CN116445853A - 一种高韧性耐磨合金钢产品及其制备方法 - Google Patents

一种高韧性耐磨合金钢产品及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种合金钢产品，由包括以下步骤的方法制备而成，1)将原料合金钢锻造成型；2)将锻造成型的产品进行多元共渗处理；3)将多元共渗处理后的产品进行淬火处理，所述原料合金钢的元素组成按质量百分比计为C：0.2～0.6％，Si：0.3～0.6％，Mn：4～8％，Ni：0.5～1％，Cr：0.2～0.8％，B：0.001～0.005％，Ti：0.1～0.5％，Al：0.03～0.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。该合金钢产品表面硬度高、耐磨性好，心部韧性高，适合用作挖掘机的斗齿，特别是锥型斗齿。

Description

一种高韧性耐磨合金钢产品及其制备方法
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种高韧性耐磨合金钢产品及其制备方法。
背景技术
斗齿是挖掘机磨损最严重的部件之一，根据用途可分为土方齿、岩石齿和锥形齿。土方齿主要用于挖掘泥土、河沙等轻作业环境，要求具有高的耐磨性；岩石齿用于岩石、碎石、砾石等重强度作业，对耐磨性的要求更高；而锥型齿适用于钻凿硬度不高的岩层，需具有较大的抗冲击性能，不仅要求具备高的耐磨性，还要有一定的冲击韧性。锥型斗齿在工作中受力复杂，在接触物料时，既承受冲击作用，又承受弯矩作用。服役过程中，斗齿尖部受到较大的冲击滑动磨粒磨损，尖部表面常出现犁沟、变形，造成表面磨损或脱落。斗齿断裂和不耐磨的现象会导致频繁停机、停产更换斗齿，影响挖掘机的工作效率。
挖掘机现用的斗齿一般由高锰钢或低合金钢铸造而成。高锰钢具有良好的韧性，但需在较大的冲击力作用下才能产生加工硬化，使其耐磨性得到充分发挥；低合金钢斗齿经淬火处理后具有较高的硬度，耐磨性好，但其韧性较差，容易发生断裂。
目前国内外的斗齿通常采用热处理或表面强化方式进行制备。CN102242314A公开了一种多元合金强韧化、耐磨中锰钢及制备工艺，该合金钢组成质量百分比为：C：0.9～1.3、Mn：8～10、Si：0.2～0.6、Cr：1.0～2.5、W：0.5～2.0、V：0.1～0.5、Ti：0.1～0.3、Re≤0.15、B≤0.01、S≤0.04、P≤0.07，其余为Fe，采用稀土硅铁合金、钛铁合金和钒铁合金的复合变质剂进行处理，通过对熔炼、消失模负压成型、水韧处理、回火等工艺过程和参数控制。用该合金钢制备的电铲斗齿、半自磨机衬板、输送机刮板等耐磨钢件，使用寿命比高锰钢提高2倍以上。然而，该合金钢含有较多的贵重合金元素，且需采用稀土复合变质剂，制备工艺复杂，难以大规模推广应用。CN102453911A公开了一种挖掘机斗齿的表面强化方法，其特点是工艺步骤如下：(1)挖掘机斗齿的表面去除表面氧化层和油污异物；(2)将挖掘机斗齿放在由同步送粉器、六轴五联动加工机床以及横流气体激光发生器组成的激光加工系统中进行激光熔覆，将一种耐磨性能极好，且有不错的韧性的碳化钨合金粉末在斗齿上熔覆冶金结合的致密涂层。该方法在斗齿表面熔覆耐磨硬质合金，其中的熔覆层在受到较大冲击作用下会产生脱落，无法起到耐磨的作用。
因此，开发一种具有高韧性的耐磨斗齿是十分必要的。
发明内容
本发明提供一种合金钢产品，由包括以下步骤的方法制备而成，
1)将原料合金钢锻造成型；
2)将锻造成型的产品进行多元共渗处理；
3)将多元共渗处理后的产品进行淬火处理，
所述原料合金钢的元素组成按质量百分比计为C：0.2～0.6％，Si：0.3～0.6％，Mn：4～8％，Ni：0.5～1％，Cr：0.2～0.8％，B：0.001～0.005％，Ti：0.1～0.5％，Al：0.03～0.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
在某些实施方案中，步骤1)包括：
将所述原料合金钢加热至1050～1150℃，在锻造压力为800～1600t的条件下锻造成型。
在某些实施方案中，步骤2)包括：
