一种含N、Al高强低合金耐磨钢的制作方法

本发明属于合金钢技术领域，涉及一种新型高强度、高硬度、高耐磨性的经济型含N、Al的低合金耐磨钢及制备方法相关领域。

背景技术：

我国是钢铁生产大国，随着经济技术的发展以及矿物资源的日益匮乏，现有的耐磨钢种在价格和资源方面已经无法满足多元化生产的需求。开发高性能经济型耐磨钢已成为当务之急。在众多耐磨钢种类中，低合金高强度耐磨钢具有硬度高（≥360HB）、加工性能好、生产工艺简单、经济等特点，在电力、矿山、建材和机械等领域具有无法替代的作用。多年来，以瑞典、德国、日本为代表的世界主要耐磨钢生产厂商相继研发了不同超高强耐磨钢系列，他们采用添加少量多种合金元素，并通过严格控制冶炼、轧制及热处理生产工艺获得了性能稳定适合不同场合需求的超高强度耐磨钢种。我国近年来在报导的文献以及公开的专利中主要添加Mo、Nb、V、Ti 等元素在钢中提高耐磨性。李卫申请的专利“高硬韧低合金耐磨钢及其应用”，专利号为L200910037500.1，利用加入Nb、B、RE元素，提高了高硬低合金耐磨钢的淬透性、韧性、加工硬化程度以及耐磨性能，但明显增加了钢的成本。胡筱旋在2014年10期《钢铁》发表“钒，氮含量对耐磨钢NM400组织及性能的影响”一文，指出添加质量分数0.089%V、0.029%N钢板-20℃冲击功提高至42 J，且细化了马氏体板条束，但硬度没有变化。目前较多专利中，Al通常作为脱氧剂加入钢液之中，在一些专利中（一种超高强度耐磨钢及其生产方法，公开号CN101250673A）、（一种调质型耐磨钢及其热处理方法，公开号CN101451218A）也涉及实验钢中含有Al元素，此类专利中Al在钢液脱氧之后组织中形成了Al氧化物，当钢液中的氧含量降低至一定程度后，在钢液中N含量较高条件下也可能形成些许AlN，并且对AlN相与耐磨性之间的研发不多。此类专利与此发明专利有目的在钢中添加Al与N形成AlN化合物以改善其耐磨性能，并在Al、N成分、AlN生成含量精确调控，以及分析了所加入合金元素的作用，AlN对奥氏体晶粒尺寸的影响，通过综合成分设计匹配适宜热处理工艺获得了优质的耐磨钢。此发明专利在成分设计、性能和组织调控的根本目的及实验方法上与目前并存专利存在显著的差异。

本发明涉及的含N、Al高强低合金耐磨钢中，析出的AlN增强相具有高的热分解温度、高的热导率和低的热膨胀系数，因此材料的综合性能优异，可广泛用作高性能结构件。目前，研究增强相AlN主要用于基体以铝合金、镁合金，及少量的钛合金和硅铁/钼铁合金，而在钢基耐磨材料领域（特别增强相AlN对耐磨性的影响）迄今无人问津。因此，为优化现有耐磨材料体系，本发明通过首次在钢基耐磨材料中添加廉价元素N、Al新型增强相的应用基础研究，以此得出适宜的制备技术和材料配组来提高耐磨件的性能，有效降低了生产成本，这是一个具有重大技术意义和经济价值的研究开发领域。

技术实现要素：

为了减少成本并进一步提高材料的耐磨性，本发明涉及一种含N、Al高强低合金耐磨钢。基于N、Al对钢的强韧化作用以及AlN颗粒进一步弥散强化钢的原理，通过适宜成分设计，在中碳Mn-Si-Cr低合金钢中加入些许的N、Al元素生成AlN相及合金碳化物相，借助热处理手段控制得到具有高强度、高硬度、高耐磨性的经济实用型低合金耐磨钢，从而满足耐磨构件生产企业需求，为耐磨钢相关领域提供技术参考。

