專(zhuān)利名稱(chēng):高強(qiáng)耐磨耐高溫納米合金鋼材料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本項(xiàng)發(fā)明屬于合金鋼材料生產(chǎn)制造領(lǐng)域,具體為一種高強(qiáng)耐磨耐高溫合金鋼材料及其制取方法。
背景技術(shù):
隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了一個(gè)前所未有的新時(shí)期。工業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料提出了新的要求,特別是對(duì)使用量大、應(yīng)用范圍廣的鋼鐵材料,人們期望利用最少的資源、最低的成本,生產(chǎn)制造出具有非常優(yōu)異綜合性能的先進(jìn)鋼鐵材料,以此滿(mǎn)足社會(huì)進(jìn)步對(duì)于材料的特別需求。
近年來(lái),相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步,為鋼鐵材料的發(fā)展提供了設(shè)備、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、傳動(dòng)等多種支撐手段和條件,促進(jìn)鋼鐵工業(yè)技術(shù)自身有了很大的進(jìn)步,例如鋼水冶煉純凈化、鋼坯生產(chǎn)連續(xù)化、連續(xù)軋制高速化等等。使得鋼鐵材料的生產(chǎn)有了相當(dāng)?shù)母纳疲摬馁|(zhì)量顯著提高。
自20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始逐步認(rèn)識(shí)到微合金元素在鋼中的細(xì)晶強(qiáng)化作用,使得鋼的控制軋制和微合金化技術(shù)研究開(kāi)始起步。20世紀(jì)70~80年代,以控制冷卻設(shè)備的開(kāi)發(fā)為支撐,以細(xì)晶強(qiáng)化為中心,進(jìn)行了控制軋制和控制冷卻技術(shù)的研究,將微合金化技術(shù)的效果發(fā)揮到新的水平。20世紀(jì)90年代,以超輕車(chē)開(kāi)發(fā)為目標(biāo),利用相變強(qiáng)化等手段,開(kāi)發(fā)出可以滿(mǎn)足不同使用要求的各種類(lèi)型的高強(qiáng)鋼,鋼材的復(fù)相化得到了人們的普遍重視。
20世紀(jì)90年代后期,日本、韓國(guó)、中國(guó)相繼提出超細(xì)晶鋼開(kāi)發(fā)計(jì)劃,將晶粒細(xì)化的作用提到更加顯著的地位。日本官方支持的國(guó)立研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了晶粒細(xì)化的基礎(chǔ)研究,探討晶粒細(xì)化的極限;而很多企業(yè)則利用晶粒細(xì)化的思想,進(jìn)行不同等級(jí)、滿(mǎn)足不同性能要求的具體材料的開(kāi)發(fā),已經(jīng)開(kāi)發(fā)了工業(yè)規(guī)模不同性能和用途的細(xì)晶鋼等。韓國(guó)以POSCO為代表,進(jìn)行了高強(qiáng)、耐腐蝕、可焊接的新一代鋼鐵材料的開(kāi)發(fā),并已探索出工業(yè)應(yīng)用的途徑。我國(guó)于1998年底啟動(dòng)了國(guó)家重大基礎(chǔ)研究規(guī)劃項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”,在“努力實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料均質(zhì)化、純凈化、細(xì)晶化”的思想指導(dǎo)下,400、800、1500MPa級(jí)超級(jí)鋼等項(xiàng)研究取得重大進(jìn)展,并率先在世界上進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用,引起國(guó)際上的重視,標(biāo)志著我國(guó)鋼鐵材料研究已步入了一個(gè)新的階段。
與此同時(shí),歐洲也進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用研究。1999年,歐洲煤鋼聯(lián)盟(ECSC)確立了一項(xiàng)為期1年的超細(xì)晶鋼可行性研究項(xiàng)目,隨后在2001年又啟動(dòng)了名為“利用創(chuàng)新變形過(guò)程制造超細(xì)晶粒鋼”的研究項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的目的是研究鋼材的變形過(guò)程,在工業(yè)規(guī)模上制造具有優(yōu)良力學(xué)和使用性能、在后續(xù)加工中具有良好響應(yīng)的新一代鋼鐵材料。該項(xiàng)目包括四個(gè)工作單元,分別涉及表面超細(xì)晶、低碳超細(xì)晶、中碳超細(xì)晶、高碳超細(xì)晶等幾種重要的鋼鐵材料。該項(xiàng)目目前已取得重大進(jìn)展。
