一种用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢
阅读说明：本技术 一种用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢 (High-toughness high-wear-resistance alloy steel for shot blasting machine blade ) 是由 李卫 陈鹏 易艳良 涂小慧 于 2021-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于抗磨金属材料技术领域,具体涉及一种用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢。该合金钢的化学成分,以质量分数计,包括：0.8～1.2％C,0.5～1％Si,0.5～1％Mn,0.5～1％Cr,3～5％Mo,0.4～0.8％Ni,2～4％W,1.5～2.5％V,余量为Fe。本发明在高碳合金钢中添加适量的Mo和W,可获得高温稳定性和抗磨性优异的碳化物MC,并利用适量V添加改变碳化物MC形貌及分布,增加金属基体的连续性,从而改善合金韧性。(The invention belongs to the technical field of wear-resistant metal materials, and particularly relates to high-toughness high-wear-resistant alloy steel for a shot blasting machine blade. The alloy steel comprises the following chemical components in percentage by mass: 0.8-1.2% of C, 0.5-1% of Si, 0.5-1% of Mn, 0.5-1% of Cr, 3-5% of Mo, 0.4-0.8% of Ni, 2-4% of W, 1.5-2.5% of V, and the balance of Fe. According to the invention, a proper amount of Mo and W is added into the high-carbon alloy steel, so that the carbide MC with excellent high-temperature stability and wear resistance can be obtained, the appearance and distribution of the carbide MC are changed by adding a proper amount of V, and the continuity of a metal matrix is increased, thereby improving the toughness of the alloy.)
技术领域
本发明属于抗磨金属材料
技术领域
，具体涉及一种用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢。背景技术
目前，国内外的抛丸机基本具备工作效率高、消耗能量低、高劳动强度、实现自动化等优点，其中抛丸机叶片作为矿山行业中的常用设备。但是，抛丸机叶片作为抛丸器中磨损失效最严重的部件，它的使用寿命将直接影响抛丸效率，故研究抛丸机叶片的成分、结构、性能对其应用具有重要意义。
抛丸机叶片在运行中的工况特点是：抛丸机的高速运转，线速度很大，弹丸对叶片切削作用大的同时，由于弹丸的反复冲击作用，叶片表面因疲劳造成裂纹，形成剥落。传统抛丸机叶片材料采用高铬铸铁制造，但高铬铸铁由于存在碳化物粗大且杆状分布，导致在高应力工况下极易开裂。所以制造抛丸机叶片需要一种力学性能良好的材料，而高耐磨合金钢的力学性能特别是硬度和韧性可以在很大的范围内调整，可根据不同的使用条件，将强度、冲击韧度和耐磨性能综合考虑和匹配，相比于其他材料更加符合抛丸机叶片的运行工况。对此，选择高耐磨合金钢作为一种制造抛丸机叶片效果将更佳，同时在合金钢中添加适量的Mo和W元素，不仅可以获得高温稳定性和抗磨性优异的细小碳化物，还极大增加金属基体的连续性，从而极大提高抛丸机叶片的力服役效能。
然而，钢铁耐磨材料中富W(Mo)碳化物是共晶化合物，在凝固时发生的反应为非小平面-小平面共晶，具有强烈的各向异性，其液-固界面为特定晶面构成，所以在凝固结束后共晶耐磨相一般易形成连续的网状结构。裂纹一旦形成会沿着这种结构耐磨相快速扩展进而引发材料过早失效，即便此时具有高强韧性的基体也无法有效阻止裂纹扩展。这表明共晶耐磨相的结构形态在很大程度上影响着钢铁耐磨材料的服役寿命，因此开展共晶耐磨相形态控制的相关规律性研究将具有非常重要的意义，也将是未来耐磨材料设计的主要发展趋势。所以，开发一种用于抛丸机叶片的高韧性高耐磨合金具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢。该合金钢硬度高、冲击韧性好及耐磨性优，且制备方法工艺简单、生产周期短、能耗低。
本发明在高碳合金钢中添加适量的Mo和W，可获得高温稳定性和抗磨性优异的碳化物MC，并利用适量V添加改变碳化物MC形貌及分布，增加金属基体的连续性，从而改善合金韧性。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢，该合金钢的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：0.8～1.2％C，0.5～1％Si，0.5～1.1％Mn，0.5～1％Cr，3～5％Mo，0.4～0.8％Ni，2～4％W，1.5～2.6％V，余量为Fe。
高铬铸铁中的钒抑制了碳原子的扩散，阻碍MC碳化物的生长，从而可以细化组织和改变碳化物形貌及分布，达到碳化物由长条状转变为球状，对基体的割裂程度减小的目的。
优选的，所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：1.05％C，0.52％Si，1％Mn，0.64％Cr，4.19％Mo，0.52％Ni，3.12％W，1.68％V，余量为Fe。
优选的，所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：1.09％C，0.55％Si，1.01％Mn，0.69％Cr，4.21％Mo，0.58％Ni，2.92％W，2.06％V，余量为Fe。
优选的，所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的化学成分，以质量分数计(wt％)，包括：1.01％C，0.73％Si，0.94％Mn，0.56％Cr，4.08％Mo，0.62％Ni，3.16％W，2.52％V，余量为Fe。
优选的，所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的碳化物粒化且均匀分布，其形状因子K为0.4～0.6。
