专利名称：：一种高钒钢耐磨材料及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种高钒钢耐磨材料及其制备方法，以生产对韧性和耐磨性要求较高的切削工具、高载荷模具、轧辊、特殊耐热耐磨部件等。
背景技术：
：磨损是造成材料失效的主要方式之一。据统计，我国耐磨材料年消耗达到300万吨，已经形成一个受人关注的耐磨材料行业。对耐磨材料，硬度和韧性是衡量其质量优劣的关键性能。通过提高金属基体和碳化物硬度、增加碳化物体积分数、改善碳化物形态和分布来能使材料耐磨性得以提高。基体组织的高硬度可以通过调整基体含碳量和适当的热处理制度获得；但要从根本上提高材料的耐磨性，优化碳化物的硬度和形态分布更具有实际意义。耐磨材料中，不同类型碳化物的显微硬度和形态分布差别很大，MC型碳化物硬度达到HV2700左右，呈团球或短杆状分布，碳化物没有尖角，割裂作用小，呈现高的抗磨损性。向铁基体中加入钒合金可以获得大量形态较好、硬度较高的MC型碳化物，是大幅提高材料的耐磨性的重要途径。中国发明专利CN1803325公开了一种高速钢复合轧辊及其制备方法，采用离心铸造的方法制备高钒高速钢，作为轧辊的外层耐磨损材料。其轧辊外层材料化学成分(重量％)为1.22.5C，0.31.5Si，0.41.OMn，3.08.OCr，2.07.OMo，2.07.0V，1.05.OW，O.010.5RE，P<0.05，S<0.05，余量为Fe。但该方法的缺点是轧辊耐磨层的组织粗大，部分碳化物呈连续分布，抗热疲劳性能差，同时，采用离心铸造成型时，元素偏析严重，降低了表层的碳化钒含量，耐磨性差。中国发明专利CN1158361A公开了一种耐磨耐腐蚀粉末冶金高钒工具钢制品及其生产方法，由美国坩埚材料有限公司发明，其化学成分(重量％)为:1.473.77C，0.22.OMn，Si<2.0，11.514.5Cr，Mo<3.0，8.015.OV，O.030.46N，P<0.10，S<0.10，余量为Fe。其制品的碳化物的体积分数为16%36%，最大碳化物直径不超过6iim，无偏析，Charpy-C缺口冲击韧度达到18J/cm2，耐磨性优良。但没有具体制备工艺和热处理方法方面的报道。
发明内容本发明的目的在于，提供一种高钒钢耐磨材料及其制备方法。本发明采用氮气雾化制粉，热等静压烧结和锻造的方法制备高钒钢耐磨材料，采用退火、淬火和回火的工艺来进一步提高产品的性能，得到基体为高韧性的回火马氏体，碳化物为高硬度的碳化钒，且均匀弥散分布在基体上。可以很好的把高硬度和高韧性良好地结合起来，耐磨极佳。本发明的一种高钒钢耐磨材料，所述材料化学成分以百分重量计C:2.22.5%，V:8.511.8%，Cr:5.06.5%，Mo:1.01.8%，Ni:0.51.3%，Si<0.5%，Mn<0.5%，P<0.04%，其余为Fe。本发明的一种高钒钢耐磨材料的制备方法，包括如下步骤(1)将工业纯铁、钒铁、纯铬、纯钼和石墨按1:0.250.29:0.0430.06:0.0150.025:0.020.035的质量比例配比，装入雾化设备的熔化室中，进行真空熔炼；(2)制粉完成后，把收集室里的粉末和残渣经20目300目真空振动筛分级过筛，分离粉末和大块的合金残渣，除去大块的非金属夹杂，然后取出粉末进行装套、脱气、封焊；(3)将包套装入热等静压炉中加温加压，热等静压的温度为1150°C120(TC，压力为6080Mpa，达到最高温度和压力后保持2-3个小时；(4)热锻前将高钒钢坯体缓慢加热到850°C，保温30min，继续加热到始锻温度1095115(TC，保温15min，出炉锻造，温度低于终锻温度950970°C时，停止锻造，重新加热到始锻温度再进行锻造，锻造后，随炉冷却。