一种析出物增强贝氏体-马氏体复相耐磨衬板的制备方法与流程

一种析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的制备方法，属于高强耐磨钢及其及热处理技术领域。


背景技术：

2.冲击磨料磨损是采矿和矿石加工工业中一种常见的材料失效类型。据不完全统计，全国每年仅耐磨钢铁材料的消耗量达400万吨左右，而其中由冲击磨损引起的消耗就占总消耗量的50％以上。造成的直接经济损失可达200亿元以上，并且由于磨损失效导致的生产安全事故频频发生。因此，开发高性能的耐磨钢已经成为世界钢铁材料领域的研究重点。
3.中国发明专利cn 106282777 a公布了一种贝氏体
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马氏体复相耐磨钢材料的制备方法，其化学元素成分及其质量百分比为：c：0.5
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0.6％，si：2.0
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2.2％，mn：2.5
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2.8％，p<0.03％，s<0.03％，余量为fe。采取熔炼、退火等热处理工艺调控，获得带孔基体和嵌体，再将两者镶嵌得到贝氏体
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马氏体复相钢。制备得到的耐磨衬板具有较高的强度和硬度，与高锰钢衬板相比大幅提高了衬板的使用寿命。但是其生产工艺复杂，带孔基体与嵌体的结合容易出现缺陷，在实际的工程应用中难以推广。目前大多数高强度耐磨钢通常基体为马氏体和贝氏体组织组成，工业生产过程中通常采用增加碳含量的方式来提高材料的硬度，借此提高耐磨性。但碳当量的提高对材料的可焊性以及可加工性会带来极大的损害。而第二相强化是除细晶强化以外脆性矢量最小的一种强化方式，硬质的第二相颗粒可以有效抵抗衬板在冲击磨料磨损中的磨料嵌入与深切削的现象，大幅提升衬板耐磨性。此外，对于衬板这类大型耐磨件，热处理过程中的快速加热和冷却会导致大量的体积变化，伴随着衬板直接开裂的问题。
4.因此，本发明是针对现有高强耐磨衬板制备工艺的不足，通过改善合金成分和热处理工艺，采取阶梯式加热和分级等温淬火的工艺，同时析出大量的微米级碳化物沉淀提升贝氏体
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马氏体复相钢的硬度及耐磨性，使其适用于冲击磨料磨损环境下使用的耐磨衬板。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的制备方法，通过添加碳化物形成元素和热处理工艺分级调控，使得贝氏体
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马氏体复相钢中析出大量的微米级析出物与基体协同强化提高材料在冲击磨料磨损工况下的耐磨性，并避免衬板热处理开裂，具体包括以下步骤：
6.(1)熔炼及浇注：按化学元素成分及其质量百分比为：c：0.3
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0.4％，si：0.3
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0.5％，mn：0.5
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0.8％，cr：1.0～1.1％，ti：0.4
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0.6％，mo：0.3
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0.4％，ni：0.5
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0.6％，p<0.03％，s<0.03％，余量为fe及不可避免的杂质的比例称取原料，然后进行熔炼及浇注得到铸态钢锭；通常高强钢采取增加c含量提高硬度的方式来改善耐磨性，但这会降低材料的可焊性，为了同时提高材料的耐磨性和可加工性，通过加入合金元素形成析出物的方式来改
善耐磨性。
7.(2)热处理淬火工艺：将铸态钢锭放入加热炉内，以65～80℃/h的速度升温至500
±
20℃保温20
‑
30min，然后以65
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80℃/h的速度升温至900
±
20℃进行奥氏体化，保温时间为1.5～3h，将样品放入放入淬火池中，对钢坯表面温度进行监测，当钢坯温度降至600
