一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，属于耐磨材料技术领域。本发明专利技术通过添加碳化铬和金属钛制备一种高韧性轻质耐磨钢，在铬全部溶于奥氏体中时，可显著提高钢的淬透性，在淬火和回火工艺后，由于铬的作用基体组织中残余奥氏体量增多，钢的韧性显著提高，铬在回火时能组织或延缓碳化物的析出与积聚，使碳化物呈弥散分布，这有利于提高钢的强度和硬度，它能提高回火稳定性，因二次碳化物的析出和残余奥氏体的分解而有二次硬化现象，并且铬能使钢钝化并赋予其良好的耐蚀性，钛能脱氧除气，降低时效敏感性和冷脆性，钛不易溶解，保证了钢在热处理过程中能获得细晶粒组织，能起到析出强化作用，从而有效提高钢的硬度和韧性。

A preparation method of high toughness light wear-resistant steel

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法
本专利技术涉及一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，属于耐磨材料

技术介绍
磨损是自然界中一种非常普遍的现象，是由于机械、间或伴有化学或电化学的作用，导致物体工作表面材料在相对运动中不断损耗的现象。磨损耗费资源和能源，特别是对于耐磨性要求高的零部件或工件的磨损巨大，而且因材料磨损无法使用而更换零部件时的修理、停工极大地影响了劳动生产率。此外，机器零部件的磨损会使产品质量下降，甚至造成设备和人身事故，限制了工业的现代化、自动化发展，所以目前对耐磨材料的研究和磨损机理的探索，尤其是对耐磨铸件制造新技术，热处理工艺方案的多样化的研究，引起了人们广泛的关注。耐磨材料主要包括有金属及其化合物、陶瓷及其复合材料以及塑料等三大类，其中使用范围最广、消耗能量最多的是金属耐磨材料。金属耐磨材料主要有耐磨铸铁、耐磨钢、硬质合金、有色金属和金属基复合材料等。在金属耐磨材料中，最早出现且使用年代最长的是耐磨铸铁。常见的有普通白口铸铁、镍硬铸铁、铬系铸铁和贝氏体耐磨球铁等。目前应用较多的是低、高合金白口铸铁；早期的耐磨性能不足的低碳白口铸铁和普通白口铸铁都逐渐被取代。普通白口铸铁是我国应用最早的耐磨材料，碳含量高，不含或含少量合金元素，具有硬度高、韧性差的特点，故而其耐磨性能差，在有冲击载荷工况下易发生疲劳剥落甚至断裂。由此，普通白口铸铁的应用范围受到工况条件的限制，只适用于制造一些性能要求不高的耐磨零件。普通白口铸铁的显微组织主要是珠光体和网状渗碳体或莱氏体，硬脆相渗碳体呈网状连续分布于珠光体基体中，脆性很大。合金元素的含量较低，强韧性差，而碳含量的多少对普通白口铸铁的耐磨性起到关键作用，碳含量越高则铸铁的耐磨性相对要好。经过等温淬火处理的白口铸铁基体组织中出现贝氏体，共晶碳化物呈粒状分布，可以提高材料的冲击韧性。耐磨钢是耐磨材料中用量较大的一种，由于在矿山机械的应用中具有较好的耐磨性和韧性，受到极大欢迎。它的种类很多，大体可分为高锰钢，超高锰钢，变质中锰耐磨钢以及低、中合金耐磨钢等。磨粒磨损是物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物相互摩擦过程中材料表面发生损失的现象。按磨损过程中是否存在第三体可分为两体磨料磨损（工件表面和固定磨料摩擦所形成的磨损）和三体磨料磨损（磨料在两物体表面间形成的磨损）两种类型；按物体表面所受磨粒作用力可分为凿削式磨料磨损、低应力擦伤式磨料磨损和高应力辗碎式磨料磨损。由于实际磨损过程中工况的复杂性，材料的磨损往往是多种磨损形式共同作用的结果，不过总有一个磨损机理在这个过程中起到决定性作用。耐磨材料一般在相对应的工况条件下使用，由于使用环境的不同对其性能要求也不相同。在干磨条件下耐磨材料的失效形式主要是磨料磨损引起的材料磨损、宏观断裂和磨损面变形，由此提出对耐磨材料的基本性能要求：①高的硬度，高硬度的基体可以抵抗磨粒对基体的微观切削作用，在一定程度上体现了材料的耐磨性能；②较高的塑韧性、应变疲劳抗力、脆断抗力和剥层疲劳抗力，高的塑韧性可以减少或者抑制裂纹的萌生和扩展，特别是在高冲击作用的工况下具有优异的抗断裂破坏能力；③高的淬透性，材料的淬透性高才能保证在大尺寸条件下材料整体组织均匀、性能稳定，耐磨性得予保证。在组织方面，耐磨合金钢热处理后的显微组织主要有马氏体、贝氏体、残余奥氏体和碳化物等。铸态耐磨材料组织晶粒一般较粗大，存在成分偏析现象以及残余应力。通过相应的热处理可以改善这些状况，提高材料的耐磨性能。常见的热处理工艺有退火、正火、淬火和回火。①淬火+回火工艺在钢铁的热处理中经常用到，主要是为了得到以回火马氏体为主的显微组织；②正火+淬火+回火工艺，由于经过两次转化，其显微组织明显细化，从而耐磨性上升；③Q-P-T热处理工艺，相当于钢的时效处理工艺，即将钢奥氏体化后淬火到Ms～Mf之间的某一温度，在这个温度或稍高于该温度下保温使碳从马氏体中扩散到未转变的奥氏体中，在淬火到室温后得到马氏体和富碳奥氏体的复相组织，当材料进一步回火后，碳化物弥散析出从而起到弥散强化的作用，由于有薄膜状奥氏体分布于马氏体板条间，有利于吸收更多的冲击功，阻碍了裂纹的扩展和萌发，耐磨性提高；④分级淬火工艺，即将奥氏体状态的工件首先淬入温度略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，在工件内外温度均匀后，从炉中去除空冷至室温，这种淬火方式较少了热应力，且显著降低组织应力，可放置工件淬火变形和开裂；⑤降温淬火工艺，即工件在奥氏体化温度保温一段时间后再在稍低于奥氏体化温度的某温度下保温，随后空淬并回火，其组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体+碳化物，这样做的目的主要是在较低的温度下淬火可以避免高温晶粒粗大以及高的淬火应力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对传统高锰钢不能完全发挥其本身的特性就因变形而报废的问题，提供了一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：（1）将碳化铬粉末、氮化硅粉末、金属锰粉末、金属钛粉末、金属铜粉末、金属铝粉末、金属铈粉末加入纯铁粉末中，置于搅拌机内，常温下以300～360r/min转速搅拌混合30～40min，得前驱体粉；（2）将前驱体粉末置于冷压机中，常温下以160～200MPa的压力压制超细，保压2～4s，得前驱体素胚；（3）将前驱体素胚置于管式烧结炉中，通入氮气保护，再从常温升温至1600～1700℃，保温10～20min，得金属熔融液；（4）将金属熔融液浇注至石英模具中，淬水3～5次，常温静置20～24h，脱模，得高韧性轻质耐磨钢。所述的纯铁粉末、碳化铬粉末、氮化硅粉末、金属锰粉末、金属钛粉末、金属铜粉末、金属铝粉末、金属铈粉末的重量份为100～120份纯铁粉末、10～12份碳化铬粉末、5～6份氮化硅粉末、1.0～1.2份金属锰粉末、0.5～0.6份金属钛粉末、0.5～0.6份金属铜粉末、0.10～0.12份金属铝粉末、0.20～0.24份金属铈粉末。步骤（3）所述的氮气通入速率为160～200mL/min，升温速率为20℃/min。步骤（4）所述的石英模具的规格为100mm×40mm×40mm。步骤（1）所述的氮化硅粉末的具体制备步骤为：（1）将硅粉、铁粉、氯化铵置于搅拌机中，常温下以180～200r/min转速搅拌30～40min，得硅铁混合粉末；（2）将硅铁混合粉末置于管式烧结炉中，通入氮气保护，在600～700℃的条件下保温烧结10～12h，随炉冷却至室温，得块状混合物；（3）将块状混合物置于研磨机中，常温下以200～250r/min转速研磨4～6h，酸洗3～5次，再用去离子水洗涤至中性，置于60～80℃的烘箱中干燥1～2h，常温冷却，得氮化硅粉末。所述的硅粉、铁粉、氯化铵的重量份为30～40份硅粉、15～20份铁粉、60～80份氯化铵。步骤（2）所述的氮气通入速率为80～100mL/min。步骤（3）所述的酸洗采用的是质量分数1%的盐酸。步骤（1）所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：/n（1）将碳化铬粉末、氮化硅粉末、金属锰粉末、金属钛粉末、金属铜粉末、金属铝粉末、金属铈粉末加入纯铁粉末中，置于搅拌机内，常温下以300～360r/min转速搅拌混合30～40min，得前驱体粉；/n（2）将前驱体粉末置于冷压机中，常温下以160～200MPa的压力压制超细，保压2～4s，得前驱体素胚；/n（3）将前驱体素胚置于管式烧结炉中，通入氮气保护，再从常温升温至1600～1700℃，保温10～20min，得金属熔融液；/n（4）将金属熔融液浇注至石英模具中，淬水3～5次，常温静置20～24h，脱模，得高韧性轻质耐磨钢。/n