将锻造成型的产品在1100～1250℃的温度下保温4～8h进行多元共渗处理。
在某些实施方案中，步骤3)包括：
a)将多元共渗处理后的产品冷却至860～920℃；
b)将上一步骤获得的产品在300～350℃的第一盐浴中保温3～10min；
c)将上一步骤获得的产品在400～500℃的第二盐浴中保温30～60min；
d)将上一步骤获得的产品用水冷却。
在某些实施方案中，步骤b)是将上一步骤获得的产品在310～350℃的第一盐浴中保温3～10min。
在某些实施方案中，步骤c)是将上一步骤获得的产品在420～500℃的第二盐浴中保温30～60min。
在某些实施方案中，所述第一盐浴由30～60％硝酸钠(NaNO3)和40～70％硝酸钾(KNO3)组成。在某些实施方案中，所述第二盐浴由60～90％氯化钾(KCl)和10～40％三氯化铬(CrCl3)组成。
本发明中，步骤3)采用多元共渗处理后的余热对多元共渗处理后的产品进行淬火处理。
在某些实施方案中，所述多元共渗处理所用的多元共渗剂由C粉、Ti粉、Cr粉、Mo粉、Al粉、NH4Cl粉组成。
在某些实施方案中，所述多元共渗剂的组成为：C粉5～20％、Ti粉10～40％、Cr粉15～35％、Mo粉10～20％、Al粉5～15％、NH4Cl粉5～25％。
在某些实施方案中，所述合金钢产品的表面硬度≥64HRC，例如约65HRC、约66HRC、约67HRC、约68HRC、约69HRC、约70HRC。在某些实施方案中，所述合金钢产品的心部硬度≥50HRC，例如约51HRC、约52HRC、约53HRC、约54HRC、约55HRC、约56HRC。在某些实施方案中，所述合金钢产品的冲击功KV2≥40J，例如约44J、约45J、约46J、约47J、约48J、约49J、约50J、约51J、约52J、约55J、约58J、约60J、约62J、约65J、约67J、约68J。在某些实施方案中，所述合金钢产品的动载磨损量≤0.20g，例如约0.19g、约0.18g、约0.17g、约0.16g、约0.15g、约0.14g、约0.13g、约0.12g、约0.11g、约0.1g、约0.9g、约0.8g、约0.7g。在某些实施方案中，所述合金钢产品的冲击功KV2≥45J。在某些实施方案中，所述合金钢产品的动载磨损量≤0.19g。
在某些实施方案中，所述合金钢产品为斗齿。
本发明还提供一种包含所述合金钢产品的挖掘机或装载机。
本发明还提供一种制备合金钢产品的方法，包括：
1)将原料合金钢锻造成型；
2)将锻造成型的产品进行多元共渗处理；
3)将多元共渗处理后的产品进行淬火处理，
所述原料合金钢的元素组成按质量百分比计为C：0.2～0.6％，Si：0.3～0.6％，Mn：4～8％，Ni：0.5～1％，Cr：0.2～0.8％，B：0.001～0.005％，Ti：0.1～0.5％，Al：0.03～0.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
在某些实施方案中，所述方法的步骤1)包括：
将所述原料合金钢加热至1050～1150℃，在锻造压力为800～1600t的条件下锻造成型。
在某些实施方案中，所述方法的步骤2)包括：
将锻造成型的产品在1100～1250℃的温度下保温4～8h进行多元共渗处理。
在某些实施方案中，所述方法中的多元共渗处理所用的多元共渗剂由C粉、Ti粉、Cr粉、Mo粉、Al粉、NH4Cl粉组成。
在某些实施方案中，所述方法中的多元共渗剂的组成为：C粉5～20％、Ti粉10～40％、Cr粉15～35％、Mo粉10～20％、Al粉5～15％、NH4Cl粉5～25％。
在某些实施方案中，所述方法的步骤3)包括：
a)将多元共渗处理后的产品冷却至860～920℃；
b)将上一步骤获得的产品在300～350℃的第一盐浴中保温3～10min；
c)将上一步骤获得的产品在400～500℃的第二盐浴中保温30～60min；
d)将上一步骤获得的产品用水冷却。
在某些实施方案中，所述方法的步骤b)是将上一步骤获得的产品在310～350℃的第一盐浴中保温3～10min。
在某些实施方案中，所述方法的步骤c)是将上一步骤获得的产品在420～500℃的第二盐浴中保温30～60min。
