CN101423916B - 一种低合金耐磨耐蚀钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明以Mn-Si-Cr-Mo系无碳化物贝氏体合金钢为研究基础，适当调节碳含量及其他合金元素含量，并加入有助于提高合金钢耐蚀性的元素Al、Nb，以及稀土变质处理，通过分级淬火热处理工艺，形成Mn-Si-Cr-Mo-Al系无碳化物贝氏体钢，从而获得了一种适合于海洋泥沙磨损腐蚀环境使用的低合金耐磨耐蚀钢，该种钢具有较好的强韧性、耐磨耐蚀综合性能和可焊接修复性，可用于解决轮船离心泵受磨损叶片的修复问题，也有望用于其他海洋用耐磨损可焊接零件。

Description

一种低合金耐磨耐蚀钢及其制造方法

一、技术领域

本发明涉及一种低合金钢及其制造方法，具体地说是涉及一种Mn-Si-Cr-Mo-Al系低合金耐磨耐蚀钢及其制造方法。

二、背景技术

海洋工程是现代工业发展的重要方面之一，海水环境复杂，长期在海水中工作的挖泥船斗齿、离心泵叶片等受高速水流带动泥沙与工件表面形成的剪切力的作用，腐蚀磨损相当严重。目前海洋用金属材料主要为碳钢、低合金钢以及高铬铸铁。这些材料普遍存在强韧性不够、耐磨耐蚀综合性能不足或者焊接修复困难等问题。

由于无碳化物贝氏体钢具有优异的综合力学性能，现已成为耐磨钢的主要研究方向，并已取得了诸多具有实用价值的研究成果。但这些研究主要集中于冶金、矿山等陆地磨损工况的耐磨材料，即Mn-Si系为主的无碳化物贝氏体耐磨合金钢，而对含有耐蚀元素——铬的Mn-Si-Cr-Mo系无碳化物贝氏体合金钢的研究则较少。事实上，Mn-Si-Cr-Mo系无碳化物贝氏体钢是一类兼具耐磨与耐蚀特性的优良材料，具有很好的研究意义和应用前景。

目前常用的海洋用金属材料为奥氏体不锈钢、普通低碳钢、低合金钢、以及铸铁等。奥氏体不锈钢虽然耐蚀性优良，然而其强度硬度一般较低，难以作为耐磨件使用。普通低碳钢则在强度及耐蚀性上均有不足，铸铁材料腐耐蚀性能一般较差，且存在焊接修复困难等问题，低合金钢目前发展前景较好，得到广泛研究，低合金钢经过合金元素添加和组织结构控制，可大大改善强度硬度，同时提高耐蚀性。本发明钢即在中低合金钢范围内，通过合金元素添加及热处理工艺控制，得到适合于海洋环境耐磨件使用的金属材料。

三、发明内容

技术问题：本发明提供了一种低合金耐磨耐蚀钢，解决了现有海洋用金属材料普遍存在的强韧性不够、耐磨耐蚀综合性能不足和焊接修复困难等问题。

技术方案：

本发明通过以下技术方案实现：

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：C：0.10％～0.16％；Si：1.0％～1.6％；Mn：0.8％～1.6％；Cr：1.0％～1.6％；Mo：0.3％～0.4％；Ni：0.3％～0.4％；Al：0.6％～1.0％；稀土+Nb：≤0.1％；余量为Fe。

制备低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：电炉冶炼：碳钢新料进高功率电弧炉冶炼，依次加入钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁，冶炼出炉温度为1600～1620℃，得到钢液；上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.10％～0.16％；Si：1.0％～1.6％；Mn：0.8％～1.6％；Cr：1.0％～1.6％；Mo：0.3％～0.4％；Ni：0.3％～0.4％；Al：0.6％～1.0％；稀土+Nb：≤0.1％；余量为Fe。浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

有益效果：

本发明以Mn-Si-Cr-Mo系无碳化物贝氏体合金钢为研究基础，适当调节碳含量及其他合金元素含量，并加入有助于提高合金钢耐蚀性的元素Al、Nb，以及稀土变质处理，通过分级淬火热处理工艺，形成Mn-Si-Cr-Mo-Al系无碳化物贝氏体钢，从而获得了一种适合于海洋泥沙磨损腐蚀环境使用的低合金耐磨耐蚀钢，该种钢具有较好的强韧性、耐磨耐蚀综合性能和可焊接修复性，可用于解决轮船离心泵受磨损叶片的修复问题，也有望用于其他海洋用耐磨损可焊接零件。

