本发明涉及耐磨钢，特别涉及一种低合金耐磨钢及其热处理方法。
背景技术：
耐磨材料是一种较为特殊的材料，主要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。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，这部分材料以钢铁基耐磨材料为主，在全部的耐磨材料中占有极大的比重。
离心破碎机的耐磨块在高应力和强烈冲击磨损条件下上作，是破碎机的主要易损件。耐磨块在工作中受到多种形式的磨损，在工作初期其表面形状未发生改变时，主要受到撞击磨损，物料以正向力撞击金属表面产生塑性变形和撞击坑；当其工作面磨损为弧面后，其表面受力情况发生了变化，此时除了受到物料撞击磨损外，还受到物料对它的冲刷造成的犁削以及裂纹剥落。因此，提高材质的硬度可使物料对金属表面的犁削现象减轻，必将有助于其耐磨性的提高，提高材质的韧性可以抑制裂纹的萌生和扩展，有助于减少疲劳剥落的形成，从而提高耐磨性。
高锰钢是应用最广泛的一种耐磨材料，高锰钢最重要的特点是在强烈的冲击和挤压条件下，表面迅速发生加工硬化，使其心部在保持奥氏体良好的韧性和塑性的同时硬化层具有良好的耐磨性能。所以高锰钢只有在具备足以形成加工硬化的条件下才表现出其优越的耐磨性能，但在使用过程中寿命较短。高锰钢中由于锰的含量高，不仅浪费大量地资源，而且锰增加了钢的回火脆性，从而引起钢冲击韧性地降低。有一些工况条件冲击力不是很大，但又需要很高的耐磨性能，而高锰钢的耐磨性能较差，这就需要研发一些新材料来代替传统的耐磨材料。多元素低合金钢耐磨钢由于具有较高硬度和足够韧性的综合性能，并通过调整成分与热处理工艺，在较大范围内控制硬度和韧性的合理匹配，可以满足不同磨损工况的需要，因而作为耐磨材料己引起人们的广泛重视，但是现有的多元低合金耐磨钢由于在金属组分、含量以及热处理工艺方式的选择上存在缺陷，不能应对耐磨块工作时的多种磨损情况，造成在使用过程中磨损严重。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种多元素低合金耐磨钢及其热处理方法，能够解决离心破碎机的耐磨块磨损严重等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低合金耐磨钢，按质量百分比由以下化学成分组成：C：0.28～0.30％、Si：0.6～0.8％、Mn：0.4～0.6％、Cr：2.0～2.2％、Mo：0.29～0.30％、Ti：0.005～0.04％、P：≤0.02％、S：≤0.015％、Zr：0.018～0.02％、Al：0.008％～0.01％、Cu：0.02～0.05％、Re：0.06％～0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，在上述低合金耐磨钢中，C：0.28～0.29％、Si：0.6～0.7％、Mn：0.4～0.5％、Cr：2.0～2.1％、Mo：0.29～0.295％、Ti：0.005～0.04％、P：≤0.02％、S：≤0.015％、Zr：0.018～0.019％、Al：0.008％～0.01％、Cu：0.02～0.025％、Re：0.06％～0.065％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，在上述低合金耐磨钢中，C：0.29％、Si：0.7％、Mn：0.5％、Cr：2.1％、Mo：0.295％、Ti：0.04％、P：≤0.02％、S：≤0.015％、Zr：0.019％、Al：0.01％、Cu：0.025％、Re：0.065％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
另一方面，提供了一种低合金耐磨钢的热处理方法，包括如下步骤：
1)退火，将200℃以下的铸态低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至800℃～890℃保温，结束后随炉冷却至380℃～420℃，然后出炉空冷；
2)淬火，将200℃以下的退火后低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至870℃～950℃并保温，结束后水淬；
3)回火，将淬火后低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至150℃～200℃保温，结束后出炉空冷。
进一步地，在上述热处理方法中，在所述步骤1)中，保温时间为7～9h。
进一步地，在上述热处理方法中，在所述步骤1)中，保温时间为8h。
进一步地，在上述热处理方法中，在所述步骤2)中，保温时间为7～9h。
进一步地，在上述热处理方法中，在所述步骤2)中，保温时间为8h。
进一步地，在上述热处理方法中，在所述步骤3)中，保温时间为1.5～3h。
进一步地，在上述热处理方法中，在所述步骤3)中，保温时间为2h。
本发明的低合金耐磨钢具有高强度、高硬度、良好的韧性和优异的耐磨性，可广泛应用于要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建筑、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明的限制。
本发明低合金耐磨钢按质量百分比由以下化学成分组成：C：0.28～0.30％、Si：0.6～0.8％、Mn：0.4～0.6％、Cr：2.0～2.2％、Mo：0.29～0.30％、Ti：0.005～0.04％、P：≤0.02％、S：≤0.015％、Zr：0.018～0.02％、Al：0.008％～0.01％、Cu：0.02～0.05％、Re：0.06％～0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明的低合金耐磨钢化学成分及质量百分比含量设计的原理如下：