本发明实现上述目的采取的技术方案如下：

本发明成分设计的主要思路是在确保基体具有足够强度，一定韧性的前提下，增加显著提高耐磨性的细小尺度弥散分布的硬质AlN粒子，从而获得具有高强度、高硬度以及高耐磨性的经济型含N、Al耐磨钢。因此，本发明以工业常用的B3钢为基础，添加一定含量的N、Al制备出一种高强低合金耐磨钢，所述钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.4~0.6 %；Mn：1.2~1.8%；Si：0.7~1.0%；Cr：0.5~1.2%；Ni：0.01~0.1%；Cu：0.005~0.015%；B：＜0.0005% ；P＜0.0075%；S＜0.0075%；RE：0.01~0.02%；Al：0.005~0.15%；N：0.005~0.05%；要求：Al/N（原子比）=0.5~4；其余为Fe及不可避免杂质，质量百分数总计100％。在本发明中，C、Mn、Si元素是获得适宜强度马氏体基体、合金碳化物以及残留奥氏体的必要元素，Mo元素对于细化马氏体组织，能够在一定程度上改善耐磨钢强韧性。Al和N是钢中生成AlN相的必要元素，N与Al形成增强相AlN。Al在钢中可改善初生共晶碳化物形态、细化晶粒、提高强度和抗氧化能力，少量Al还能降低韧－脆转变温度。Ni对稳定奥氏体、钢的强韧化及耐蚀性具有积极的作用，N在钢中可以起到部分代替镍的作用。在本发明中，N与Al形成增强相AlN。AlN为具有六方晶系纤锌矿型晶体结构的Ⅲ-Ⅴ族共价键化合物，单晶体的密度和导热率的理论值分别为3260kg/m³和319w/(m·K)，其熔点高，氧化时可生成一种氧化保护膜层，即使在高达1450℃的温度下其氧化速度也相当低，AlN材料具有良好的热稳定性。并且AlN是唯一具有优良综合性能的材料，具有高热导率和相当低的热膨胀系数，抗热冲击性能也很好，在钢中以细小的质点存在时起到弥散强化作用。Al细化奥氏体晶粒直接与微细的AlN粒子拖曳奥氏体晶界迁移阻碍奥氏体晶粒长大有关，但这与AlN相的尺寸和含量直接相关，本发明专利中获得的纳米级AlN颗粒在晶粒细化方面起到了积极作用。若钢中N含量较高，能够获得适宜的NB相。

将配好的材料按难烧损至易烧损顺序熔化，造渣、浇铸模型后撒覆盖剂空冷至室温，冶炼温度1400~1700℃，浇铸温度1300~1600℃。对铸坯锻造成具有规则形状的棒材或块材，热锻温度1000~1200℃，终锻温度850~1000℃，再数次镦拔后空冷至室温。热处理工艺为：经过球化退火后，淬火温度760~860℃，油淬至室温，经150~300℃回火后空冷。淬火要求尽量保持晶粒细小，得到马氏体及部分残留化合物；回火目的是稳定钢的性能，产生沉淀强化。回火后得到的组织为：具有孪晶和位错亚结构的回火板条马氏体、残余奥氏体、尺寸为0.5~2.5mm的残留Mn₂₃C₆及Cr₇C₃相、50~250nm的ε相以及200nm左右的AlN。其中，残余奥氏体是钢磨损过程中产生应变硬化的主要原因，微米级碳化物可提高钢的耐磨性，纳米级化合物能起到弥散强化作用。

本发明提供的技术方案的有益效果：（1）本发明公布的一种含N、Al高强低合金耐磨钢合金度低，加工性能好，具有抗拉强度为1700MPa以上，硬度为HRC58.5（HB620）以上，耐磨性能优异的耐磨钢材料，可应用于广泛领域。（2）N、Al高强度低合金耐磨钢极大程度地节省了稀有金属资源，经济效益显著。（3）本耐磨钢热处理工艺过程简单，性能稳定，便于操作。（4）在中碳Mn-Si-Cr低合金钢中加入N、Al取得良好的效果，为高强度以及超高强度低合金钢的进一步研究开辟了新的空间，其意义重大。