±
50℃时取出钢坯空冷30
‑
40min，然后再次进行水淬，当温度降至300
±
50℃时，取出钢坯置于盐浴池中，保持钢坯温度不变进行等温处理获得贝氏体，按每50mm有效厚度保温1.5h的时间进行保温；然后空冷至室温，最后进行去应力回火即可制得析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨钢。
8.优选的，本发明步骤(1)的熔炼过程为：将铁块装入坩埚内加热到1450℃
±
50℃，向炉内加入硅铁块、锰铁块、铬铁块，继续升温使其充分熔化，当温度加热到1500
‑
1550℃时保持温度，并继续向炉中加入钛锭、钼丝、镍丝进行合金化熔炼，持续熔炼30
‑
50min，在去除杂质后开始进行浇注，浇注过程控制在3min之内，当铸件冷却后从不同位置钻取钢屑，之后进行化学成分分析，控制成分在合金化调控范围内。
9.优选的，本发明所述去应力回火的温度为200
±
20℃，时间为1.5～2.5h。
10.本发明原理：通过优化合金成分，使贝氏体
‑
马氏体复相钢的cct曲线右移，并且通过添加ti，mo等合金元素在组织中生成微米级(ti，mo)c析出物；通过析出物的第二相强化增益，大幅度提升基体的硬度和抗变形能力，从而达到提高贝氏体
‑
马氏体复相钢衬板冲击磨料磨损抗性的目的。
11.本发明选取ti作为主要的析出沉淀元素，tic与vc和nbc相比具有硬度高、密度低的优点，并且ti元素的价格普遍低于v和nb，更适合作为工业生产的主要沉淀元素。针对传统大型衬板在热处理过程中内外温度不均、容易由热应力导致开裂的问题，设计了双级加热和分级淬火的热处理工艺，使贝氏体
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马氏体复相衬板在热处理过程中尽可能保持内外均热，得到更为均匀稳定的组织和性能。此外，在等温温度的选择上选取下贝氏体转变的温度区间，经过长时间等温处理可以使得过冷奥氏体中的碳充分配分，并稳定到室温，避免传统高强度衬板塑性较差的问题，薄膜状的残余奥氏体与板条状的下贝氏体组织依靠形变诱导马氏体相变可以在冲击磨损过程中产生大量的加工硬化，大幅度提升高强钢的耐磨性。
12.本发明的有益效果
13.(1)本发明通过降低c含量并添加ti和mo元素结合热处理工艺，使得衬板产生微米级(ti，mo)c复合析出相；通过这些微米级析出物抵抗冲击磨料磨损过程中破碎的磨料颗粒嵌入基体，避免了相对滑动产生的深切削，从而大幅度改善了贝氏体
‑
马氏体复相衬板的耐磨性。
14.(2)本发明采用了分级加热的方式进行奥氏体化，通过分级加热可以使得大型衬板的内外升温速率尽量一致，避免铸件内外过大的温度梯度产生内应力开裂；此外，分级加热过程的第一道加热可以为第二道加热积累热焓，为后续的再结晶提供驱动力。
15.(3)本发明通过合金化设计使得材料的铁素体和珠光体的cct曲线右移，无需较快的冷速也可以绕过铁素体和珠光体转变曲线；在等温淬火过程中添加了两道降温过程，避免衬板在降温过程中由于淬火应力产生开裂；此外，通过在下贝氏体转变温度盐浴等温，可以使得过冷奥氏体中的碳充分配分，并稳定到室温，避免传统高强度衬板塑性较差的问题。
16.(4)本发明利用合金化设计和热处理调控，获得含析出物的复相组织，在具有较高
硬度和冲击韧性的同时，还兼顾高耐磨性，该衬板在相同冲击磨料磨损条件下的耐磨性比传统无碳化物复相衬板提高了50％。
附图说明
17.图1本发明中无析出物的贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板经过4h冲击磨料磨损后的磨损表面sem图像。
18.图2本发明析出物增强贝氏体/马氏体复相耐磨衬板的实施例2的元素分布图。
19.图3本发明析出物增强贝氏体/马氏体复相耐磨衬板热处理工艺的示意图。
20.图4本发明析出物增强贝氏体/马氏体复相耐磨衬板的实施例1的彩色金相形貌及析出物分布对比om图。
21.图5本发明析出物增强贝氏体/马氏体复相耐磨衬板的析出物形态及组织放大sem图。
22.图6本发明析出物增强贝氏体/马氏体复相耐磨衬板中实施例1试样经过4h冲击磨料磨损后的磨损表面sem图像。
具体实施方式
23.下面根据本发明的原理，结合具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
24.实施例1
25.一种析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
26.(1)合金化设计：所述耐磨贝氏体钢的化学元素成分及其质量百分比为：c：0.30％，si：0.35％，mn：0.60％，cr：1.03％，ti：0，0.2％，0.4％，0.6％，mo：0.38％，ni：0.55％，p<0.03％，s<0.03％，余量为fe及不可避免的杂质。