具体来说，本发明的低合金耐磨耐蚀钢与现有海洋用金属材料相比，其优越性体现在以下几个方面：

首先，本发明所获得的低合金耐磨耐蚀钢含碳量低，经热处理工艺后其微观组织结构为准贝氏体，即无碳化物贝氏体。准贝氏体组织(无碳化物贝氏体)是我国学者康沫狂于八十年代初提出的，通过加入抑制碳化物析出的元素Si、Al等，阻止钢中碳化物析出，则在贝氏体转变温区形成富碳铁素体和体素体间残余奥氏体薄膜的组织结构，富碳铁素体强度提高，残余奥氏体则提高了材料韧性。同时，经大量试验证明，准贝氏体钢可焊接性相对其他组织钢种大大提高。本发明钢种通过在贝氏体温区等温热处理即可得到这种组织。

其次，耐蚀性能优越：在低压力条件下，合金钢海洋腐蚀磨损机制以腐蚀损失为主，本发明通过合金元素的复合添加，使最终得到的钢产品在耐海水腐蚀性能方面优于普通高强钢，在低压力环境下具有更好的抗腐蚀磨损性能。本发明中几种元素复合添加的作用分别为：

①铬、铝复合添加：在钢中，铝与硅的作用类似，均为非碳化物形成元素，但其比硅对钢的影响弱。另外，铝是优良除氧剂，可净化钢液，细化铸态组织。对于钢的耐海水腐蚀性能，我国学者郭津年、黄亚敏、林连进等发表的《低合金钢在海水中氧浓差腐蚀的研究》一文，根据已往海水挂片试验数据及郭津年等的试验结果，对耐海水腐蚀钢种成分分析总结，得出Cr、Al复合添加对提高钢耐海水腐蚀性能比较有效，含Cr＜1mass％(质量百分含量)的钢氧浓差电流要比碳钢大，而Cr-Al钢在Cr含量为1.5～2％时抗海水局部腐蚀性能较好，Cr含量大于3mass％则容易造成局部腐蚀。Al元素含量对钢的耐海水腐蚀作用，目前还停留在试验研究阶段，仍无定论，然而Al含量过高，铸造过程中易形成大量难熔氧化物，造成材料韧性降低，本钢发明人对耐海水腐蚀性能优良的低合金钢种进行总结，在已有数据基础上适当提高Al含量，以充分发挥其抗海水腐蚀作用，较合适的铝含量为0.6～1.0mass％。

②锰、铌复合添加：微量的铌加入钢中形成稳定的难熔化合物，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化铸态组织，对提高钢的韧塑性及疲劳强度都十分有利。铌钢在海水腐蚀过程中电荷传递电阻随腐蚀时间延长而增大，其耐海水腐蚀性能优于不合铌钢。Mn、Nb复合添加对提高钢的耐海水腐蚀性能很有好处，Mn元素显著推迟低合金钢高温区转变，大大提高铌在奥氏体中固溶度，促进其均匀分布，使Nb元素对钢组织及性能的影响作用得到更大的发挥。

此外，本发明的低合金钢的耐磨性能理想：经过本发明所述热处理步骤后得到的无碳化物贝氏体钢，硬度达到HRC35以上，抗拉强度达到1200MPa，符合高强耐磨钢要求，耐磨性能测试结果与国内外低合金钢耐磨性测试数据对比较为理想，达到国际先进耐磨低合金钢水平。

四、附图说明

图1是本发明的耐磨耐蚀钢的微观组织结构示意图。

图2是对试样进行砂石磨粒磨损试验，当转速为1.79m/s时，正压力对试样不同磨程下磨损量的影响。

图3是对试样进行砂石磨粒磨损试验，当转速为2.45m/s时，正压力对试样不同磨程下磨损量的影响。

图4是对试样进行砂石磨粒磨损试验，在磨损里程为16.105km时，不同转速下，试样磨损量随正压力的变化曲线。

五、具体实施方式

以下的描述是对本发明的具体说明，不应看作是对本发明的限定。

实施例1

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：

C：0.12％；Si：1.2％；Mn：0.8％；Cr：1.0％；Mo：0.3％；Ni：0.4％；Al：0.6％；稀土：0.02％；Nb：0.08％；余量为Fe。

制备上述低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：

a.电炉冶炼：采用高功率电弧炉熔化炉料，碳钢新料熔炼20％时，加入钼铁、镍板、铌铁及低碳铬，熔炼至80％时加入部分铝料，完全熔化后，取样分析，补足铝量，并依次加入锰铁(1620℃)、硅铁(1630℃)、及稀土硅铁(1650℃)，分别盖除渣覆盖剂，熔化后扒渣。降温到1600～1620℃，扒渣出炉，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C：0.12％；Si：1.2％；Mn：0.8％；Cr：1.0％；Mo：0.3％；Ni：0.4％；Al：0.6％；稀土：0.02％；Nb：0.08％；余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；