在某些实施方案中，所述第一盐浴由30～60％硝酸钠(NaNO3)和40～70％硝酸钾(KNO3)组成。在某些实施方案中，所述第二盐浴由60～90％氯化钾(KCl)和10～40％三氯化铬(CrCl3)组成。
本发明中，步骤3)采用多元共渗后的余热进行对多元共渗处理后的产品进行淬火处理。
如本文所用，术语“约”可理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差以内。具体地，术语“约”可理解为在所述值的+/-10％、+/-9％、+/-8％、+/-7％、+/-6％、+/-5％、+/-4％、+/-3％、+/-2％、+/-1％、+/-0.5％、+/-0.4％、+/-0.3％、+/-0.2％、+/-0.1％以内。除非另外根据上下文显而易见，否则本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
本发明的有益效果
本发明通过化学元素的优化配比，减少碳和合金元素的用量，采用锻造成型、多元共渗及热处理的方式制备得到一种高韧性、高耐磨的合金钢产品。
本发明提供的合金钢产品表面硬度高、耐磨性好，心部韧性高，适合用作挖掘机的斗齿，特别是锥型斗齿，能够满足锥形斗齿在煤矿、地矿、冻土等工况下的使用要求。
本发明采用多元共渗后的余热对对多元共渗处理后的产品进行淬火处理，可降低能源消耗和成本，有利于实现工业化生产。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原料、设备或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
制备本实施例中的高韧性耐磨锥形斗齿所用的原料合金钢，按质量百分比计，其元素组成为C：0.25％，Si：0.50％，Mn：5.0％，Ni：0.6％，Cr：0.30％，B：0.0015％，Ti：0.15％，Al：0.03％，S：0.015％，P：0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述原料合金钢加热至1130℃，然后采用1000t压力机锻造成型；然后将锻造成型的斗齿在1200℃温度下进行多元共渗处理，保温时间5h，多元共渗剂由20％C+40％Ti+15％Cr+10％Mo+5％Al+10％NH4Cl粉经充分搅拌混合组成；利用多元共渗后的余热对多元共渗处理后的斗齿进行淬火处理，具体地，将多元共渗处理后的斗齿冷却至910℃，然后将其直接放入350℃的第一盐浴中，保温3min，再将其放入500℃的第二盐浴中，保温30min，最后水冷得到高韧性耐磨锥形斗齿。其中第一盐浴由30％硝酸钠(NaNO3)和70％硝酸钾(KNO3)组成，第二盐浴由90％氯化钾(KCl)和10％三氯化铬(CrCl3)组成。
实施例2
制备本实施例中的高韧性耐磨锥形斗齿所用的原料合金钢，按质量百分比计，其元素组成为C：0.50％，Si：0.30％，Mn：4.0％，Ni：1.0％，Cr：0.20％，B：0.0010％，Ti：0.50％，Al：0.10％，S：0.010％，P：0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述原料合金钢加热至1150℃，然后采用800t压力机锻造成型；然后将锻造成型的斗齿在1250℃温度下进行多元共渗处理，保温时间8h，多元共渗剂由10％C+10％Ti+35％Cr+10％Mo+10％Al+25％NH4Cl粉经充分搅拌混合组成；利用多元共渗后的余热对多元共渗处理后的斗齿进行淬火处理，具体地，将多元共渗处理后的斗齿冷却至860℃，然后将其直接放入350℃的第一盐浴中，保温7min，再将其放入420℃的第二盐浴中，保温50min，最后水冷得到高韧性耐磨锥形斗齿。其中第一盐浴由50％硝酸钠(NaNO3)和50％硝酸钾(KNO3)组成，第二盐浴由70％氯化钾(KCl)和30％三氯化铬(CrCl3)组成。
实施例3
