一种Nb、V、Ti合金化的轻质耐磨钢及其制备方法和应用

本发明涉及轻质耐磨钢，尤其涉及一种nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统的冶金矿山行业运作需要使用大量耐磨材料，随着时代发展，传统的基础高锰钢即铸钢mn13已经落后于生产实际所需性能。现有高锰钢产品的自重较大、耐磨性不足、成本较高，很难满足现如今工矿企业低能耗、轻量化发展的需求。随着对传统高锰钢性能改善研究不断进行，添加al元素的高锰钢研究与日俱增，通过向钢中加入轻量化元素al从而降低钢的密度，与mn、c配合形成fe-mn-al-c体系，形成高强度，高冲击韧性的轻质钢。

2、然而，现有的fe-mn-al-c轻质钢多通过爆炸硬化、喷丸等复杂工艺来提高轻质钢的强度和耐磨性能，同时，复杂的生产工艺会增加制造成本，此外还存在轻量化元素添加不足，密度过高的问题。

3、因此，提供一种低密度、高强度、高塑韧、高耐磨性和低成本的轻质耐磨钢成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢及其制备方法和应用。本发明提供的nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢具有低密度、高强度、高塑韧、高耐磨性和低成本。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢，按质量百分比计，包括：mn 23.0～26.0％，al 7.5～8.3％，c 1.12～1.25％，si 0.20～0.25％，nb0.10～0.20％，ti 0.05～0.15％，v 0.05～0.10％，p≤0.03％，s≤0.01％以及余量的fe。

4、优选地，所述nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢中，按各元素的质量含量计，0.98≤(0.1mn+5c)/al≤1.14。

5、本发明提供了上述技术方案所述nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：

6、(a)将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸坯；

7、(b)将所述步骤(a)得到的铸坯进行固溶处理，得到固溶态锭坯；

8、(c)将所述步骤(b)得到的固溶态锭坯进行时效处理，得到nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢。

9、优选地，所述步骤(a)中浇铸的温度为1400～1430℃，浇铸的时间为≤10min。

10、优选地，所述步骤(b)中固溶处理的温度为1070～1090℃，固溶处理的保温时间为1～2h。

11、优选地，所述步骤(b)中固溶处理的升温方式为分段升温；

12、所述分段升温包括依次进行的第一升温、第一保温、第二升温、第二保温和第三升温；

13、所述第一升温的升温速率为55～60℃/h；

14、所述第二升温的升温速率为40～45℃/h；

15、所述第三升温的升温速率为35～40℃/h。

16、优选地，所述第一保温的温度为450～470℃，所述第一保温的时间为0.5～1.5h；

17、所述第二保温的温度为630～650℃，所述第二保温的时间为0.5～1.5h。

18、优选地，步骤(b)中固溶处理的冷却方式为水冷。

19、优选地，所述步骤(c)中时效处理的温度为450～480℃，时效处理的时间为4～6℃h，升温至所述时效处理温度的升温速率为40～45℃/h。

20、本发明提供了上述技术方案所述nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢或上述技术方案所述制备方法制备得到的nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢在大型矿山机械及运载设备中的应用。

21、本发明提供了一种nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢，按质量百分比计，包括：mn 23.0～26.0％，al 7.5～8.3％，c 1.12～1.25％，si 0.20～0.25％，nb0.10～0.20％，ti 0.05～0.15％，v 0.05～0.10％，p≤0.03％，s≤0.01％以及余量的fe。本发明提供的nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢通过添加si、nb、v元素，对κ碳化物的析出行为进行优化调节；复合添加nb、v元素，抑制晶界碳化物的析出；添加si元素产生较高的固溶强化效果，提高耐磨钢的力学性能；nb、v、ti元素复合添加可生成适量(nb,v)(c,n)抑制晶界碳化物的析出，形成tic碳化物硬质颗粒，优化κ碳化物的析出形态，避免过量添加产生网状nb碳化物及多角型tic，从而提升表面抗冲击疲劳能力，提升其在高冲击功环境下的耐磨性；控制al、c、si、v、ti与mn轻量化元素，大幅度降低钢的密度，改变碳化物的形态和分布，同时保证钢材具有较高强度、塑韧性、高耐磨性和良好的综合力学性能；通过调整轻质耐磨钢中的成分及含量，可以不使用爆炸硬化及喷丸等复杂表面硬化工艺来达到该硬度和高耐磨性，降低了轻质耐磨钢的成本。实施例结果表明，本发明提供的nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢密度ρ≤7.01g/cm3、屈服强度rel为565～654mpa，抗拉强度rm为901～985mpa，延伸率a5为50.3～58.7％，-40℃kv2冲击功为97～134j，高冲击功耐磨性提升30％以上，具有低密度、高强度、高塑韧、高耐磨性和低成本。

技术特征：

1.一种nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢，按质量百分比计，包括：mn23.0～26.0％，al 7.5～8.3％，c 1.12～1.25％，si 0.20～0.25％，nb 0.05～0.20％，ti 0.05～0.15％，v 0.05～0.10％，p≤0.03％，s≤0.01％以及余量的fe。

2.根据权利要求1所述的nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢，其特征在于，所述nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢中，按各元素的质量含量计，0.98≤(0.1mn+5c)/al≤1.14。

3.权利要求1或2所述nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢的制备方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中浇铸的温度为1400～1430℃，浇铸的时间为≤10min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中固溶处理的温度为1070～1090℃，固溶处理的保温时间为1～2h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中固溶处理的升温方式为分段升温；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一保温的温度为450～470℃，所述第一保温的时间为0.5～1.5h；

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中固溶处理的冷却方式为水冷。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(c)中时效处理的温度为450～480℃，时效处理的时间为4～6h，升温至所述时效处理温度的升温速率为40～45℃/h。

10.权利要求1或2所述nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢或权利要求3～9任意一项所述制备方法制备得到的nb、v、ti合金化的轻质耐磨钢在大型矿山机械及运载设备中的应用。

技术总结
本发明提供了一种Nb、V、Ti合金化的轻质耐磨钢及其制备方法和应用，属于轻质耐磨钢技术领域。本发明轻质耐磨钢，按质量百分比计，包括：Mn 23.0～26.0％，Al 7.5～8.3％，C 1.12～1.25％，Si 0.20～0.25％，Nb 0.05～0.20％，Ti 0.05～0.15％，V 0.05～0.10％，P≤0.03％、S≤0.01％以及余量的Fe。实验结果表明，本发明提供的轻质耐磨钢密度≤7.01g/cm<supgt;3</supgt;、屈服强度为565～654MPa，抗拉强度为901～985MPa，延伸率为50.3～58.7％，‑40℃KV<subgt;2</subgt;冲击功为97～134J，高冲击功耐磨性提升30％以上。

技术研发人员：刘日平,王青峰,张新宇,梁力文,毛忆瑄,程奔,王锁涛,张春祥,李英梅
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25