【技术特征摘要】
1.一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：
（1）将碳化铬粉末、氮化硅粉末、金属锰粉末、金属钛粉末、金属铜粉末、金属铝粉末、金属铈粉末加入纯铁粉末中，置于搅拌机内，常温下以300～360r/min转速搅拌混合30～40min，得前驱体粉；
（2）将前驱体粉末置于冷压机中，常温下以160～200MPa的压力压制超细，保压2～4s，得前驱体素胚；
（3）将前驱体素胚置于管式烧结炉中，通入氮气保护，再从常温升温至1600～1700℃，保温10～20min，得金属熔融液；
（4）将金属熔融液浇注至石英模具中，淬水3～5次，常温静置20～24h，脱模，得高韧性轻质耐磨钢。


2.根据权利要求1所述的一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述的纯铁粉末、碳化铬粉末、氮化硅粉末、金属锰粉末、金属钛粉末、金属铜粉末、金属铝粉末、金属铈粉末的重量份为100～120份纯铁粉末、10～12份碳化铬粉末、5～6份氮化硅粉末、1.0～1.2份金属锰粉末、0.5～0.6份金属钛粉末、0.5～0.6份金属铜粉末、0.10～0.12份金属铝粉末、0.20～0.24份金属铈粉末。


3.根据权利要求1所述的一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的氮气通入速率为160～200mL/min，升温速率为20℃/min。


4.根据权利要求1所述的一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的石英模具的规格为100mm×40mm×40mm。


5.根据权利要求1所述的一种高韧性轻质耐磨钢的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的氮化硅粉末的具体制备步骤为：
（1）将硅粉、铁粉、氯化铵置于搅拌机中，常温下以180～200r/min转速搅拌30～40min，得硅铁混合粉末；
（2）将...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，
申请(专利权)人：宁波博大申博企业管理有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33