制备本实施例中的高韧性耐磨锥形斗齿所用的原料合金钢，按质量百分比计，其元素组成为C：0.60％，Si：0.40％，Mn：8.0％，Ni：0.9％，Cr：0.70％，B：0.0045％，Ti：0.50％，Al：0.09％，S：0.010％，P：0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述原料合金钢加热至1080℃，然后采用1500t压力机锻造成型；然后将锻造成型的斗齿在1130℃温度下进行多元共渗处理，保温时间7h，多元共渗剂由10％C+30％Ti+30％Cr+15％Mo+10％Al+5％NH4Cl粉经充分搅拌混合组成；利用多元共渗后的余热对多元共渗处理后的斗齿进行淬火处理，具体地，将多元共渗处理后的斗齿冷却至870℃，然后将其直接放入然后将其直接放入330℃的第一盐浴中，保温5min，再将其放入450℃的第二盐浴中，保温40min，最后水冷得到高韧性耐磨锥形斗齿。其中第一盐浴由60％硝酸钠(NaNO3)和40％硝酸钾(KNO3)组成，第二盐浴由65％氯化钾(KCl)和35％三氯化铬(CrCl3)组成。
实施例4
制备本实施例中的高韧性耐磨锥形斗齿所用的原料合金钢，按质量百分比计，其元素组成为C：0.40％，Si：0.50％，Mn：6.0％，Ni：0.7％，Cr：0.55％，B：0.0030％，Ti：0.30％，Al：0.05％，S：0.015％，P：0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述原料合金钢加热至1100℃，然后采用1200t压力机锻造成型；然后将锻造成型的斗齿在1190℃温度下进行多元共渗处理，保温时间6h，多元共渗剂由15％C+20％Ti+20％Cr+20％Mo+15％Al+10％NH4Cl粉经充分搅拌混合组成；利用多元共渗后的余热对多元共渗处理后的斗齿进行淬火处理，具体地，将多元共渗处理后的斗齿冷却至890℃，然后将其直接放入340℃的第一盐浴中，保温10min，再将其放入470℃的第二盐浴中，保温60min，最后水冷得到高韧性耐磨锥形斗齿。其中第一盐浴由45％硝酸钠(NaNO3)和55％硝酸钾(KNO3)组成，第二盐浴由80％氯化钾(KCl)和20％三氯化铬(CrCl3)组成。
实施例5
制备本实施例中的高韧性耐磨锥形斗齿所用的原料合金钢，按质量百分比计，其元素组成为C：0.20％，Si：0.60％，Mn：7.0％，Ni：0.5％，Cr：0.80％，B：0.0050％，Ti：0.10％，Al：0.08％，S：0.012％，P：0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质。
将上述原料合金钢加热至1050℃，然后采用1600t压力机锻造成型；然后将锻造成型的斗齿在1100℃温度下进行多元共渗处理，保温时间8h，多元共渗剂由5％C+25％Ti+15％Cr+20％Mo+15％Al+20％NH4Cl粉经充分搅拌混合组成；利用多元共渗后的余热对多元共渗处理后的斗齿进行淬火处理，具体地，使多元共渗处理后的斗齿的温度降至920℃，然后将其直接放入然后将其直接放入310℃的第一盐浴中，保温8min，再将其放入430℃的第二盐浴中，保温40min，最后水冷得到高韧性耐磨锥形斗齿。其中第一盐浴由40％硝酸钠(NaNO3)和50％硝酸钾(KNO3)组成，第二盐浴由60％氯化钾(KCl)和40％三氯化铬(CrCl3)组成。
经测试，实施例1-5制得的高韧性耐磨锥形斗齿的物理机械性能如表1所示，其中采用MLD-10型动载磨料磨损试验机进行磨损试验，动载磨损量测试参数为：冲击功2J、冲击时间1h、冲击频率100次/min、磨料为(5～10)目石英砂，冲击功依据GB/T 229-2020测定，硬度依据GB/T 230.1-2018测定。
表1高韧性耐磨锥形斗齿的物理机械性能
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (17)

1.一种合金钢产品，由包括以下步骤的方法制备而成，
1)将原料合金钢锻造成型；
2)将锻造成型的产品进行多元共渗处理；
3)将多元共渗处理后的产品进行淬火处理，
所述原料合金钢的元素组成按质量百分比计为C：0.2～0.6％，Si：0.3～0.6％，Mn：4～8％，Ni：0.5～1％，Cr：0.2～0.8％，B：0.001～0.005％，Ti：0.1～0.5％，Al：0.03～0.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.权利要求1的合金钢产品，其中步骤1)包括：
