专利名称：一种高温耐磨合金钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基合金及其生产方法，特别是一种高温耐磨合金钢及其生产方法。
钢铁冶金行业中的轧钢生产线所使用的轧辊、导卫轮及导卫板运行于十分恶劣的高温和磨损工况环境中，如高速线材机其轧制速度超过100米/秒，受热最高工作温度达1000～1100℃。由于轧辊及导卫轮的磨损失效，造成更换频繁，因此研究既耐高温又耐磨损的材料，是轧钢行业亟待解决的问题之一。目前，在国内由于没有新型高温耐磨材料的问世，而常使用纯粹的耐高温合金钢和单纯的耐磨材料。前者虽然具有良好的耐高温性能，但耐磨性不够；后者则虽然具有很高的室温耐磨性能，但随着工作温度的提高，其耐磨性又迅速下降，从而导致材料的过早失效。在国际上，工业化国家非常重视钢铁材料的研究与开发，日本在1997年启动的“超级钢计划”，就是开发相当于现有钢铁材料两倍强度和寿命的STX-21新型钢铁材料和超高纯度铁；但目前，有关高温耐磨材料的研究报导则很少，对该类材料的研究，往往采用高洁净度、超微细化的优质合金钢，通过对耐磨材料的微合金化、热处理和特殊的表面处理技术来提高耐热耐磨材料的综合性能。通常采用的表面处理技术有喷涂、表面热处理、表面化学处理、气相沉积、激光表面处理等，不一而足。总之，国外在轧辊、导卫轮材质的研究、开发与生产方面尚处在方兴未艾阶段。
本发明的目的，乃是提供一种特别适于用作制造轧辊、导卫轮等的材料的既耐高温又耐磨损的合金钢及其生产方法。
本发明的解决方案如下。这种高温耐磨合金钢是采用下述组分和重量百分含量的原料通过熔炼和其它工艺流程生产制得的77.5～79％的废钢，18.3～20.7％的高碳铬铁，0.67～1.0％的钼铁，0.33～0.5％的钒铁，适量的硅、锰脱氧剂，0.05～0.1％的钛铁，0.02～0.05％的锆，0.6～1.2％的铝和0.12～0.5％的稀土元素，这样制得的合金钢含碳1.45～1.70％，含铬11.0～12.5％，含钼0.4～0.6％，含钒0.15～0.30％，含钛0.02～0.05％，含锆0.02～0.05％，含铝0.6～1.2％，含稀土元素0.05～0.15％。
本发明高温耐磨合金钢的生产工艺方法是(1)熔炼先将按确定含量配制的废钢、高碳铬铁和钼铁装入中频炉中进行熔炼，然后在出炉前7～10分钟在炉中加入确定含量的钒铁以及适量的硅、锰脱氧剂，最后加入按确定含量配制的钛铁、锆、铝和稀土元素；(2)退火将熔炼后按工件造型进行砂型浇注所得的合金钢件分两次进行退火，第一次是在1050～1150℃进行扩散均匀化退火，保温6～8小时，然后随炉冷却，其目的是消除化学偏析，即是使产品内部化学成分借助扩散达到一定的均匀化，使奥氏体骨骼最大限度地消除，第二次退火为球化退火，合金钢件随炉升温至850～870℃，保温2～4小时后随炉冷却至720～750℃，再保温6小时，随炉冷至500℃出炉，空冷至室温；(3)淬火将退火处理所得的合金钢件经粗机加工后进行淬火处理，淬火温度取980～1020℃，保温时间视装炉量及工件而定，小型工件采用空冷，大型工件可采用强制冷却；(4)回火将经淬火处理后的合金钢件进行两次以上的回火处理，以消除淬火应力，温度选择在180～250℃之间，避开回火脆性区间，使处理后的产品综合性能较好，硬度在HRC58～62之间。
本发明生产的合金钢是在耐磨性能优异、淬火变形小、淬透性好的Cr12MOV模具钢的原型上，针对轧辊、导卫轮等的特殊要求，采用多元合金化途径，适量添加钛、锆、铝和稀土元素等微量合金元素，提高其热稳定性和耐磨性能。该合金钢所含合金元素的作用分别是铬铬在合金钢中提高淬硬性和淬透性，该合金钢含有大约12％Cr，含C约1.45～1.70％，按成分属于莱氏体钢，钢中存在大量的M7Ca型碳化物，其耐磨性较M3C和M6C型碳化物量多，虽然对耐磨性能改善有好处，但由于碳化物分布不均匀性大，强度和韧性会略有降低，因此该合金钢中含铬量不应超过1 2.5％，碳含量以1.45～1.70％为宜，碳含量偏低，则硬度和耐磨性会降低。
钼钼在钢中含量为0.4～0.6％，钼可以细化碳化物，阻止晶体长大，能有效提高钢的淬透性。
钒钒在钢中含有0.1～0.2％时，可生成VC，在热处理时，VC溶解很少，故钒比其它元素更能有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性，同时，还可增加其耐磨性，提高红硬性，增加热稳定性。
钛在合金钢中加入少量钛(0.06～0.12％)可以细化晶粒，提高韧性并减少冷脆倾向，加热时能阻止晶粒长大，同时钛是碳化物形成元素，对提高硬度有良好作用，一般添加量以不大于0.05％为宜。
锆锆加入合金钢中可细化晶粒，其作用与钛相同。