本发明的一种高钒钢耐磨材料的制备方法还可以进一步包括对所述高钒钢耐磨材料的热处理方法，所述热处理方法包括退火，淬火和回火处理(1)退火温度为850°C870°C，随炉冷却；(2)淬火在电阻炉中进行，淬火加热温度为1000°C115(TC，20(TC出炉冷却；(3)淬火后进行回火处理，回火加热温度为500°C600°C，空冷。本发明的高钒钢耐磨材料与现有技术相比，具有如下技术特点制备的高钒钢耐磨材料的金相组织中，基体为高韧性的回火马氏体，含有1725%的高硬度碳化钒，碳化物的平均粒度小于1.2m2m，最大碳化物粒度小于5ym8m，碳化物呈球状，弥散分布。制备的高钒钢材料的硬度达到HRC5162，冲击韧性达到1662J/cm2，抗弯强度达到24003800MPa，抗磨粒磨损性能是马氏体不锈钢Crl2的1015倍。图1所示是铸造高钒钢的碳化物分布形貌图。图2所示是本发明高钒钢耐磨材料实施例1的碳化物分布形貌图。具体实施方式实施例1本实施例制备高钒钢耐磨材料，采用氮气雾化制粉+热等静压工艺制备高钒钢，再进行锻造，退火，淬火和回火。其步骤是(1)将工业纯铁、钒铁、纯铬、纯钼和石墨按1:0.267:0.06:0.018:O.025的质量比例配比，装入雾化设备的熔化室中，真空熔炼；(2)氮气雾化制粉，收集粉末粒度为+300目的粉末进行热等静压，热等静压的温度为115(TC，压力为65Mpa，达到最高温度和压力后保持2个小时。随后进行热锻，始锻温度10951150。C，终锻温度为950970°C。(3)在85(TC退火后，在100(TC淬火，60(TC回火。本实施例制备的高钒钢的化学成分为(重量％):C:2.27%，V:9.53%，Cr:5.86%，Mo:1.58%，Ni:0.84%，Si<0.3%，Mn<0.5%，P<0.02%，其余为Fe。实施例2制备的步骤是(1)将工业纯铁、钒铁、纯铬、纯钼和石墨按1:0.267:0.06:0.018:0.025的质量比例配比，装入雾化设备的熔化室中，真空熔炼；(2)氮气雾化制粉，收集粉末粒度为+300目的粉末进行热等静压，热等静压的温度为115(TC，压力为65Mpa，达到最高温度和压力后保持2个小时。随后进行热锻，始锻温度10951150。C，终锻温度为950970°C。(3)在85(TC退火后，在115(TC淬火，55(TC回火。本实施例制备的高钒钢的化学成分为(重量％):C:2.27%，V:9.53%，Cr:5.86%，Mo:1.58%，Ni:0.84%，Si<0.3%，Mn<0.5%，P<0.02%，其余为Fe。实施例3制备的步骤是(1)将工业纯铁、钒铁、纯铬、纯钼和石墨按1:0.29:0.04:O.024:O.035的质量比例配比，装入雾化设备的熔化室中，然后对各个腔室抽真空，通入^气体，实施合金熔化和雾化，雾化温度155(TC，压力30bar;(2)氮气雾化制粉，收集粉末粒度为100目-300目的粉末进行热等静压，热等静压的温度为120(TC，压力为65Mpa，达到最高温度和压力后保持2个小时。随后进行热锻，始锻温度10951150。C，终锻温度为950970°C。(3)在85(TC退火后，在115(TC淬火，55(TC回火。制备的高钒钢的化学成分为(重量％):C:2.43%，V:10.03%，Cr:5.25%，Mo:1.64%，Ni:1.24%，Si<0.3%，Mn<0.5%，P<0.02%，其余为Fe。