材料細(xì)晶化對(duì)于新的鋼鐵材料的開(kāi)發(fā)具有重要意義,因此需要將細(xì)晶化的思想進(jìn)一步貫徹到各類(lèi)高強(qiáng)鋼的研究中去,以推動(dòng)細(xì)晶化技術(shù)的發(fā)展。日本川崎制鐵開(kāi)發(fā)了細(xì)晶化的“超級(jí)HSLA鋼”,強(qiáng)度等級(jí)分別為590、780MPa級(jí)。這種鋼利用低溫加熱和添加微合金元素Ti等手段,通過(guò)低溫高速精軋階段的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,細(xì)化奧氏體晶粒,使得鐵素體晶粒由原來(lái)的6~7μm細(xì)化到2μm左右,開(kāi)發(fā)的材料兼有良好的彎邊成形性和延伸性能,已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)。
微合金元素的應(yīng)用,可以大大強(qiáng)化控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用效果。在新一代鋼鐵材料的開(kāi)發(fā)中,如果能夠充分利用微合金化對(duì)控軋控冷技術(shù)的有利影響,可以較大幅度地促進(jìn)材料性能的提高。其中金屬鈮Nb是最重要的微合金元素,它能抑制再結(jié)晶過(guò)程,提高材料的再結(jié)晶溫度,是長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)行晶粒細(xì)化的重要手段。例如在細(xì)晶化雙相鋼的開(kāi)發(fā)中,采用0.103%的Nb,可以使材料在熱連軋精軋機(jī)組的后部機(jī)架處于未再結(jié)晶區(qū),軋制變形的應(yīng)變積累使精軋后的軋件處于硬化狀態(tài)。這種硬化狀態(tài)的奧氏體,通過(guò)輸出輥道上適當(dāng)?shù)倪B續(xù)控制冷卻,不但可較大幅度的細(xì)化鋼的晶粒尺寸,而且大大簡(jiǎn)化了操作,降低了鋼材的生產(chǎn)難度。采用這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的新鋼號(hào)具有由超細(xì)鐵素體(2~3μm)和彌散分布的馬氏體組成的組織、高的拉伸強(qiáng)度(650~800MPa)和延伸率(20%~25%)以及優(yōu)異的使用性能。
對(duì)于鋼鐵材料,追求其耐磨損、長(zhǎng)壽命也是非常重要的指標(biāo)。晶粒細(xì)化必然會(huì)大幅度提高鋼材的這些特性。在目前的水準(zhǔn)上如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鋼材晶粒的進(jìn)一步細(xì)化,進(jìn)入到μm級(jí)以下,甚至達(dá)到100納米以下,從而獲得鋼鐵材料更加優(yōu)越的性能。已經(jīng)成為冶金工作者新的努力方向和不懈追求。
發(fā)明內(nèi)容
本項(xiàng)發(fā)明的具體目的就是要利用合金元素能夠有效制約鋼的結(jié)晶粒度長(zhǎng)大原理,摸索鋼鐵材料的有效合金成份和合適的制作工藝,生產(chǎn)制造出性能更加優(yōu)越的高強(qiáng)耐磨超細(xì)晶粒合金鋼。以此滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)之急需,推進(jìn)冶金行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
根據(jù)前述已經(jīng)十分成熟的經(jīng)驗(yàn),鋼液之中金屬鈮(Nb)的加入,可以明顯起到鋼的結(jié)晶細(xì)化作用,除此而外,發(fā)明者還選擇了金屬鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)等元素,作為煉鋼的合金元素加入到鋼液之中,最終生產(chǎn)出了理想的超細(xì)晶粒達(dá)到了納米級(jí)的合金鋼材料,使得本發(fā)明的目的得以滿(mǎn)足。
本項(xiàng)發(fā)明所獲得合金鋼材份如下表1所列表1