铝铝元素在合金钢中主要是改善耐磨钢的高温抗氧化能力，提高合金钢的热稳定性。铝在钢中是生成氮化物的元素，能提高合金钢的红硬性；铝也是提高钢的抗氧化性能有效的合金元素，通常是与Cr同时加入钢中，在钢表面形成一层稳定的氧化膜，其抗氧化性能更佳，因而可改善合金钢的热稳定性。铝的添加量一般在0.6～1.0％的范围。
稀土元素稀土元素具有强烈的脱氧能力，对氧的亲和力也很大，同时有很强的去硫能力，还能改善非金属夹杂物的形状，使之球化，加入极少量的稀土金属如铈(Ce)、镧(La)等于耐热钢中，可显著提高其抗氧化性能。稀土元素的这些作用，可使合金钢熔体得以净化，改善钢的韧性和力学性能，降低脆性转变温度。稀土元素的添加量一般小于0.2％。
总之，本发明通过多元少量合金化、熔体净化、热处理强化和组织细化，可显著改善合金钢的热稳定性和耐磨性能，并使晶粒细化，晶粒度达9.5～10.5级，碳化物细小且分布均匀。本发明高温耐磨合金钢具有优良的综合性能，其硬度为62.5HRC，抗拉强度σb为1962MPa，冲击韧性ak为2.419J/cm2，在1000℃时，热蚀失重速率为0.245g/m2.h，摩擦磨损失重在75N负荷下为30mg，表明该合金钢在具有优异耐磨性能和耐高温性能的同时，兼有良好的强度和韧性，因此它不失为高温耐磨导卫轮和轧辊等的理想材料实施例将234.5kg废钢、60kg高碳铬铁和3kg钼铁装入中频炉中进行熔炼，然后在出炉前8分钟在炉中加入1.5kg钒铁以及适量的锰脱氧剂，最后加入0.3kg钛铁、0.3kg锆、3kg铝、0.75kg铈和镧；将熔炼后按导卫轮工件造型进行砂型浇注所得的导卫轮合金钢件分两次进行退火，第一次是在1100℃进行扩散均匀退火，保温7小时，然后随炉冷却，第二次是球化退火，导卫轮合金钢件随炉升温至860℃，保温3小时后随炉冷却至730℃，再保温6小时，随炉冷至500℃出炉，空冷至室温；净退火处理所得的导卫轮合金钢件经粗加工后进行淬火处理，淬火温度取1000℃，保温时间为0.5～1小时，空冷至室温；将经淬火处理后的导卫轮合金钢件进行两次回火处理，温度选为220℃；最后，通过精加工将导卫轮加工至符合图纸要求。
权利要求
1.一种高温耐磨合金钢，其特征在于，它是采用下述组分和重量百分含量的原料通过熔炼和其它工艺流程生产制得的77.5～79％的废钢，18.3～207％的高碳铬铁，0.67～1.0％的钼铁，0.33～0.5％的钒铁，适量的硅、锰脱氧剂，0.05～0.1％的钛铁，0.02～0.05％的锆，0.6～1.2％的铝和0.12～0.5％的稀土元素，这样制得的合金钢含碳1.45～1.70％，含铬11.0～12.5％，含钼0.4～0.6％，含钒0.15～0.30％，含钛0.02～0.05％，含锆0.02～0.05％，含铝0.6～1.2％，含稀土元素0.05～0.15％
2.一种根据权利要求1所述的高温耐磨合金钢的生产方法，其特征在于(1)熔炼先将按确定含量配制的废钢、高碳铬铁和钼铁装入中频炉中进行熔炼，然后在出炉前7～10分钟在炉中加入确定含量的钒铁以及适量的硅、锰脱氧剂，最后加入按确定含量配制的钛铁、锆、铝和稀土元素；(2)退火将熔炼后按工件造型进行砂型浇注所得的合金钢件分两次进行退火，第一次是在1050～1150℃进行扩散均匀化退火，保温6～8小时，然后随炉冷却，第二次退火为球化退火，合金钢件随炉升温至850～870℃，保温2～4小时后随炉冷却至720～750℃，再保温6小时，随炉冷至500℃出炉，空冷至室温；(3)淬火将退火处理所得的合金钢件经粗机加工后进行淬火处理，淬火温度取980～1020℃，保温时间视装炉量及工件而定，小型工件采用空冷，大型工件可采用强制冷却；(4)回火将经淬火处理后的合金钢件进行两次以上的回火处理，温度选择在180～250℃之间。
3.根据权利要求1所述的高温耐磨合金钢，其特征在于，稀土元素选用铈、镧。
全文摘要
本发明高温耐磨合金钢由按比例配制的废钢、高碳铬铁、钼铁、钒铁、钛铁、锆、铝、稀土元素和适量的硅、锰脱氧剂经熔炼、扩散均匀化退火与球化退火、淬火、两次以上的回火等工艺流程生产而成。本发明通过多元少量合金化、熔体净化、热处理强化和组织细化,可显著改变合金钢的热稳定性和耐磨性能,并使晶体细化、碳化物细小且分布均匀,同时还在硬度、抗拉强度、冲击韧性、热蚀失重速率、摩擦磨损失重等方面具有优良的综合性能,因此它是钢铁冶金行业中制造高温耐磨导卫轮和轧辊等的理想材料。
文档编号C22C38/28GK1335417SQ0011355
公开日2002年2月13日 申请日期2000年7月21日 优先权日2000年7月21日
发明者陈晓青, 甘卫平, 周建明, 黄可龙, 陈为哲, 湛巍 申请人:湖南省高程科技有限公司