c.热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

实施例2

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：

C 0.16％；Si 1.6％；Mn 0.8％；Cr 1.6％；Mo 0.4％；Ni 0.4％；Al 0.6％；稀土0.05％；Nb 0.04％；余量为Fe。

制备上述低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：

a.电炉冶炼：采用高功率电弧炉熔化炉料，碳钢新料熔炼20％时，加入钼铁、镍板、铌铁及低碳铬，熔炼至80％时加入部分铝料，完全熔化后，取样分析，补足铝量，并依次加入锰铁(1620℃)、硅铁(1630℃)、及稀土硅铁(1650℃)，分别盖除渣覆盖剂，熔化后扒渣。降温到1600～1620℃，扒渣出炉，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C 0.16％；Si1.6％；Mn 0.8％；Cr 1.6％；Mo 0.4％；Ni 0.4％；Al 0.6％；稀土0.05％；Nb 0.04％；余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；

c.热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

实施例3

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：

C 0.15％；Si 1.6％；Mn 1.0％；Cr 1.0％；Mo 0.4％；Ni 0.3％；Al 1.0％；稀土：0.03％；Nb：0.05％；余量为Fe。

制备上述低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：

a.电炉冶炼：采用高功率电弧炉熔化炉料，碳钢新料熔炼20％时，加入钼铁、镍板、铌铁及低碳铬，熔炼至80％时加入部分铝料，完全熔化后，取样分析，补足铝量，并依次加入锰铁(1620℃)、硅铁(1630℃)、及稀土硅铁(1650℃)，分别盖除渣覆盖剂，熔化后扒渣。降温到1600～1620℃，扒渣出炉，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C 0.15％；Si1.6％；Mn 1.0％；Cr 1.0％；Mo 0.4％；Ni 0.3％；Al 1.0％；稀土0.03％；Nb 0.05％；余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；

c.热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

实施例4

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：

C 0.10％；Si 1.4％；Mn 1.2％；Cr 1.2％；Mo 0.4％；Ni 0.3％；Al 0.8％；稀土0.06％；Nb 0.02％；余量为Fe。

制备上述低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：

a.电炉冶炼：采用高功率电弧炉熔化炉料，碳钢新料熔炼20％时，加入钼铁、镍板、铌铁及低碳铬，熔炼至80％时加入部分铝料，完全熔化后，取样分析，补足铝量，并依次加入锰铁(1620℃)、硅铁(1630℃)、及稀土硅铁(1650℃)，分别盖除渣覆盖剂，熔化后扒渣。降温到1600～1620℃，扒渣出炉，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C 0.10％；Si 1.4％；Mn 1.2％；Cr 1.2％；Mo 0.4％；Ni 0.3％；Al 0.8％；稀土0.06％；Nb 0.02％；余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；

c.热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

实施例5

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：

C 0.15％；Si 1.4％；Mn 1.0％；Cr 1.6％；Mo 0.4％；Ni 0.3％；Al 0.8％；稀土0.06％；Nb 0.02％；余量为Fe。

制备上述低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：

a.电炉冶炼：采用高功率电弧炉熔化炉料，碳钢新料熔炼20％时，加入钼铁、镍板、铌铁及低碳铬，熔炼至80％时加入部分铝料，完全熔化后，取样分析，补足铝量，并依次加入锰铁(1620℃)、硅铁(1630℃)、及稀土硅铁(1650℃)，分别盖除渣覆盖剂，熔化后扒渣。降温到1600～1620℃，扒渣出炉，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C 0.15％；Si 1.4％；Mn 1.0％；Cr 1.6％；Mo 0.4％；Ni 0.3％；Al 0.8％；稀土0.06％；Nb 0.02％；余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；