将所述原料合金钢加热至1050～1150℃，在锻造压力为800～1600t的条件下锻造成型。
3.权利要求1的合金钢产品，其中步骤2)包括：
将锻造成型的产品在1100～1250℃的温度下保温4～8h进行多元共渗处理。
4.权利要求3的合金钢产品，其中多元共渗处理所用的多元共渗剂由C粉、Ti粉、Cr粉、Mo粉、Al粉、NH4Cl粉组成。
5.权利要求4的合金钢产品，其中所述多元共渗剂的组成为：C粉5～20％、Ti粉10～40％、Cr粉15～35％、Mo粉10～20％、Al粉5～15％、NH4Cl粉5～25％。
6.权利要求1的合金钢产品，其中步骤3)包括：
a)将多元共渗处理后的产品冷却至860～920℃；
b)将上一步骤获得的产品在300～350℃的第一盐浴中保温3～10min；
c)将上一步骤获得的产品在400～500℃的第二盐浴中保温30～60min；
d)将上一步骤获得的产品用水冷却，
优选地，步骤b)是将上一步骤获得的产品在310～350℃的第一盐浴中保温3～10min；
优选地，步骤c)是将上一步骤获得的产品在420～500℃的第二盐浴中保温30～60min；
优选地，所述第一盐浴由30～60％硝酸钠(NaNO3)和40～70％硝酸钾(KNO3)组成；
优选地，所述第二盐浴由60～90％氯化钾(KCl)和10～40％三氯化铬(CrCl3)组成。
7.权利要求1至6任意一项的合金钢产品，其具有以下特征中的一项或多项特征：
i)表面硬度≥64HRC，
ii)心部硬度≥50HRC，
iii)冲击功KV2≥40J，
iv)动载磨损量≤0.20g。
8.权利要求7的合金钢产品，其冲击功KV2≥45J。
9.权利要求7的合金钢产品，其动载磨损量≤0.19g。
10.权利要求1至7任意一项的合金钢产品，其为斗齿。
11.包含权利要求1-10任意一项的合金钢产品的挖掘机或装载机。
12.制备合金钢产品的方法，包括：
1)将原料合金钢锻造成型；
2)将锻造成型的产品进行多元共渗处理；
3)将多元共渗处理后的产品进行淬火处理，
所述原料合金钢的元素组成按质量百分比计为C：0.2～0.6％，Si：0.3～0.6％，Mn：4～8％，Ni：0.5～1％，Cr：0.2～0.8％，B：0.001～0.005％，Ti：0.1～0.5％，Al：0.03～0.1％，S：≤0.015％，P：≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
13.权利要求12的方法，其中步骤1)包括：
将所述原料合金钢加热至1050～1150℃，在锻造压力为800～1600t的条件下锻造成型。
14.权利要求12的方法，其中步骤2)包括：
将锻造成型的产品在1100～1250℃的温度下保温4～8h进行多元共渗处理。
15.权利要求14的方法，其中多元共渗处理所用的多元共渗剂由C粉、Ti粉、Cr粉、Mo粉、Al粉、NH4Cl粉组成。
16.权利要求15的合金钢产品，其中所述多元共渗剂的组成为：C粉5～20％、Ti粉10～40％、Cr粉15～35％、Mo粉10～20％、Al粉5～15％、NH4Cl粉5～25％。
17.权利要求12的方法，其中步骤3)包括：
a)将多元共渗处理后的产品冷却至860～920℃；
b)将上一步骤获得的产品在300～350℃的第一盐浴中保温3～10min；
c)将上一步骤获得的产品在400～500℃的第二盐浴中保温30～60min；
d)将上一步骤获得的产品用水冷却，
优选地，步骤b)是将上一步骤获得的产品在310～350℃的第一盐浴中保温3～10min；
优选地，步骤c)是将上一步骤获得的产品在420～500℃的第二盐浴中保温30～60min；
优选地，所述第一盐浴由30～60％硝酸钠(NaNO3)和40～70％硝酸钾(KNO3)组成；
优选地，所述第二盐浴由60～90％氯化钾(KCl)和10～40％三氯化铬(CrCl3)组成。
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