碳(C)：碳在钢中起固溶强化的作用，能提高铸钢的淬透性，影响其显微组织，是决定铸钢硬度和韧性最关键的元素。C能大大提高钢的强度、硬度。C在材料中与其他合金元素形成碳化物，致使在其正常奥氏体化时，碳化物的溶解、扩散常常不均匀，不充分，致使奥氏体稳定性变差，淬透性降低。随着钢中C含量增加，钢的韧性降低，C含量过大时往往又是不利的；但C含量太低，钢的淬硬性又差，耐磨性低。应该在满足强度、硬度的前提下，应将碳含量控制在一定范围内，保持最低值。所以应该根据不同的使用条件，选择不同的碳含量。在较低冲击载荷条件下，应选用中碳或高碳；在较强冲击载荷条件下，应选用低碳，保持较高的韧性，不至断裂。基于上述原因，本发明的低合金耐磨钢的碳含量wt.(C)在0.28～0.30％之间。
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。基于上述原因，本发明的低合金耐磨钢的硅含量wt.(Si)在0.6～0.8％之间。
锰(Mn)：明显提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作用。但Mn含量较高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，钢的回火脆性敏感性增大，另外对焊接性能不利。基于上述原因，本发明的低合金耐磨钢的锰含量wt.(Mn)范围为0.40-0.6％。
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。基于上述原因，本发明的低合金耐磨钢的铬含量wt.(Cr)范围为2.0-2.2％。
钼(Mo)：显著提高钢的淬透性，减少回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能。如果Mo含量低于0.05wt.％，则难以起到上述作用，如果Mo含量超过0.30wt.％，则作用效果达到饱和，且成本较高。因此，综合钼的作用，本发明的低合金耐磨钢的钼含量wt.(Mo)范围为0.29-0.30％。
钛(Ti)：本发明的低合金耐磨钢中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子，其可以细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒。Ti含量应控制在0.005-0.04wt.％范围内。如果Ti含量低于0.005wt.％，则所形成的TiN数量稀少，细化晶粒作用很小；如果Ti含量高于0.04wt.％，将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅无法细化晶粒，而且对钢板韧性有害。因此，本发明的低合金耐磨钢的钛含量wt.(Ti)范围为0.005～0.04％。
磷(P)和硫(S)：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，其含量应分别控制在0.020wt.％和0.015wt.％以内。
锆(Zr)：也是强碳化物形成元素，加入少量Zr有脱气、净化和细化晶粒的作用，有利于改善钢的低温性能，改善其冲压性能，综合Zr元素对钢组织和性能的影响，锆含量wt.(Zr)在0.018～0.02％之间
铝(Al)：铝是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。因此，本发明的低合金耐磨钢的Al含量wt.应控制在0.008％～0.01％。
铜(Cu)：提高钢的淬透性和耐大气腐蚀性能，时效析出的纳米级Cu相粒子具有较强的沉淀强化作用，但含Cu钢由于表面选择性氧化而易于产生热脆问题。基于上述考虑，本发明的低合金耐磨钢的铜含量wt.(Cu)范围为0.02～0.05％。
稀土元素(Re)：强脱氧剂和脱硫剂，微量的稀土可以改善钢的铸态结构组织，净化钢液，细化晶粒，增加钢的致密度，改善钢中夹杂物的形态和分布，降低钢中气体和有害杂质的含量，钢中稀土含量过高反而会成为夹杂，其最佳RE残余含量与钢中硫含量有关。稀土是表面活性元素，它的加入增加了结晶形核核心的数量，从而钢液浇注后得到更多的细密等轴晶铸态组织，提高了钢的强韧性。基于上述考虑，本发明的低合金耐磨钢的稀土元素含量wt.(Re)范围为0.06％～0.07％。
本发明中使用的稀土为混合稀土，其可以是由稀土矿中提取出含有镧、铈、镨、钕及少量钐、铕、钆混合的氧化物或氯化物经熔盐电解制出的金属。其是稀土总量大于98wt％，铈含量大于48wt％的轻稀土。在空气中易氧化为黑色，室温下能和水反应，升温而加快，其为市售产品。
本发明还公开一种上述的低合金耐磨钢的热处理方法，包括如下步骤：
1)退火，将200℃以下的铸态低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h(比如60℃/h、70℃/h、75℃/h、80℃/h、90℃/h)的升温速度升温至800℃～890℃(比如810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃)保温，结束后随炉冷却至380℃～420℃(比如390℃、400℃、410℃、415℃)，然后出炉空冷；
2)淬火，将200℃以下的退火后低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h(比如60℃/h、70℃/h、75℃/h、80℃/h、90℃/h)的升温速度升温至870℃～950℃(比如880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃、940℃)并保温，结束后水淬；
3)回火，将淬火后低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h(比如60℃/h、70℃/h、75℃/h、80℃/h、90℃/h)的升温速度升温至150℃～200℃(比如160℃、170℃、180℃、190℃)保温，结束后出炉空冷。
在上述热处理方法中，优选地，在所述步骤1)中，将200℃以下的铸态低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至830℃保温，结束后随炉冷却至400℃，然后出炉空冷至室温；