在表1所列高強(qiáng)耐磨耐高溫納米合金鋼(以下簡(jiǎn)稱(chēng)納米合金鋼)成分中,部分起到晶粒細(xì)化作用的元素如鎢、釩、鉬等有時(shí)也可以在同一次冶煉時(shí)不加入,所獲合金鋼的性能基本相同。因此,在表中當(dāng)某種元素未被加入時(shí),該種元素取值的下限為0.0。還有,納米合金鋼中合金元素鎢、錳、釩、鈮、鉬、碳、鉻的總加入量不超過(guò)納米合金鋼總重量20%;表1中的其他元素指的是鋼中可能存在的微量夾雜物元素,如硅(Si)、鋁(Al)、鈣(Ca)等,其余成份為鐵(Fe)元素。
本項(xiàng)發(fā)明依據(jù)冶煉方法制取納米合金鋼。所使用的主體設(shè)備為真空感應(yīng)爐。工藝流程主要包括原料準(zhǔn)備、入爐冶煉、鑄造成型等三道工序。每道工序的具體內(nèi)容包括原料準(zhǔn)備。按照表1所列的合金用各項(xiàng)成份準(zhǔn)備好原料,其中每一元素基本以該種元素的鐵合金為原料,如鎢鐵合金、釩鐵合金、鉬鐵合金等,鐵元素以采用生鐵或普碳鋼為宜;由于在熔化冶煉過(guò)程中各種合金成份幾乎沒(méi)有燒損,因此,準(zhǔn)備原料時(shí)根據(jù)冶煉納米合金鋼的某種合金元素的目標(biāo)成份,換算成該種合金元素在所用原料相應(yīng)元素鐵合金的含量加入既可。例如,冶煉某一批號(hào)的納米合金鋼,最終需要100千克金屬鎢。取含鎢50%的鎢鐵合金作原料時(shí),鎢鐵合金的需要量為200千克。
入爐冶煉。將準(zhǔn)備好的原料加入到真空感應(yīng)爐中,封閉好爐子,抽真空,爐內(nèi)壓力降到760mmHg時(shí),充入氬氣到500mmHg,開(kāi)始加熱升溫,當(dāng)熔化溫度達(dá)到1620-1750℃,入爐原料全部熔化且成份均勻之后,冶煉出鋼。
鑄錠成型。將鋼水倒入事先準(zhǔn)備好的盛鋼桶(鋼水包)中,再根據(jù)需要,將鋼水注入到事先準(zhǔn)備好的模具中,澆鑄成型。
本項(xiàng)發(fā)明制取的納米合金鋼經(jīng)過(guò)中南大學(xué)、長(zhǎng)沙礦冶研究院、東北大學(xué)和中科院金屬所等單位利用掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),合金鋼中有80%晶粒粒度小于50納米(nm),其中東北大學(xué)測(cè)試中心利用透射電鏡對(duì)試樣進(jìn)行了多角度監(jiān)測(cè),試樣中的晶粒平均粒徑為20-30納米。因此此項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)造作出的合金鋼材料可以稱(chēng)為真正的納米合金鋼。
分析此鋼種晶粒超細(xì)化的原因,是因?yàn)樵撲摲N屬于雙相高度彌散,其粒子被彼此包圍、分隔,形成單個(gè)的超微粒子,一個(gè)相的超微粒子無(wú)法翻越進(jìn)入另一個(gè)相的超微粒子之中,從而避免了粒子的聚集和晶粒長(zhǎng)大,因此超微粒子大小比較穩(wěn)定,且由于其體積效應(yīng),縮小了其它原子的溶入空間。同時(shí)超量處于非晶狀態(tài)的界面原子阻礙了固態(tài)加熱過(guò)程中合金元素的原子和鐵原子的擴(kuò)散位移,故升溫、降溫不發(fā)生相變,淬火也無(wú)馬氏體轉(zhuǎn)變,所以它具有很高的熱穩(wěn)定性。例如,在生產(chǎn)上已試用于燒結(jié)機(jī)的單齒輥上,盡管單齒輥的負(fù)載溫度在800℃以上,可使用效果相當(dāng)良好。發(fā)明人提供的納米合金鋼經(jīng)反復(fù)熱處理試驗(yàn)后,經(jīng)金相檢測(cè),該納米晶機(jī)體合金鋼沒(méi)有相變。
由于超微粒子的體積效應(yīng),隨著納米粒子的直徑減少,能級(jí)間隙增大,電子移動(dòng)困難,電阻率增大,從而抗腐蝕性增加。
總之,這種納米合金鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高溫耐熱穩(wěn)定性、耐蝕性好,高彌散且粒子大小穩(wěn)定性好,同時(shí)具有良好的韌性。這些優(yōu)異的綜合性能使以往合金鋼的性能得到了超常突破。
經(jīng)檢測(cè),這種合金中鐵素體量高達(dá)80-90%,而復(fù)合碳化物僅占10-20%,它的強(qiáng)度卻大大得到提高,其硬度HRC達(dá)到55-65;與具有相同硬度的材料相比,該合金的韌性也大為改善,急冷急熱均不開(kāi)裂,具有可鍛、可焊等良好的熱加工性能,因此具有更廣泛的應(yīng)用前景,具體包括(1)可以軋制成板材、棒材及線材,從而按照不同工程機(jī)械的負(fù)載要求進(jìn)行選材使用,因其耐磨、耐熱,高強(qiáng)、韌性好,可以顯著提高構(gòu)件的使用壽命。
(2)按著本項(xiàng)發(fā)明所提供的方法進(jìn)行冶煉和精密鑄造,加工成各種零配件及模具等,既可滿(mǎn)足復(fù)雜成型的要求,又能使鑄造材質(zhì)具有良好的綜合性能,從而可最大限度地節(jié)約資源。
