，首先控制铸件入水前的温度在990°C，其次是控制出炉至入水时间 为18s，第三是入水后要使铸件上、下窜动或左右移动，但不能露出水面。固溶处理结束后的 水温为30°C。
[0031] (3)、回火处理
[0032]将固溶后的中锰钢在加热炉中以ll°C/min的速度加热到350°C，在炉中保温5h后 出炉空冷至室温。
[0033] 3、实施例3
[0034] (1 )、按成分配比熔炼钢水，将合金坯料随炉加热至1680 °C并保温3h，合金坯料按 质量百分比的化学组成为C:0.84%，Si:0.8%，Mn:8%，Cr:1.9%，Μ〇:0·64%，变质剂： 0.2%，3:0.016，？:0.013，其余为铁。钢液出炉前，先将变质剂(变质剂由50%1^-13%1^- 7%3卜30%?6和60%1'卜40%?6组成，其质量分数各为50%。1^由50%1^203和50%060 2组 成)放入已经烘干和加温的钢包底部。待钢液提温、终脱氧后出钢时，用大流量钢液冲包，实 现变质处理。然后将钢液在1520°C倒入浇包进行零件浇铸。
[0035] (2)、固溶处理
[0036]为了达到缓慢加热的目的，决定在660°C时保温2h，待铸件内外温度一致后再加热 至1040°C保温2h。冷却时，首先控制铸件入水前的温度在960°C，其次是控制出炉至入水时 间为25s，第三是入水后要使铸件上、下窜动或左右移动，但不能露出水面。固溶处理结束后 的水温为38 °C。
[0037] B、回火处理
[0038]将固溶后的中锰钢在加热炉中以12°C/min的速度加热到350°C，在炉中保温5h后 出炉空冷至室温。
[0039]广品的性能检测：
[0040] 表1力学性能
[0041]
[0042] 为进一步研究耐磨材料耐磨粒磨损性能，以接近实际工况，特将试样加工为10 X 10 X30的方形试样进行动载磨料磨损试验。试验机采用MLD-10B型动载磨粒磨损试验机。上 试样为10 X 10 X 30中锰钢试样，下试样为GCrl5的对磨试样，转速为200r/min。磨料采用10- 20目的标准石英砂，流速控制为5kg/h。试样磨损前后均用酒精超声清洗，并干燥，用万分之 一精度的天平进行称重。本次磨损测试为30min，并计算不同冲击功磨损前后的磨损失重。 [0043] 表2摩擦性能
[0044]
【主权项】
1. 一种强韧性高耐磨材料，其特征在于:其含有的化学元素成分及其质量百分比为:C: 0.75-0.85%，Si :0.7-1.1%，Μη:7·5-8·5%，Cr: 1.8-2.3%，Μο:0·35-0·65%，变质剂： 0.2% ;S< 0.025%，Ρ< 0.025%，其余为铁;其中变质剂由50%Re-13%Mg-7%Si-30%Fe和 60%Ti-40%Fe组成，两者质量分数各为50%，以上百分数均为质量百分数。2. 制备如权利要求1所述的一种强韧性高耐磨材料的方法，包括:冶炼、固溶处理、回火 处理的步骤，其特征在于： 所述冶炼工艺为:将除变质剂的原料装炉熔炼，熔炼温度控制在1640°C-1680°C，时间 为2-3h，出钢温度控制在1580°C-1600°C，将变质剂采用包底冲入法加入，钢液在1510°C-1530°C浇铸成型； 所述固溶处理为:在650°C±10°C时保温2-3h，待铸件内外温度一致后再加热至1050°C ± 10°C，保温l_2h;冷却时，首先控制铸件入水前的温度在950°C以上，其次是控制出炉至入 水时间，不应超过30s，第三是入水后要使铸件上、下窜动或左右移动，但不能露出水面；固 溶处理结束后的水温不得超过50°C ; 所述回火处理为:将固溶处理后的耐磨材料在加热炉中以10~12°C/min的速度加热到 350°C，在炉中保温5h后出炉空冷至室温。
【文档编号】C21D6/00GK105839017SQ201610356597
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】王玉江, 魏世丞, 梁义, 盛忠起, 郭蕾, 宋佰隆, 徐滨士
【申请人】中国人民解放军装甲兵工程学院