在上述热处理方法中，优选地，在所述步骤2)中，将200℃以下的退火后低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至900℃并保温，结束后水淬；
在上述热处理方法中，优选地，在所述步骤3)中，将200℃以下的淬火后低合金耐磨钢装炉，以不大于100℃/h的升温速度升温至180℃保温，结束后出炉空冷至室温。
在上述热处理方法中，优选地，在所述步骤1)中，所述保温的时间为7-9h；更优选为8h。
在上述热处理方法中，优选地，在所述步骤2)中，所述保温的时间为7-9h；更优选为8h。
在上述热处理方法中，优选地，在所述步骤3)中，所述保温的时间为1.5-3h；更优选为2h。
本发明工艺的原理如下：浇注成型后的铸件硬度较高，难以加工，为了消除铸件内应力，降低硬度及改善钢的切削加工性，需对铸件进行完全退火处理；淬火是提高材料硬度的常用工艺；淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体加残余奥氏体。马氏体和残余奥氏体在室温下都是亚稳相，马氏体中碳含量处于过饱和状态，残余奥氏体处于过冷状态，它们都有向铁素体加渗碳体(碳化物)的稳定状态转化趋势，但这种转化在动力学上需要一定的温度和时间条件，因此淬火钢件必须立即回火，以消除或减少内应力，防止变形和开裂，并获得稳定的组织和需要的性能。
采用本发明优选的化学成分得到的低合金耐磨钢，经上述方法热处理后，得到的回火组织主要是回火马氏体，硬度值达到51～56HRC，抗拉强度达到1600MPa，冲击韧性达到57.4J/cm2，具有良好的综合力学性能，并有良好的耐磨性和耐蚀性，满足耐磨块在离心破碎机中的使用要求。
实施例1
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量为：C：0.28％、Si：0.6％、Mn：0.4％、Cr：2.0％、Mo：0.29％、Ti：0.04％、P：0.02％、S：0.015％、Zr：0.018％、Al：0.01％、Cu：0.02％、Re：0.065％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
用1t碱性感应炉进行熔炼，炉料为炼钢用生铁、回炉碳素钢、硅铁、铬铁、钼铁、废铜、废铝、稀土，按上述的配方进行配比投料，所选择的原料中含C、S、P量要低于本发明所要求的含量，技术人员通过常规的化验、计算等技术手段调节各元素的含量而达到所需的要求。采用砂型铸造成型，浇注温度为1550℃～1560℃，浇铸完成后让铸件空冷至室温。
将所得铸件进行热处理，包括如下步骤：
1)退火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至890℃保温8h进行奥氏体化，结束后随炉冷却至400℃，以消除偏析和铸造内应力，获得平衡组织，出炉空冷至室温；
2)淬火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至870℃保温8h，水淬；
3)回火，将水淬后合金钢坯料装炉，以80℃/h的速度升温至180℃保温2h，出炉空冷。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为52HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1327Mpa，延伸率8.5％，断面收缩率21％；制备冲击试样进行常温下的冲击韧性测试，带V型缺口的冲击功为17KV2(J)，无缺口的冲击功为169KV2(J)。
实施例2
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理，包括如下步骤：
1)退火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至830℃保温8h进行奥氏体化，结束后随炉冷却至400℃，以消除偏析和铸造内应力，获得平衡组织，出炉空冷至室温；
2)淬火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至900℃保温8h，水淬；
3)回火，将水淬后合金钢坯料装炉，以80℃/h的速度升温至180℃保温2h，出炉空冷。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为56HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1320Mpa，延伸率8.5％，断面收缩率26％；制备冲击试样进行常温下冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为15KV2/J，无缺口的冲击功为135KV2/J。
实施例3
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理，包括如下步骤：
1)退火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至800℃保温8h进行奥氏体化，结束后随炉冷却至380℃，以消除偏析和铸造内应力，获得平衡组织，出炉空冷至室温；
2)淬火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至950℃保温8h，水淬；
3)回火，将水淬后合金钢坯料装炉，以80℃/h的速度升温至150℃保温2h，出炉空冷。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为54HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1320Mpa，延伸率8.5％，断面收缩率26％；制备冲击试样进行常温下冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为15KV2/J，无缺口的冲击功为124KV2/J。