(3)由于此納米合金鋼的紅硬性高于普通高速鋼,且無(wú)需進(jìn)行熱處理,因而有可能取代高速鋼使用。
(4)該合金鋼其硬度高,抗裂性好,因此可以代替高價(jià)進(jìn)口的耐磨焊條進(jìn)行堆焊,修復(fù)冶金、礦山用大型設(shè)備,甚至可以替代30萬(wàn)元左右/噸的萊立特合金進(jìn)行使用。
(5)目前使用的硬質(zhì)合金鉆頭硬度高,但脆性較大,在鉆削石英巖時(shí),大多出現(xiàn)崩碎破損,消耗較大。本合金鋼其硬度能達(dá)HRC65左右,用納米合金鋼替代成本是該合金近8倍的硬質(zhì)合金鉆頭,可大大節(jié)約采礦成本并減少鉆頭資源消耗。
(6)可用來(lái)代替高價(jià)進(jìn)口的模具鋼。
(7)可用于石化工業(yè)耐磨、耐蝕且耐熱的部件上。比如裂變反應(yīng)管的內(nèi)壁等。
(8)采用復(fù)合鑄造的方式將本納米合金鋼鑄造或堆焊在大型冶金設(shè)備的耐磨部位,可以大大改善冶金設(shè)備的耐磨性問(wèn)題,獲得滿(mǎn)意的效果,且有望解決大型軋輥的耐用性問(wèn)題。
(9)本合金鋼在軍工方面可表現(xiàn)出更加卓越的性能,隱形飛機(jī)外殼、坦克裝甲及履帶、發(fā)射管、潛艇外殼等,均有可以利用本納米合金鋼進(jìn)行制作,由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將無(wú)法估量;(10)在航空航天領(lǐng)域,本合金鋼可用于飛行器的多個(gè)方面。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1經(jīng)過(guò)冶煉,所獲得的1號(hào)納米合金鋼的成份為
經(jīng)過(guò)冶煉,所獲得的2號(hào)納米合金鋼的成份為
冶煉上述的1號(hào)納米合金鋼時(shí),采取了如下的工藝方法。
(1).原料準(zhǔn)備。按照如下配比配制出原料,共計(jì)1000千克。
使用含鎢93%的碳化鎢96.8千克含99%的電解錳16.2千克使用50%釩鐵合金128千克含鈮65%的鈮粉24.6千克使用60%鋁鐵合金153.4千克使用60%鉻鐵合金83.4千克鑄鐵1500千克(2).入爐冶煉。將準(zhǔn)備好的原料加入到真空感應(yīng)爐中。封閉好爐子,抽真空,爐內(nèi)壓力降到時(shí)760mmHg后充入氬氣達(dá)到500mmHg,開(kāi)始加熱到1680℃度。
(3).待到原料全部熔化且成份均勻之后,將鋼水倒入事先準(zhǔn)備好的鋼水包中,鑄造成型。
經(jīng)過(guò)檢驗(yàn),獲得的1號(hào)納米合金鋼材料的有關(guān)指標(biāo)為
晶粒粒度平均粒度20.6mn硬度55-65HRC抗壓強(qiáng)度3900-4100Mpa。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)耐磨耐高溫合金鋼材料,該種合金鋼含有金屬鈮、釩、鎢等金屬元素,其特征在于合金鋼成份按重量百分?jǐn)?shù)為鎢含量0.0-6.0;錳含量0.6-3.0;釩含量2.0-6.0;鈮含量0.2-4.0;鉬含量2.0-7.0;碳含量0.5-4.0;鉻含量1.0-8.0;其他元素含量0.0-3.0;其余成份為鐵,合金鋼中有80%晶粒粒度小于50納米。
2.按著權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)耐磨耐高溫合金鋼材料,其特征為合金鋼中合金元素鎢、錳、釩、鈮、鉬、碳、鉻的總重量不超過(guò)合金鋼總重量20%。
3.一種按著權(quán)利要求1所述的合金鋼材料的制取方法,該種方法主要包括原料準(zhǔn)備、冶煉出鋼、鑄造成型等工序,其特征在于方法中以真空感應(yīng)爐為主要設(shè)備,原料裝入后抽真空,爐內(nèi)壓力降到760mmHg時(shí),充入氬氣到500mmHg,開(kāi)始加熱進(jìn)行熔化冶煉,冶煉溫度為1620-1750℃。
全文摘要
本項(xiàng)發(fā)明屬于合金鋼材料生產(chǎn)制造領(lǐng)域,具體為一種高強(qiáng)耐磨耐高溫合金鋼材料及其制取方法。采用本方法制取的納米合金鋼的特征是鋼中有80%晶粒粒度小于50納米(nm)。具有優(yōu)異的性能,可以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)于鋼鐵材料的各種需求。
文檔編號(hào)C22C33/04GK101037759SQ20061004606
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者孫中強(qiáng) 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)東北大學(xué)冶金技術(shù)研究所