一种耐磨高速钢及其制备方法

1.本发明为一种高速钢及其热处理方法，特别涉及一种耐磨高速钢及其热处理方法，属于耐磨材料技术领域。


背景技术：

2.钢铁型材的制造，主要依赖于冷轧与热轧工艺。轧辊是轧钢机的重要组成部件，轧辊的质量和性能直接影响了轧机的生产效率、带钢质量以及生产制造成本。由于长期承受高负荷、交变应力、持续摩擦和高温环境，热轧辊必须具备高硬度、优良的耐磨性和热稳定性。此外，为了应对冲击和振动，轧辊还需要具备一定的强度和韧性，以免造成断辊。近30多年来，使用高速钢作为轧辊材料取得了良好的成效。据报道，在20世纪80年代，我国生产每吨钢材所消耗的轧辊非常多，平均消耗量超过3.0kg/t钢，而随着高速钢轧辊技术的发展，目前我国生产每吨钢材所消耗的轧辊约为0.9kg/t钢材左右。
3.高速钢的优良耐磨性和红硬性与其组织构成密切相关。高速钢的金相组织主要是马氏体基体和共晶碳化物构成。高速钢中含有较多的碳和其他金属元素。这些元素中的一部分用来形成硬质合金碳化物，它们分布在组织中，增加高速钢的耐磨性；另一部分则固溶到马氏体中，造成晶格畸变，尤其是碳原子的间隙固溶强化作用，使马氏体的强度和硬度获得极大提升。此外，高速钢还具有二次硬化效应：在高温淬火时，一些合金元素(尤其是w、mo)溶入基体，随后在550℃左右回火时，马氏体中析出细小的二次碳化物mc与m2c，使钢的硬度变得更高。这使高速钢在600℃左右也有较好的硬度保持能力。因此，高速钢的优良性能得益于以下强化机制：固溶强化、第二相强化和弥散强化。然而，随着材料技术的发展，钢铁材料强度不断上升，变形量不断增大，轧辊的硬度与耐磨性仍有待提升。
4.为了进一步提高高速钢轧辊的耐磨性，中国发明专利cn202011606779.3公开了一种耐用型高速钢轧辊及其制造方法。该钢的化学成分及重量百分比为：1.50-2.50％c，0.90～1.50％si，0.40～1.40％mn，9.00～14.00％cr，0.50～2.00％ni，7.00～12.00％mo，1.00-3.00％v，0.50-2.50％w，≤1.0％nb，≤0.03％p；≤0.03％s，其余为fe和不可避免的杂质。热处理工艺为：将铸件开箱后进行去应力退火，退火温度500℃～900℃，保温时间50～80h，保温结束后随炉冷却；然后机械加工需要的尺寸及精度；采用差温淬火方法对轧辊表面进行热处理，淬火温度1000℃～1200℃，淬火保温时间2～10h，采用喷雾或者吹风冷却方式冷却；回火温度450℃～550℃，回火时间共计120～170h。该高速钢组织为马氏体基体 碳化物，基体显微硬度580-670hv，辊身硬度达到了76-85hsd，耐磨性较好，但由于高速钢轧辊的高温红硬性差，高速钢在高温下硬度保持性不佳，轧辊高温耐磨性较差。
5.中国发明专利cn1631565公开了一种高钒高速钢复合轧辊及生产工艺，轧辊分为辊芯和轧辊耐磨层，辊芯采用韧性较好的低合金钢或中碳钢材料制作，轧辊耐磨层采用高钒高速钢材料，该高钒高速钢的主要元素含量为：c：1.8-3.5％、v：7-12％、cr：4-5％、mo：2-4％、ni：0.5-1.5％，余量为铁。其生产工艺为：辊芯与轧辊耐磨层通过感应加热顺序凝固结晶方法复合熔铸为一体。该发明轧辊的钒含量太高，易出现低硬度的m3c型碳化物，降低高
1.3％al，0.9-1.3％nb，《1.0％si，《0.6％mn，《0.03％s，《0.03％p，其余为fe及不可避免的杂质元素。
10.本发明耐磨高速钢用感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先在感应电炉中加入高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁、铌铁、金属钴、镍板，钢水熔清后加入铬铁，出炉前加入钒铁和硼铁，然后用铝对钢液脱氧和合金化，钢水炉前分析合格后出炉，钢水出炉温度1590～1615℃。将钢水浇铸到卧式离心铸造机中，铸造完成后空气冷却至室温，获得高速钢毛坯；为了高速钢毛坯降低硬度，改善加工性能，将高速钢毛坯经过950℃保温6h，进行炉冷退火，然后进行粗加工；粗加工后的高速钢在1050-1075℃奥氏体化60-120分钟，然后空冷至室温；最后，在500-530℃回火保温6-8h，炉冷至室温，精加工后获得耐磨性和红硬性好的耐磨高速钢。