附图说明

图1是本发明含N、Al高强低合金耐磨钢不同成分下的单位失重-磨损时间关系曲线，0#为未加N、Al低合金耐磨钢，1#为Al/N（原子比）=0.5~1.5的低合金耐磨钢，2#为Al/N（原子比）=1.5~4的低合金耐磨钢。

图2是本发明2#高强低合金耐磨钢的SEM组织形貌。

图3a为马氏体板条中尺寸约200nm的六边形AlN形貌，图3b为马氏体板条中尺寸约200nm的六边形AlN的电子衍射花样。

具体实施方式

实施例1

本实施例为1#高强低合金钢的制备方法，其中Al/N（原子比）=0.5~1.5，包括以下步骤：用真空炉将配好的材料按顺序熔化，浇铸后进行锻造处理。退火室将材料随炉升温，以一定速度升温至750~810℃进行第一平台保温，再以一定速度降温至600~650℃进行第二平台保温，随即炉冷。淬火温度760~860℃，油淬，回火温度150~300℃，空冷。耐磨测试采用销-盘磨损形式，上试样为被测试样，下试样为H13作为对磨材料，试验力80N，转速200r/min，周期2.5h(即被测试样滑移距离为1km)，磨损率和失重比作为摩擦磨损性能指标，磨损率即：（失重质量/试样密度）/(试验力·滑移距离)。实验结果如下：洛氏硬度为58.78，抗拉强度为1812.6 MPa，冲击韧性为12.45 J·cm²，失重比为0.215308，未添加N、Al同种钢失重比是该试验钢的3.55倍，磨损率为7.48606×10^-15，仅为未添加N、Al同种钢的28%。表明N、Al的加入显著提高了钢耐磨性。另外，由图1可以看出以上合金钢均有应变硬化倾向。

实施例2

本实施例为2#高强低合金钢的制备方法，其中Al/N（原子比）=1.5~4，包括以下步骤：用真空炉将配好的材料按顺序熔化，浇铸后进行锻造处理。退火室将材料随炉升温，以一定速度升温至750~810℃进行第一平台保温，再以一定速度降温至600~650℃进行第二平台保温，随即炉冷。淬火温度760~860℃，油淬，回火温度150~300℃，空冷。耐磨测试采用销-盘磨损形式，上试样为被测试样，下试样为H13作为对磨材料，试验力80N，转速200r/min，周期2.5h(即被测试样滑移距离为1km)，磨损率和失重比作为摩擦磨损性能指标，磨损率即：（失重质量/试样密度）/(试验力·滑移距离)。实验结果如下：洛氏硬度为58.9，抗拉强度为1732.0 MPa，冲击韧性为13.68 J·cm²，失重比为0.238195，未添加N、Al同种钢失重比是该试验钢的3.21倍，磨损率为8.21051×10^-15，仅为未添加N、Al同种钢的31%。表明N、Al的加入显著提高了钢耐磨性。另外，由图1可以看出以上合金钢均有应变硬化倾向。

如图2所示为2#钢的热处理组织形貌，结合XRD、EDX、TEM组织分析表明：钢的组织包括：具有孪晶和位错亚结构的回火板条马氏体、残余奥氏体、0.5~2.5mm尺寸的残留Mn₂₃C₆及Cr₇C₃相、50~250nm的ε相以及200nm左右的AlN。其中，残余奥氏体能够在钢磨损过程中产生应变硬化提高韧性，纳米级AlN及微米级合金碳化物能起到弥散强化作用显著了提高钢耐磨性。与无N、Al元素同时添加获得的AlN相钢相比，N、Al添加获得AlN相能够改善钢耐磨性能主要原因是AlN能细化组织，能够通过适宜的成分设计获得细小弥散的合金碳化合物增加其耐磨性。因此AlN相对耐磨钢性能改善起了关键的作用。如图3a和图3b所示。