c.热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

实施例6

一种低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体，该钢的化学成分按重量百分比为：

C 0.14％；Si 1.2％；Mn 0.8％；Cr 1.4％；Mo 0.3％；Ni 0.4％；Al 0.6％；稀土0.02％；Nb 0.07％；余量为Fe。

制备上述低合金耐磨耐蚀钢的方法，包括以下步骤：

a.电炉冶炼：采用高功率电弧炉熔化炉料，碳钢新料熔炼20％时，加入钼铁、镍板、铌铁及低碳铬，熔炼至80％时加入部分铝料，完全熔化后，取样分析，补足铝量，并依次加入锰铁(1620℃)、硅铁(1630℃)、及稀土硅铁(1650℃)，分别盖除渣覆盖剂，熔化后扒渣。降温到1600～1620℃，扒渣出炉，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：C 0.14％；Si 1.2％；Mn 0.8％；Cr 1.4％；Mo 0.3％；Ni 0.4％；Al 0.6％；稀土0.02％；Nb 0.07％；余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型；

c.热处理工艺：将浇注步骤后获得的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢。

实施例7

按照实施例2所得钢组织均匀致密，微观组织结构为无碳化物贝氏体(见附图1)，经测试，其硬度达到HRC35以上，抗拉强度达到1200MPa，耐磨、耐蚀且焊接性能良好。

对实施例2制得的钢进行砂石磨粒磨损试验，试验结果如附图2、3和4：

试验设备：MLS-225湿式橡胶轮磨粒磨损试验机：冲击腐蚀磨损介质：石英砂加水(石英砂粒度为20目，与水的体积比为4∶3，调节pH≈3)；橡胶轮转速：240r/min(即2.45m/s)。

试验结果：当正压力为70N时，磨程12km对应的磨损量为0.81g，即磨损速度为65mg/km。

对比数据：瑞典学者Ann等在WEAR上发表的Wear behaviour ofsome low alloyed steels under combined impact/abrasion contact conditions一文，研究了在冲击磨损条件下几种低合金钢的磨损行为，其含碳量为0.061～0.2％，磨料为12～20mm大小的花岗岩，硬度700HV左右，冲击功约0.1J，磨损时间60min，换算成磨程为1.357km，磨损量为351～539mg(即磨损速度为258～397mg/km)。其中含碳量为0.17％的低合金钢与本发明钢碳含量相近，这种钢在该条件下的磨损量为395mg，即磨损速度为265mg/km。

由此可件，本发明的钢才耐磨性能方面明显优异。

实施例2所得到的耐磨耐蚀钢在正压力较小时，其磨损速度随磨程增加而减慢；正压力增大时，磨损量呈线性增加趋势，其磨损速度由正压力与橡胶轮转速共同决定。相同磨程条件下，橡胶轮转速越小，磨损量越大。附图3为磨损里程为16.105k m时，不同转速下，试样磨损量随正压力变化的情况。

实施例2所得的耐磨耐蚀钢，MPX-2000型盘销式摩擦磨损试验机销盘磨损试验正压力20N，180目碳化硅水砂纸干磨，磨程312m，磨损量为22mg；磨程1560m，磨损量为180mg。润滑条件下正压力30N磨程1000m，磨损量43mg；磨程5000m，磨损量200mg。

对比数据：匡加才等2006年在吉林大学学报上发表的《高强度低合金空冷贝氏体铸钢》一文，对几种空冷贝氏体铸钢进行磨损试验，使用ML-10型销盘式两体磨损试验机，120号石英水砂纸与试样对磨，磨程为10.409m，载荷为7.84N，含碳量为0.15％左右的空冷贝氏体铸钢，磨损量为6mg左右。

由以上对比可知，本发明钢具有更为优良的耐磨性能。

Claims (1)

1.一种低合金耐磨耐蚀钢的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

a.电炉冶炼：碳钢新料进高功率电弧炉冶炼，冶炼过程中依次加入钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁，冶炼出炉温度为1600～1620℃，得到钢液；

上述钼铁、镍板、铌铁、低碳铬、工业纯铝、锰铁、硅铁、稀土硅铁的加入量满足以下条件：使所得到钢液的化学成分按重量百分比为：

C：0.10％～0.16％；

Si：1.0％～1.6％；

Mn：0.8％～1.6％；

Cr：1.0％～1.6％；

Mo：0.3％～0.4％；

Ni：0.3％～0.4％；

Al：0.6％～1.0％；

稀土+Nb：≤0.1％；

余量为Fe；

b.浇注：进行钢液浇注，浇注温度为1610℃，铸造成型，得铸态钢；

c.热处理工艺：浇注后得到的铸态钢经1000℃奥氏体化后，以油为淬火介质冷却至350℃保温1.5小时，取出空冷，得到低合金耐磨耐蚀钢，该钢的微观组织结构为无碳化物贝氏体。

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