11.本发明耐磨高速钢中，含有体积分数3.2-3.7％的显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的显微硬度，具有优异的抗磨性能。
12.高速钢的成分首先影响了金相组织中相的种类与组成，进而影响材料的硬度与耐磨性。本发明耐磨高速钢确定的化学成分如下：
13.v：钒是强碳化物形成元素，常与c结合形成vc，高硬度的vc有利于提高高速钢耐磨性。此外，mc碳化物常常在晶界处分布，它阻碍晶界迁移，抑制晶粒生长，进而达到强化材料的效果。但vc数量太多会增大摩擦系数和轧制负荷，增加轧钢能耗，影响带钢表面质量。因此，高速钢中v含量确定为4.1-4.3％。
14.w：钨元素是保证高速钢红硬性的关键。在高速钢的凝固组织中，钨元素通常以m6c共晶碳化物的形式存在。在较高奥氏体化温度下，部分m6c溶入奥氏体，然后回火时析出细小弥散的w2c二次碳化物，实现高速钢的二次硬化。钨的加入会使钢具有抗氧化性，避免高速钢在加热过程中的脱碳现象。但是，由于钨的相对原子质量比较大，若高速钢采用离心铸造生产，则会发生碳化物偏析，较重的钨碳化物富集在材料表层，降低材料表层韧性。综合考虑，w含量选择为4.6-5.1％。
15.mo：钼的作用与钨类似，主要存在形式是mo2c碳化物。钼原子量比钨小，每1％的钼能够取代1.8％的钨，即钼的钨当量是1.8。用钼部分替代w元素，可在一定程度上改善碳化物偏析现象；同时钼还影响回火时碳化物的析出位置，避免晶界处析出碳化物，可以提高钢的韧性。但若用钼全部取代钨，在热处理过程中会加剧氧化和脱碳。mo的含量选择为5.4-6.1％。
16.cr：铬元素能够改善高速钢的淬透性和抗氧化性。在高速钢中，铬元素既可以存在于m6c碳化物中，也可以形成m
23
c6碳化物。后者的溶解温度不高，在淬火保温时可以全部溶入高温奥氏体，并在回火时析出二次碳化物，强化材料。但过量添加cr会造成碳化物的分布不均。因此cr元素含量确定为5.3-5.7％。
17.ni：镍是非碳化物形成元素，主要存在α-fe或γ-fe中，起固溶强化作用。高速钢轧辊中加入ni能够提升抗龟裂和剥落能力，延长使用寿命。但是，钢中加ni会造成残余奥氏体含量增加，导致材料的硬度下降。因此ni含量确定为1.0-1.4％。
18.nb：nb是强碳化物形成元素，与c结合可以形成nbc。当高速钢中同时含有vc与w2c时，由于前者比后者密度小，在离心铸造时会出现碳化物偏析现象，使高速钢的耐磨性不均
匀。此时在高速钢加入适量nb，能够促进形成(nbvmo)c复合碳化物，提高碳化物密度，减轻离心力引起的偏析。nb含量确定为0.9-1.3％。
19.co：钴是非碳化物形成元素，大部分溶于基体中。高速钢中的钴不仅阻碍自回火m3c的形成，还具有细化回火析出的二次碳化物与延缓过时效的作用。因此，钴能够显著提升高速钢的红硬性与耐磨性。但是，世界上钴资源匮乏，其价格十分昂贵，钴的大量添加会提升高速钢的制造成本。因此，钴的添加量为1.0-1.2％。
20.al：铝是非碳化物形成元素，固溶于基体，能够显著提高基体高温性能，铝元素的加入，还可以显著改善高速钢的高温抗氧化能力，特别是铝在凝固过程中，富集在碳化物生长前沿，阻碍碳化物的长大，铝有显著改善碳化物形态和分布的效果，对提高高速钢的强度和韧性有很好的效果。但是，铝降低高速钢淬透性，因此，本发明将铝与提高高速钢淬透性的硼元素共同加入，才会确保耐磨高速钢具有良好的淬透性。适宜的铝加入量为1.1-1.3％al。
21.b：硼加入高钒高速钢中，能与高速钢中钒、铬元素相互作用，当v元素加入量4.1-4.3％，cr元素加入量5.3-5.7％时，加入1.2-1.4％b的，可以生成体积分数3.2-3.7％的显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能。
22.c：碳是形成碳化物的基本元素，其含量直接影响碳化物的数量。另一方面，碳元素能固溶到基体中，起到固溶强化作用。随着c含量增加，高速钢中碳化物数量增多，耐磨性提高。但c含量应与w、cr、mo、v、nb等元素含量相平衡，因此碳含量确定为1.6-2.0％。
23.根据以上原则，耐磨高速钢化学组成及其质量分数设计如下：1.6-2.0％c，4.1-4.3％v，1.2-1.4％b，5.3-5.7％cr，4.6-5.1％w，5.4-6.1％mo，1.0-1.2％co，1.0-1.4％ni，1.1-1.3％al，0.9-1.3％nb，《1.0％si，《0.6％mn，《0.03％s，《0.03％p，其余为fe及不可避免的杂质元素。