为了比较粉末高钒钢耐磨材料与相同成分的熔炼高钒钢的力学性能，制备了质量为5.2kg的熔炼高钒钢，热处理工艺为在85(TC退火后，在IOO(TC淬火，保600°C回火。实施例1、实施例2、实施例3和熔炼高钒钢的最终的性能比较见表1。通过图1铸造高钒钢的碳化物分布形貌图、图2本发明高钒钢耐磨材料实施例1的碳化物分布形貌图对比可以看出，本发明一种高钒钢耐磨材料的碳化物硬度高，形态好，粒度细小，且分布均匀，因此硬度和冲击韧性都非常优良。也进一步说明粉末高钒钢的优良的性能。表1粉末高钒钢和铸造高钒钢性能比较<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>权利要求一种高钒钢耐磨材料，其特征在于所述材料化学成分以百分重量计，C2.2～2.5％，V8.5～11.8％，Cr5.0～6.5％，Mo1.0～1.8％，Ni0.5～1.3％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，P＜0.04％，其余为Fe。2.根据权利要求1所述的一种高钒钢耐磨材料的制备方法，所述方法包括如下步骤2.1将工业纯铁、钒铁、纯铬、纯钼和石墨按1:0.250.29:0.040.06:0.0150.025:0.020.035的质量比例配比，装入雾化设备的熔化室中，真空熔炼；2.2制粉完成后，把收集室里的粉末和残渣经20目300目真空振动筛分级过筛，分离粉末和大块的合金残渣，除去大块的非金属夹杂，然后取出粉末进行装套、脱气、封焊；2.3将包套装入热等静压炉中加温加压，热等静压的温度为1150°C120(TC，压力为6080Mpa，达到最高温度和压力后保持2-3个小时；2.4热锻前将高钒钢坯体缓慢加热到850°C，继续加热到始锻温度10951150°C，出炉锻造，温度低于终锻温度95097(TC时，停止锻造，重新加热到始锻温度再进行锻造，锻造后，随炉冷却。3.根据权利要求2所述的一种高钒钢耐磨材料的制备方法，其特征在于所述方法还进一步包括对所述高钒钢耐磨材料的热处理方法，所述热处理方法包括退火，淬火和回火处理3.1退火温度为850°C870°C，随炉冷却；3.2淬火在电阻炉中进行，淬火加热温度为1000°C115(TC，低于20(TC时出炉冷却；3.3淬火后及时进行回火，回火加热温度为500°C600°C，空冷。全文摘要本发明公开了一种高钒钢耐磨材料及其制备方法，它是一种硬度，韧性和耐磨性都非常优良的耐磨材料，可以用于制作高性能轧辊，刀具，冲压模具等。其化学成分设计为(重量％)C2.2～2.5％，V8.5～11.8％，Cr5.0～6.5％，Mo1.0～1.8％，Ni0.5～1.3％，Si＜0.5％，Mn＜0.5％，P＜0.04％，其余为Fe；制备方法包括原料熔化，雾化制粉，热等静压烧结，热锻，完全退火，淬火和回火。退火的加热温度为850℃～870℃，保温3～4小时后随炉冷却。淬火的加热温度为1000℃～1150℃，保温30min，油冷。回火温度为500℃～600℃，回火保温时间为0.5h～1h，空冷，回火次数2～3次。与传统的高铬铸铁相比，高钒钢耐磨材料的碳化物硬度高，形态好，粒度细小，且分布均匀，硬度和冲击韧性都非常优良。文档编号C21D6/00GK101724788SQ200910243309公开日2010年6月9日申请日期2009年12月18日优先权日2009年12月18日发明者燕青芝,王浩强,葛昌纯申请人:北京科技大学