27.(2)熔炼及浇注：将铁块装入坩埚内加热到1450℃，向炉内加入硅铁块、锰铁块、铬铁块，继续升温使其充分熔化，当温度加热到1550℃时保持温度，并继续向炉中加入钛锭、钼丝、镍丝进行合金化熔炼，持续熔炼50min，在去除杂质后开始进行浇注，浇注过程控制在3min之内，当铸件冷却后从不同位置钻取钢屑，之后进行化学成分分析，控制成分在合金化调控范围内。
28.(3)热处理淬火工艺：将铸态钢锭放入加热炉内，以70℃/h的速度升温至500℃保温25min，然后以75℃/h的速度升温至900℃进行奥氏体化，保温时间为2.5h，将样品放入放入淬火池中，对钢坯表面温度进行监测，当钢坯温度降至600℃时取出钢坯空冷35min，然后再次进行水淬，当温度降至300℃时，取出钢坯置于盐浴池中，保持钢坯温度不变进行等温处理获得贝氏体，按每50mm有效厚度保温1.5h的时间进行保温；然后空冷至室温，最后进行去应力回火即可制得析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨钢。
29.表1冲击磨损前后硬度及冲击韧性
30.[0031][0032]
表2不同磨损时间后的磨损重量损失
[0033] 1h2h3h4h总磨损量/gti含量为0％0.280.610.800.852.54ti含量为0.2％0.260.410.540.651.86ti含量为0.4％0.240.260.370.351.22ti含量为0.6％0.260.290.380.471.4
[0034]
通过对比可以看出提高ti含量可以明显提高衬板组织中的析出物含量，随着析出物的增加，衬板样品的硬度得到了明显的提升，冲击韧性略微下降。而衬板的耐磨性也随着ti含量增加也有明显提升，与不含ti的衬板相比，析出物增强贝氏体
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马氏体复相衬板的耐磨性提升了50％以上；图1显示了不加入ti元素的衬板冲击磨料磨损后的sem图像，可以发现没有析出物保护会有大量磨料嵌入材料基体，而磨料的嵌入会大幅度降低衬板的耐磨性。
[0035]
实施例2
[0036]
一种析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
[0037]
(1)合金化设计：所述耐磨贝氏体钢的化学元素成分及其质量百分比为：c：0.4％，si：0.5％，mn：0.80％，cr：1.0％，ti：0.4％，mo：0，0.2％，0.3％，0.4％，ni：0.5％，p<0.03％，s<0.03％，余量为fe及不可避免的杂质。
[0038]
(2)熔炼及浇注：将铁块装入坩埚内加热到1450℃，向炉内加入硅铁块、锰铁块、铬铁块，继续升温使其充分熔化，当温度加热到1550℃时保持温度，并继续向炉中加入钛锭、钼丝、镍丝进行合金化熔炼，持续熔炼40min，在去除杂质后开始进行浇注，浇注过程控制在3min之内，当铸件冷却后从不同位置钻取钢屑，之后进行化学成分分析，控制成分在合金化调控范围内。
[0039]
(3)热处理淬火工艺：将铸态钢锭放入加热炉内，以70℃/h的速度升温至520℃保温20min，然后以80℃/h的速度升温至900℃进行奥氏体化，保温时间为1.5h，将样品放入放入淬火池中，对钢坯表面温度进行监测，当钢坯温度降至650℃时取出钢坯空冷30min，然后再次进行水淬，当温度降至350℃时，取出钢坯置于盐浴池中，保持钢坯温度不变进行等温处理获得贝氏体，按每50mm有效厚度保温1.5h的时间进行保温；然后空冷至室温，最后进行去应力回火即可制得析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨钢。
[0040]
表3冲击磨损前后硬度及冲击韧性
[0041][0042]
表4不同磨损时间后的磨损重量损失
[0043] 1h2h3h4h总磨损量/gmo含量为0％0.450.620.740.812.62mo含量为0.2％0.360.420.510.661.95mo含量为0.3％0.270.380.460.551.66mo含量为0.4％0.250.300.410.521.48
[0044]
通过对比不同mo含量样品的性能可以看出，单一ti元素添加无法与mo含量形成复合析出；而经过ti和mo元素复合析出后的冲击磨料磨损抗性得到了明显的提升，与不添加mo元素相比耐磨性提升了40％；如图2的epma元素分布图所示，a、b、c、d图分别显示了基体形貌、c元素分布、mo元素分布和ti元素分布。可以看出ti和mo元素会形成硬质的(ti，mo)c析出，对比单一tic析出，其硬度更高，可以有效保护基体组织。
[0045]
实施例3
[0046]
一种析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
[0047]