24.高速钢铸件中，马氏体数量较多，硬度达到52-56hrc。为了改善高速钢铸件的加工性能，高速钢铸件经过950℃保温6h进行炉冷退火，可以降低硬度至32hrc以下，加工性能良好。然后，在1050-1075℃奥氏体化60-120分钟，并空冷至室温，基体转化为高硬度孪晶马氏体 少量残留奥氏体。最后，高速钢工件在500-530℃回火保温6-8h，炉冷至室温，可以促进残留奥氏体中析出m
23
c6型碳化物，降低残留奥氏体稳定，使残留奥氏体转变成马氏体，促进高速钢硬度的进一步提升。最后获得耐磨性和红硬性好的耐磨高速钢。
25.本发明与现有技术相比，具有以下特点：
26.(1)本发明高速钢中通过加入钒、铬和硼元素，可以生成显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，v元素加入量4.1-4.3％，cr元素加入量5.3-5.7％，b元素加入量1.2-1.4％时，可以生成体积分数3.2-3.7％的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能。
27.(2)本发明高速钢中，因钴、硼和铝元素的共同加入，显著提高了高速钢的红硬性和高温耐磨性，硼、铝价格低廉，克服了高钴高速钢成本高的缺陷，与高钴高速钢相比，本发明耐磨高速钢具有良好的成本优势，降低材料成本25％以上。
28.(3)本发明采用淬火后空冷 回火后炉冷的热处理工艺，可以获得硬度大于68hrc，耐磨性优良的耐磨高速钢，600℃的耐磨性比无钴高速钢提高3倍以上，用于制造热轧辊，将
会产生良好的经济效益。
附图说明
29.图1为高速钢经1050℃奥氏体化90分钟后空冷至室温 520℃回火保温6h，炉冷至室温的sem图，(a)200x，(b)500x。
具体实施方式
30.下面结合实例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。
31.实施例1：
32.一种耐磨高速钢及其热处理方法，其特征在于用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先在感应电炉中加入高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁、铌铁、金属钴、镍板，钢水熔清后加入铬铁，出炉前加入钒铁和硼铁，然后用铝对钢液脱氧和合金化，钢水化学组成及其质量分数控制为1.83％c，4.11％v，1.27％b，4.77％w，5.59％mo，5.51％cr，1.08％co，1.26％ni，1.09％nb，1.20％al，0.56％si，0.53％mn，0.014％s，0.028％p，其余为fe及不可避免的杂质元素。钢水炉前分析合格后出炉，钢水出炉温度1592℃。将钢水浇铸到卧式离心铸造机中，铸造完成后空气冷却至室温，获得高速钢毛坯。为了降低硬度，将铸件经过950℃保温6h进行炉冷退火。然后，工件在1050℃奥氏体化90分钟后空冷至室温；最后，工件在520℃回火保温6h，炉冷至室温，可获得耐磨性和红硬性好的耐磨高速钢，耐磨高速钢中含有体积分数3.2％的显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能，其力学性能见表1。
33.实施例2：
34.一种耐磨高速钢及其热处理方法，其特征在于用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先在感应电炉中加入高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁、铌铁、金属钴、镍板，钢水熔清后加入铬铁，出炉前加入钒铁和硼铁，然后用铝对钢液脱氧和合金化，钢水化学组成及其质量分数控制为1.89％c，4.27％v，4.85％w，5.47％mo，5.31％cr，1.07％co，1.39％b，1.34％ni，1.28％al，1.18％nb，0.49％si，0.57％mn，0.020％s，0.024％p，其余为fe及不可避免的杂质元素。钢水炉前分析合格后出炉，钢水出炉温度1615℃。将钢水浇铸到卧式离心铸造机中，铸造完成后空气冷却至室温，获得高速钢毛坯。为了降低毛坯硬度，使铸件经过950℃保温6h进行炉冷退火。然后，高速钢工件在1075℃奥氏体化60分钟后空冷至室温；最后，工件在530℃回火保温7h，炉冷至室温，可获得耐磨性和红硬性好的耐磨高速钢，耐磨高速钢中含有体积分数3.7％的显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能，其力学性能见表1。