实施例4
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理，包括如下步骤：
1)退火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至870℃保温8h进行奥氏体化，结束后随炉冷却至420℃，以消除偏析和铸造内应力，获得平衡组织，出炉空冷至室温；
2)淬火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至920℃保温8h，水淬；
3)回火，将水淬后合金钢坯料装炉，以80℃/h的速度升温至200℃保温2h，出炉空冷。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为51HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1330Mpa，延伸率8％，断面收缩率23％；制备冲击试样进行室温冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为16KV2/J，无缺口的冲击功为154KV2/J。
实施例5
本实施例的低合金耐磨钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理，包括如下步骤：
1)退火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至810℃保温9h进行奥氏体化，结束后随炉冷却至380℃，以消除偏析和铸造内应力，获得平衡组织，出炉空冷至室温；
2)淬火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至950℃保温9h，水淬；
3)回火，将水淬后合金钢坯料装炉，以80℃/h的速度升温至170℃保温3h，出炉空冷。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为54HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1325Mpa，延伸率7.5％，断面收缩率22％；制备冲击试样进行室温冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为15KV2/J，无缺口的冲击功为140KV2/J。
实施例6
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量同实施例1。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理，包括如下步骤：
1)退火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至820℃保温7h进行奥氏体化，结束后随炉冷却至410℃，以消除偏析和铸造内应力，获得平衡组织，出炉空冷至室温；
2)淬火，200℃以下装炉，以80℃/h的速度升温至920℃保温7h，水淬；
3)回火，将水淬后合金钢坯料装炉，以80℃/h的速度升温至160℃保温2h，出炉空冷。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为55HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1310Mpa，延伸率8％，断面收缩率24％；制备冲击试样进行室温冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为16KV2/J，无缺口的冲击功为150KV2/J。
实施例7
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量如下：C：0.29％、Si：0.7％、Mn：0.5％、Cr：2.1％、Mo：0.295％、Ti：0.04％、P：0.01％、S：0.01％、Zr：0.019％、Al：0.01％、Cu：0.025％、Re：0.065％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理方式同实施例2。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为53HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1315Mpa，延伸率8.5％，断面收缩率23％；制备冲击试样进行冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为14KV2/J，无缺口的冲击功为152KV2/J。
实施例8
本实施例的低合金耐磨钢采用了如下设计：
钢的各化学成分及质量百分比含量如下：C：0.30％、Si：0.8％、Mn：0.6％、Cr：2.2％、Mo：0.30％、Ti：0.01％、P：0.01％、S：0.01％、Zr：0.02％、Al：0.008％、Cu：0.05％、Re：0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
铸件的制备方法同实施例1。
将所得铸件进行热处理方式同实施例2。
对本实施例热处理后的低合金耐磨钢的铸件取样进行力学性能测试，硬度均值为56HRC；制备拉伸试样，试棒工作区直径d0＝5mm，进行拉伸试验，结果如下：抗拉强度1350Mpa，延伸率7.5％，断面收缩率20％；制备冲击试样进行冲击韧性的测试，带V型缺口的冲击功为17KV2/J，无缺口的冲击功为145KV2/J。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明的低合金耐磨钢具有高强度、高硬度、良好的韧性和优异的耐磨性，可广泛应用于要求高强度、高耐磨性能的工程、采矿、建筑、水泥生产、港口、电力以及冶金等机械产品上。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。