(1)合金化设计：所述耐磨贝氏体钢的化学元素成分及其质量百分比为：c：0.35％，si：0.4％，mn：0.50％，cr：1.0％，ti：0.5％，mo：0.38％，ni：0.6％，p<0.03％，s<0.03％，余量为fe及不可避免的杂质。
[0048]
(2)熔炼及浇注：将铁块装入坩埚内加热到1450℃，向炉内加入硅铁块、锰铁块、铬铁块，继续升温使其充分熔化，当温度加热到1550℃时保持温度，并继续向炉中加入钛锭、钼丝、镍丝进行合金化熔炼，持续熔炼30min，在去除杂质后开始进行浇注，浇注过程控制在3min之内，当铸件冷却后从不同位置钻取钢屑，之后进行化学成分分析，控制成分在合金化调控范围内。
[0049]
(3)热处理淬火工艺：将铸态钢锭放入加热炉内，以70℃/h的速度升温至500
±
20℃保温20
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30min，然后以65
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80℃/h的速度升温至900
±
20℃进行奥氏体化，保温时间为1.5～3h，将样品放入放入淬火池中，对钢坯表面温度进行监测，当钢坯温度降至600
±
50℃时取出钢坯空冷30
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40min，然后再次进行水淬，当温度降至300
±
50℃时，取出钢坯置于盐浴池中，保持钢坯温度不变进行等温处理获得贝氏体，按每50mm有效厚度保温1.5h的时间进行保温；然后空冷至室温，最后进行去应力回火即可制得析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨钢。
[0050]
具体条件如表5和6所示：
[0051]
表5冲击磨损前后硬度及冲击韧性
[0052][0053]
表6不同磨损时间后的磨损重量损失
[0054][0055][0056]
通过对比可以发现，不经过分级加热和双级淬火的样品冲击韧性会大幅度降低，快速的加热和冷却会产生非常大的内应力，对于衬板这类大型铸件会使得其容易出现裂纹等缺陷。而经过分级加热和双级淬火的样品其硬度和冲击韧性都有大幅度提升。
[0057]
对比分析：
[0058]
通过本发明的合金化设计及热处理工艺调控，分别制得不同ti，mo含量的析出物增强贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板，并且与不添加ti，mo元素的贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板的性能进行了对比。通过图4中的基体金相组织可以发现，经本发明合金化调控和热处理后的衬板，在基体组织中弥散分布着大量的(ti，mo)c碳化物沉淀，并且随着ti，mo含量的增加，析出物的含量也会进一步增多，分布也将更加均匀。这些硬质的析出物颗粒具有极高的硬度，在冲击磨料磨损过程中可以有效的保护基体，避免基体组织被磨料碎片嵌入。此外，根据图5的组织放大图可以看出，经过热处理调控后基体中有大量的薄膜状残余奥氏体，这些薄膜状的残余奥氏体能够有效的改善材料的塑韧性，使得衬板具有更高的耐磨性。通过合金化处理之后，衬板的cct曲线右移，尽管在600℃等温了一段时间，但是在基体组织中并没有观察到铁素体与珠光体，说明选择的分级淬火工艺在有效改善衬板热应力开裂的同时没有影响基体的硬度。与单级加热和直接淬火的衬板样品相比，材料的冲击韧性得到极大改善。
[0059]
将上述实例1
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3中制得的贝氏体
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马氏体复相耐磨衬板分别切取不同三个位置的样品进行冲击磨料磨损实验，冲击功设置为1j，磨料的粒度为20
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40目，冲击前进行20min的预磨损，以获得一个合适的磨损接触面。经过4h的冲击磨料磨损后，样品的基体硬度、冲击后硬度以及冲击韧性如表1，3，5所示；冲击磨料磨损的失重量如表2，4，6所示。未添加ti，mo的无碳化物贝氏体
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马氏体耐磨钢的耐磨性最低，单级加热和单级淬火的样品冲击韧性最低。此外，如图6(图a是不加析出物的衬板磨损形貌，图b是其放大图，图c是加析出物衬板磨损形貌，图d是放大图)冲击磨损后形貌图所示，没有经过析出物强化的衬板伴随大量的磨
料嵌入和深犁沟，严重降低了衬板的耐磨性。而通过本发明的合金化设计及热处理调控，贝氏体
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马氏体耐磨衬板的硬度、冲击韧性和耐磨性得到了明显改善。