35.实施例3：
36.一种耐磨高速钢及其热处理方法，其特征在于用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先在感应电炉中加入高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁、铌铁、金属钴、镍板，钢水熔清后加入铬铁，出炉前加入钒铁，然后用铝对钢液脱氧和合金化，钢水化学组成及其质量分数控制为1.63％c，4.10％v，1.33％b，4.76％w，5.94％mo，5.62％cr，1.04％co，
1.29％ni，1.15％al，1.13％nb，0.51％si，0.42％mn，0.025％s，0.027％p，其余为fe及不可避免的杂质元素。钢水炉前分析合格后出炉，钢水出炉温度1598℃。将钢水浇铸到卧式离心铸造机中，铸造完成后空气冷却至室温，获得高速钢毛坯。为了降低毛坯硬度，使铸件经过950℃保温6h进行炉冷退火。然后，工件在1060℃奥氏体化70分钟后空冷至室温；最后，工件在510℃回火保温8h，炉冷至室温，可获得耐磨性和红硬性较好的耐磨高速钢，耐磨高速钢中含有体积分数3.6％的显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌等元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能，其力学性能见表1。
37.实施例4：
38.一种耐磨高速钢及其热处理方法，其特征在于用500公斤中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：先在感应电炉中加入高速钢废料、废钢、生铁、钼铁、钨铁、铌铁、金属钴、镍板，钢水熔清后加入铬铁，出炉前加入钒铁，然后用铝对钢液脱氧和合金化，钢水化学组成及其质量分数控制为1.99％c，4.27％v，1.21％b，4.73％w，6.02％mo，5.35％cr，1.08％co，1.26％al，1.03％ni，1.19％nb，0.57％si，0.54％mn，0.027％s，0.026％p，其余为fe及不可避免的杂质元素。钢水炉前分析合格后出炉，钢水出炉温度1608℃。将钢水浇铸到卧式离心铸造机中，铸造完成后空气冷却至室温，获得高速钢毛坯。为了降低毛坯硬度，使铸件经过950℃保温6h进行炉冷退火。然后，工件在1070℃奥氏体化75分钟后空冷至室温；最后，工件在520℃回火保温7h，炉冷至室温，可获得耐磨性和红硬性好的耐磨高速钢，耐磨高速钢中含有体积分数3.4％的显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能，其力学性能见表1。
39.磨损试验在改装后mm-200型环块磨损试验机上进行，试验载荷为196n，时间为120min，试验温度600℃，试验机转速为200转/分。对磨环材料为gcr15，其硬度为60-62hrc。耐磨高速钢的磨损失重如表1所示。
40.表1耐磨高速钢室温力学性能和600℃时磨损失重数据
41.力学性能硬度/hrc冲击韧性，j/cm2磨损失重/mg实施例168.115.38.8实施例268.716.59.3实施例368.515.78.5实施例468.216.49.0
42.本发明高速钢中通过加入钒、铬和硼元素，生成显微硬度超过4000hv的(cr
0.5v0.5
)b相，v元素加入量4.1-4.3％，cr元素加入量5.3-5.7％，b元素加入量1.2-1.4％时，可以生成体积分数3.2-3.7％的(cr
0.5v0.5
)b相，(cr
0.5v0.5
)b相的显微硬度，显著高于钨、钼、铬、钒、铌元素形成的碳化物的硬度，具有优异的抗磨性能。本发明高速钢中，因钴、硼和铝元素的共同加入，显著提高了高速钢的红硬性和高温耐磨性，硼、铝价格低廉，克服了高钴高速钢成本高的缺陷，与高钴高速钢相比，本发明耐磨高速钢具有良好的成本优势，降低材料成本25％以上。本发明采用淬火后空冷 回火后炉冷的热处理工艺，可以获得硬度大于68hrc，耐磨性优良的耐磨高速钢，600℃的耐磨性比无钴高碳高钒高速钢提高3倍以上，用于制造热轧辊，推广应用将具有良好的经济效益。