优选的，所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的冲击韧性为20～27J/cm2。
优选的，所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的硬度为64～66HRC。
所述用于抛丸机叶片的高韧高耐磨合金钢的制备方法，包括以下步骤：
1)取废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁及纯铁按质量比例40～44％：8～9％：1～1.5％：8.4～10.3％：1.5～3％：27.4～38.7％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)将2～4％钨粉烘干后加入熔炼炉，并且将温度升至1500～1580℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.4～0.8％纯镍棒；
3)当钢水温度达1400～1480℃时，浇注成铸件，将铸件在950～1050℃下保温2～4h，空冷至室温，随后在200～300℃下进行3～6h回火处理，制得高耐磨合金钢。
上述制备步骤中，废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁、纯铁、钨粉、纯镍的质量百分比之和为100％。
所用各炉料的化学成分，以质量百分数计，如表1所示：
表1各炉料化学成分(wt％)
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明合金钢中添加适量V后，合金碳化物粒化且均匀分布，其形状因子K为0.4～0.6；
2、本发明高耐磨合金钢的冲击韧性高，可达到20～27J/cm2；
3、V对钢件具有固溶强化作用，同时也是提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，本发明高耐磨合金钢宏观组织硬度高，达到64～66HRC，将现有常规高铬铸铁提高近8.0％；
4、本发明高耐磨合金钢抗冲击耐磨性较高，较Cr26高铬铸铁提高250～300％。
附图说明
图1实施例3制得的高韧高耐磨合金钢的EDS分析。
图2实施例1和实施例3制得的高韧高耐磨合金钢SEM组织形貌：(a)实施例1；(b)实施例3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明涉及的原料均可从市场上直接购买。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
以下实施例的制备步骤中，所述百分数均为质量百分数。
实施例1
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明高韧高耐磨合金钢，其制造工艺步骤是：
1)取废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁及纯铁按质量比例40.8％：8.4％：1.2％：9.1％：1.6％：34.3％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)将4％钨粉烘干后加入熔炼炉，并且将温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.6％纯镍棒；
3)当钢水温度达1460℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温3h，空冷至室温，随后在250℃下进行4h回火处理，制得高韧高耐磨合金钢。
经本实施例制得的高韧高耐磨合金钢的具体成分见表2。本实施例高韧高耐磨合金钢中碳化物形状因子K为0.4；合金钢的抗冲击耐磨性较高，较Cr26高铬铸铁提高272％；宏观组织硬度高，达到64HRC，较现有常规高铬铸铁Cr26提高近5.3％；冲击韧性高，可达到23.1J/cm2，较现有常规高铬铸铁Cr26提高近112.1％。
实施例2
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明高韧高耐磨合金钢，其制造工艺步骤是：
1)取废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁及纯铁按质量比例41.8％：8.8％：1.5％：9.2％：2％：32.1％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)将4％钨粉烘干后加入熔炼炉，并且将温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.6％纯镍棒；
3)当钢水温度达1460℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温3h，空冷至室温，随后在250℃下进行4h回火处理，制得高韧高耐磨合金钢。
经本实施例制得的高韧高耐磨合金钢的具体成分见表2。本实施例高韧高耐磨合金钢中碳化物形状因子K为0.5；合金钢的抗冲击耐磨性较Cr26高铬铸铁提高296％；宏观组织硬度高，达到65HRC，将现有常规高铬铸铁提高近5.8％；冲击韧性高，可达到26.1J/cm2，较现有常规高铬铸铁Cr26提高近139.7％。
实施例3
采用500公斤中频感应电炉熔炼本发明高韧高耐磨合金钢，其制造工艺步骤是：
1)取废钢、铬铁、锰铁、钼铁、钒铁及纯铁按比例42.8％：9.0％：1.5％：9.2％：2.6％：30.3％混合后装填入熔炼炉中，加热至融化；
2)将4％钨粉烘干后加入熔炼炉，并且将温度升至1550℃，加入脱氧剂铝丝，待炉料完全溶化后加入0.6％纯镍棒；
3)当钢水温度达1460℃时，浇注成铸件，然后将铸件在1000℃下保温3h，空冷至室温，随后在250℃下进行4h回火处理，制得高韧高耐磨合金钢。
经本实施例制得的高韧高耐磨合金钢的具体成分见表2。本实施例高韧高耐磨合金钢中碳化物形状因子K为0.6；合金钢的抗冲击耐磨性较Cr26高铬铸铁提高303％；宏观组织硬度高，达到66HRC，将现有常规高铬铸铁提高近7.8％；冲击韧性高，可达到27.0J/cm2，较现有常规高铬铸铁Cr26提高近147.9％。
表2高耐磨合金钢的化学成分(质量分数，wt％)
本发明合金钢中添加V元素，在钢件中能降低碳化物在晶界上形成连续网状的趋势，还可以提高钢件的淬透性减少残余奥氏体，从而增加钢件的耐磨相，此外V对钢件具有固溶强化作用，同时也是提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度。实施例1～3制得的高韧高强耐磨合金钢组织由MC碳化物和马氏体基体组成，基体起到支撑和固定硬质相碳化物的作用，反过来碳化物起到保护基体被磨耗的作用。实施例1中，主要是富W(Mo)共晶碳化物已长条杆状分布；而实施例3中，既有富Fe(V)的共晶碳化物又有富W(Mo)的共晶碳化物，此时碳化物粒化且均匀分布在基体中(见附图1和2)，进而改善了材料的耐磨性，并随着含量的不同，其力学性能不同。相比之下，实施例3制得的合金钢耐磨性远高于实施例1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。